Достаточно точными экспериментами, проведенными к на стоящему времени, показано, что любой форме жизни всегда предшествует жизнь. Мертвая материя не способна превра титься в живую, не испытав предварительно воздействия живой
материи. Мне это представляется такой же несомненной науч ной истиной, как закон всемирного тяготения. Я готов принять в качестве научного постулата, справедливого всегда и повсюду, утверждение, что жизнь порождается только жизнью и ничем, кроме жизни. Но как же тогда произошла жизнь на Земле?
Далее он говорил о том, что во Вселенной должно существовать много других миров, несущих жизнь, которые время от времени разрушаются при столкновении с другими космическими телами, а их обломки с живыми растениями и животными рассеиваются в пространстве.
Следовательно, в высшей степени вероятно, что в космосе движется бесчисленное множество метеоритных камней, несу щих семена жизни. Если бы в настоящее время жизни на Земле не существовало, то один такой упавший на нее камень мог бы стать так называемой естественной причиной возникновения жизни, в результате чего Земля покрылась бы растительно стью. .. Гипотеза о том, что жизнь на Земле произошла бла годаря таким обломкам более древних миров, может показаться дикой и фантастичной; однако по этому поводу я могу лишь утверждать, что она не является ненаучной.
Эта идея была тщательно разработана в 1908 г. шведс ким химиком Сванте Аррениусом (1859-1927), который на звал свою теорию панспермией. Развивая идеи Гельмгольца и Кельвина, он высказал несколько собственных сообра жений, предположив, что бактериальные споры и вирусы могут уноситься с планеты, где они существовали, под действием электростатических сил, а затем перемещаться в космическое пространство под давлением света звезд. На ходясь в космическом пространстве, спора может осесть на частицу пыли; увеличив тем самым свою массу и преодолев давление света, она может попасть в окрестности ближайшей звезды и будет захвачена одной из планет этой звезды. Таким образом, живая материя способна переноситься с планеты на планету, из одной звездной системы в другую. Как указывал Аррениус, из этой теории, в частности, сле дует, что все живые существа во Вселенной должны быть химически родственны.
Теория панспермии опирается на два утверждения, ко торые следует рассмотреть отдельно. Первое из них заклю чается в том, что жизнь существовала всегда, т. е. она неразрывно связана с материей. Сейчас мы можем с уве ренностью сказать, что эта мысль ошибочна. Жизнь в отличие от материи и энергии не относится к числу фун даментальных свойств Вселенной; она скорее представляет собой проявление определенных комбинаций молекул, ко
торые не могли существовать вечно, поскольку не всегда существовали даже элементы, из которых они состоят. Кос мологи считают, что Вселенная первоначально состояла из самого легкого элемента водорода или из нейтронов-фун даментальных частиц, имеющих примерно такую же массу, как атом водорода. Все элементы тяжелее водорода об разовались (и образуются в звездах до сих пор) из водорода в реакциях ядерного синтеза. Эти реакции служат главным источником звездной энергии. Хотя за время существования наблюдаемой Вселенной (по оценкам 10-15 млрд. лет) часть водорода была израсходована, он до сих пор остается наиболее распространенным элементом. Около 90% атомов наблюдаемой Вселенной (что составляет около 60% ее мас сы) приходится на водород, остальная часть - это в основном гелий, элемент, следующий по массе за водородом. Но поскольку кроме водорода для организации живой материи необходимы и другие элементы, жизнь не может быть "ровесницей" Вселенной-она должна была возникнуть го раздо позднее.
Второе утверждение теории панспермии, согласно ко торому споры могут и должны переноситься через кос мическое пространство, в наши дни представляется гораздо менее правдоподобным, чем это казалось Аррениусу. Сов местное воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а также космических лучей, которым организмы неизбежно должны подвергаться в космосе, намного опаснее, а межзвездные расстояния и, следовательно, время, необ ходимое для перемещения, значительно больше, чем пред полагал Аррениус. Но сейчас мы располагаем также эм пирическими данными, свидетельствующими о том, что споры, которые бы могли засеивать Вселенную, не способны ни покидать Землю, ни проникать в ее окрестности. В образцах грунта, доставленных с Луны американскими астронавтами во время полетов кораблей "Аполлон", не обнаружено микроорганизмов, хотя предполагалось, что Луна может "улавливать" значительное число частиц, по кидающих Землю или попадающих в ее окрестности из других областей космического пространства. Биологические анализы образцов лунного грунта не выявили никаких ор ганизмов, способных выжить в долгих космических путе шествиях, и до сих пор все подобные исследования дают лишь отрицательные результаты. За время существования Солнечной системы (около 4,5 млрд. лет) споры-если они существуют-должны были попасть и на Марс; но к до
казательствам наличия жизни на Марсе мы обратимся не сколько позже.
Однако, несмотря на факты, свидетельствующие против теории панспермии, она продолжает жить. В последние годы известный американский астрофизик и писатель-фантаст Фред Хойл вместе со своим сотрудником Чандром Вик рамасингхом пришли к невероятному заключению, что не менее 80% частиц межзвездной пыли состоят из клеток бактерий и морских водорослей. Их предположение осно вано на изучении оптических свойств частиц межзвездной пыли. Согласно оценкам, ее масса в нашей Галактике при мерно в 5 млн. раз превосходит массу Солнца. С этой точки зрения Земля почти безжизненна по сравнению с межзвезд ным пространством. Вслед за Аррениусом Хойл и Викра масингх называют эти клетки межпланетными "прыгунами". Но если такие "прыгуны" действительно существовали, то они, наверное, давно бы добрались и до Луны, и до Марса.
