Хоровиц Н
Поиски жизни в Солнечной системе
Хоровиц Н.
Поиски жизни в Солнечной системе
Предисловие редактора перевода
Современная наука располагает богатым материалом о физико-химической основе жизни, о путях, которые могли несколько миллиардов лет назад привести к возникновению примитивных организмов. В то же время нельзя забывать, что мы судим о принципах структурной и функциональной организации живых существ в общем-то на основании одной модели: хорошо известного нам земного варианта жизни. Несмотря на огромное разнообразие видов, населяющих Землю, все они основаны на "углеродной биохимии". Обмен веществ всех земных организмов-от простейших до че ловека-катализируют белки-ферменты, состоящие из одних и тех же двадцати аминокислот: универсальны принципы хранения и передачи наследственной информации и меха низм биосинтеза белка; существует глубокое сходство в работе мембранных энергопреобразующих систем различ ных организмов. Единственна ли такая "углеродная модель" или где-нибудь вне Земли, возможно, существуют иные формы жизни? Обнаружение таких форм имело бы огромное значение для понимания принципов организации живой ма терии. Вместе с тем открытие инопланетных организмов, принципиально не отличающихся от земных, скажем, своим генетическим кодом, в корне изменило бы наши представ ления о месте и характере процессов, приведших к воз никновению и распространению жизни во Вселенной.
Сегодня наука рассматривает проблему существования внеземной жизни в очень широком плане; обсуждаются даже возможности установления связи с гипотетическими циви лизациями иных звездных миров. Однако первоочередной и наиболее важной задачей ныне стало исследование вопроса об обитаемости планет Солнечной системы. Если не считать наивных с сегодняшней точки зрения суждений о присутст вии живых существ на планетах и даже на Солнце (вы
сказывавшихся в прошлом после признания гелиоцентри ческой системы Коперника), то можно утверждать, что действительно научный интерес к проблеме жизни на пла нетах Солнечной системы пробудился лишь на рубеже на шего столетия. Развитие астрономии и биологии достигло к тому времени такого уровня, что стало возможным реально оценить крут небесных тел. где наличие жизни практически исключено, и выделить наиболее вероятных "претендентов" ближайшие к Земле планеты, прежде всего Марс.
Наблюдения с Земли не позволяли сколько-нибудь досто верно судить не только о присутствии на этой планете живых организмов, но и просто о реально существующих там климатических условиях. А различные косвенные данные. полученные в ходе наблюдений, подогревали фантазию и заставляли строить увлекательные, но. как мы теперь знаем. фантастические гипотезы. Сейчас даже трудно сказать, на что эти гипотезы повлияли больше-на научное мышление или на художественное творчество. Во всяком случае, именно под их влиянием появились такие произведения, как "Война миров" Г. Уэллса, "Аэлита" А. Толстого. "Марсианские хроники" Р. Брэдбери. Среди исследователей проблемы бы ли энтузиасты, например американский астроном П. Ловелл или советский ученый Г. А. Тихов. были и скептики. Однако читатели старшего поколения, наверное, помнят, что в 40-50-х годах в научно-популярной литературе широко об суждалась перспектива обнаружить на Марсе если не мар сиан или леса тянь-шаньских елей, то уж во всяком случае лишайники, что в общем отражало и взгляды специалистов.
Ситуация изменилась коренным образом в 1957 г. Запуск в СССР первого спутника ознаменовал выход человечества в космическое пространство, и вопрос о возможной встрече с внеземной жизнью перешел в разряд реальных. Прежде всего появилась техническая возможность прямого исследования планет и других объектов Солнечной системы. Помимо чисто фундаментальной, общебиологической стороны проб лемы существенным был признан и ее другой аспект: контакт человека с ранее неизвестными видами патогенных микро организмов и перенос их на Землю могли представлять серьезную угрозу. Поэтому поиск внеземной жизни стал практической задачей космических исследований.
При этом чрезвычайно важно было определить пределы поиска, т. е. свести довольно расплывчатую проблему к конкретному кругу вопросов, на которые можно получить убедительный ответ с помощью современной аппаратуры.
Потребовалась своеобразная инвентаризация, а в чем-то и ревизия существующих представлений о природе жизни и физико-химических пределах ее распространения. Но глав ное, была необходима широкая мировоззренческая концеп ция. позволяющая осмыслить феномен жизни в плане общей эволюции материи во Вселенной.
Такой концептуальной основой для экзобиологического обследования планет и других космических объектов стали представления, разработанные еще в 30-х годах нашим выдающимся соотечественником академиком А. И. Опари ным. Согласно его взглядам, возникновение жизни нераз рывно связано с химической эволюцией соединений угле рода, происходящей как на Земле, так и в космическом пространстве. Подчас приходится слышать, что при всей философской ценности теоретических воззрений А. И. Опа рина они чрезвычайно далеки от практики. Опыт становле ния экзобиологических исследований свидетельствует об об ратном. Именно с началом космической эры пробудился широкий научный интерес к проблеме происхождения жизни. По-видимому, это не просто совпадение, что в 1957 г., незадолго до запуска первого в мире искусственного кос мического тела, в нашей стране состоялся и первый Между народный симпозиум по проблеме происхождения жизни, т. е. проблема из чисто умозрительных построений энту зиастов-одиночек превратилась в активно разрабатываемую отрасль экспериментальной науки.
Среди участников исторического московскою симпози ума был и американский ученый Норман Хоровиц, книгу которого мы представляем вниманию советского читателя. Его имя хорошо известно биологам разных специальностей. Еще в 40-х годах, начав работать в области генетики микро организмов (результаты этих исследований легли в основу современной молекулярной генетики), он первым попытался использовать генетико-биохимические подходы для анализа процесса эволюционного становления жизни. Позднее, в 60-70-х годах, возглавив биологический отдел Лаборатории реактивного движения, Н. Хоровиц участвовал в разработке и осуществлении программы "Викинг", основной задачей которой был поиск следов жизни на Марсе. О результатах этих исследований и их значении в общем контексте пробле мы происхождения жизни и ее распространения в Солнечной системе он и рассказывает в своей книге.
