Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле - Маршалл Майкл

Юри понял, что сможет разобраться в поведении химических веществ, только если освоит квантовую физику, – лишь в ее свете движение атомов обретает смысл. Предложенная ранее модель атома к тому времени была пересмотрена Нильсом Бором. Бор утверждал, что электроны не вращаются вокруг ядра в виде неупорядоченного облака (как считали ранее), а расположены на строго определенном расстоянии от него. Представьте себе концентрические поверхности, общим центром которых является ядро. Каждая из этих “сфер” может содержать только строго ограниченное число электронов. Это объясняет, почему атомы реагируют друг с другом очень избирательно, то и дело “пытаясь” либо заполнить свои внешние электронные оболочки, либо освободить их (если те содержат всего один или два электрона). Атом, имеющий место, которое можно заполнить (“вакантное место”), стремится реагировать с тем атомом, у которого в наличии свободный электрон. А вот два атома с “вакантными местами” друг для друга не подходят.

Вооружившись новыми знаниями, Юри нашел для себя нишу физического химика и в 1931 году приступил к проекту, который со временем принес ему Нобелевскую премию. В августе он узнал о второй разновидности водорода (то есть его изотопе), каждый атом которого почти вдвое тяжелее обычного водорода. Позднее выяснилось, что “стандартный” атом водорода имеет в ядре только один протон, в то время как “тяжелый водород” содержит один протон и один нейтрон. Юри задался целью получить образец тяжелого водорода – позже его назовут “дейтерий”.

Чтобы достичь цели, Юри и двое его коллег упорно трудились весь остаток 1931 года. Об одержимости Юри работой свидетельствует, например, тот факт, что День благодарения он провел за изучением образцов – как раз тех, что принесли ему долгожданный успех. Отправившись же наконец домой, Юри, порядком опоздавший к праздничному ужину, прямо за столом сообщил радостную новость жене Фриде[69]. История не донесла до нас ее реакцию, но известно, что в свое оправдание ученый произнес слова “Мы это сделали”[70]. Результаты были официально опубликованы 1 января 1932 года[71]. За свои труды Юри был в 1934 году удостоен Нобелевской премии по химии. По существовавшей традиции премию, несмотря на то что работа была выполнена всеми тремя авторами статьи, должен был получить только Юри, однако ученый разделил денежное вознаграждение между собой и коллегами поровну.

В следующее десятилетие Юри стал всемирно признанным экспертом по разделению изотопов. После начала Второй мировой войны он, как и многие другие ученые, был встревожен возможностью создания нацистами атомной бомбы. Тогда было решено приступить к исследованиям ядерного расщепления, что в итоге породило Манхэттенский проект (программу Соединенных Штатов по созданию атомной бомбы). Юри возглавил работы по выделению урана-235 (атома, который способен расщепляться) из смеси с другими изотопами. У проекта оказалась нелегкая судьба, однако же наконец, в августе 1945 года, США провели атомную бомбардировку японских городов Хиросима и Нагасаки.

После окончания войны Юри изменил свои приоритеты. Изотопов он уже перевидал достаточно, да и ужасы войны сделали свое дело (хотя ученый и был далеко от полей сражений). Юри участвовал в кампании за установление общественного контроля за использованием ядерной энергии, опасаясь того, что могут натворить с ее помощью военные. Также он выступал за создание некоего общемирового правительства. Из-за своей откровенной жесткой критики властей и вооруженных сил США Юри в итоге предстал перед пресловутой комиссией Джозефа Маккарти – комиссией Палаты представителей по расследованию антиамериканской деятельности.

Позднее внимание Юри привлекла химия открытого космоса – научная отрасль, которую он, можно сказать, сам и создал. Вернувшись – в определенной мере – к своей первой биологической специальности, Юри задумался над тем, каким образом могла зародиться жизнь и какие именно химические соединения для этого требовались.