Совсем недавно некоторые ученые предложили обновлен ный вариант теории панспермии. Согласно ему, жизнь на Землю опять-таки занесена из космического пространства, но не случайно, как предполагает классическая теория панспермии, а "доставлена" на межзвездном космическом корабле, отправленном разумными существами с какой-то обитаемой планеты, принадлежащей другой звездной систе ме. Эта теория предполагает, что жизнь не существовала вечно, как считали Гельмгольц. Кельвин и Аррениус, а зародилась в результате сложной цепи химических превра щений (мы расскажем об этом в гл. 3). На примитивной Земле не было подходящих условий для зарождения жизни: поэтому жизнь, существующая ныне на нашей планете, изначально возникла где-то в другом месте Галактики, где условия были благоприятными. Наиболее детально эта ги потеза, получившая название направленной панспермии, бы ла разработана Фрэнсисом Криком и Лесли Оргелом. Крик и Оргел доказывают, что с момента образования Вселенной прошло достаточно времени, чтобы в Галактике могла сформироваться технически развитая цивилизация, которая по неведомым нам причинам около 4 млрд. лет назад сознательно заселила Землю микроорганизмами, доставлен ными автоматическим космическим аппаратом.
Поначалу я расценивал эту гипотезу как чистую мисти фикацию, целью которой было показать несовершенство наших представлений о происхождении жизни. Но, озна комившись с книгой Крика, где гипотеза направленной
панспермии рассматривается как серьезная альтернатива теории о возможности самостоятельного возникновения жизни на нашей планете (см. [4]), я изменил свое мнение. Хотя нет никаких доказательств в пользу этой гипотезы по сравнению с общепринятой, мы не располагаем и данными, которые позволили бы опровергнуть ее. Обнаружение жизни на какой-то другой планете нашей Галактики, вероятно, могли бы стать проверкой этой гипотезы, поскольку все ее варианты-в отличие от гипотезы локального происхожде ния-обязательно предполагают идентичность всех сущест вующих генетических систем.
Теория направленной панспермии входит составной частью в развернувшуюся ныне широкую дискуссию о воз можности существования в нашей Галактике внеземных цивилизаций. На теоретические исследования этого вопроса, как и на реальные поиски радиосигналов от иных циви лизаций, направлены все возрастающие усилия многих ис следователей. Но хотя в этой проблеме остается еще много неясного, в последние годы наблюдается заметный отход от упрощенного представления, бытовавшего на заре косми ческой эры, согласно которому Галактика просто "кишит" технологически развитыми обществами, которые существу ют на планетах земного типа в иных звездных мирах. Как теоретические доводы, так и результаты последних иссле дований Солнечной системы показали, что пригодные для жизни планеты, видимо, достаточно редки. Другие сообра жения приводят к выводу, что любая цивилизация, обретя способность к межзвездным полетам, должна быстро (в масштабе геологического времени) распространяться по всей Галактике. Если действительно существуют более древние, чем земная, цивилизации, способные совершать космические полеты, то где же они? Мы явно не обнаруживаем при сутствия внеземных цивилизаций в Солнечной системе. Эта захватывающая тема довольно подробно изложена в сбор нике под редакцией Харта и Цуккермана [7].
Вероятно, самое мудрое-это продолжить попытки выяс нения, какие условия существовали на примитивной Земле, и найти хотя бы один правдоподобный путь "самосборки" элементарной генетической системы. Наши достижения на пути к этой цели рассматриваются в следующей главе.
Глава 3
Происхождение жизни: химическая эволюция
Ничтожное ничто-начало всех начал. Теодор Рётке, "Вожделение"
Теория химической эволюции-современная теория про исхождения жизни-также опирается на идею самозарожде ния. Однако в основе ее лежит не внезапное (de novo) возникновение живых существ на Земле, а образование хи мических соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в прими тивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие элементы, составля ющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии. Эта теория пытается от ветить на вопрос: каким образом в ту далекую эпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую систему органические соединения?
Теория Опарина Юри
Общий подход к химической эволюции первым сфор мулировал советский биохимик А. И. Опарин (1894-1980). В 19241. в СССР была опубликована его небольшая книга, посвященная этому вопросу: в 1936 г. вышло в свет ее новое. дополненное издание (в 1938 г. она была переведена на английский язык). Опарин обратил внимание на то. что современные условия на поверхности Земли препятствуют синтезу большого количества органических соединений, по скольку свободный кислород, имеющийся в избытке в ат мосфере, окисляет углеродные соединения до диоксида угле рода (углекислого газа, СОд). Кроме того, он отмечал, что в наше время любое органическое вещество, "брошенное на произвол" на земле, используется живыми организмами (подобную мысль высказывал еще Чарлз Дарвин). Однако. утверждал Опарин, на первичной Земле господствовали иные
условия. Можно полагать, что в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водород и газы, содержащие водород, такие, как метан (СН^) и аммиак (МНд). (Подобную атмосферу, богатую водородом и бедную кислородом, называют восстанови тельной в отличие от современной, окислительной, атмос феры, богатой кислородом и бедной водородом.) По мне нию Опарина, такие условия создавали прекрасные воз можности для самопроизвольного синтеза органических сое динений.
Обосновывая свою идею о восстановительном характере примитивной атмосферы Земли, Опарин выдвигал следую щие аргументы.
1. Водород в изобилии присутствует в звездах (рис. 6 и фото 1).
2. Углерод обнаруживается в спектрах комет и холодных звезд в составе радикалов СН и CN, а окисленный углерод проявляется редко.
3. Углеводороды, т. е. соединения углерода и водорода, встречаются в метеоритах.
4. Атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиаком.
