158897 (Теорії зародження життя у Всесвіті), страница 3

Спроби відновити події, що відбувалися на зорі формування Сонячної системи, неминуче зв'язані з безліччю невизначеністю. Проміжок часу між виникненням Землі і утворенням якнайдавніших порід, що піддаються геологічному датуванню, протягом якого протікали хімічні реакції, що привели до появи життя, складає 700 млн. років. Лабораторні досліди показали, що для синтезу компонентів генетичної системи необхідна середа відновного характеру; тому можна сказати, що раз життя на Землі виникло, то це може означати наступне: або примітивна атмосфера мала відновний характер, або органічні сполуки, необхідні для зародження життя, звідкись принесені на Землю. Оскільки навіть сьогодні метеорити приносять на Землю різноманітні органічні речовини, остання можливість не виглядає абсолютно фантастичною. Проте метеорити, мабуть, містять далеко не всі речовини, необхідні для побудови генетичної системи. Хоча речовини метеоритного походження, ймовірно, внесли істотний вклад до спільного фонду органічних сполук на примітивній Землі, в даний час здається найбільш правдоподібним, що умови на самій Землі мали відновний характер в такому ступені, що стало можливим утворення органічної речовини, що привело до виникнення життя.

4. Вплив різних критеріїв на зародження життя

Температура і тиск. Якщо припущення про те, що життя має бути заснована на хімії вуглецю, правильно, то можна точно встановити граничні умови для будь-якої середи, здатної підтримувати життя. Перш за все температура не повинна перевищувати межі стабільності органічних молекул. Визначити граничну температуру нелегко, але не вимагається точних цифр. Оскільки температурні ефекти і величина тиску взаємозалежні, їх слід розглядувати в сукупності. Прийнявши тиск рівним приблизно 1 атм. (як на поверхні Землі), можна оцінити верхню температурну межу життя, враховуючи, що багато невеликих молекул, з яких побудована генетична система, наприклад амінокислоти, швидко руйнуються при температурі 200-300°С. Виходячи з цього, можна укласти, що області з температурою вище 250°С нежилі. Реальна температурна межа життя майже напевно має бути нижче вказаного, оскільки великі молекули з складною тривимірною структурою, зокрема білки, побудовані з амінокислот, як правило, чутливіші до нагрівання, чим невеликі молекули. Для життя на поверхні Землі верхня температурна межа близька до 100°С, і деякі види бактерій за цих умов можуть виживати в гарячих джерелах. Проте переважна більшість організмів при такій температурі гинуть.

Може показатися дивним, що верхня температурна межа життя близька до точки кипіння води. Чи не обумовлений цей збіг саме тією обставиною, що рідка вода не може існувати при температурі вище за точку свого кипіння (100°С на земній поверхні), а не якимись особливими властивостями найжвавішої матерії?

Багато років тому Томас Д. Брок, фахівець з термофільних бактерій, висловив припущення, що життя може бути виявлена скрізь, де існує рідка вода, незалежно від її температури. Щоб підняти точку кипіння води, потрібно збільшити тиск, як це відбувається, наприклад, в герметичній каструлі-скороварці. Посилене підігрівання примушує воду кипіти швидше, не міняючи її температури. Природні умови, в яких рідка вода існує при температурі вище за її звичайну точку кипіння, виявлені в районах підводної геотермальної активності, де перегріта вода виливається із земних надр під спільною дією атмосферного тиску і тиску шару океанської води. У 1982 р. К.О. Стеттер виявив на глибині до 10 м в зоні геотермальної активності бактерії, для яких оптимальна температура розвитку складала 105°С.

Дійсно, виміри показали, що температура води в цьому місці складала 103°С. Отже, життя можливе і при температурах вище за нормальну точку кипіння води.

