SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

Таким образом, дискуссия об органических соединениях в метеоритах (очень острая в первые годы становления проблемы SETI) завершилась признанием их абиогенного, внеземного происхождения. Однако к моменту, когда это было установлено, острота проблемы уже спала. Это связано с обнаружением методами радиоастрономии органических молекул в межзвездных газопылевых облаках (см. п. 2.1.4); среди них: аммиак, цианистый водород, формальдегид, ацетальдегид, цианоацетилен и вода, т. е. те молекулы, которые в лабораторных опытах по моделированию химической эволюции рассматриваются как предшественники аминокислот, нуклеотидов и углеводов. Эти открытия, в сочетании с обнаружением органических веществ в кометах и метеоритах, свидетельствуют о том, что повсюду во Вселенной (по крайней мере, в нашей Галактике) в широких масштабах происходит синтез биологически важных соединений, в том числе основных мономеров генетической системы. Как подчеркивает Н. Хоровиц, этот процесс представляет собой явление космического масштаба. Поэтому не исключено, что органические соединения (по крайней мере, часть из них), которые легли в основу первых живых организмов, имели внеземное происхождение. Вещество метеоритов и комет, падавших на первобытную Землю, могло послужить источником органических молекул и, тем самым, ускорить процесс химической эволюции на Земле. Так или иначе, но образование основных строительных блоков биохимии, в свете современных данных, не представляет собой серьезную проблему. Но это лишь первый шаг на нуги к жизни. Следующий шаг должен состоять в полимеризации — образовании полимеров, молекулы которых входят в состав живой клетки.

Этот процесс, по-видимому, протекал в первобытном океане, который представлял собой довольно насыщенный раствор органических соединений (первичный бульон), а также в более мелких водоемах. Но как это происходило? При синтезе полимеров на каждом этапе к растущей цепи присоединяется очередной мономер. При этом потребляется определенная энергия и выделяется молекула воды. В живой клетке специально вырабатываются богатые энергией молекулы, и, кроме того, весь процесс протекает под контролем соответствующих белков-ферментов, которые не только ускоряют реакции, но и устраняют ненужные молекулы В «первичном бульоне» отсутствовали ферменты, под действием которых могли синтезироваться нуклеиновые кислоты, и отсутствовали эти кислоты, которые управляют синтезом белков-ферментов. При этом необходимые для синтеза молекулы составляли только часть (и вероятно, не очень значительную) общего количества растворенных органических соединений. Как при этих условиях могли образоваться первые полимеры — остается не ясным.

Как ни странно, важную роль в этом процессе могла сыграть обыкновенная глина, имеющаяся у берегов и на дне водоемов. Частицы глины обладают высокой абсорбционной способностью, что позволяет, с одной стороны, увеличивать концентрацию оседающих на них органических соединений, а с другой, — удалять лишние молекулы, в том числе образующиеся при полимеризации молекулы воды. Кроме того, структура атомных решеток в глинистых минералах могла бы послужить в качестве матриц для упорядочения органических молекул. Действительно, эксперименты показали, что некоторые глинистые минералы способствуют полимеризации, помогая выстраивать в цепочки отдельные мономеры. И все же образование полимеров в первобытных водоемах остается пока одной из величайших загадок.

Следующая проблема — образование внутренней среды живой клетки. Если в растворе каким-то образом сформировались органические полимеры, то при достаточно высокой концентрации они, как показывают исследования, будут объединяться в крупные молекулярные агрегаты, насчитывающие сотни тысяч молекул. Такие агрегаты выделяются из раствора в виде коацерватных капель. При наличии подходящих молекул коацерватные капли окружаются мембраной. В результате образования коацерватных капель в первобытном океане в них могли сконцентрироваться почти все присутствующие в океане белковые молекулы и другие полимеры, а в окружающей среде остаться только сравнительно простые низкомолекулярные соединения. По мнению академика А. И. Опарина, коацерватные капли могли послужить прообразом живой клетки. Внутри таких капель протекают простые химические реакции. При этом они обладают способностью улавливать и впитывать необходимые вещества из окружающего их низкомолекулярного раствора. В этой способности Опарин видит зачатки обмена веществ, характерного для живой клетки. Возможно, образование коацерватных капель, действительно, сыграло определенную роль на пути формирования жизни, и все-таки коацерватная капля — это еще не клетка с ее очень тонкой структурой и организацией. Чтобы из коацерватной капли сформировать клетку, в нее, образно говоря, надо вдохнуть душу. Прежде всего надо создать и поместить внутри клетки прекрасно отлаженный механизм наследственности. Каким образом появился этот механизм — остается совершенно неясным. Если бы даже каким-то чудом в первобытном океане возникла настоящая молекула ДНК, вполне подобная современной, она была бы совершенно беспомощна; ведь, как мы уже не раз отмечали, молекула ДНК функционирует лишь при наличии белков-ферментов. Мы уже не говорим о необходимости иметь в дополнение к ДНК несколько видов РНК и такие клеточные структуры, как рибосомы. Возникновение механизма наследственности, по-видимому, является центральной проблемой происхождения жизни на Земле.