Как указывал Опарин, эти четыре пункта свидетельству ют о том, что Вселенная в целом находится в восстано вительном состоянии. Следовательно, на первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же со стоянии.
5. В вулканических газах содержится аммиак. Это, считал Опарин, говорит о том, что азот присутствовал в первичной атмосфере в виде аммиака.
6. Кислород, содержащийся в современной атмосфере, вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосин теза. и. следовательно, по своему происхождению это био логический продукт.
На основании этих рассуждений Опарин пришел к заклю чению, что углерод на примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот-в виде аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне хи мических реакций на поверхности безжизненной Земли воз никали сложные органические соединения, которые по про шествии довольно продолжительного периода времени, по-видимому, и дали начало первым живым существам. Первые организмы, вероятно, представляли собой очень простые системы, способные лишь к репликации (делению) за счет органической среды, из которой они образовались. Выражаясь современным языком, они были "гетеротрофа ми", т. е. зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим питанием. На противоположном конце этой шкалы находятся "автотрофы"-например, такие орга низмы, как зеленые растения, которые сами синтезируют все необходимые органические вещества из диоксида углерода, неорганического азота и воды. Согласно теории Опарина, автотрофы появились только после того, как гетеротрофы истощили запас органических соединений в примитивном океане.
Дж.Б.С.Холдейн (1892-1964) выдвинул идею, в неко тором отношении сходную со взглядами Опарина, которая была изложена в популярном очерке, опубликованном в 1929 г. Он предположил, что органическое вещество, син тезированное в ходе естественных химических процессов, протекавших на предбиологической Земле, накапливалось в океане, который в конце концов достиг консистенции "го рячего разбавленного бульона". По мнению Холдейна, при митивная атмосфера Земли была анаэробной (свободной от
кислорода), однако он не утверждал, что для осуществления синтеза органических соединений требовались восстанови тельные условия. Таким образом, он допускал, что углерод мог присутствовать в атмосфере в полностью окисленной форме, т. е. в виде диоксида, а не в составе метана или других углеводородов. При этом Холдейн ссылался на результаты экспериментов (не собственных), в которых доказывалась возможность образования сложных органических соедине ний из смеси диоксида углерода, аммиака и воды под действием ультрафиолетового излучения. Однако в даль нейшем все попытки повторить эти эксперименты оказались безуспешными.
В 1952 г. Гарольд Юри (1893-1981), занимаясь не собст венно проблемами происхождения жизни, а эволюцией Сол нечной системы, самостоятельно пришел к выводу, что атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер. Подход Опарина был качественным. Проблема, которую исследовал Юри, была по своему характеру физико-хими ческой: используя в качестве отправной точки данные о составе первичного облака космической пыли и граничные условия, определяемые известными физическими и хими ческими свойствами Луны и планет, он ставил целью раз работать термодинамически приемлемую историю всей Солнечной системы в целом. Юри, в частности, показал, что к завершению процесса формирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основными состав ляющими были водород и полностью восстановленные фор мы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не могло удержать легкий водород-и он постепенно улетучился в космическое про странство. Вторичным следствием потери свободного во дорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака - до газообразного азота, которые через определенное время превратили атмосферу из восстанови тельной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном окислительно-восстановительном состоя нии, на Земле могло образоваться в больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. В результате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.
Теория Юри имела одно важное последствие: она дала толчок успешным экспериментальным исследованиям. Од
нако, прежде чем говорить об экспериментах, основанных на гипотезе о первобытной атмосфере, богатой водородом, следует выяснить, насколько эта гипотеза соответствует геологическим данным. Этот вопрос активно обсуждался в последние годы. поскольку многие геологи сейчас сомне ваются в том, что на Земле вообще когда-либо существовала сильно восстановительная атмосфера. Все эти доводы, лишь несколько видоизмененные, применимы и к Марсу; поэтому здесь целесообразно их вкратце рассмотреть.
Примитивная Земля
Считается, что Солнечная система образовалась из про тосолнечной туманности-огромного облака газа и пыли. Возраст Земли, как установлено на основе ряда независимых оценок, близок к 4,5 млрд. лет. Чтобы выяснить состав первичной туманности, разумнее всего исследовать относи тельное содержание различных химических элементов в со временной Солнечной системе. В табл. 3 представлены дан ные о девяти наиболее распространенных элементах (на долю которых приходится 99,9% всей массы Солнечной системы), полученные с помощью спектроскопических иссле дований Солнца; относительное содержание некоторых дру гих элементов определено путем химического анализа ме теоритного вещества. Как видно из таблицы, основные элементы-водород и гелий-вместе составляют свыше 98% массы Солнца (99,9% его атомного состава) и фактически Солнечной системы в целом. Поскольку Солнце-обычная звезда и к этому типу относится множество звезд в других галактиках, его состав в общем характеризует распростра ненность элементов в космическом пространстве. Современ ные представления об эволюции звезд позволяют предпо ложить, что водород и гелий преобладали и в "молодом" Солнце, каковым оно было 4,5 млрд. лет назад.
В табл. 3 приведены также данные об элементном составе Земли. Хотя четыре основных элемента Земли относятся к числу девяти наиболее распространенных на Солнце, по своему составу наша планета существенно отличается от космического пространства в целом. (То же самое можно сказать о Меркурии, Венере и Марсе; однако Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун в этот список не попадают.) Земля состоит главным образом из железа, кислорода, кремния и магния. Очевиден дефицит всех биологически важных легких элементов (за исключением кислорода) и поразительна
Таблица 3 . Элементный состав (проценты по массе) Солнечной системы и Земли В порядке у меньше- Солнечная система* 3eMJ ля** ния относит содержания Элемент % Элемент % 1 Водород 77 Железо 34,6 2 Гелий 21 Кислород 29,5 3 Кислород 0,83 Кремний 15,2 4 Углерод 0,34 Магний 12.7 5 Неон 0.17 Никель 2.4 6 Азот 0,12 Сера 1.9 7 Железо 0.11 Кальций 1,1 8 Кремний 0,07 Алюминий 1,1 9 Магний 0,06 Натрий 0,57 Общее Водород количество 99,70 + углерод 0,05 + азот Неон 1-10-" Общее количество 99,12 * По данным Камерона (1970). ** По данным Мейсона (1966).