Очевидно, бактерії, здатні існувати при температурах біля 100°С, володіють “секретом”, якого позбавлені звичайні організми. Оскільки ці термофільні форми при низьких температурах ростуть погано або взагалі не ростуть, справедливо вважати, що і у звичайних бактерій є власний “секрет". Ключовою властивістю, що визначає можливість виживання при високих температурах, є здатність проводити термостабільні клітинні компоненти, особливо білки, нуклеїнові кислоти і клітинні мембрани. Біля білків звичайних організмів при температурах біля 60°С відбуваються швидкі і необоротні зміни структури, або денатурація. Як приклад можна привести згортання при вариві альбуміну курячого яйця (яєчного “білка”). Білки бактерій, що мешкають в гарячих джерелах, не випробовують таких змін до температури 90°С. Нуклеїнові кислоти також схильні до теплової денатурації. Молекула ДНК при цьому розділяється на дві складові її нитки. Зазвичай це відбувається в інтервалі температур 85-100°С залежно від співвідношення нуклеотидів в молекулі ДНК.

При денатурації руйнується тривимірна структура білків (унікальна для кожного білка), яка необхідна для виконання таких його функцій, як каталіз. Ця структура підтримується цілим набором слабких хімічних зв'язків, в результаті дії яких лінійна послідовність амінокислот, що формує первинну структуру білкової молекули, укладається в особливу, характерну для даного білка конформацію. Що підтримують тривимірну структуру зв'язку утворюються між амінокислотами, розташованими в різних частках білкової молекули. Мутації гена, в якому закладена інформація про послідовність амінокислот, характерну для певного білка, можуть привести до зміни у складі амінокислот, що у свою чергу часто позначається на його термостабільності. Це явище відкриває можливості для еволюції термостабільних білків. Структура молекул, що забезпечує термостабільність нуклеїнових кислот і клітинних мембран бактерій, що мешкають в гарячих джерелах, мабуть, також генетично обумовлена.

Молекули, що знаходяться в розчині, поводяться абсолютно інакше. Взаємодіючи з розчинником, вони часто розпадаються при високій температурі. Спільна назва таких реакцій - сольватація; якщо розчинником служить вода, то реакція називається гідролізом.

Гідроліз - це основний процес, унаслідок якого в природі руйнуються білки, нуклеїнові кислоти і багато інших складних біологічних молекул. Електричні поля, що виникають при сольволітичних реакціях, приводять до зменшення об'єму розчину шляхом електрострикції, тобто скріплення сусідніх молекул розчинника. Тому слід чекати, що високий тиск повинен прискорювати процес сольволізу, і досліди підтверджують це.

Оскільки ми вважаємо, що життєво важливі процеси можуть протікати тільки в розчинах, звідси витікає, що високий тиск не може підняти верхню температурну межу життя, принаймні в таких полярних розчинниках, як вода і аміак. Температура біля 100°С - ймовірно, закономірна межа. Як ми побачимо, це виключає з розгляду як можливі житла багато планет Сонячної системи.

Атмосфера. Наступна умова, необхідна для населеності планети, - наявність атмосфери. Достатньо прості з'єднання легких елементів, які, зазвичай складають основи жвавої матерії, як правило, летючі, тобто в широкому інтервалі температур знаходяться в газоподібному стані. Мабуть, такі з'єднання обов'язково виробляються в процесах обміну речовин біля жвавих організмів, а також при теплових і фотохімічних діях на мертві організми, які супроводяться виділенням газів в атмосферу. Ці гази, найбільш простими прикладами яких на Землі є діоксид вуглецю (вуглекислий газ), пари води і кисень, врешті-решт включаються в кругообіг речовин, який відбувається в жвавій природі. Якби земне тяжіння не могло їх утримувати, то вони випарувалися б в космічний простір, наша планета з часом вичерпала свої “запаси" легких елементів і життя на ній припинилася б. Таким чином, якби на якомусь космічному тілі, гравітаційне поле якого недостатньо сильно, щоб утримувати атмосферу, виникло життя, вона не могла б довго існувати.