И. С. Шкловский выделяет в этом процессе следующие этапы:

1) эволюция малых молекул (образование мономеров);

2) образование полимеров;

3) возникновение каталитических функций;

4) самосборка молекулы;

5) возникновение мембран и доклеточная организация;

6) возникновение механизма наследственности;

7) возникновение живой клетки.

В настоящее время мы достаточно ясно представляем себе только первый этап и в какой-то мере приблизились к пониманию второго. Все остальное остается совершенно неясным. Несмотря на казалось бы большие успехи, наука все еще очень далека от понимания процесса происхождения жизни. Складывается впечатление, что чем больше мы узнаем о тайнах живой клетки, тем меньше понимаем, как могло возникнуть это чудо природы. Крупнейший российский ученый академик В. И. Вернадский подчеркивал, что отсутствие перехода от неживого вещества к живому — это не гипотеза и не теоретическое построение, а обобщение, основанное на эмпирических данных. Он считал, что жизнь во Вселенной существует вечно и привнесена на Землю из Космоса.

В последнее время под влиянием отмеченных трудностей интерес к панспермии возрождается вновь. При этом, наряду с анализом классического варианта теории, предложенного Аррениусом, была выдвинута идея о направленной панспермии, согласно которой жизнь занесена на Землю из Космоса, но не случайно, а в результате сознательной деятельности высокоразвитых внеземных цивилизаций. Наиболее полно эта идея была обоснована Ф. Криком и Л. Оргелом в 1973 г., хотя и раньше подобные мысли высказывались другими учеными, например, Дж. Холдейном, а еще раньше К. Э. Циолковским[227]. В отличие от своих предшественников, которые исходили из общих умозрительных соображений, Крик и Оргел пытались обосновать гипотезу панспермии с биологических позиций. Одним из важнейших аргументов в пользу направленной панспермии они считают универсальность генетического кода Ведь в условиях спонтанного возникновения жизни путем химической эволюции множества молекул можно ожидать образования организмов с различными системами генетического кода. Между тем, известно (мы уже упоминали об этом), что все живые организмы на Земле — от бактерий до человека — используют один и тот же универсальный генетический код.

Выше отмечалось, что данные о концентрации следовых элементов в живых организмах как будто указывают на то, что жизнь возникла на самой Земле (хотя мы и не знаем, как это произошло). Возможно, направленная панспермия, если она действительно имеет место, осуществляется на уровне преджизни, т. е. переносится лишь управляющая программа, а для построения «тела» клетки используются те элементы, которые имеются в окружающей среде. Это могло бы объяснить корреляцию содержания следовых элементов в живых организмах и в морской воде.

Более важным для теории панспермии является вопрос: как возникла жизнь в тех мирах, откуда она начала свои распространение? Как первоначально возникла жизнь во Вселенной? Это вновь возвращает пас к проблеме вечности жизни. Несомненно, жизнь, в той или иной конкретной форме, возникает на определенном этапе эволюции Вселенной и существует в течение определенного ограниченного времени. Но формы жизни могут сменять друг друга, эволюционируя вместе с развитием Вселенной в бесконечных циклах ее расширения и сжатия. Когда очередная вселенная возникает из вакуумной пены, в ее зародыше, возможно, уже содержится программа ее дальнейшего развития, включая и образование жизни. В течение какого-то времени она существует в потенциальном виде, на уровне преджизни, а затем (подобно зерну, попавшему в благоприятную почву и завершившему подготовительный период) «прорастает» к активной форме. Как это происходит, как совершается переход от преджизни к жизни — мы пока, к сожалению, не знаем.

4.2.4. Химия и физика чужой жизни.

До сих пор речь шла о жизни на Земле. Теперь, опираясь на данные о земной жизни, мы должны обсудить вопрос о возможных формах жизни в Космосе. Этот вопрос имеет две стороны: физические основы и химические формы жизни. Жизнь на Земле построена на молекулярной основе. Можно думать, что жизнь за ее пределами, по крайней мере определенный тип внеземной жизни, также имеет молекулярную природу. Остановимся прежде всего на молекулярной жизни. Химический состав и строение молекул, лежащих в основании чужой жизни, вообще говоря, может отличаться от земных. Следовательно, можно говорить о различных формах молекулярной жизни, о различной химии жизни.