"нехватка" так называемых редких, или благородных, газов. подобных гелию и неону. В целом наша планета выглядит весьма бесперспективно для зарождения какой-либо жизни.
Главное положение теории Опарина - Юри заключается в том, что атмосфера молодой Земли, соответствовавшая по своему химическому составу протосолнечной туманности, имела ярко выраженный восстановительный характер. Од нако, что бы там ни было, сейчас атмосфера Земли имеет окислительный характер. Она содержит 77% азота, 21% кислорода, в среднем 1 % водяных паров, около 1 % аргона и ничтожные количества (следы) других газов. Каким же об разом могла возникнуть восстановительная атмосфера? Ве роятно. основную роль здесь сыграли газы протосолнечной туманности: с момента возникновения Земля была обес печена водородом и другими легкими элементами, которые,
согласно теории Опарина-Юри, необходимы для начала химической эволюции. Учитывая дефицит легких элементов и особенно благородных газов, разумно предположить, что изначально Земля сформировалась вообще без атмосферы. За исключением гелия, все благородные газы-неон, аргон, криптон и ксенон-обладают достаточной удельной массой, чтобы их могло удержать земное тяготение. Криптон и ксенон, например, тяжелее железа. Поскольку эти элементы образуют очень мало соединений, они. по всей видимости, существовали в примитивной атмосфере Земли в виде газов и не мо1ли улетучиться, когда планета достигла наконец своих нынешних размеров. Но поскольку на Земле их со держится в миллионы раз меньше, чем на Солнце, естест венно допустить, что наша планета никогда не имела ат мосферы, по составу близкой солнечной. Земля образовалась из твердых материалов, которые содержали лишь небольшое количество поглощенного или адсорбированного газа, так что никакой атмосферы сначала не было. Элементы, вхо дящие в состав современной атмосферы, по-видимому, поя вились на первобытной Земле в виде твердых химических соединений; впоследствии под действием тепла, возникаю щего при радиоактивном распаде или выделении грави тационной энергии, сопровождающем аккрецию Земли, эти соединения разлагались с образованием газов. В процессе вулканической деятельности эти газы вырывались из земных недр, образуя примитивную атмосферу.
Высокое содержание в современной атмосфере аргона (около 1%) не противоречит предположению, что благо родные газы первоначально отсутствовали в атмосфере. Изотоп аргона, распространенный в космическом простран стве, имеет атомную массу 36, тогда как атомная масса аргона, образовавшегося в земной коре при радиоактивном распаде калия, равна 40. Аномально высокое содержание на Земле кислорода (по сравнению с другими легкими эле ментами) объясняется тем, что этот элемент способен сое диняться с множеством других элементов, образуя такие очень стабильные твердые соединения, как силикаты и кар бонаты, которые входят в состав горных пород.
Предположения Юри о восстановительном характере первобытной атмосферы основывались на высоком содер жании на Земле железа (35% общей массы). Он считал, что железо, из которого ныне состоит ядро Земли, первона чально было распределено более или менее равномерно по всему ее объему. При разогреве Земли железо расплавилось
и собралось в ее центре. Однако, прежде чем это произошло, железо, содержащееся в том слое планеты, который сейчас называется верхней мантией Земли, взаимодействовало с водой (она присутствовала на примитивной Земле в виде гидратированных минералов, похожих на те, что обнару жены в некоторых метеоритах); в результате в первобытную атмосферу выделились огромные количества водорода.
Исследования, осуществляемые с начала 1950-х годов, поставили под вопрос ряд положений описанного сценария. Некоторые планетологи высказывают сомнения насчет того, что железо, сосредоточенное сейчас в земной коре, могло когда-либо равномерно распределяться по всему объему планеты. Они склоняются к мнению, что аккреция проис ходила неравномерно и железо конденсировалось из ту манности раньше других элементов, образующих ныне ман тию и кору Земли. При неравномерной аккреции содержание свободного водорода в примитивной атмосфере должно было оказаться ниже, чем в случае равномерного процесса. Другие ученые отдают предпочтение аккреции, но проте кающей таким путем, который не должен приводить к образованию восстановительной атмосферы. Короче говоря, в последние годы были проанализированы различные мо дели образования Земли, из которых одни в большей, другие в меньшей степени согласуются с представлениями о вос становительном характере ранней атмосферы.
Попытки восстановить события, происходившие на заре формирования Солнечной системы, неизбежно связаны со множеством неопределенностей. Промежуток времени меж ду возникновением Земли и образованием древнейших по род, поддающихся геологической датировке, в течение ко торого протекали химические реакции, приведшие к появ лению жизни, составляет 700 млн. лет. Лабораторные опыты показали, что для синтеза компонентов генетической сис темы необходима среда восстановительного характера; поэ тому можно сказать, что раз жизнь на Земле возникла, то это может означать следующее: либо примитивная агмосфера имела восстановительный характер, либо органические сое динения, необходимые для зарождения жизни, откуда-то принесены на Землю. Поскольку даже сегодня метеориты приносят на Землю разнообразные органические вещества, последняя возможность не выглядит абсолютно фантасти ческой. Однако метеориты, по-видимому, содержат далеко не все вещества, необходимые для построения генетической системы. Хотя вещества метеоритного происхождения, ве
материи. Мне это представляется такой же несомненной науч ной истиной, как закон всемирного тяготения. Я готов принять в качестве научного постулата, справедливого всегда и повсюду, утверждение, что жизнь порождается только жизнью и ничем, кроме жизни. Но как же тогда произошла жизнь на Земле?