Эксперименты, проведенные на поверхности Марса с помощью научной аппаратуры "Викингов", интересны не
только с чисто технической точки зрения, т. е. как измерение определенных запланированных ранее параметров, имеющих отношение к жизнедеятельности возможных обитателей Марса. Любопытен и другой аспект исследований. Любой ученый мечтает об эксперименте, дающем однозначный и четкий ответ на поставленный вопрос. Вместе с тем, по крайней мере в биологических исследованиях, приходится сталкиваться и с результатами, допускающими неоднознач ную трактовку. ("Теория должна быть разумной, а факты не всегда таковы",-это высказывание видного американского генетика Дж. Бидла автор взял в качестве эпиграфа к одной из глав книги.) И дело здесь не в каком-то дефекте методик измерения, а в том, что наша исходная информация об изучаемом объекте не всегда достаточна для того, чтобы однозначно и четко спланировать эксперимент.
С подобной ситуацией ученым пришлось столкнуться и при анализе результатов измерений, проведенных прибо рами "Викингов" на "красной планете". Три эксперимента были нацелены на выявление продуктов обмена веществ возможной микрофлоры Марса: газообмен, выделение ра диоактивной метки и выделение продуктов пиролиза. Если бы спускаемые аппараты "Викингов" не были укомплекто ваны еще и высокочувствительным газовым хроматографом в комбинации с масс-спектрометром для обнаружения ор ганических соединений в грунте, то на основании резуль татов трех названных ранее экспериментов, мы, возможно, склонились бы к мысли, что Марс обитаем. Однако от сутствие органических соединений в образцах грунта сыгра ло решающую роль и заставило ученых искать объяснение полученных результатов не в метаболизме мифических оби тателей Марса, а в своеобразных химических свойствах неорганических компонентов поверхности планеты.
Так можно ли считать вопрос о жизни на Марсе окон чательно и бесповоротно решенным? Расстаться с полными своеобразного очарования иллюзиями об обитаемом Марсе, конечно, нелегко. Закрадывается мысль, что получить ис черпывающий ответ на этот вопрос можно лишь при не посредственном исследовании планеты космонавтами, вы садившимися на ее поверхности, или хотя бы при лабо раторном анализе образцов грунта, доставленных в назем ную лабораторию. Высказываются предположения (подчас не имеющие убедительных экспериментальных оснований), что под грунтом Марса могут существовать огромные массы
жидкой воды и обитать живые организмы. Иными словами, нужно еще попробовать, еще постараться, и тогда...
Но, строго говоря, вся совокупность данных современной науки не дает основания верить в существование марсиан ской биосферы. Читатель убедится в этом, ознакомившись с книгой Н. Хоровица, где дан подробный, логичный, но вместе с тем понятный для неспециалиста анализ научных представлений об адаптационных возможностях земных ор ганизмов и реальных условиях, существующих на поверхнос ти Марса. Тем не менее экзобиологические исследования этой планеты нельзя считать завершенными. Теперь их целью должен быть не поиск ныне живущих организмов, а выяснение вопроса о существовании там жизни в более ранние эпохи, когда на поверхности планеты присутствовала жидкая вода. На повестку дня встают палеобиологические, особенно микропалеобиологические, исследования Марса, что, по-видимому, станет возможным лишь при непосред ственном изучении исследователями образцов грунта. Время покажет, будут ли эти образцы отбираться автоматическими станциями и доставляться на Землю или их соберут и исследуют космонавты в ходе пилотируемых экспедиций. В любом случае научно-инженерное и технологическое обес печение таких исследований потребует огромных материаль ных средств и, быть может, совместных действий ученых различных стран мира. И тогда, возможно, образцы мар сианского грунта лягут на лабораторные столы исследо вателей-землян .
Книга Н. Хоровица побуждает нас еще раз задуматься об уникальности Земли как планеты жизни и необходимости объединить свои усилия во имя ее сохранения. Хочется надеяться, что умная, увлекательная книга американского ученого будет с интересом встречена советскими читателями.
М. С. Крицкий
Предисловие автора к русскому изданию
Запуск в 1957 г. первого искусственного спутника Земли (советский "Спутник-1") возвестил наступление космической эры. Наблюдая холодными октябрьскими вечерами за дви жением в небе маленького космического корабля, люди стали осознавать, что человечество находится на пороге новой эпохи исследований. Отныне мы не были привязаны к Земле силой гравитации, перед нами открывалась возмож ность посетить другие миры Солнечной системы: сначала Луну, затем планеты. Что же должен был сделать человек, высадившись в иных мирах? Ответ не вызывал сомнений: прежде всего выяснить, существует ли там жизнь.
Эта книга написана почти 30 лет спустя после полета первого спутника. Ее цель-рассказать о том, что известно сегодня о жизни на других планетах Солнечной системы. Но прежде, чем отправиться на эти планеты, следует задать себе несколько фундаментальных вопросов, касающихся природы жизни, ее химических основ и происхождения. Лишь разоб равшись в них, можно судить о возможности жизни в иных мирах. Как мы узнаем из книги, к 1971 г. ученым стало ясно, что только на Марсе можно было с некоторой вероятностью ожидать наличия жизни.
Итак, поиски сосредоточились на Марсе, загадочном Марсе, планете, породившей бесчисленные романтические сказки и не менее фантастические наблюдения многих уче ных. Аппараты "Викинг", выведенные на орбиту вокруг Марса и совершившие в 1976 г. посадку на его поверхность, не обнаружили там ни самой жизни, ни условий благоприят ных для ее существования. На равнинах Хриса и Утопия угасла давняя мечта человечества: мы оказались одиноки в Солнечной системе.
Ученым предстоит еще проделать огромную работу по исследованию Марса. Остается, например, неясным, сущест
вовала ли там жизнь в прошлом, когда на поверхности планеты была вода. Удастся ли в глубине марсианской коры обнаружить останки микроорганизмов или органические ве щества? И этим не исчерпываются все вопросы. Тем не менее первые исследования, о которых рассказывается в книге, особенно интересны. Причем не только потому, что они дали четкий ответ па очень старый вопрос. В них. как никогда ибо в Солнечной системе нет другого тела, подобного Марсу, переплелись жажда научного поиска, технические достижения и общественный энтузиазм.
