Жизнь, какой мы ее знаем

Прежде чем искать во Вселенной места, где могут обитать инопланетяне, следует ответить на один из фундаментальных вопросов бытия — насколько разнообразна химическая основа жизни. На первый взгляд химические процессы представляют собой случайное движение частиц. В действительности, как мы с вами убедимся, химия — наука, которая стремится к сложности и порядку, и эта тенденция позволяет многое узнать как о происхождении жизни на Земле, так и о шансах на ее существование на других планетах. В этой главе мы обсудим и многие другие темы. Обязательно ли жизнь имеет углеродную основу и нуждается в воде? Могут ли эффективно решить те же задачи другие химические элементы и соединения? Наконец, возможен ли переход от химических веществ к живой материи без некой божественной искры?

В 1871 г. Чарльз Дарвин в письме другу Джозефу Дальтону Хукеру рассуждал о зарождении жизни на Земле «в теплом маленьком водоеме со всевозможными солями аммиака и фосфора…» В то время шли яростные споры о возможности спонтанного возникновения живой материи. С одной стороны, Луи Пастер продемонстрировал, что в запечатанной колбе жизнь не зародилась. Другие ученые, однако, оспаривали достоверность эксперимента Пастера на том основании, что для трансформации химической основы в жизнь нужно время, намного превышающее продолжительность опыта.

Если жизнь зародилась именно так, то мы вынуждены постулировать — вслед за Дарвином и его современниками, — что в комплексе сложных химических соединений неким образом возникла комбинация «молекулы жизни» и что все живое не более чем чрезвычайно сложные химические системы. Сегодня эта мысль претит многим точно так же, как и 150 лет назад. Противники этой гипотезы утверждают, что жизнь слишком сложна — и слишком мудро устроена, — чтобы возникнуть по чистой случайности.

Возможно, это неприятие объясняется тем, что представление о шансе и случайности неразрывно связано с нашим пониманием мира на молекулярном уровне. В школе нас знакомят с теорией строения материи из частиц, согласно которой отдельные бесформенные крупицы материи (частицы) движутся в объеме газа, жидкости или твердого тела. Однако охарактеризовать молекулярный мир как «мир случайности» означает исказить ряд фундаментальных положений химии.

Пока Дарвин искал свидетельства эволюции путем естественного отбора, другой титан науки XIX в. — австриец Людвиг Больцман пытался создать единую теорию, описывающую общие свойства веществ, например вискозы, исходя из следующего представления: в микромасштабе абсолютно все в конечном счете сводится к базовым строительным блокам — атомам. Между тем многие его современники считали безумной саму мысль о существовании атомов и молекул. Тем не менее Больцман сумел воплотить свои идеи в термодинамике — разделе физики, объясняющем такие явления, как давление, температура и объем газа, движением и столкновением составляющих его атомов или молекул. Открытие Больцмана оказало колоссальное воздействие на наши представления о протекании химических реакций. Один из студентов ученого, шведский химик Сванте Аррениус, установил, что скорость химической реакции определенным образом зависит от температуры. Открытая Аррениусом зависимость свидетельствует, что для осуществления химической реакции две соударяющиеся молекулы должны обладать пороговой энергией. Слишком медленные молекулы просто отскочат друг от друга, и химического превращения не произойдет. Следовательно, чем выше температура, тем большая часть молекул становится достаточно быстрой, чтобы преодолеть потенциальный барьер и вступить в химическую реакцию. Соответственно, и скорость реакции возрастает.

Открытие Аррениуса привело к революционной перестройке мышления химиков. Теперь можно было представить себе химическую реакцию как процесс, протекающий в своего рода «энергетическом ландшафте», где цепочки химических превращений начинаются в высокогорьях и спускаются по ущельям в долины. Иногда им приходится преодолевать горные хребты — барьеры, контролирующие общую скорость реакций, поскольку лишь некоторая часть молекул способна перевалить через возвышенности на пути. Комбинация температуры и высоты барьеров определяет, какие реакции возможны при данной температуре, а какие нет.

Если вам кажется, что все это очень далеко от темы инопланетной жизни, еще немного терпения! Дело в том, что идеи Больцмана и Аррениуса позволили определить температурный интервал, в котором могут протекать полезные — способные привести к появлению жизни — химические превращения. В сущности, это химический аналог зоны 3латовласки: если температура слишком низкая, реакции протекают очень медленно, а некоторые вообще невозможны; с другой стороны, при слишком высокой температуре всякая избирательность пропадает, поскольку все точки перевала становятся преодолимыми. Постепенно, по мере дальнейшего ухода температуры за верхний предел, все химические соединения испаряются и молекулы распадаются на атомы. Иными словами, температура является решающим селектором в химии и задает границы, в которых возможны химические, а в конечном счете и биологические структуры.