Далее он говорил о том, что во Вселенной должно существовать много других миров, несущих жизнь, которые время от времени разрушаются при столкновении с другими космическими телами, а их обломки с живыми растениями и животными рассеиваются в пространстве.
Следовательно, в высшей степени вероятно, что в космосе движется бесчисленное множество метеоритных камней, несу щих семена жизни. Если бы в настоящее время жизни на Земле не существовало, то один такой упавший на нее камень мог бы стать так называемой естественной причиной возникновения жизни, в результате чего Земля покрылась бы растительно стью. .. Гипотеза о том, что жизнь на Земле произошла бла годаря таким обломкам более древних миров, может показаться дикой и фантастичной; однако по этому поводу я могу лишь утверждать, что она не является ненаучной.
Эта идея была тщательно разработана в 1908 г. шведс ким химиком Сванте Аррениусом (1859-1927), который на звал свою теорию панспермией. Развивая идеи Гельмгольца и Кельвина, он высказал несколько собственных сообра жений, предположив, что бактериальные споры и вирусы могут уноситься с планеты, где они существовали, под действием электростатических сил, а затем перемещаться в космическое пространство под давлением света звезд. На ходясь в космическом пространстве, спора может осесть на частицу пыли; увеличив тем самым свою массу и преодолев давление света, она может попасть в окрестности ближайшей звезды и будет захвачена одной из планет этой звезды. Таким образом, живая материя способна переноситься с планеты на планету, из одной звездной системы в другую. Как указывал Аррениус, из этой теории, в частности, сле дует, что все живые существа во Вселенной должны быть химически родственны.
Теория панспермии опирается на два утверждения, ко торые следует рассмотреть отдельно. Первое из них заклю чается в том, что жизнь существовала всегда, т. е. она неразрывно связана с материей. Сейчас мы можем с уве ренностью сказать, что эта мысль ошибочна. Жизнь в отличие от материи и энергии не относится к числу фун даментальных свойств Вселенной; она скорее представляет собой проявление определенных комбинаций молекул, ко
торые не могли существовать вечно, поскольку не всегда существовали даже элементы, из которых они состоят. Кос мологи считают, что Вселенная первоначально состояла из самого легкого элемента водорода или из нейтронов-фун даментальных частиц, имеющих примерно такую же массу, как атом водорода. Все элементы тяжелее водорода об разовались (и образуются в звездах до сих пор) из водорода в реакциях ядерного синтеза. Эти реакции служат главным источником звездной энергии. Хотя за время существования наблюдаемой Вселенной (по оценкам 10-15 млрд. лет) часть водорода была израсходована, он до сих пор остается наиболее распространенным элементом. Около 90% атомов наблюдаемой Вселенной (что составляет около 60% ее мас сы) приходится на водород, остальная часть - это в основном гелий, элемент, следующий по массе за водородом. Но поскольку кроме водорода для организации живой материи необходимы и другие элементы, жизнь не может быть "ровесницей" Вселенной-она должна была возникнуть го раздо позднее.
Второе утверждение теории панспермии, согласно ко торому споры могут и должны переноситься через кос мическое пространство, в наши дни представляется гораздо менее правдоподобным, чем это казалось Аррениусу. Сов местное воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а также космических лучей, которым организмы неизбежно должны подвергаться в космосе, намного опаснее, а межзвездные расстояния и, следовательно, время, необ ходимое для перемещения, значительно больше, чем пред полагал Аррениус. Но сейчас мы располагаем также эм пирическими данными, свидетельствующими о том, что споры, которые бы могли засеивать Вселенную, не способны ни покидать Землю, ни проникать в ее окрестности. В образцах грунта, доставленных с Луны американскими астронавтами во время полетов кораблей "Аполлон", не обнаружено микроорганизмов, хотя предполагалось, что Луна может "улавливать" значительное число частиц, по кидающих Землю или попадающих в ее окрестности из других областей космического пространства. Биологические анализы образцов лунного грунта не выявили никаких ор ганизмов, способных выжить в долгих космических путе шествиях, и до сих пор все подобные исследования дают лишь отрицательные результаты. За время существования Солнечной системы (около 4,5 млрд. лет) споры-если они существуют-должны были попасть и на Марс; но к до
казательствам наличия жизни на Марсе мы обратимся не сколько позже.
Однако, несмотря на факты, свидетельствующие против теории панспермии, она продолжает жить. В последние годы известный американский астрофизик и писатель-фантаст Фред Хойл вместе со своим сотрудником Чандром Вик рамасингхом пришли к невероятному заключению, что не менее 80% частиц межзвездной пыли состоят из клеток бактерий и морских водорослей. Их предположение осно вано на изучении оптических свойств частиц межзвездной пыли. Согласно оценкам, ее масса в нашей Галактике при мерно в 5 млн. раз превосходит массу Солнца. С этой точки зрения Земля почти безжизненна по сравнению с межзвезд ным пространством. Вслед за Аррениусом Хойл и Викра масингх называют эти клетки межпланетными "прыгунами". Но если такие "прыгуны" действительно существовали, то они, наверное, давно бы добрались и до Луны, и до Марса.