В свежей книге я попытался языком, доступным широкой аудитории, поведать о событиях, непосредственным участ ником которых являлся. Я чрезвычайно рад возможности лично представить книгу советскому читателю и глубоко признателен за это издательству "Мир".
Июль 1987 г.
Норман X. Хоровиц
Посвящается Перл Критик и болельщица, стилист, редактор, вдохновитель-она сделала бы это лучше
Вступление
Проведенные в 1960-1970-х годах исследования планеты Марс, кульминацией которых явилась посадка (1976) на поверхность планеты двух космических аппаратов "Викинг" с приборами на борту, воплотили давнюю мечту чело веческой цивилизации. Поскольку эти исследования дали отрицательный ответ на самый волнующий вопрос отно сительно жизни на Марсе, многие люди склонны рассматри вать полученные результаты как бесспорную неудачу. В действительности же это блестящий успех. Серия прекрасно спланированных и проведенных космических полетов за десятилетие превратила Марс из загадочной планеты с долгой романтической судьбой в один из наиболее изу ченных объектов Солнечной системы. Для ученого, которому довелось участвовать в осуществлении "марсианской про граммы", она была и остается выдающимся научным пред приятием, как и любое другое первое исследование нового, неведомого мира. По широте научных интересов, необычай ной сложности приборов, размаху и многообразию (а также эффективности) организационной структуры, волнениям как участников, так и наблюдателей, по своей исторической значимости исследование Марса заняло уникальное место в истории науки нашего времени.
Отсутствие следов жизни в местах посадки обоих ап паратов "Викинг" и данные, неоспоримо свидетельствую щие, что все другие районы Марса столь же безжизненны, достаточно убедительно говорят о том, что жизнь в пределах Солнечной системы существует лишь на Земле. Это заклю чение вызывает непреходящий интерес. Все, кто внимательно следил за ходом исследований Марса, начавшихся в 1965 г. с полета аппарата "Маринер-4", не были удивлены таким концом. Однако у многих, особенно у людей, далеких от
науки, это вызвало такое разочарование, с которым они до сих пор не могут примириться.
Представление об обитаемости Марса занимает особое место в нашем восприятии действительности, оно оказало сильное влияние на весь ход и методы исследования планеты. Этим объясняется тот примечательный факт, что вся серия полетов, связанных с изучением Марса, была завершена всего за 20 лет-начиная с запуска первого советского спут ника ("Спутник-1", октябрь 1957 г.), открывшего космичес кую эру. Предположение, что Марс-это просто "вариант" Земли, но только с более суровыми условиями, которое бытовало, несмотря на обилие фактов, свидетельствовавших в пользу иной точки зрения, заметно повлияло на выбор программы биологических экспериментов, проведенных ап паратами "Викинг". Подобные взгляды нашли свое отра жение и в международном соглашении о необходимости строгой стерилизации всех космических аппаратов, пред назначенных для исследования этой планеты. Укоренившие ся представления о Марсе оказались столь сильными, что подействовали даже на обычно здравые суждения ученых. Об этом свидетельствуют, в частности, те полуфантастические идеи. которые были в ходу еще совсем недавно. Их проверка и последующее уточнение (главным образом в период 1965-1976 гг.) представляют собой выдающуюся главу в истории современной науки.
Моя книга-это своеобразный отчет о тех событиях. увиденных глазами одного из участников, который, хочу надеяться, будет понятен и интересен неспециалистам. Ничего подобного марсианскому проекту с его уникальной смесью фантастики, научных устремлений, технических возможнос тей и всеобщего энтузиазма не предвидится в ближайшем будущем хотя бы потому, что в Солнечной системе нет другого столь же привлекательного объекта, как старый Марс. Я попытался также объяснить непосвященному чи тателю научные основы поиска внеземных форм жизни и условия, необходимые для существования жизни, связав все "по с выбором Марса как единственно подходящего объекта для таких исследований. Я надеюсь также доказать, почему эти исследования теперь можно считать завершенными.
Мне хотелось бы сердечно поблагодарить моих коллег за важные замечания, сделанные к различным главам рукописи; в этой работе принимали участие Элизабет Бертэни, Дж. Б. Фамер. Джесси Гринстейн, Дэвид Хоровиц, Джерри Хаббард. Эндрю Ингерсолл, Роберт Лейтон. Линн Мар
i-улис, Сгенли Миллер. Брус Мюррей. Лесли Оргел, Маартин Шмидт и ныне покойный Ральф Робин. Кроме того, в изложении некоторых вопросов мне оказали помощь Бентон Кларк, Джон Эдмонд, Клиффорд М оран. Конуэй Снайдер, Дэвид Стивенсон, Стивен Вогель и Юк Янг. И я глубоко признателен всем моим друзьям. Однако никто из них ни в коей мере не несет ответственность за какие-либо упущения книги все изложенные в ней взгляды отражают только мою точку зрения.
Я особенно благодарен Харди Мартелю. который помог мне ярче выразить внутренний "настрой", присущий моему повествованию. Я признателен Джениджой Ла Белле, обра тившей мое внимание на стихотворение Теодора Ретке, строки которого взяты эпиграфом к гл. ?. а также Шерил Коппер-за умелое редактирование и Джерри Ван-дер-Вуду за помощь в подготовке иллюстраций.
//. Xopmillf
Глава 1 Что такое жизнь?
Не так уж много времени прошло с тех пор, как генетика и биохимия стали самостоятель ными науками, каждая из которых . . . пытает ся подобрать ключ к феномену жизни. Биохи мики обнаружили ферменты, а генетики гены.