Влияние температуры на протекание реакций — лишь одна из причин, по которой считать химию областью «случайного» было бы ошибкой. Есть и другая причина: молекулярный мир, безусловно, не состоит из бесформенных частиц. Наоборот, атомы соединяются друг с другом в молекулы в строгом соответствии со своей структурой и строением электронных оболочек. Например, при соединении углерода с водородом возникает связь, которая не распадется спонтанно, пока температура не повысится до 300-400°С. Это сильная, стабильная связь. Она еще и совершенно симметрична: пары электронов, объединяющие друг с другом каждые два атома, распределены между ними равномерно.

Когда к углероду присоединяется кислород, возникает столь же прочная связь, но с совершенно иным распределением электронных пар. Они значительно смещены к атому кислорода, вследствие чего возникает так называемая поляризованная связь: атом углерода приобретает небольшой положительный заряд (поскольку электроны отдалены от него), а атом кислорода — небольшой отрицательный. Поляризация очень характерна для химических соединений, что имеет множество важных следствий. Молекула со значительным разделением зарядов становится очень «контактной»: если две такие молекулы окажутся рядом, сила электростатического притяжения обязательно их соединит. Таким образом, представление о молекулярном мире как о месиве хаотически перемещающихся «частиц» неверно — химия подчиняется закономерностям, а не случайности. Фактически возникновение сложных структур и даже жизни есть результат тонких различий в положении и взаимодействии электронов, от которых зависит сложность возникающих химических соединений. Не будь атомного разнообразия, не было бы и шанса на зарождение жизни ни на Земле, ни где бы то ни было во Вселенной.

Однако роскошь единовременно учитывать только одну реакцию доступна лишь в контролируемых условиях химической лаборатории. В реальном мире — на дарвиновском «теплом мелководье» — могут одновременно протекать десятки химических реакций с разными скоростями, в результате которых образуется множество веществ.

В далекие 1950-е гг. русский биохимик Борис Белоусов обратил внимание на группу внешне простых химических соединений, которые вели себя парадоксальным образом. При смешивании они меняли цвет, поочередно становясь то желтыми, то бесцветными. Что, если в действительности имела место циклическая смена двух состояний? Мысль о реакции, многократно протекающей от исходных компонентов к конечным соединениям и обратно, казалась абсурдной, и коллеги-ученые объявили Белоусова мошенником и фантазером. Химическая реакция не может потечь в обратную сторону, как скатившиеся с горы сани не могут «передумать» и вновь подняться на вершину! В конце концов, любые реакции следуют определенным маршрутом через «энергетический ландшафт» от высокоэнергетических к низкоэнергетическим, более стабильным продуктам. Обратное действие противоречило бы законам термодинамики.

Белоусов, впрочем, обнаружил не столько химическую реакцию, сколько химическую «экосистему», в которой молекулы формируются и потребляются определенным образом в зависимости от химических обратных связей. Эти процессы порождают изменения концентрации химических «видов», подобно тому как популяции биологических видов — львов и антилоп гну — циклически растут и сокращаются на равнинах Серенгети.

Практически в то же самое время математик Алан Тьюринг, не слышавший о работе Белоусова, выдвинул предположение: если гипотетическую систему такого рода оставить не смешанной, то вследствие совместного действия химических реакций и диффузии (случайным образом протекающего перемещения молекул из одного места в другое) должны возникать соединения и структуры. Исследования последующих 70 лет продемонстрировали способность подобных систем спонтанно создавать узоры, напоминающие раскраску тропической рыбы, зебры и пятнистой кошки, — произвольные следствия химических процессов в чистом виде. Эти феномены, постепенно встраивающие химические взаимодействия в более сложные схемы, неизбежно должны повторяться на каждой из миллиардов планет, предположительно имеющих потенциал развития жизни. Все, что для этого нужно, — постоянный приток энергии от ближней звезды, чтобы движущиеся молекулы оставались на энергетических «высокогорьях».