Живые существа на Земле на 95 % состоят из водорода, кислорода, углерода и азота. Но это (не считая гелия) как раз самые распространенные элементы во Вселенной[228]. Поэтому весьма вероятно, что они входят также и в состав внеземных организмов. Если это так, то внеземная жизнь, как и жизнь на Земле, будет основана на углеродных соединениях. Именно углерод в этом случае составит основу (каркас) внеземной жизни. В пользу такого заключения говорит и обилие органических соединений в межзвездной среде, в том числе достаточно сложных соединений. Вряд ли это обстоятельство является случайным, и готовые биохимические блоки не находят себе дальнейшего применения. Можно думать, что в определенных условиях, на определенном этапе, действительно, возникает жизнь, основанная на углеродных соединениях. Но это, конечно, не означает, что живая материя всюду состоит точно из таких же молекул, как на Земле. Прежде всего для построения внеземных белков могут использоваться другие аминокислоты, отличные от тех 20-и аминокислот, которые входят в состав земных организмов. Генетические системы внеземной жизни также не обязательно должны быть химически идентичны нашим. Возможно, что в состав внеземных организмов не входят известные нам белки, ДНК и РНК. Но в таком случае там должны быть молекулы, выполняющие аналогичные функции.

Следующий вопрос связан с природой растворителя. Земная жизнь в качестве растворителя использует воду. Это сразу определяет температурный диапазон земной жизни: от 0 до 100 °С. Возможны ли другие типы растворителя? Надо сказать, что вода — это уникальное вещество, обладающее очень ценными свойствами. Прежде всего она прекрасно растворяет разнообразные органические соединения. Далее, вода обладает высокой теплоемкостью и высокой теплотой парообразования. Это позволяет, с одной стороны, сглаживать резкие изменения внешней температуры окружающей среды, а с другой, — регулировать внутреннюю температуру организма путем отвода тепла, выделяемого внутри клетки, за счет испарения небольшого количества воды. Имеет значение и высокое поверхностное натяжение воды: в живой клетке оно способствует концентрации твердых веществ вблизи мембраны. Этим уникальные свойства воды не исчерпываются. Тем не менее она не является единственно возможным растворителем.

Хорошо растворяет органические вещества также аммиак, который и по другим свойствам приближается к воде. По составу органические соединения, растворимые в аммиаке, отличаются от привычных нам «водноуглеродных». Чтобы установить соответствие между ними, надо заменить в обычных органических соединениях кислород на аминовую группу NН, а гидроксильную группу ОН заменить на амин NН₂ . Так, этиловому спирту С₂Н₅ОН будет соответствовать соединение С₂Н₅NН₂ . Таким способом можно построить аналоги обычных аминокислот и аналоги состоящих из них белковых соединений. Так же могут быть построены аналоги ДНК и РНК с их кодом наследственности. Если такие аммиачные организмы существуют, то процессы метаболизма в них отличаются от метаболизма земной жизни. Земные организмы пьют воду и дышат кислородом, а «аммиачные» организмы пьют аммиак и дышат азотом. При нормальном давлении аммиак сохраняется в жидком состоянии в интервале температур от —70 °С до —33 °С. Следовательно, аммиачная жизнь может существовать только при очень низкой температуре. В Солнечной системе подобные условия могут иметь место в атмосферах планет-гигантов, где имеется и достаточное количество аммиака. В настоящее время нет никаких данных о существовании аммиачной жизни, но принципиально такая возможность существует.

Кроме аммиака и воды в качестве возможных растворителей рассматривались метиловый спирт, фтористоводородная кислота (НF) и цианистый водород. Считается, что использование их в качестве растворителя маловероятно, но полностью исключить такую возможность мы не можем. Отметим, что метиловый спирт сохраняется в жидкой фазе при весьма широком диапазоне температур — от —94 °С до + 65 °С, что соответственно расширяет возможности «метилово-углеродной» жизни.

До сих пор речь шла о различных формах углеродной жизни. Но нельзя ли еще больше расширить ее возможности (и диапазон условий существования) за счет перехода к неуглеродным формам? Конечно, использование углерода в качестве основного элемента жизненно важных молекул является не случайным. Выше мы уже говорили о тех свойствах углерода, которые используются при построении биохимических соединений. Благодаря своим химическим свойствам (наличию сильных ковалентных связей) углерод способен образовывать длинные молекулярные цепи, создавая практически неисчислимое множество сложных и вместе с тем стабильных молекул. Более того, поскольку ковалентные связи имеют пространственную ориентацию, углеродные цепи формируются в гигантские трехмерные структуры, которые характерны для активной фазы жизненно важных молекул. Атомы углерода образуют «несущий каркас» (скелет) этих пространственных конструкций. Существуют ли другие элементы с подобными свойствами?