Уильям Хеш', "Генетика бактерий и бакте риофагов" (1968)
Год 1958. Эпоха бурного развития космических иссле дований, и вам предложили принять участие в подготовке исследований по обнаружению жизни на Марсе. Предло жение принято (разве откажешься?)-и вскоре вы замечаете, что поглощены мыслями о том, как искать жизнь в другом мире. Как опознать живые объекты другой планеты? Что мы имеем в виду, когда называем что-либо "живым"? Впрочем, подобные вопросы занимали философов еще со времен Аристотеля.
Обычно не трудно решить, живой объект перед нами или пет. Мы связываем "состояние жизни" с определенным внешним видом и поведением, а отсутствие таковых, как правило, приводит к совершенно справедливому заключе нию, 410 данный объект не является живым. В особо инте ресных или важных случаях, например когда нужно уста новить, живы или нет семена, найденные в древнеегипетских гробницах, или наступила ли смерть данного человека, используются определенные тесты. Но пригодны ли по добные критерии для обнаружения жизни на Марсе? По видимому, нет. Наша концепция "живого" должна быть достаточно широкой, чтобы мы могли распознать жизнь в любом ее проявлении и с достаточной точностью и вместе с гем не обнаружить ее там, где она отсутствует. Для этого нужно глубоко проникнуть в сущность природы живой материи, как это и делает современная биология.
Жизнь и генетический механизм
Живые системы отличаются от неживых двумя важными особенностями. Прежде всего, даже самый простой организм по своему составу и строению гораздо сложнее любого
сравнимого с ним по размеру объекта неживой природы. Мы до сих пор еще не знаем полностью, какова структурная организация живой клетки, ибо обнаруживаются все новые ее компоненты-и конца этому не видно. Следует помнить, что при этом не принимается во внимание сложность ор ганизации многоклеточных организмов, где огромные по пуляции клеток, специализированных на выполнении опре деленных функций, должны взаимодействовать по согла сованной и взаимовыгодной программе. Данное обстоя тельство влечет за собой вторую отличительную особен ность живых организмов: оказывается, структура и орга низация клетки, по-видимому, обусловлены ее предназна чением, конечной целью которого является выживание ор ганизма. В прошлом эти уникальные свойства живых ор ганизмов привели к убеждению, что они обладают некой "жизненной силой"-таинственным, нефизическим началом, которым обусловлены особенности, отделяющие живой мир от неживого непроходимой пропастью. Сейчас подобные рассуждения кажутся нелепыми. Мы знаем, что живая ма терия по своему химическому составу принципиально не отличается от неживой: живые существа состоят из тех же атомов и молекул и ничего более в себе не заключают. Что отличает их от всего остального мира, так это способ. которым их атомы и молекулы соединены друг с другом. Таким образом, жизнь есть проявление определенных ком бинаций молекул.
На нашей планете, как известно, основные жизненные процессы обеспечиваются молекулами только двух типов: белками и нуклеиновыми кислотами. Белки образуют фер менты-высокоэффективные катализаторы*, способствую щие протеканию в живых системах самых разнообразных химических реакций. Те или иные химические изменения и характеризуют всю жизнедеятельность живых существ; усво ение пищи, образование новых клеток и клеточных компо нентов, сокращение мышц и передача нервных импульсов вот лишь несколько функций, при осуществлении которых происходит химическое превращение молекул одного типа в другой. Эти и множество других специфических реакций, происходящих в организме, "отбираются" и возбуждаются при непосредственном участии ферментов; последние, таким образом, определяют направление и выход конечного про
* Смысл используемых в книге специальных понятий разъясня ется в "Словаре терминов".
дукта всего сложного комплекса процессов, называемого обменом веществ, или метаболизмом, который характерен только для живого организма.
Живые клетки синтезируют белки, которые обладают и другими функциями. К неферментативным белкам относятся гемоглобин, инсулин, различные антитела. Наиболее распро страненным белком, синтезируемым в организме млекопи тающих, является коллаген-своего рода строительный ма териал для костей, кожи или зубов.
Нуклеиновые кислоты выполняют совершенно иную функцию. Они образуют гены - носители всех видов гене гической (наследственной) информации. Имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и ри бонуклеиновая (РНК), и обе они обнаружены во всех клет ках. Несмотря на большое сходство в их химическом строе нии, во всех известных нам организмах (за исключением некоторых вирусов) генетическую функцию несет ДНК. Ге нетическая информация, по-видимому, целиком связана с синтезом белковых молекул: их химическим строением, вре менем и скоростью синтеза.
Как нуклеиновые кислоты, так и белки образованы очень большими молекулами, состоящими из линейно располо женных маленьких субъединиц-"строительных блоков". У нуклеиновых кислот эти строительные блоки называются нуклеотидами. Четыре различных типа нуклеотидов состав ляют молекулы ДНК и РНК (их строение показано на рис. 1). Генетическая информация кодируется последова тельностью нуклеотидов, так же, как информация, содер жащаяся в напечатанной странице, кодируется последова тельностью букв. Строительными блоками белков являются аминокислоты. В природе их существует великое множество, но только 20 одни и те же 20 аминокислот во всех известных видах-используются при образовании белков (строение аминокислот показано на рис. 2).
Важной характеристикой аминокислот является оптиче ская изомерия. Все они (за исключением самой простой глицина) могут существовать в двух формах, которые от личаются одна от другой так же, как левая рука отличается от правой, т. е. являются зеркальным отражением друг друга (рис. 3). Два оптических изомера идентичны по своим хи мическим свойствам, но поскольку их невозможно совмес тить (перчатку с правой руки нельзя надеть на левую), они не могут заменять друг друга при построении белковых мо лекул или каких-либо иных трехмерных родственных струк
тур. Интересно, что аминокислоты всех известных белков относятся к левовращающим, L(/ev()), изомерам. В принципе в каком-то ином живом мире все аминокислоты могли бы быть и правовращающими. или D {dextro), изомерами, и этот мир (функционировал бы так же, как и земной. Тот факт, что в нашем мире L-аминокислоты оказались предпочтительнее. чем D, вероятно, следует рассматривать как историческую случайность. На какой-то другой планете, где аминокислоты 1акже играли бы определенную роль в биохимии орга низмов. с равной вероятностью возможны как L-. так и D-формы.