Если сделать раствор соли и дать воде испариться, соль кристаллизуется, самостоятельно приняв форму правильных кубических кристаллов. То, что выглядит как изделие рук человеческих, в действительности является ионами натрия и хлора, перешедшими в состояния с самым низкоэнергетическим, а значит, и самым стабильным взаимным расположением заряженных атомов. Априори предсказать структуру кристаллов, состоящих из сложных молекул, — чрезвычайно трудная задача, но структура эта в любом случае предопределяется таким взаимным расположением носителей противоположных зарядов в молекуле, при котором достигается наименьшее притяжение и отталкивание. Из еще более сложно организованных структур, таких как крупные органические молекулы, например жиры, могут формироваться еще более впечатляющие композиции. Вышеописанный процесс минимизации энергетического статуса способен порождать упорядоченные структуры и выверенные конструкции, внешне имеющие пугающее сходство со строением живых систем.

Может показаться, что сборка таких композиций зависит исключительно от структуры молекул как таковых. Но при этом не учитывается ключевой фактор, делающий эту самосборку возможной, — наличие воды, растворителя, в котором протекают все биохимические реакции земных форм жизни. Вода не просто служит средой, где движутся молекулы. Вода — это что угодно, только не пассивная матрица.

Уникальность воды обусловлена почти парадоксальным сочетанием ее свойств — невероятной стабильности и исключительной химической «всеядности». Это противоречие объясняется необычностью ее химического строения. С одной стороны, две связи в молекуле Н₂0 - между атомом кислорода и каждым из атомов водорода — обладают почти максимальной прочностью, доступной единичной связи. Но у них есть дополнительное свойство: электроны большую часть времени находятся ближе к атому кислорода, вследствие чего он приобретает выраженный отрицательный заряд. Поэтому молекулы воды чрезвычайно «липучи». Одна молекула присоединяется к другой и т.д., образуя бесконечную сеть сильных взаимных связей. Одним из неожиданных следствий этой липкости является способность воды образовывать структуры. К примеру, если я смешаю растительное масло и воду, они не соединятся. Для того чтобы заставить их соединиться, нужно разрушить сеть молекул воды, чтобы молекулам масла было куда встроиться. При этом вода вынуждена формировать своего рода оболочку вокруг каждой молекулы масла. Это весьма энергозатратный процесс, и очень быстро молекулы масла и молекулы воды слипаются со «своими», и смесь разделяется на два отчетливых слоя.

Представим теперь, что мы создали молекулу в форме, характерной для сперматозоида, с длинным подвижным хвостом и заряженной головкой. При ее взаимодействии с водой произойдет нечто потрясающее. Поляризованные молекулы воды скопятся вокруг заряженных головок, а хвосты соединятся. Возникнут кластеры с определенной структурой. Это могут быть простые мицеллы — сферы с маслоподобным ядром и заряженными головками на поверхности — или листы, напоминающие клеточные мембраны. Если эти листы свернутся и сомкнутся, получатся образования, напоминающие живые клетки, — пузырьки. Иными словами, взаимное влияние строения молекулы и характеристик воды способствует спонтанному возникновению структур.

Таким образом, свойства воды критически значимы для формирования бесчисленного множества структур, наблюдаемых нами в биологических системах — от сворачивания белка и самосборки спиралей ДНК до отделения клеток в обособленные структуры.

Наличие на Земле воды в жидком состоянии имело решающее значение для возникновения жизни. Что можно сказать о других планетах Солнечной системы и их спутниках, таких как Титан, на которых вместо водных имеются океаны из других жидкостей? Мыслимо ли развитие жизни в другой жидкой среде? Возможно, да. Такой средой могли бы стать океаны жидкого метана, азота или даже аммиака. Однако условия в них накладывали бы очень жесткие ограничения на любую возникающую форму жизни.

Начнем с того, что молекулы этих жидкостей намного менее «липкие», чем молекулы воды. Поляризация молекул, обеспечивающая вязкость воды, настолько велика, что вода тает и кипит при температурах на десятки и сотни градусов выше, чем другие химические вещества с молекулами аналогичной величины и сложности. При нормальном давлении температура кипения азота и метана близка к -200°С, а несколько более вязкий аммиак закипает при -40°С. Следовательно, в жидком состоянии эти вещества могут находиться лишь там, где очень холодно. При сверхнизких температурах любые химические реакции протекают чрезвычайно медленно. В лабораторных условиях жидкий азот часто используется для остановки всех процессов — при его температуре могут храниться, не разрушаясь, чрезвычайно хрупкие молекулы. Биомолекулы и даже целые клетки в жидком азоте переходят в состояние анабиоза, т.е. любая жизнедеятельность замирает.

Итак, характерные особенности химических процессов сами по себе обеспечивают определенный уровень сложности, возможно ведущий к возникновению жизни. Что еще для этого нужно? Есть ли базовые химические закономерности, которые обязательно должны присутствовать в сложных молекулах, чтобы появились шансы на зарождение жизни?

