Модель жизни во Вселенной
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Проблема жизни на других мирах редко обсуждается специалистами-биологами. Для того, чтобы говорить о ней, надо либо знать физические, химические и другие условия на поверхности той или иной планеты и, исходя из них, предвидеть возможность существования организмов, сходных в своих основных свойствах с земными, либо фантазировать о таких живых существах, которые принципиально отличаются от земных не только по своим функциям, но и тем, что имеют совершенно иной химический состав тела.
Среди биологов, биохимиков иногда дискутируется проблема существования живой системы, построенной не из белков, системы, в которой углерод может быть заменен кремнием и т. п. Не собираясь полемизировать с подобными взглядами, я хочу отметить, что опыт изучения жизни на Земле не дает достаточных оснований для подобной гипотезы. Против нее говорит поразительное единство в основном строении всего живого, особенно когда мы изучаем клетку, ее морфологию, химический состав, функции. При огромном разнообразии условий во внешней среде на Земле за всю ее многомиллионную историю не возникла ни одна комбинация в строении живого вещества, которая оказалась бы совершеннее белковой природы живых существ, населяющих Землю. Возникновение жизни и ее эволюция связаны с наиболее целесообразным использованием веществ из окружающей природы.
Если же вернуться к идее о возможной замене углерода в организме кремнием, то следует задать вопрос, почему этого не произошло на Земле, где кремний является самым распространенным элементом в земной коре. Он входит в состав организмов в качестве важного элемента скелетов очень многих животных и растений, но и только; он никогда не заменяет в них углерод, азот и др.
Если для суждения о возможности жизни на других мирах мы будем опираться не на фантастические данные (хотя воображение — необходимое условие научного творчества), то в настоящее время нужно использовать наши знания о строении живых организмов на разном уровне организации, исследовать их способность приспосабливаться к условиям внешней среды, иначе говоря, исследовать границы жизни.
Этот путь, возможно, не принесет нам окончательного решения проблемы. Но до тех пор, пока люди не достигнут других планет, придется создавать искусственные условия среды, имитирующие ту обстановку, которую мы предполагаем встретить на другом космическом теле, моделировать его среду. При этом за основу живой системы, где бы она ни находилась, следует принять клетку, но не как простейшую часть организма, а как целостную систему, основную форму жизни.
Организмы, населяющие Землю, в результате длительного эволюционного процесса приспособились к определенным условиям среды и потому не могут существовать в других мирах, с резко отличающимися условиями. Вместе с тем это позволяет выявить самые общие потребности живой материи в определенных границах температуры, химического состава и физического строения внешней среды. Отсюда можно, например, сделать заключение, что среди планет солнечной системы жизнь, по всей вероятности, возможна только на Марсе. Вопрос о жизни на Венере из-за разноречивых данных о температуре ее поверхности, скрытой от взора астронома облаками, сегодня обсуждать преждевременно.
Американские ученые изучали возможность существования и роста почвенных микроорганизмов в искусственных условиях, напоминающих условия на Марсе: при низких температурах, в разреженной атмосфере, в атмосфере азота и при большой сухости почвы. Оказалось, что ряд бактерий, плесеней, дрожжей и актииомицетов нормально рос при влажности почвы 5—1%, в атмосфере азота и при разрежении атмосферы, соответствующем высоте в 22,5 километра.
Исследования показали, что наибольшей устойчивостью к высоким и сверхнизким температурам обладают одноклеточные организмы и близкие к ним примитивные формы. В одноклеточном организме совмещаются свойства и строение клетки и целого самостоятельного организма, приспособленного к внешней среде, а потому он может быть наилучшей моделью для космобиологических исследований.
Чем выше организация животных, тем более они приспособлены к той среде, в которой обитают, тем сильнее выражена специализация клеток к выполнению определенных функций целого организма. Поэтому среди высших животных нет оснований искать аналогов и моделей для прогноза жизни на такой планете, как Марс.
