Н Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе
Многочисленным популяцим различных животных- рыб. морских моллюсков, мидий, гигантских червей и т.д., кото рые. как было установлено, и обитают вблизи горячих источников, обнаруженных на глубине 2500 м в Тихом океа не, иногда приписывают способность существовать незави симо от солнечной энергии. Известно несколько таких зон: одна рядом с Галапагосским архипелагом, другая-на рас стоянии примерно 21 к северо-западу, у берегов Мекси ки. В глубине океана запасы пищи заведомо скудны, и открытие в 1977 г. первой такой популяции немедленно поставило вопрос об источнике их питания. Одна возмож ность, по-видимому, заключается в использовании органи ческого вещества, скапливающегося на дне океана, отбро сов, образовавшихся в результате биологической активности в поверхностном слое; они переносятся в районы геотер мальной активности горизонтальными течениями, возника ющими вследствие вертикальных выбросов горячей воды. Движение вверх перегретой воды и вызывает образование придонных горизонтальных холодных течений, направлен ных к месту выброса. Предполагается, что таким путем здесь и скапливаются органические останки.
Другой источник питательных веществ стал известен после того, как выяснилось, что в воде термальных источни
ков содержится сероводород (H^S). Не исключено, что хемо литоавтотрофные бактерии находятся у начала цепи пита ния. Как показали дальнейшие исследования, хемолитоав тотрофы действительно являются главным источником орга нического вещества в экосистеме термальных источников. Бактерии, о которых идет речь, осуществляют следующую реакцию:
где СНдО означает углевод или вообще любое вещество
клетки.
Поскольку "топливом" для этих глубоководных сооб ществ служит образовавшийся в глубинах Земли сероводо род, их обычно рассматривают как живые системы, способ ные обходиться без солнечной энергии. Однако это не совсем верно, так как кислород, используемый ими для окисления "топлива", является продуктом фотохимических превраще ний. На Земле имеются только два значительных источника свободного кислорода, и оба они связаны с активностью Солнца. Главный из них-это фотосинтез, протекающий в зеленых растениях (а также в некоторых бактериях):
где С"Н 1206 -углевод глюкоза. Другим, менее существен ным источником свободного кислорода является фотолиз паров воды в верхних слоях атмосферы. Если бы в геотер мальном источнике удалось обнаружить микроорганизм, использующий для жизни только газы, образующиеся в глубинах Земли, то это означало бы, что открыт тип метабо лизма, абсолютно не зависящий от солнечной энергии.
Следует помнить, что океан играет важную роль в жизни описанной глубоководной экосистемы, поскольку он создает окружающую среду для организмов из термальных источ ников, без которой они не могли бы существовать. Океан обеспечивает их не только кислородом, но и всеми нужными питательными веществами, за исключением сероводорода. Он удаляет отходы. И он же позволяет этим организмам переселяться в новые районы, что необходимо для их выжи вания, поскольку источники недолговечны-согласно оцен кам, время их жизни не превышает 10 лет. Расстояние между отдельными термальными источниками в одном районе океана составляет 5-10 км.
Растворитель
В настоящее время принято считать, что необходимым условием жизни является также наличие растворителя того или иного типа. Многие химические реакции, протекающие в живых системах, без растворителя были бы невозможны. На Земле таким биологическим растворителем служит вода. Она представляет собой главную составляющую живых клеток и одно из самых распространенных на земной поверх ности соединений. Ввиду того что образующие воду хими ческие элементы широко распространены в космическом пространстве, вода, несомненно,-одно из наиболее часто встречающихся соединений во Вселенной. Но, несмотря на такое изобилие воды повсюду. Земля-единственная планета в Солнечной системе, имеющая на своей поверхности океан: это важный факт, к которому мы вернемся позже.
Вода обладает рядом особых и неожиданных свойств, благодаря которым она может служить биологическим растворителем-естественной средой обитания живых орга низмов. Этими свойствами определяется ее главная роль в стабилизации температуры Земли. К числу таких свойств относятся: высокие температуры плавления (таяния) и кипе ния: высокая теплоемкость; широкий диапазон температур, в пределах которого вода остается в жидком состоянии; боль шая диэлектрическая постоянная (что очень важно для раст ворителя); способность расширяться вблизи точки замерза ния. Всестороннее развитие эти вопросы получили, в част ности, в трудах Л.Дж. Гендерсона (1878-1942), профессора химии Гарвардского университета.