В 1957 г. Миллер и Юри провели знаменитый эксперимент, в ходе которого несколько недель подвергали кипячению и воздействию электрических зарядов метан, двуокись углерода, воду и аммиак. В результате получился коричневый раствор (возможно, тот самый первичный бульон?), из которого удалось выделить ряд более или менее сложных молекул, напоминающих аминокислоты и простые сахара — строительные блоки жизни. Хотя в XIX в. проводилось много похожих экспериментов, Миллер и Юри стали первыми, кто повторил этот опыт в эпоху современного химического анализа. Их эксперимент многими критиковался за наивность и примитивизм, однако многих заставил задуматься.

Должна ли инопланетная жизнь обязательно быть углеродной в своей основе? Это неверная постановка вопроса. Представление об органической и неорганической химии восходит к эпохе, когда считалась необходимой некая искра, жизненная сила, наделяющая неодушевленную материю тем свойством, которое мы зовем жизнью. Однако теория «витализма» давно отклонена, во всяком случае в науке, и сегодня понятия органики и неорганики в равной мере способствуют нашему пониманию и затемняют его. Углерод не элемент, из которого строится жизнь. Это не более чем один из примерно 40 элементов, которые, как нам сейчас известно, необходимы для жизни на Земле. Преимуществом, выделяющим его из ряда прочих жизненно важных элементов, является его способность образовывать великое множество молекул, достаточно стабильных, чтобы служить надежными хранилищами энергии и химической информации, причем в температурных границах существования жидкой воды. Но по мере развития химии в XX и XXI вв. мы находим аналогичные свойства и у других элементов, например у фосфора и кремния.

В обозримом будущем мы едва ли сможем посетить даже ближайшие к нам космические тела, где теоретически могла бы существовать жизнь. Как же нам искать ее? У какой группы ученых больше всего шансов на это эпохальное открытие? Проект SETI сосредоточился на поиске радиосигналов, однако это чрезвычайно сужает круг возможных находок до цивилизаций, использующих радио, телевидение и мобильные телефоны.

В поиске инопланетной жизни нам следует обратиться к методам, превращающим химию из увлекательной, но сугубо земной области знаний в универсальную дисциплину, способную охватить и осмыслить безбрежные пространства Вселенной. Согласно выдвинутому в 1970-е гг. предположению Джеймса Лавлока и Карла Сагана, возникновение жизни на любой планете должно изменить состав ее атмосферы, как это произошло на Земле, где внезапно начал вырабатываться кислород. Земная атмосфера содержит красноречивый признак существования системы живых организмов на основе воды и фотосинтеза.

В 1859 г., в тот самый год, когда Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов», Роберт Бунзен и Роберт Кирхгоф пропустили солнечный свет через призму и поняли, что темные линии на полученном спектре в точности соответствуют ярким цветам спектра горячего пламени, когда в него вносят крупинки солей металлов. Они доказали, что поставленный на земле химический опыт позволяет судить о составе и свойствах космических объектов. Через 40 лет с помощью именно этого метода — спектроскопии — был открыт гелий на Солнце, прежде чем его удалось выделить на Земле.

Недавно астрофизик Джованна Тинетти (см. главу 18) с коллегами обнародовали результаты потрясающей работы — первого в истории спектрального анализа атмосферы экзопланеты, отстоящей от нас на 70 св. лет. Это первая попытка взглянуть на мир, в корне отличающийся от любого объекта Солнечной системы. В последующие годы наши возможности в изучении экзопланет невероятно возрастут благодаря новым телескопам, которые позволят заглянуть еще дальше в космос. Знания в области химии помогут осмыслить увиденное.

Плиний, цитируя Аристотеля, сказал: Ex Africa semper aliquid novi — «Африка всегда преподносит что-нибудь новое». Для нас такой Африкой станут другие планеты. Но даже если нам удастся найти признаки существования внеземной жизни, не следует забывать о необходимости в первую очередь оберегать жизнь на нашей собственной планете, эту сложную сеть взаимосвязей, благодаря которой мы существуем. Возникновение жизни на Земле изменило состав атмосферы и сделало возможным нынешнее многообразие видов. В последние два столетия человечество как биологический вид также накладывает химический отпечаток как на атмосферу, так и на кору Земли. Мы не знаем, является ли наша глобальная экосистема одной из миллиардов или одной-единственной во всей Вселенной. Однако для нас это идеальная среда обитания, к которой мы адаптированы наилучшим образом. Давайте помнить о том, что самым важным местом для нас является то, которое мы называем своим домом.