118 (Де й із чого зароджується життя?)

Реферат

Де й із чого зароджується життя?

За останні кілька років при дослідженні радіоастрономічними методами газопилових хмар у Галактиці в них було виявлено кілька типів органічних сполук. Особливо відзначимо синильну кислоту, формальдегід, метиламін, спирти. (Всі ці прості молекули - ключові вихідні продукти для синтезу більше складних сполук, абсолютно необхідних для життя, наприклад, амінокислот - будівельних блоків білка.) Таке відкриття тим більше дивно, що раніше в газопилових хмарах передбачалася лише присутність водню й деякого числа двохатомних сполук. Оскільки ці хмари (або їхні фрагменти) ототожнюються як райони зародження зірок і планетних систем, те подібні результати спостережень становлять винятковий інтерес.

Після відкриття органічних молекул у газопилових хмарах міжзоряні порошини, на яких можуть концентруватися ці молекули, сталі називати носіннями життя. Зовсім недавно знаменитий англійський астрофізик Ф. Хойл висунув ідею про те, що в глибинах Космосу життя може зароджуватися саме на міжзоряних порошинах. Більше того, Ф. Хойл і його співавтор Н. Викрамсингх зв'язують епідемії грипу на Землі із внесенням збудників цієї інфекції з Космосу. Правда, Хойл делікатно обходить питання про те, як виникає життя на міжзоряних порошинах.

Ще раніше висловлювалися думки про те, що життя здатне розвиватися на кометах і астероїдах. Але подивимося, чи може дійсно виникнути життя в результаті хімічних процесів у холодних газопилових хмарах?

Порівняно прості молекули, такі, як формальдегід і синильна кислота, там є. Вони виникають із льодів простих газів, таких, як пари води, метан, аміак, на поверхні порошин. Що ж потім?

Реакції утворення більше складних полімерів ідуть при низьких температурах дуже повільно. Крім того, через дуже низьку температуру на порошинах немає рідкої води, що необхідна для всього живого. Та й міжзоряні порошини дуже малі, менше мікрона, навіть нормальна бактеріальна клітка більше. Ні, для життя потрібний комфорт, а тут і холодно й "тісно".

У метеоритах знаходять уже більше складні сполуки вуглецю - амінокислоти. Здавалося б, усього один крок до живого. Але немає. Метеорити теж свого роду еволюційний тупик, оскільки в них немає ні гідросфери (хоча небагато води в хімічно зв'язаному виді все-таки є), ні атмосфери. Що ж тоді залишається? Тільки планети?

Тільки планети.

Спробуємо розібратися, чому. Для цього нам доведеться подивитися, які природні фактори критичні для життя. Природно, спочатку ми будемо поки говорити про те, що ближче: про нашого, земний, життя.

Добре відомо, що так звані термофільні (теплолюбні) форми мікроорганізмів існують, у гарячих вулканічних джерелах, температура яких досягає в деяких випадках 95-98 градусів Цельсія. Механізми, які усувають ушкодження в клітках і підвищують їхня стійкість до високої температури, до кінця незрозумілі, так у нас із вами немає необхідності вдаватися в детальний аналіз біохімії термофілів. Ясно, що еволюція виробила захисні механізми. Однак верхня температурна межа життєдіяльності організмів, безумовно, є, і ми не допустимо серйозної помилки, якщо встановимо його близько 100 градусів Цельсія.

У тому випадку, якщо життя вже існує, нижня температурна границя не настільки критична. Однак ми акцентуємо свою увагу на проблемі зародження життя, і нам необхідно враховувати швидкості хімічних реакцій. Оскільки більшість реакцій проходить у рідкій фазі, то для нормальної життєдіяльності автоматично виходить і нижня температурна границя близько 0 градусів по шкалі Цельсія.

Отже, для зародження життя ми одержуємо досить вузький температурний інтервал, усього близько 100 градусів. Причому важливо, що стабільність температур повинна зберігатися дуже довгий час без помітних перепадів.

Де ж можуть бути такі умови? Тільки на планетах, що мають атмосферу. Саме атмосфера - фактор планетарного масштабу, що виключає різкі температурні перепади. Наприклад, на Місяці, позбавленої повітря, перепади температури вночі й удень великі: від + 110 до -120, більше двохсот градусів, а на Венері й Землі вони незначні.

Оскільки саме в атмосфері, гідросфері й на поверхні роздягнула фаз відбувається синтез органічних молекул, те цілком зрозуміло, що для проходження реакцій синтезу на планетах повинні бути які-небудь джерела енергії.