Поиски жизни в Солнечной системе
Предисловие редактора перевода
Современная наука располагает богатым материалом о физико-химической основе жизни, о путях, которые могли несколько миллиардов лет назад привести к возникновению примитивных организмов. В то же время нельзя забывать, что мы судим о принципах структурной и функциональной организации живых существ в общем-то на основании одной модели: хорошо известного нам земного варианта жизни. Несмотря на огромное разнообразие видов, населяющих Землю, все они основаны на "углеродной биохимии". Обмен веществ всех земных организмов-от простейших до че ловека-катализируют белки-ферменты, состоящие из одних и тех же двадцати аминокислот: универсальны принципы хранения и передачи наследственной информации и меха низм биосинтеза белка; существует глубокое сходство в работе мембранных энергопреобразующих систем различ ных организмов. Единственна ли такая "углеродная модель" или где-нибудь вне Земли, возможно, существуют иные формы жизни? Обнаружение таких форм имело бы огромное значение для понимания принципов организации живой ма терии. Вместе с тем открытие инопланетных организмов, принципиально не отличающихся от земных, скажем, своим генетическим кодом, в корне изменило бы наши представ ления о месте и характере процессов, приведших к воз никновению и распространению жизни во Вселенной.
Сегодня наука рассматривает проблему существования внеземной жизни в очень широком плане; обсуждаются даже возможности установления связи с гипотетическими циви лизациями иных звездных миров. Однако первоочередной и наиболее важной задачей ныне стало исследование вопроса об обитаемости планет Солнечной системы. Если не считать наивных с сегодняшней точки зрения суждений о присутст вии живых существ на планетах и даже на Солнце (вы
сказывавшихся в прошлом после признания гелиоцентри ческой системы Коперника), то можно утверждать, что действительно научный интерес к проблеме жизни на пла нетах Солнечной системы пробудился лишь на рубеже на шего столетия. Развитие астрономии и биологии достигло к тому времени такого уровня, что стало возможным реально оценить крут небесных тел. где наличие жизни практически исключено, и выделить наиболее вероятных "претендентов" ближайшие к Земле планеты, прежде всего Марс.
Наблюдения с Земли не позволяли сколько-нибудь досто верно судить не только о присутствии на этой планете живых организмов, но и просто о реально существующих там климатических условиях. А различные косвенные данные. полученные в ходе наблюдений, подогревали фантазию и заставляли строить увлекательные, но. как мы теперь знаем. фантастические гипотезы. Сейчас даже трудно сказать, на что эти гипотезы повлияли больше-на научное мышление или на художественное творчество. Во всяком случае, именно под их влиянием появились такие произведения, как "Война миров" Г. Уэллса, "Аэлита" А. Толстого. "Марсианские хроники" Р. Брэдбери. Среди исследователей проблемы бы ли энтузиасты, например американский астроном П. Ловелл или советский ученый Г. А. Тихов. были и скептики. Однако читатели старшего поколения, наверное, помнят, что в 40-50-х годах в научно-популярной литературе широко об суждалась перспектива обнаружить на Марсе если не мар сиан или леса тянь-шаньских елей, то уж во всяком случае лишайники, что в общем отражало и взгляды специалистов.
Ситуация изменилась коренным образом в 1957 г. Запуск в СССР первого спутника ознаменовал выход человечества в космическое пространство, и вопрос о возможной встрече с внеземной жизнью перешел в разряд реальных. Прежде всего появилась техническая возможность прямого исследования планет и других объектов Солнечной системы. Помимо чисто фундаментальной, общебиологической стороны проб лемы существенным был признан и ее другой аспект: контакт человека с ранее неизвестными видами патогенных микро организмов и перенос их на Землю могли представлять серьезную угрозу. Поэтому поиск внеземной жизни стал практической задачей космических исследований.
При этом чрезвычайно важно было определить пределы поиска, т. е. свести довольно расплывчатую проблему к конкретному кругу вопросов, на которые можно получить убедительный ответ с помощью современной аппаратуры.
Потребовалась своеобразная инвентаризация, а в чем-то и ревизия существующих представлений о природе жизни и физико-химических пределах ее распространения. Но глав ное, была необходима широкая мировоззренческая концеп ция. позволяющая осмыслить феномен жизни в плане общей эволюции материи во Вселенной.
Такой концептуальной основой для экзобиологического обследования планет и других космических объектов стали представления, разработанные еще в 30-х годах нашим выдающимся соотечественником академиком А. И. Опари ным. Согласно его взглядам, возникновение жизни нераз рывно связано с химической эволюцией соединений угле рода, происходящей как на Земле, так и в космическом пространстве. Подчас приходится слышать, что при всей философской ценности теоретических воззрений А. И. Опа рина они чрезвычайно далеки от практики. Опыт становле ния экзобиологических исследований свидетельствует об об ратном. Именно с началом космической эры пробудился широкий научный интерес к проблеме происхождения жизни. По-видимому, это не просто совпадение, что в 1957 г., незадолго до запуска первого в мире искусственного кос мического тела, в нашей стране состоялся и первый Между народный симпозиум по проблеме происхождения жизни, т. е. проблема из чисто умозрительных построений энту зиастов-одиночек превратилась в активно разрабатываемую отрасль экспериментальной науки.
Среди участников исторического московскою симпози ума был и американский ученый Норман Хоровиц, книгу которого мы представляем вниманию советского читателя. Его имя хорошо известно биологам разных специальностей. Еще в 40-х годах, начав работать в области генетики микро организмов (результаты этих исследований легли в основу современной молекулярной генетики), он первым попытался использовать генетико-биохимические подходы для анализа процесса эволюционного становления жизни. Позднее, в 60-70-х годах, возглавив биологический отдел Лаборатории реактивного движения, Н. Хоровиц участвовал в разработке и осуществлении программы "Викинг", основной задачей которой был поиск следов жизни на Марсе. О результатах этих исследований и их значении в общем контексте пробле мы происхождения жизни и ее распространения в Солнечной системе он и рассказывает в своей книге.