Ближайшим к углероду четырехвалентным элементом является кремний. В периодической системе элементов Менделеева он расположен в одной группе с углеродом, непосредственно под ним. Обилие кремния во Вселенной меньше, чем углерода, но все же он достаточно распространенный элемент; на Земле, например, его много больше, чем углерода. Можно ли на основе кремния построить длинные молекулярные цепи? Связь между атомами кремния приблизительно вдвое слабее, чем между атомами углерода. Но главное не в этом; главное в том, что связь кремний-кремний много слабее связи кремний-кислород и кремний-водород. Поэтому длинные цепочки, основанные на структуре —Si—Si—Si—Si—, создать сложно. Но эта трудность не является непреодолимой. Оказалось, что можно создать кремниевые полимеры на основе кремний-кислородных связей, т. е. на основе цепочки: —Si—O—Si—O—, где атомы кремния чередуются с атомами кислорода. Такие полимеры (силоксаны) стабильны и могли бы послужить основой «кремний-органической» жизни.

В условиях относительно низких температур, которые господствуют на поверхностях планет, кремний-органическая жизни не может возникнуть. Этому препятствует чрезвычайно сильное сродство кремния к кислороду. При температуре меньше 1000 К даже в очень богатой водородом восстановительной атмосфере кремний вместо того, чтобы соединиться с водородом и образовать силан SiH₄ (аналогичный метану в химии углеродных соединений), соединяется с кислородом, присутствующим пусть в самом ничтожном количестве, и образует двуокись кремния SiO₂ . Однако при высокой температуре, больше 1 000 К, простейшие кремний-органические соединения, такие как силан, все же образуются. Наряду с другими кремний-водородными соединениями они могут стать исходным материалом для образования более сложных кремний-органических молекул. Следовательно, жизнь на основе кремния может возникнуть только в условиях высоких температур, которые имеют место в атмосферах звезд или в недрах планет. В связи с этим невольно возникает вопрос: может быть, не так уж не правы были те ученые, которые допускали возможность существования жизни на Солнце? Конечно, с нашей обычной точки зрения, это совершенно экзотические формы жизни.

Большинство специалистов все же скептически относятся к возможности существования жизни на кремниевой основе, полагая, что жизнь может быть построена только на основе углеродных соединений. Выступая на советско-американской конференции CETI в 1971 г., К. Саган назвал эту точку зрения «углеродным шовинизмом».

По его мнению, основанием для такой точки зрения является лишь то обстоятельство, что ее приверженцы сами состоят из углерода. Саган призвал к свободному от антропофорфизма непредубежденному обсуждению проблемы. Надо признать, что психологически это довольно трудно, ибо мы склонны абсолютизировать известные нам вещи. На основе имеющихся на сегодня данных можно заключить, что знакомая нам водно-углеродная жизнь, к которой принадлежим мы сами, по-видимому, является достаточно типичной и должна возникать во всех случаях при наличии условий, близких к тем, которые имели место на первобытной Земле. В то же время в других условиях могут существовать иные формы углеродной жизни, с использованием других веществ в качестве растворителей (например, упомянутая выше аммиачная жизнь). И наконец, нельзя исключить существования не углеродной жизни, хотя здесь нет, по-видимому, безграничного разнообразия возможностей.

Впрочем, и в рамках углеродной жизни можно встретиться с совершенно необычными формами. На одну такую возможность, связанную со сверхпроводимостью, указал В. Л. Гинзбург: Высокотемпературная сверхпроводимость наиболее легко достигается для слоистых и нитевидных соединений. Но именно такие структуры лежат в основании живых систем. Поэтому можно допустить, что на каких-то других планетах в состав живых организмов входят сверхпроводящие вещества, созданные в процессе эволюции. Можно представить, какими необычными свойствами обладала бы такая жизнь!

Обратимся теперь к физическим основам жизни. Мы рассмотрели жизнь на молекулярной основе. Является ли это единственной возможностью? Известный английский астрофизик Ф. Хойл в своем замечательном романе «Черное облако» описал смешанный тип жизни, в котором используются как химические, так и электромагнитные процессы.

Химические процессы основаны на электромагнитном взаимодействии. С этой точки зрения Черное облако и земная жизнь относятся к одному типу. Более радикальные отличия связаны с переходом к типам жизни, основанным на других видах взаимодействий: сильных и гравитационных. Разумеется, все соображения в этой области относятся к чисто умозрительной сфере, но они представляют интерес, так как позволяют осознать круг проблем, с которыми мы можем встретиться при изучении внеземной жизни.

[227] Интересны взгляды Циолковского по этому вопросу. Он считал, что жизнь возникает самопроизвольно лишь на некоторых планетах. Достигнув высокого развития, разумные существа приступают к планомерному заселению Вселенной, сея семена жизни на других планетах. Причем именно этот пуп. Циолковский считал основным.

[228] По своему химическому составу живое вещество на Земле больше напоминает состав звезд и межзвездной среды, чем планеты, на которой мы живем.