Отже, планети, так ще планети з атмосфери. До речі, атмосфера виконує ще одну дуже важливу функцію: вона захищає тендітні органічні молекули від руйнівної дії ультрафіолетового випромінювання батьківської зірки. Наприклад, у нас на Землі життя навряд чи було б можливе, якби в атмосфері не було озонового екрана. Саме цей екран затримує найнебезпечнішу частину випромінювання Сонця.

Умовимося називати планети, де життя типу земний у принципі може існувати, "зеленими планетами".

На таких планетах повинна бути атмосфера, гідросфера й досить комфортна м'яка погода. Але як довго все це повинне існувати? Тисячу, мільйон, мільярд років?

Вік Землі - близько 4,5 мільярди років, і палеонтологи затверджують, що 3,5 мільярди років тому на Землі вже було життя. А скільки живуть зірки?

Адже відомо, що деякі з них вибухають. Це так звані нові й зверх нові зірки. Ясно, що, якщо зірка вибухне, біля її не залишиться нічого живого. Існує загальне правило в астрофізику: чим зірка гаряче, тим менше строк її життя. Тому "зелені планети" можуть бути тільки біля не дуже гарячих зірок, і тоді в сфері нашого розгляду залишаться лише зірки із часом життя не менш мільярда років, тобто зірки спектральних класів F, G, ДО, М.

Тут, однак, істотним фактором є тепловий потік, що досягає поверхні планети, оскільки всі ми не любимо, коли занадто холодно. Наприклад, енергія випромінювання М-Карлика становить лише близько 5 відсотків енергії зірки типу Сонця. Але якщо планета в системі М-Карлика перебуває недалеко від зірки, там будуть цілком комфортні умови для життя.

Еволюція органічних сполук може досягати високого рівня лише на планетах. Дійсно, у газопилових утвореннях концентрації речовини занадто низькі, близько 1 атома в кубічному сантиметрі, щоб з ефективністю йшли реакції утворення біополімерів. Не можна, щоправда, виключити можливість синтезу простих амінокислот і в газопилових хмарах, і в атмосферах інфрачервоних зірок. Що стосується комет, то в лабораторних умовах, що відтворюють "кометну" обстановку, учені продемонстрували можливість утворення досить складних органічних молекул, а в метеоритах амінокислоти втримуються в помітних кількостях. Проте для всіх процесів ускладнення необхідні досить високі концентрації матеріалу, і саме тому всі перераховані об'єкти є свого роду еволюційними тупиками. Отже, все-таки планети.

Скільки ж "зелених планет" у нашій Галактиці?

Якщо вважати, що системи типу нашої сонячної не виключення, тоді тільки в нашій Галактиці планет, придатних для життя, може бути більше мільйона.

А чи можуть бути планети без зірок? У принципі, так.

На таких планетах за рахунок їхнього внутрішнього тепла теж могла б існувати життя, аналогічна найпростішим формам нашого земного життя, наприклад, бактерії.

Так чому ж все-таки вуглець і вода становлять основу життя?

Ще в 1913 році біохімік з Гарвардського університету, Л. Гендерсон, видав книгу "Придатність навколишнього середовища". Автор дійшов висновку, що все живе повинне складатися з води й вуглецю, оскільки сам Л. Гендерсон складається з води й вуглецю. Аргумент, звичайно, сильний, але спробуємо подивитися на це завдання більш серйозно.

Всі відомі на Землі живі організми, а також викопні форми життя в певному змісті хімічно однакові: білки, нуклеїнові кислоти, жири, цукрі й ряд інших біологічно важливих молекул, побудованих з обмеженого кола елементів. Це так звані абсолютні органогени, серед яких центральне місце займає вуглець. У число абсолютних органогенів входять також кисень, азот, фосфор, водень, сірка, калій, кальцій і магній.

Всі хімічні реакції в клітках ідуть у водяному розчині, причому саме у воді реалізуються тисячі біохімічних процесів, що підтримують життєдіяльність організму.

Але чому ж саме вуглець і вода грають настільки унікальну роль у хімії живого? Бути може, на Землі існували інші форми життя, побудовані на іншій хімічній основі, які згодом були знищені вуглецевим життям? Чи можливі в принципі "інші хімії" життя? Ці питання мають філософське й наукове значення.

Моделі живих систем, заснованих не на водно-вуглецевій основі, розроблялися останнім часом досить широко. У першу чергу тут потрібно відзначити життя на основі аміаку, кремнію й галогенів. Ми спочатку викладемо основні принципи цих псевдо життя, а потім проаналізуємо співвідношення між гіпотетичними живими системами й вуглецевими формами життя.

Звичайно як можливий замінник вуглецю розглядається кремній. Дійсно, між цими двома елементами дуже багато загального. У періодичній системі елементів вони перебувають в одній групі, мають однакову валентність. Тому "кремнієве життя" обговорюється досить часто не тільки в науково-фантастичній літературі, але й на сторінках наукової печатки.