Висловлювалося припущення, що життя може існувати під поверхнею таких небесних тіл, як Луна, які мають або дуже розріджену атмосферу, або взагалі позбавлені її. Подібне припущення будується на тому, що гази можуть бути захоплені під поверхневим шаром, який і стає природним місцем існування жвавих організмів. Але оскільки будь-яке місце існування, що виникло під поверхнею планети, позбавлене основного біологічно важливого джерела Енергії-Сонця, таке припущення лише підміняє одну проблему іншою. Життя потребує постійної притоки як речовини, так і енергії, але якщо речовина бере участь в кругообігу (цим обумовлена необхідність атмосфери), то енергія, згідно фундаментальним законам термодинаміки, поводиться інакше. Біосфера здатна функціонувати, поки забезпечується енергією, хоча різні її джерела не рівноцінні. Наприклад, Сонячна система дуже багата тепловою енергією, тепло виробляється в надрах багатьох планет, включаючи Землю. Проте ми не знаємо організмів, які були б здатні використовувати його як джерело енергії для своїх життєвих процесів. Щоб використовувати теплоту як джерело енергії, організм, ймовірно, повинен функціонувати подібно до теплової машини, тобто переносити теплоту з області високої температури (наприклад, від циліндра бензинового двигуна) в область низької температури (до радіатора). При такому процесі частка перенесеної теплоти переходить в роботу. Але щоб До.П.Д. таких теплових машин був достатньо високим, потрібна висока температура “нагрівача", а це негайно створює величезні труднощі для жвавих систем, оскільки породжує безліч додаткових проблем.

Жодною з цих проблем не створює сонячне світло. Сонце - постійне, фактично невичерпне джерело енергії, яка легко використовується в хімічних процесах при будь-якій температурі. Життя на нашій планеті цілком залежить від сонячної енергії, тому природно передбачити, що ніде у іншому місці Сонячної системи життя не могло б розвиватися без прямого або непрямого споживання енергії цього вигляду.

Не міняє істоти справи і той факт, що деякі бактерії здатні жити в темноті, використовуючи для живлення тільки неорганічні речовини, а як єдине джерело вуглецю - його діоксид. Такі організми, звані хемолітоавтотрофами (що в буквальному переказі означає: що живлять себе неорганічними хімічними речовинами), отримують енергію, необхідну для перетворення діоксиду вуглецю на органічні речовини за рахунок окислення водню, сірі або інших неорганічних речовин. Але ці джерела енергії на відміну від Сонця виснажуються і після використання не можуть відновлюватися без участі сонячної енергії. Так, водень, важливе джерело енергії, для деяких хемолітоавтотрофів утворюється в анаеробних умовах (наприклад, в болотах, на дні озер або в шлунково-кишковому тракті тварин) шляхом розкладання під дією бактерій рослинного матеріалу, який сам, звичайно, утворюється в процесі фотосинтезу. Хемолітоавтотрофи використовують цей водень для отримання з діоксиду вуглецю метану і речовин, необхідних для життєдіяльності клітки. Метан поступає в атмосферу, де розкладається під дією сонячного світла з утворенням водню і інших продуктів. У атмосфері Землі водень міститься в концентрації 0,5 на мільйон часток; майже весь він утворився з метану, що виділяється бактеріями. Водень і метан викидаються в атмосферу також при виверженнях вулканів, але в незрівнянно меншій кількості. Інше істотне джерело атмосферного водню - верхні шари атмосфери, де під дією сонячного Уф-випромінення пари води розкладаються з вивільненням атомів водню, які випаровуються в космічний простір.

Багаточисельним популяціям різних тварин-риб, морських молюсків, мідій, гігантських черв'яків і т.д., які, як було встановлено, і мешкають поблизу гарячих джерел, виявлених на глибині 2500 м в Тихому океані, інколи приписують здатність існувати незалежно від сонячної енергії. Відомо декілька таких зон: одна поряд з Галапагоським архіпелагом, інша на відстані приблизно 21° до північного заходу, біля берегів Мексики. В глибині океану запаси їжі свідомо мізерні, і відкриття в 1977 р. першої такій популяції негайно поставило питання про джерело їх живлення. Одна можливість, мабуть, полягає у використанні органічної речовини, що скупчується на дні океану, - покидьків, що утворилися в результаті біологічної активності в поверхневому шарі; вони переносяться в райони геотермальної активності горизонтальними течіями, що виникають унаслідок вертикальних викидів гарячої води. Рух вверх перегрітої води і викликає утворення придонних горизонтальних холодних течій, направлених до місця викиду. Передбачається, що таким шляхом тут і скупчуються органічні останки.