Эксперименты, проведенные на поверхности Марса с помощью научной аппаратуры "Викингов", интересны не
только с чисто технической точки зрения, т. е. как измерение определенных запланированных ранее параметров, имеющих отношение к жизнедеятельности возможных обитателей Марса. Любопытен и другой аспект исследований. Любой ученый мечтает об эксперименте, дающем однозначный и четкий ответ на поставленный вопрос. Вместе с тем, по крайней мере в биологических исследованиях, приходится сталкиваться и с результатами, допускающими неоднознач ную трактовку. ("Теория должна быть разумной, а факты не всегда таковы",-это высказывание видного американского генетика Дж. Бидла автор взял в качестве эпиграфа к одной из глав книги.) И дело здесь не в каком-то дефекте методик измерения, а в том, что наша исходная информация об изучаемом объекте не всегда достаточна для того, чтобы однозначно и четко спланировать эксперимент.
С подобной ситуацией ученым пришлось столкнуться и при анализе результатов измерений, проведенных прибо рами "Викингов" на "красной планете". Три эксперимента были нацелены на выявление продуктов обмена веществ возможной микрофлоры Марса: газообмен, выделение ра диоактивной метки и выделение продуктов пиролиза. Если бы спускаемые аппараты "Викингов" не были укомплекто ваны еще и высокочувствительным газовым хроматографом в комбинации с масс-спектрометром для обнаружения ор ганических соединений в грунте, то на основании резуль татов трех названных ранее экспериментов, мы, возможно, склонились бы к мысли, что Марс обитаем. Однако от сутствие органических соединений в образцах грунта сыгра ло решающую роль и заставило ученых искать объяснение полученных результатов не в метаболизме мифических оби тателей Марса, а в своеобразных химических свойствах неорганических компонентов поверхности планеты.
Так можно ли считать вопрос о жизни на Марсе окон чательно и бесповоротно решенным? Расстаться с полными своеобразного очарования иллюзиями об обитаемом Марсе, конечно, нелегко. Закрадывается мысль, что получить ис черпывающий ответ на этот вопрос можно лишь при не посредственном исследовании планеты космонавтами, вы садившимися на ее поверхности, или хотя бы при лабо раторном анализе образцов грунта, доставленных в назем ную лабораторию. Высказываются предположения (подчас не имеющие убедительных экспериментальных оснований), что под грунтом Марса могут существовать огромные массы
жидкой воды и обитать живые организмы. Иными словами, нужно еще попробовать, еще постараться, и тогда...
Но, строго говоря, вся совокупность данных современной науки не дает основания верить в существование марсиан ской биосферы. Читатель убедится в этом, ознакомившись с книгой Н. Хоровица, где дан подробный, логичный, но вместе с тем понятный для неспециалиста анализ научных представлений об адаптационных возможностях земных ор ганизмов и реальных условиях, существующих на поверхнос ти Марса. Тем не менее экзобиологические исследования этой планеты нельзя считать завершенными. Теперь их целью должен быть не поиск ныне живущих организмов, а выяснение вопроса о существовании там жизни в более ранние эпохи, когда на поверхности планеты присутствовала жидкая вода. На повестку дня встают палеобиологические, особенно микропалеобиологические, исследования Марса, что, по-видимому, станет возможным лишь при непосред ственном изучении исследователями образцов грунта. Время покажет, будут ли эти образцы отбираться автоматическими станциями и доставляться на Землю или их соберут и исследуют космонавты в ходе пилотируемых экспедиций. В любом случае научно-инженерное и технологическое обес печение таких исследований потребует огромных материаль ных средств и, быть может, совместных действий ученых различных стран мира. И тогда, возможно, образцы мар сианского грунта лягут на лабораторные столы исследо вателей-землян .
Книга Н. Хоровица побуждает нас еще раз задуматься об уникальности Земли как планеты жизни и необходимости объединить свои усилия во имя ее сохранения. Хочется надеяться, что умная, увлекательная книга американского ученого будет с интересом встречена советскими читателями.
М. С. Крицкий
Предисловие автора к русскому изданию
Запуск в 1957 г. первого искусственного спутника Земли (советский "Спутник-1") возвестил наступление космической эры. Наблюдая холодными октябрьскими вечерами за дви жением в небе маленького космического корабля, люди стали осознавать, что человечество находится на пороге новой эпохи исследований. Отныне мы не были привязаны к Земле силой гравитации, перед нами открывалась возмож ность посетить другие миры Солнечной системы: сначала Луну, затем планеты. Что же должен был сделать человек, высадившись в иных мирах? Ответ не вызывал сомнений: прежде всего выяснить, существует ли там жизнь.
Эта книга написана почти 30 лет спустя после полета первого спутника. Ее цель-рассказать о том, что известно сегодня о жизни на других планетах Солнечной системы. Но прежде, чем отправиться на эти планеты, следует задать себе несколько фундаментальных вопросов, касающихся природы жизни, ее химических основ и происхождения. Лишь разоб равшись в них, можно судить о возможности жизни в иных мирах. Как мы узнаем из книги, к 1971 г. ученым стало ясно, что только на Марсе можно было с некоторой вероятностью ожидать наличия жизни.
Итак, поиски сосредоточились на Марсе, загадочном Марсе, планете, породившей бесчисленные романтические сказки и не менее фантастические наблюдения многих уче ных. Аппараты "Викинг", выведенные на орбиту вокруг Марса и совершившие в 1976 г. посадку на его поверхность, не обнаружили там ни самой жизни, ни условий благоприят ных для ее существования. На равнинах Хриса и Утопия угасла давняя мечта человечества: мы оказались одиноки в Солнечной системе.
Ученым предстоит еще проделать огромную работу по исследованию Марса. Остается, например, неясным, сущест
вовала ли там жизнь в прошлом, когда на поверхности планеты была вода. Удастся ли в глубине марсианской коры обнаружить останки микроорганизмов или органические ве щества? И этим не исчерпываются все вопросы. Тем не менее первые исследования, о которых рассказывается в книге, особенно интересны. Причем не только потому, что они дали четкий ответ па очень старый вопрос. В них. как никогда ибо в Солнечной системе нет другого тела, подобного Марсу, переплелись жажда научного поиска, технические достижения и общественный энтузиазм.