Совсем недавно некоторые ученые предложили обновлен ный вариант теории панспермии. Согласно ему, жизнь на Землю опять-таки занесена из космического пространства, но не случайно, как предполагает классическая теория панспермии, а "доставлена" на межзвездном космическом корабле, отправленном разумными существами с какой-то обитаемой планеты, принадлежащей другой звездной систе ме. Эта теория предполагает, что жизнь не существовала вечно, как считали Гельмгольц. Кельвин и Аррениус, а зародилась в результате сложной цепи химических превра щений (мы расскажем об этом в гл. 3). На примитивной Земле не было подходящих условий для зарождения жизни: поэтому жизнь, существующая ныне на нашей планете, изначально возникла где-то в другом месте Галактики, где условия были благоприятными. Наиболее детально эта ги потеза, получившая название направленной панспермии, бы ла разработана Фрэнсисом Криком и Лесли Оргелом. Крик и Оргел доказывают, что с момента образования Вселенной прошло достаточно времени, чтобы в Галактике могла сформироваться технически развитая цивилизация, которая по неведомым нам причинам около 4 млрд. лет назад сознательно заселила Землю микроорганизмами, доставлен ными автоматическим космическим аппаратом.
Поначалу я расценивал эту гипотезу как чистую мисти фикацию, целью которой было показать несовершенство наших представлений о происхождении жизни. Но, озна комившись с книгой Крика, где гипотеза направленной
панспермии рассматривается как серьезная альтернатива теории о возможности самостоятельного возникновения жизни на нашей планете (см. [4]), я изменил свое мнение. Хотя нет никаких доказательств в пользу этой гипотезы по сравнению с общепринятой, мы не располагаем и данными, которые позволили бы опровергнуть ее. Обнаружение жизни на какой-то другой планете нашей Галактики, вероятно, могли бы стать проверкой этой гипотезы, поскольку все ее варианты-в отличие от гипотезы локального происхожде ния-обязательно предполагают идентичность всех сущест вующих генетических систем.
Теория направленной панспермии входит составной частью в развернувшуюся ныне широкую дискуссию о воз можности существования в нашей Галактике внеземных цивилизаций. На теоретические исследования этого вопроса, как и на реальные поиски радиосигналов от иных циви лизаций, направлены все возрастающие усилия многих ис следователей. Но хотя в этой проблеме остается еще много неясного, в последние годы наблюдается заметный отход от упрощенного представления, бытовавшего на заре косми ческой эры, согласно которому Галактика просто "кишит" технологически развитыми обществами, которые существу ют на планетах земного типа в иных звездных мирах. Как теоретические доводы, так и результаты последних иссле дований Солнечной системы показали, что пригодные для жизни планеты, видимо, достаточно редки. Другие сообра жения приводят к выводу, что любая цивилизация, обретя способность к межзвездным полетам, должна быстро (в масштабе геологического времени) распространяться по всей Галактике. Если действительно существуют более древние, чем земная, цивилизации, способные совершать космические полеты, то где же они? Мы явно не обнаруживаем при сутствия внеземных цивилизаций в Солнечной системе. Эта захватывающая тема довольно подробно изложена в сбор нике под редакцией Харта и Цуккермана [7].
Вероятно, самое мудрое-это продолжить попытки выяс нения, какие условия существовали на примитивной Земле, и найти хотя бы один правдоподобный путь "самосборки" элементарной генетической системы. Наши достижения на пути к этой цели рассматриваются в следующей главе.
Глава 3
Происхождение жизни: химическая эволюция
Ничтожное ничто-начало всех начал. Теодор Рётке, "Вожделение"
Теория химической эволюции-современная теория про исхождения жизни-также опирается на идею самозарожде ния. Однако в основе ее лежит не внезапное (de novo) возникновение живых существ на Земле, а образование хи мических соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в прими тивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие элементы, составля ющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии. Эта теория пытается от ветить на вопрос: каким образом в ту далекую эпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую систему органические соединения?
Теория Опарина Юри
Общий подход к химической эволюции первым сфор мулировал советский биохимик А. И. Опарин (1894-1980). В 19241. в СССР была опубликована его небольшая книга, посвященная этому вопросу: в 1936 г. вышло в свет ее новое. дополненное издание (в 1938 г. она была переведена на английский язык). Опарин обратил внимание на то. что современные условия на поверхности Земли препятствуют синтезу большого количества органических соединений, по скольку свободный кислород, имеющийся в избытке в ат мосфере, окисляет углеродные соединения до диоксида угле рода (углекислого газа, СОд). Кроме того, он отмечал, что в наше время любое органическое вещество, "брошенное на произвол" на земле, используется живыми организмами (подобную мысль высказывал еще Чарлз Дарвин). Однако. утверждал Опарин, на первичной Земле господствовали иные
условия. Можно полагать, что в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водород и газы, содержащие водород, такие, как метан (СН^) и аммиак (МНд). (Подобную атмосферу, богатую водородом и бедную кислородом, называют восстанови тельной в отличие от современной, окислительной, атмос феры, богатой кислородом и бедной водородом.) По мне нию Опарина, такие условия создавали прекрасные воз можности для самопроизвольного синтеза органических сое динений.
Обосновывая свою идею о восстановительном характере примитивной атмосферы Земли, Опарин выдвигал следую щие аргументы.
1. Водород в изобилии присутствует в звездах (рис. 6 и фото 1).
2. Углерод обнаруживается в спектрах комет и холодных звезд в составе радикалов СН и CN, а окисленный углерод проявляется редко.
3. Углеводороды, т. е. соединения углерода и водорода, встречаются в метеоритах.
4. Атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиаком.
Как указывал Опарин, эти четыре пункта свидетельству ют о том, что Вселенная в целом находится в восстано вительном состоянии. Следовательно, на первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же со стоянии.