В конце 1951 года Юри, теперь уже в Чикагском университете, провел семинар, посвященный возникновению Солнечной системы и условиям, существовавшим на молодой Земле. Он знал, что звезды состоят главным образом из водорода и что более удаленные от Солнца планеты богаты метаном, молекула которого представляет собой тетраэдр из четырех атомов водорода с атомом углерода в центре. Юри предположил, что именно из этих газов и состояла первобытная атмосфера Земли. В настоящее время воздух на 78 % состоит из азота и на 21 % из кислорода, а оставшийся 1 % – это прочие газы, вроде аргона и углекислого газа[72]. Однако изначально воздух Земли был совсем другим. Кислород поступает в атмосферу только благодаря зеленым растениям и им подобным. Однако исходно растений на Земле не было и, следовательно, совсем не было и свободного кислорода. Также Юри предполагал, что и азота в атмосфере было меньше и что первая атмосфера состояла главным образом из метана и аммиака.

В такой атмосфере могли происходить только определенные химические процессы. Как известно, химические реакции всегда сводятся либо к переносу электронов от одного атома к другому, либо к их переходу в “совместное пользование”. Все перечисленные Юри соединения склонны отдавать электроны другим соединениям и не любят их принимать.

Химики называют такую смесь восстановительной атмосферой. Слово “восстановительная” может запутать, хотя его смысл очень прост. Когда что-то принимает электрон, это “что-то” оказывается “восстановленным”. Противоположный процесс, то есть потеря электрона, называется “окисление”. Выходит, восстановительная атмосфера состояла из газов, которые отдают электрон, “восстанавливая” при этом что-то еще. Эти сложные термины возникли задолго до того, как ученые узнали о существовании электронов. Исходно под окислением понимали те реакции, при которых кислород присоединялся к чему-то еще. В то же время “восстановление” обозначало противоположный процесс – то есть сопровождающийся удалением кислорода. Однако после того как химики описали электроны, эти понятия стали применять в более широком смысле. Возможно, стоило просто придумать новые названия, но этим никто не озадачился, и потому нам теперь приходится иметь дело с нелепыми и запутанными обозначениями, требующими толкования, которое может занять целый абзац вроде этого.

Однако вернемся к Юри, сказавшему на своем семинаре, что такая восстановительная атмосфера, пронизываемая молниями и потоком жесткого ультрафиолетового излучения (ведь отсутствие кислорода означает и отсутствие озонового слоя), могла служить идеальным химическим заводом по производству органических веществ. (Тут Юри, сам того не зная, во многом вторит Опарину и Холдейну, рассуждавшим о первичном бульоне.) За несколько месяцев до этого семинара исследователи из Калифорнийского университета в Беркли попытались получить органические вещества путем окисления смеси воды и углекислого газа. Однако даже при бомбардировке ионами гелия с высокой энергией результаты были самые скромные[73]. Юри отметил, что “вероятно, нам нужна новая идея” и что стоит попробовать синтезировать биологические молекулы в восстановительной атмосфере.

Выступление Юри внимательно слушал юный аспирант по имени Стэнли Миллер. Услышанное вскоре изменит его судьбу: можно без преувеличения сказать, что эта лекция стала самым главным событием в его жизни.

Миллер родился в Окленде, Калифорния, в 1930 году – за год до того, как Юри начал свои энергичные попытки получить тяжелый водород. Его отец был адвокатом, мать – бывшей школьной учительницей, а сам он стал неутомимым читателем и “химическим волшебником”. Миллер был застенчив и предпочитал одиночество; особенно ему нравились летние лагеря бойскаутов, где можно было проводить больше времени за чтением[74]. Через всю жизнь он пронес увлечение паровозами и однажды даже построил собственную машину на паровом ходу.

После окончания Калифорнийского университета в Беркли Миллер поступил в аспирантуру Чикагского университета – одного из немногих, где была предусмотрена оплачиваемая должность ассистента преподавателя (после смерти отца Миллер нуждался в деньгах). Здесь он услышал лекцию Юри и вскоре решил присоединиться к теоретическому проекту физика Эдварда Теллера, который ранее высказывался за создание более мощного ядерного оружия (водородной бомбы)[75]. Проект был посвящен исследованиям образования различных химических элементов в молодой Вселенной. Однако прошел год, успеха Миллер так и не добился, а Теллер между тем перебрался в Калифорнию. И тогда молодой ученый, решив изменить подход к проблеме, вспомнил о лекции Юри.