В свежей книге я попытался языком, доступным широкой аудитории, поведать о событиях, непосредственным участ ником которых являлся. Я чрезвычайно рад возможности лично представить книгу советскому читателю и глубоко признателен за это издательству "Мир".
Июль 1987 г.
Норман X. Хоровиц
Посвящается Перл Критик и болельщица, стилист, редактор, вдохновитель-она сделала бы это лучше
Вступление
Проведенные в 1960-1970-х годах исследования планеты Марс, кульминацией которых явилась посадка (1976) на поверхность планеты двух космических аппаратов "Викинг" с приборами на борту, воплотили давнюю мечту чело веческой цивилизации. Поскольку эти исследования дали отрицательный ответ на самый волнующий вопрос отно сительно жизни на Марсе, многие люди склонны рассматри вать полученные результаты как бесспорную неудачу. В действительности же это блестящий успех. Серия прекрасно спланированных и проведенных космических полетов за десятилетие превратила Марс из загадочной планеты с долгой романтической судьбой в один из наиболее изу ченных объектов Солнечной системы. Для ученого, которому довелось участвовать в осуществлении "марсианской про граммы", она была и остается выдающимся научным пред приятием, как и любое другое первое исследование нового, неведомого мира. По широте научных интересов, необычай ной сложности приборов, размаху и многообразию (а также эффективности) организационной структуры, волнениям как участников, так и наблюдателей, по своей исторической значимости исследование Марса заняло уникальное место в истории науки нашего времени.
Отсутствие следов жизни в местах посадки обоих ап паратов "Викинг" и данные, неоспоримо свидетельствую щие, что все другие районы Марса столь же безжизненны, достаточно убедительно говорят о том, что жизнь в пределах Солнечной системы существует лишь на Земле. Это заклю чение вызывает непреходящий интерес. Все, кто внимательно следил за ходом исследований Марса, начавшихся в 1965 г. с полета аппарата "Маринер-4", не были удивлены таким концом. Однако у многих, особенно у людей, далеких от
науки, это вызвало такое разочарование, с которым они до сих пор не могут примириться.
Представление об обитаемости Марса занимает особое место в нашем восприятии действительности, оно оказало сильное влияние на весь ход и методы исследования планеты. Этим объясняется тот примечательный факт, что вся серия полетов, связанных с изучением Марса, была завершена всего за 20 лет-начиная с запуска первого советского спут ника ("Спутник-1", октябрь 1957 г.), открывшего космичес кую эру. Предположение, что Марс-это просто "вариант" Земли, но только с более суровыми условиями, которое бытовало, несмотря на обилие фактов, свидетельствовавших в пользу иной точки зрения, заметно повлияло на выбор программы биологических экспериментов, проведенных ап паратами "Викинг". Подобные взгляды нашли свое отра жение и в международном соглашении о необходимости строгой стерилизации всех космических аппаратов, пред назначенных для исследования этой планеты. Укоренившие ся представления о Марсе оказались столь сильными, что подействовали даже на обычно здравые суждения ученых. Об этом свидетельствуют, в частности, те полуфантастические идеи. которые были в ходу еще совсем недавно. Их проверка и последующее уточнение (главным образом в период 1965-1976 гг.) представляют собой выдающуюся главу в истории современной науки.
Моя книга-это своеобразный отчет о тех событиях. увиденных глазами одного из участников, который, хочу надеяться, будет понятен и интересен неспециалистам. Ничего подобного марсианскому проекту с его уникальной смесью фантастики, научных устремлений, технических возможнос тей и всеобщего энтузиазма не предвидится в ближайшем будущем хотя бы потому, что в Солнечной системе нет другого столь же привлекательного объекта, как старый Марс. Я попытался также объяснить непосвященному чи тателю научные основы поиска внеземных форм жизни и условия, необходимые для существования жизни, связав все "по с выбором Марса как единственно подходящего объекта для таких исследований. Я надеюсь также доказать, почему эти исследования теперь можно считать завершенными.
Мне хотелось бы сердечно поблагодарить моих коллег за важные замечания, сделанные к различным главам рукописи; в этой работе принимали участие Элизабет Бертэни, Дж. Б. Фамер. Джесси Гринстейн, Дэвид Хоровиц, Джерри Хаббард. Эндрю Ингерсолл, Роберт Лейтон. Линн Мар
i-улис, Сгенли Миллер. Брус Мюррей. Лесли Оргел, Маартин Шмидт и ныне покойный Ральф Робин. Кроме того, в изложении некоторых вопросов мне оказали помощь Бентон Кларк, Джон Эдмонд, Клиффорд М оран. Конуэй Снайдер, Дэвид Стивенсон, Стивен Вогель и Юк Янг. И я глубоко признателен всем моим друзьям. Однако никто из них ни в коей мере не несет ответственность за какие-либо упущения книги все изложенные в ней взгляды отражают только мою точку зрения.
Я особенно благодарен Харди Мартелю. который помог мне ярче выразить внутренний "настрой", присущий моему повествованию. Я признателен Джениджой Ла Белле, обра тившей мое внимание на стихотворение Теодора Ретке, строки которого взяты эпиграфом к гл. ?. а также Шерил Коппер-за умелое редактирование и Джерри Ван-дер-Вуду за помощь в подготовке иллюстраций.
//. Xopmillf
Глава 1 Что такое жизнь?
Не так уж много времени прошло с тех пор, как генетика и биохимия стали самостоятель ными науками, каждая из которых . . . пытает ся подобрать ключ к феномену жизни. Биохи мики обнаружили ферменты, а генетики гены.