5. В вулканических газах содержится аммиак. Это, считал Опарин, говорит о том, что азот присутствовал в первичной атмосфере в виде аммиака.
6. Кислород, содержащийся в современной атмосфере, вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосин теза. и. следовательно, по своему происхождению это био логический продукт.
На основании этих рассуждений Опарин пришел к заклю чению, что углерод на примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот-в виде аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне хи мических реакций на поверхности безжизненной Земли воз никали сложные органические соединения, которые по про шествии довольно продолжительного периода времени, по-видимому, и дали начало первым живым существам. Первые организмы, вероятно, представляли собой очень простые системы, способные лишь к репликации (делению) за счет органической среды, из которой они образовались. Выражаясь современным языком, они были "гетеротрофа ми", т. е. зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим питанием. На противоположном конце этой шкалы находятся "автотрофы"-например, такие орга низмы, как зеленые растения, которые сами синтезируют все необходимые органические вещества из диоксида углерода, неорганического азота и воды. Согласно теории Опарина, автотрофы появились только после того, как гетеротрофы истощили запас органических соединений в примитивном океане.
Дж.Б.С.Холдейн (1892-1964) выдвинул идею, в неко тором отношении сходную со взглядами Опарина, которая была изложена в популярном очерке, опубликованном в 1929 г. Он предположил, что органическое вещество, син тезированное в ходе естественных химических процессов, протекавших на предбиологической Земле, накапливалось в океане, который в конце концов достиг консистенции "го рячего разбавленного бульона". По мнению Холдейна, при митивная атмосфера Земли была анаэробной (свободной от
кислорода), однако он не утверждал, что для осуществления синтеза органических соединений требовались восстанови тельные условия. Таким образом, он допускал, что углерод мог присутствовать в атмосфере в полностью окисленной форме, т. е. в виде диоксида, а не в составе метана или других углеводородов. При этом Холдейн ссылался на результаты экспериментов (не собственных), в которых доказывалась возможность образования сложных органических соедине ний из смеси диоксида углерода, аммиака и воды под действием ультрафиолетового излучения. Однако в даль нейшем все попытки повторить эти эксперименты оказались безуспешными.
В 1952 г. Гарольд Юри (1893-1981), занимаясь не собст венно проблемами происхождения жизни, а эволюцией Сол нечной системы, самостоятельно пришел к выводу, что атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер. Подход Опарина был качественным. Проблема, которую исследовал Юри, была по своему характеру физико-хими ческой: используя в качестве отправной точки данные о составе первичного облака космической пыли и граничные условия, определяемые известными физическими и хими ческими свойствами Луны и планет, он ставил целью раз работать термодинамически приемлемую историю всей Солнечной системы в целом. Юри, в частности, показал, что к завершению процесса формирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основными состав ляющими были водород и полностью восстановленные фор мы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не могло удержать легкий водород-и он постепенно улетучился в космическое про странство. Вторичным следствием потери свободного во дорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака - до газообразного азота, которые через определенное время превратили атмосферу из восстанови тельной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном окислительно-восстановительном состоя нии, на Земле могло образоваться в больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. В результате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.
Теория Юри имела одно важное последствие: она дала толчок успешным экспериментальным исследованиям. Од
нако, прежде чем говорить об экспериментах, основанных на гипотезе о первобытной атмосфере, богатой водородом, следует выяснить, насколько эта гипотеза соответствует геологическим данным. Этот вопрос активно обсуждался в последние годы. поскольку многие геологи сейчас сомне ваются в том, что на Земле вообще когда-либо существовала сильно восстановительная атмосфера. Все эти доводы, лишь несколько видоизмененные, применимы и к Марсу; поэтому здесь целесообразно их вкратце рассмотреть.
Примитивная Земля
Считается, что Солнечная система образовалась из про тосолнечной туманности-огромного облака газа и пыли. Возраст Земли, как установлено на основе ряда независимых оценок, близок к 4,5 млрд. лет. Чтобы выяснить состав первичной туманности, разумнее всего исследовать относи тельное содержание различных химических элементов в со временной Солнечной системе. В табл. 3 представлены дан ные о девяти наиболее распространенных элементах (на долю которых приходится 99,9% всей массы Солнечной системы), полученные с помощью спектроскопических иссле дований Солнца; относительное содержание некоторых дру гих элементов определено путем химического анализа ме теоритного вещества. Как видно из таблицы, основные элементы-водород и гелий-вместе составляют свыше 98% массы Солнца (99,9% его атомного состава) и фактически Солнечной системы в целом. Поскольку Солнце-обычная звезда и к этому типу относится множество звезд в других галактиках, его состав в общем характеризует распростра ненность элементов в космическом пространстве. Современ ные представления об эволюции звезд позволяют предпо ложить, что водород и гелий преобладали и в "молодом" Солнце, каковым оно было 4,5 млрд. лет назад.
В табл. 3 приведены также данные об элементном составе Земли. Хотя четыре основных элемента Земли относятся к числу девяти наиболее распространенных на Солнце, по своему составу наша планета существенно отличается от космического пространства в целом. (То же самое можно сказать о Меркурии, Венере и Марсе; однако Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун в этот список не попадают.) Земля состоит главным образом из железа, кислорода, кремния и магния. Очевиден дефицит всех биологически важных легких элементов (за исключением кислорода) и поразительна
Таблица 3 . Элементный состав (проценты по массе) Солнечной системы и Земли В порядке у меньше- Солнечная система* 3eMJ ля** ния относит содержания Элемент % Элемент % 1 Водород 77 Железо 34,6 2 Гелий 21 Кислород 29,5 3 Кислород 0,83 Кремний 15,2 4 Углерод 0,34 Магний 12.7 5 Неон 0.17 Никель 2.4 6 Азот 0,12 Сера 1.9 7 Железо 0.11 Кальций 1,1 8 Кремний 0,07 Алюминий 1,1 9 Магний 0,06 Натрий 0,57 Общее Водород количество 99,70 + углерод 0,05 + азот Неон 1-10-" Общее количество 99,12 * По данным Камерона (1970). ** По данным Мейсона (1966).