Современные исследования показали, что столь необыч ные свойства воды обусловлены способностью ее молекул образовывать водородные связи между собой и с другими молекулами, содержащими атомы кислорода или азота. В действительности жидкая вода состоит из агрегатов, в кото рых отдельные молекулы соединены вместе водородными связями. По этой причине при обсуждении вопроса о том, какие неводные растворители могли бы использоваться жи выми системами в других мирах, особое внимание уделяется аммиаку (МНд), который также образует водородные связи и по многим свойствам сходен с водой. Называются и другие вещества, способные к образованию водородных связей, в частности фтористоводородная кислота (HF) и цианистый водород (HCN). Однако последние два соединения-малове роятные кандидаты на эту роль. Фтор относится к редким
элементам: на один атом фтора в наблюдаемой Вселенной приходится 10000 атомов кислорода, так что трудно пред ставить на любой планете условия, которые благоприятство вали бы образованию океана, состоящего из HF, а не из Н^О. Что касается цианистого водорода (HCN), составля ющие его элементы в космическом пространстве встречают ся в изобилии, но это соединение термодинамически недоста точно устойчиво. Поэтому маловероятно, чтобы оно могло в больших количествах когда-либо накапливаться на какой-то планете, хотя. как мы говорили раньше. HCN представляет собой важное (хотя и временное) промежуточное звено в предбиологическом синтезе органических веществ.
Аммиак состоит из довольно распространенных элемен тов и. хотя он менее стабилен, чем вода, все же достаточно устойчив, чтобы его можно было рассматривать как возмож ный биологический растворитель. При давлении в 1 атм он находится в жидком состоянии в интервале температур -78 - -33"С. Этот интервал (45'') намного уже соответству ющего интервала для воды (100"С), но он охватывает ту область температурной шкалы, где вода не может функцио нировать как растворитель. Рассматривая аммиак. Гендер сон указывал, что это единственное из известных соединений. которое как биологический растворитель приближается по своим свойствам к воде. Но в конце концов ученый отказался от своего утверждения по следующим причинам. Во-первых, аммиак нс может накопиться в достаточном количестве на поверхности какой-либо планеты; во-вторых, в отличие от воды он не расширяется при температуре, близкой к точке замерзания (вследствие чего вся его масса может целиком остаться в твердом, замороженном состоянии), и наконец, выбор его как растворителя исключает выгоды от использо вания кислорода в качестве биологического реагента. Ген дерсон не высказал определенного мнения о причинах, кото рые помешали бы аммиаку накапливаться на поверхности планет, но тем не менее он оказался прав. Аммиак разруша ется УФ-излучением Солнца легче, чем вода, т. е. его молеку лы расщепляются под воздействием излучения большей длины волны, несущего меньше энергии, которое широко представлено в солнечном спектре. Образующийся в этой реакции водород улетучивается с планет (за исключением самых больших) в космическое пространство, а азот остает ся. Вода также разрушается в атмосфере под действием солнечного излучения, но только гораздо более коротковол нового, чем то, которое разрушает аммиак, а выделяющиеся
при этом кислород (Од) и озон (Оз) образуют экран, очень эффективно защищающий Землю от убийственного УФ-из лучения. Таким образом происходит самоограничение фото деструкции атмосферных паров воды. В случае аммиака подобное явление не наблюдается.
Эти рассуждения неприменимы к планетам типа Юпите ра. Поскольку водород в изобилии присутствует в атмосфере этой планеты, являясь ее постоянной составляющей, разумно предполагать наличие там аммиака. Эти предположения подтверждены спектроскопическими исследованиями Юпи тера и Сатурна. Вряд ли на этих планетах имеется жидкий аммиак, но существование аммиачных облаков, состоящих из замерзших кристаллов, вполне возможно.
Рассматривая вопрос о воде в широком плане, мы не вправе априори утверждать или отрицать, что вода как биологический растворитель может быть заменена другими соединениями. При обсуждении этой проблемы нередко проявляется склонность к ее упрощению, поскольку, как правило, учитываются лишь физические свойства альтерна тивных растворителей. При этом приуменьшается или сов сем игнорируется то обстоятельство, которое отмечал еще Гендерсон, а именно: вода служит не только растворителем, но и активным участником биохимических реакций. Элемен ты, из которых состоит вода, "встраиваются" в вещества живых организмов путем гидролиза или фотосинтеза у зеленых растений (см. реакцию 4). Химическая структура живого вещества, основанного на другом растворителе, как и вся биологическая среда, обязательно должны быть иными. Другими словами, замена растворителя неизбежно влечет за собой чрезвычайно глубокие последствия. Никто всерьез не пытался их себе представить. Подобная попытка вряд ли разумна, ибо она представляет собой ни больше ни меньше, как проект нового мира, а это занятие весьма сомнительное. Пока мы не в состоянии ответить даже на вопрос о возмож ности жизни без воды, и едва ли что-нибудь узнаем об этом, пока не обнаружим пример безводной жизни.