Із приводу можливості існування життя, заснованої на кремнії, існують полярні точки зору.

Так, наприклад, англійський астроном-аматор В. Фірсов у своїй книзі "Життя поза Землею" затверджує, що кремнієве життя може бути широко представлена у Всесвіті.

Проте подібність кремнію й вуглецю не дає достатніх підстав для побудови гіпотетичних живих систем, що містять як основна ланка кремній. Проти кремнієвого життя можна висунути ряд серйозних аргументів.

Американський хімік Д. Уолд у своїй роботі "Чому жива речовина базується на елементах другого й третього періодів періодичної системи" звертає увагу на те, що зв'язок між атомами кремнію (ми будемо їх називати надалі кремній кремнієві зв'язки) нестійка в присутності води, аміаку або кисню. Це дуже сильне заперечення проти кремнієвого життя.

Відносна поширеність кремнію в земній корі, майже на два порядки вище вуглецю. Проте, кремній не грає практично ніякої ролі в біохімії живого. Здавалося, для природи було б набагато легше сконструювати життя на основі більше доступного елемента. Однак у цьому випадку природа не пішла за принципом економії, і в неї були вагомі причини. Кремній володіє поруч характерних хімічних властивостей, які роблять його зовсім непридатним для побудови складних біологічних молекул, що працюють у клітці.

Так, всі сполуки кремнію з воднем нестійкі при нормальних температурах, і, навпаки, сполуки, побудовані на основі зв'язків кремній - кисень (це просто добре всім відомий пісок), досить стійкі в термічному відношенні до дуже високих температур.

Помітимо також, що в цей час невідомі сполуки, що є аналогами молекул, що містять вуглець, кисень і водень: альдегідів, кетонів, карбонових кислот, складних ефірів і амінів. Це обумовлено нездатністю кремнію утворювати подвійні й потрійні зв'язки, настільки характерні для органічної хімії; тому кремній утворить тверді полімери із кремній-кисневими зв'язками.

Перераховані вище властивості кремнію (а також аргументи, наведені Уолдом) роблять досить малоймовірним використання такого елемента як основу для побудови життя. Правда, американський хімік з Берклі, Г. Пиментел, уважає, що при низьких температурах кремнієве "псевдо життя" може розвиватися більш успішно, ніж вуглецеве. Однак потрібні неводні розчинники, а ця обставина знову веде нас у сферу спекуляцій. Фірсов пропонує як можливі заміни води як універсального розчинника на сульфіди фосфору й таке абсолютно невивчена сполука, як Н3PS4 - сірчаний аналог ортофосфорної кислоти, що виходить із фосфористого водню й H2S. Мені здається, що це все малоймовірно в силу деяких загальних міркувань астрофізичного плану. Адже вода - одне з найпоширеніших сполук у Космосі.

Розглянемо тепер модель так званого "рідкого аміачного життя", що також досить часто пропонується як можлива форма існування неземних живих систем.

Гіпотетична аміачна біохімія, або, як її ще називають, хімія Франкліна, виходить простою заміною кисню в органічній молекулі на аміногрупу (= NH). Сірка в сполуці залишається або також заміщається на азот, а замість води як універсальний розчинник використовується аміак.

Розглянемо деякі властивості аміаку докладніше.

При нормальному тиску аміак існує як рідина в дуже вузькому інтервалі температур від -77,7 до - 33,4 градуси Цельсія. Критичній температурі + 132,4 градуси, тобто температурі, вище якої не можна одержати аміак у вигляді рідини, відповідає тиск 120 атмосфер. Сховані теплоти в аміаку рівні 332 калоріям на грам для паротворення й 84 калоріям на грам для плавлення. По цих параметрах аміак схожий на воду.

Автори моделей "аміачного життя" затверджують, що в повністю безводних умовах аміачні форми білків будуть діяти як ферменти-каталізатори настільки ж добре, як і у звичайних водних середовищах. Це припущення виглядає сумнівно, тому що швидше за все в рідкому аміаку білки-ферменти через зміну їхньої структури не зможуть "працювати". Крім того, якщо виходити з вимоги нормальних швидкостей хімічних реакцій, необхідно сильно підвищити крапку кипіння аміаку (скажемо, до 100 градусів), що відповідає більше високим тискам близько 60 атмосфер.

Дуже важко уявити собі, що при обраних значеннях тиску й температури можуть де-небудь існувати повністю безводні умови. Але як тільки ми переходимо до водяних розчинів аміаку, аміачні аналоги білків виявляються в сильно лужному середовищі й перестають працювати як ферменти.