"нехватка" так называемых редких, или благородных, газов. подобных гелию и неону. В целом наша планета выглядит весьма бесперспективно для зарождения какой-либо жизни.
Главное положение теории Опарина - Юри заключается в том, что атмосфера молодой Земли, соответствовавшая по своему химическому составу протосолнечной туманности, имела ярко выраженный восстановительный характер. Од нако, что бы там ни было, сейчас атмосфера Земли имеет окислительный характер. Она содержит 77% азота, 21% кислорода, в среднем 1 % водяных паров, около 1 % аргона и ничтожные количества (следы) других газов. Каким же об разом могла возникнуть восстановительная атмосфера? Ве роятно. основную роль здесь сыграли газы протосолнечной туманности: с момента возникновения Земля была обес печена водородом и другими легкими элементами, которые,
согласно теории Опарина-Юри, необходимы для начала химической эволюции. Учитывая дефицит легких элементов и особенно благородных газов, разумно предположить, что изначально Земля сформировалась вообще без атмосферы. За исключением гелия, все благородные газы-неон, аргон, криптон и ксенон-обладают достаточной удельной массой, чтобы их могло удержать земное тяготение. Криптон и ксенон, например, тяжелее железа. Поскольку эти элементы образуют очень мало соединений, они. по всей видимости, существовали в примитивной атмосфере Земли в виде газов и не мо1ли улетучиться, когда планета достигла наконец своих нынешних размеров. Но поскольку на Земле их со держится в миллионы раз меньше, чем на Солнце, естест венно допустить, что наша планета никогда не имела ат мосферы, по составу близкой солнечной. Земля образовалась из твердых материалов, которые содержали лишь небольшое количество поглощенного или адсорбированного газа, так что никакой атмосферы сначала не было. Элементы, вхо дящие в состав современной атмосферы, по-видимому, поя вились на первобытной Земле в виде твердых химических соединений; впоследствии под действием тепла, возникаю щего при радиоактивном распаде или выделении грави тационной энергии, сопровождающем аккрецию Земли, эти соединения разлагались с образованием газов. В процессе вулканической деятельности эти газы вырывались из земных недр, образуя примитивную атмосферу.
Высокое содержание в современной атмосфере аргона (около 1%) не противоречит предположению, что благо родные газы первоначально отсутствовали в атмосфере. Изотоп аргона, распространенный в космическом простран стве, имеет атомную массу 36, тогда как атомная масса аргона, образовавшегося в земной коре при радиоактивном распаде калия, равна 40. Аномально высокое содержание на Земле кислорода (по сравнению с другими легкими эле ментами) объясняется тем, что этот элемент способен сое диняться с множеством других элементов, образуя такие очень стабильные твердые соединения, как силикаты и кар бонаты, которые входят в состав горных пород.
Предположения Юри о восстановительном характере первобытной атмосферы основывались на высоком содер жании на Земле железа (35% общей массы). Он считал, что железо, из которого ныне состоит ядро Земли, первона чально было распределено более или менее равномерно по всему ее объему. При разогреве Земли железо расплавилось
и собралось в ее центре. Однако, прежде чем это произошло, железо, содержащееся в том слое планеты, который сейчас называется верхней мантией Земли, взаимодействовало с водой (она присутствовала на примитивной Земле в виде гидратированных минералов, похожих на те, что обнару жены в некоторых метеоритах); в результате в первобытную атмосферу выделились огромные количества водорода.
Исследования, осуществляемые с начала 1950-х годов, поставили под вопрос ряд положений описанного сценария. Некоторые планетологи высказывают сомнения насчет того, что железо, сосредоточенное сейчас в земной коре, могло когда-либо равномерно распределяться по всему объему планеты. Они склоняются к мнению, что аккреция проис ходила неравномерно и железо конденсировалось из ту манности раньше других элементов, образующих ныне ман тию и кору Земли. При неравномерной аккреции содержание свободного водорода в примитивной атмосфере должно было оказаться ниже, чем в случае равномерного процесса. Другие ученые отдают предпочтение аккреции, но проте кающей таким путем, который не должен приводить к образованию восстановительной атмосферы. Короче говоря, в последние годы были проанализированы различные мо дели образования Земли, из которых одни в большей, другие в меньшей степени согласуются с представлениями о вос становительном характере ранней атмосферы.
Попытки восстановить события, происходившие на заре формирования Солнечной системы, неизбежно связаны со множеством неопределенностей. Промежуток времени меж ду возникновением Земли и образованием древнейших по род, поддающихся геологической датировке, в течение ко торого протекали химические реакции, приведшие к появ лению жизни, составляет 700 млн. лет. Лабораторные опыты показали, что для синтеза компонентов генетической сис темы необходима среда восстановительного характера; поэ тому можно сказать, что раз жизнь на Земле возникла, то это может означать следующее: либо примитивная агмосфера имела восстановительный характер, либо органические сое динения, необходимые для зарождения жизни, откуда-то принесены на Землю. Поскольку даже сегодня метеориты приносят на Землю разнообразные органические вещества, последняя возможность не выглядит абсолютно фантасти ческой. Однако метеориты, по-видимому, содержат далеко не все вещества, необходимые для построения генетической системы. Хотя вещества метеоритного происхождения, ве