Уильям Хеш', "Генетика бактерий и бакте риофагов" (1968)
Год 1958. Эпоха бурного развития космических иссле дований, и вам предложили принять участие в подготовке исследований по обнаружению жизни на Марсе. Предло жение принято (разве откажешься?)-и вскоре вы замечаете, что поглощены мыслями о том, как искать жизнь в другом мире. Как опознать живые объекты другой планеты? Что мы имеем в виду, когда называем что-либо "живым"? Впрочем, подобные вопросы занимали философов еще со времен Аристотеля.
Обычно не трудно решить, живой объект перед нами или пет. Мы связываем "состояние жизни" с определенным внешним видом и поведением, а отсутствие таковых, как правило, приводит к совершенно справедливому заключе нию, 410 данный объект не является живым. В особо инте ресных или важных случаях, например когда нужно уста новить, живы или нет семена, найденные в древнеегипетских гробницах, или наступила ли смерть данного человека, используются определенные тесты. Но пригодны ли по добные критерии для обнаружения жизни на Марсе? По видимому, нет. Наша концепция "живого" должна быть достаточно широкой, чтобы мы могли распознать жизнь в любом ее проявлении и с достаточной точностью и вместе с гем не обнаружить ее там, где она отсутствует. Для этого нужно глубоко проникнуть в сущность природы живой материи, как это и делает современная биология.
Жизнь и генетический механизм
Живые системы отличаются от неживых двумя важными особенностями. Прежде всего, даже самый простой организм по своему составу и строению гораздо сложнее любого
сравнимого с ним по размеру объекта неживой природы. Мы до сих пор еще не знаем полностью, какова структурная организация живой клетки, ибо обнаруживаются все новые ее компоненты-и конца этому не видно. Следует помнить, что при этом не принимается во внимание сложность ор ганизации многоклеточных организмов, где огромные по пуляции клеток, специализированных на выполнении опре деленных функций, должны взаимодействовать по согла сованной и взаимовыгодной программе. Данное обстоя тельство влечет за собой вторую отличительную особен ность живых организмов: оказывается, структура и орга низация клетки, по-видимому, обусловлены ее предназна чением, конечной целью которого является выживание ор ганизма. В прошлом эти уникальные свойства живых ор ганизмов привели к убеждению, что они обладают некой "жизненной силой"-таинственным, нефизическим началом, которым обусловлены особенности, отделяющие живой мир от неживого непроходимой пропастью. Сейчас подобные рассуждения кажутся нелепыми. Мы знаем, что живая ма терия по своему химическому составу принципиально не отличается от неживой: живые существа состоят из тех же атомов и молекул и ничего более в себе не заключают. Что отличает их от всего остального мира, так это способ. которым их атомы и молекулы соединены друг с другом. Таким образом, жизнь есть проявление определенных ком бинаций молекул.
На нашей планете, как известно, основные жизненные процессы обеспечиваются молекулами только двух типов: белками и нуклеиновыми кислотами. Белки образуют фер менты-высокоэффективные катализаторы*, способствую щие протеканию в живых системах самых разнообразных химических реакций. Те или иные химические изменения и характеризуют всю жизнедеятельность живых существ; усво ение пищи, образование новых клеток и клеточных компо нентов, сокращение мышц и передача нервных импульсов вот лишь несколько функций, при осуществлении которых происходит химическое превращение молекул одного типа в другой. Эти и множество других специфических реакций, происходящих в организме, "отбираются" и возбуждаются при непосредственном участии ферментов; последние, таким образом, определяют направление и выход конечного про
* Смысл используемых в книге специальных понятий разъясня ется в "Словаре терминов".
дукта всего сложного комплекса процессов, называемого обменом веществ, или метаболизмом, который характерен только для живого организма.
Живые клетки синтезируют белки, которые обладают и другими функциями. К неферментативным белкам относятся гемоглобин, инсулин, различные антитела. Наиболее распро страненным белком, синтезируемым в организме млекопи тающих, является коллаген-своего рода строительный ма териал для костей, кожи или зубов.
Нуклеиновые кислоты выполняют совершенно иную функцию. Они образуют гены - носители всех видов гене гической (наследственной) информации. Имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и ри бонуклеиновая (РНК), и обе они обнаружены во всех клет ках. Несмотря на большое сходство в их химическом строе нии, во всех известных нам организмах (за исключением некоторых вирусов) генетическую функцию несет ДНК. Ге нетическая информация, по-видимому, целиком связана с синтезом белковых молекул: их химическим строением, вре менем и скоростью синтеза.
Как нуклеиновые кислоты, так и белки образованы очень большими молекулами, состоящими из линейно располо женных маленьких субъединиц-"строительных блоков". У нуклеиновых кислот эти строительные блоки называются нуклеотидами. Четыре различных типа нуклеотидов состав ляют молекулы ДНК и РНК (их строение показано на рис. 1). Генетическая информация кодируется последова тельностью нуклеотидов, так же, как информация, содер жащаяся в напечатанной странице, кодируется последова тельностью букв. Строительными блоками белков являются аминокислоты. В природе их существует великое множество, но только 20 одни и те же 20 аминокислот во всех известных видах-используются при образовании белков (строение аминокислот показано на рис. 2).
Важной характеристикой аминокислот является оптиче ская изомерия. Все они (за исключением самой простой глицина) могут существовать в двух формах, которые от личаются одна от другой так же, как левая рука отличается от правой, т. е. являются зеркальным отражением друг друга (рис. 3). Два оптических изомера идентичны по своим хи мическим свойствам, но поскольку их невозможно совмес тить (перчатку с правой руки нельзя надеть на левую), они не могут заменять друг друга при построении белковых мо лекул или каких-либо иных трехмерных родственных струк
тур. Интересно, что аминокислоты всех известных белков относятся к левовращающим, L(/ev()), изомерам. В принципе в каком-то ином живом мире все аминокислоты могли бы быть и правовращающими. или D {dextro), изомерами, и этот мир (функционировал бы так же, как и земной. Тот факт, что в нашем мире L-аминокислоты оказались предпочтительнее. чем D, вероятно, следует рассматривать как историческую случайность. На какой-то другой планете, где аминокислоты 1акже играли бы определенную роль в биохимии орга низмов. с равной вероятностью возможны как L-. так и D-формы.