Інше джерело живильних речовин стало відоме після того, як з'ясувалося, що у воді термальних джерел міститься сірководень. He виключено, що хемолітоавтотрофні бактерії знаходяться біля початку ланцюга живлення. Як показали подальші дослідження, хемолітоавтотрофи дійсно є головним джерелом органічної речовини в екосистемі термальних джерел.

Оскільки “паливом” для цих глибоководних співтовариств служить сірководень, що утворився в глибинах Землі, їх зазвичай розглядують як жваві системи, здатні обходитися без сонячної енергії. Проте це не зовсім вірно, оскільки кисень, використовуваний ними для окислення “палива", є продуктом фотохімічних перетворень. На Землі є тільки два значні джерела вільного кисню, і обидва вони пов'язані з активністю Сонця.

Океан грає важливу роль в житті глибоководної екосистеми, оскільки він створює навколишнє середовище для організмів з термальних джерел, без якої вони не могли б існувати. Океан забезпечує їх не лише киснем, але і всіма потрібними живильними речовинами, за винятком сірководня. Він видаляє відходи. І він же дозволяє цим організмам переселятися в нові райони, що необхідне для їх виживання, оскільки джерела недовговічні - згідно оцінкам, час їх життя не перевищує 10 років. Відстань між окремими термальними джерелами в одному районі океану складає 5-10 км.

Розчинник. В даний час прийнято вважати, що необхідною умовою життя є також наявність розчинника того або іншого типа. Багато хімічних реакцій, що протікають в жвавих системах, без розчинника були б неможливі. На Землі таким біологічним розчинником служить вода. Вона є головною складовою живих клітин і одне з найпоширеніших на земній поверхні з'єднань. З огляду на те, що створюючі воду хімічні елементи широко поширені в космічному просторі, вода, поза сумнівом, одне із з'єднань, що найчастіше зустрічаються, у Всесвіті. Але, не дивлячись на такий достаток води всюди. Земля - єдина планета в Сонячній системі, що має на своїй поверхні океан.

Вода володіє лавою особливих властивостей, завдяки яким вона може служити біологічним розчинником природним місцем існування жвавих організмів. Цими властивостями визначається її головна роль в стабілізації температури Землі. До таких властивостей належать: високі температури плавлення (танення) і кипіння; висока теплоємність; широкий діапазон температур, в межах якого вода залишається в рідкому стані; велика діелектрична постійна (що дуже важливе для розчинника); здатність розширюватися поблизу точки замерзання. Всесторонній розвиток ці питання отримали, зокрема, в праці Л. Дж. Гендерсона (1878 - 1942), професори хімії Гарвардського університету.

Сучасні дослідження показали, що настільки незвичайні властивості води обумовлені здатністю її молекул утворювати водневі зв'язки між собою і з іншими молекулами, що містять атоми кисню або азоту. Насправді рідка вода складається з агрегатів, в яких окремі молекули сполучені разом водневими зв'язками. З цієї причини при обговоренні питання про те, які неводні розчинники могли б використовуватися жвавими системами в інших світах, особлива увага приділяється аміаку, який також утворює водневі зв'язки і по багатьом властивостям схожий з водою. Називаються і інші речовини, здібні до утворення водневих зв'язків, зокрема фтористоводнева кислота і ціаністий водень. Проте останні два з'єднання маловірогідні кандидати на цю роль. Фтор відноситься до рідких елементів: на один атом фтору в спостережуваному Всесвіті доводиться 10000 атомів кисню, так що важко представити на будь-якій планеті умови, які сприяли б утворенню океану, що складається з HF, а не з Н2о. Що стосується ціаністого водню (HCN), складові його елементи в космічному просторі зустрічаються удосталь, але це з'єднання термодинамічно недостатньо стійко. Тому маловірогідно, щоб воно могло у великих кількостях коли-небудь накопичуватися на якійсь планеті, хоча, як ми говорили раніше, HCN є важливою (хоча і тимчасове) проміжною ланкою в передбіологічному синтезі органічних речовин.