Но вместе с тем среди многоклеточных животных, даже таких высокоорганизованных, как насекомые, встречаются виды, обладающие поразительной устойчивостью к внешним факторам среды. Японские и английские биологи экспериментально доказали в последние годы, что имеются виды насекомых, которые на известной стадии развития или при определенных условиях охлаждения и закаливания остаются живыми после длительного охлаждения до —79°, —190° и даже до еще более низкой температуры. Среди одних видов такая устойчивость к холоду связана со способностью к высыханию, как, например, у личинок комара Polipedium varderplanki из Центральной Африки; у других она наблюдается при нормальном содержании воды в тканях, как, например, у гусениц кукурузного мотылька Pyrausta nubilalis (по нашим исследованиям).
Но в основе этой выносливости опять-таки лежит устойчивость клеток к сверхнизким температурам; она обнаружена на клетках самых разнообразных животных и растений, в том числе у млекопитающих. Ее можно наблюдать, если к среде, которая окружает клетку, добавить защитные вещества, снижающие количество замерзающей воды, например, глицерин.
Известен ряд организмов на Земле, которые переносят климат высокогорных пустынь Азии или некоторых мест Антарктического материка, не уступающих по суровости климату Марса. Поэтому вполне вероятно, что и марсианские организмы могли приспособиться к подобным температурным условиям.
Но клетки должны обладать и другими приспособлениями, чтобы обеспечить существование на Марсе: способностью высыхать и при этом не погибать, или, наоборот, удерживать воду, медленно ее отдавать, или, наконец, вырабатывать ее внутри себя (так называемую метаболическую воду). Это необходимо в связи с ничтожным содержанием паров воды в атмосфере Марса. Подобные приспособления можно нередко встретить у отдельных клеток, целых органов и организмов; эти свойства обычно сочетаются с большой устойчивостью к холоду.
Животные, как известно, нуждаются в кислороде для дыхания, а в атмосфере Марса его либо очень мало, либо нет совсем. Это усложняет решение проблемы существования организмов с высокой энергией обмена веществ. Среди разнообразных представителей беспозвоночных имеются виды, приспособленные к жизни в среде, где обнаруживаются лишь следы кислорода или его нет совсем: например, внутренние паразиты, обитатели сапропелевых илов и другие. Они живут за счет энергии, вырабатываемой при анаэробном типе обмена, в результате процессов гликолиза или брожения. Можно представить приспособления, направленные к использованию следов кислорода или его получению из веществ, в которых он находится в связанном состоянии.
В условиях разреженной атмосферы Марса следует ожидать, что различные формы радиации должны оказывать более сильное действие на организмы, чем это наблюдается на Земле При отсутствии в среде кислорода клетки становятся более устойчивыми к ионизирующей радиации. Защитной реакцией приспособления у них может быть уменьшение количества кислорода внутри клеток, которые, кстати, менее чувствительны к его недостатку, чем целый организм. Одновременно возможно увеличение плоидности, то есть возникновение клеток с большим набором хромосом. Наконец, уменьшение воды и образование различных химических веществ в клетке также повышает устойчивость к радиации. Ее границы сильно колеблются у клеток растений и животных. Если у растений минимальные критические дозы составляют около 4 тысяч рентген, а максимальные достигают 200 тысяч рентген, то некоторые простейшие животные способны выдерживать дозы, в сотни раз более высокие, чем те, которые убивают клетки позвоночных животных.
Исследования на бактериях показали возможность их приспособления к повышенным дозам радиации. Также установлено, что одноклеточные животные (инфузории туфельки) приспосабливаются к ультрафиолетовым лучам. Кроме того, эти организмы могут накапливать защитные вещества, которые повышают устойчивость клетки к этим лучам.
Таким образом, мы можем представить себе модель клетки, которая бы обладала всеми видами приспособлений, необходимыми для существования в особых условиях среды, значительно отличающихся от той, которая наблюдается обычно на Земле. Кстати, она должна также обладать способностью к анабиозу — временному прекращению всех функций, что явится одной из форм защиты при наступлении неблагоприятных условий для активной жизни (явление не столь уж редкое у примитивных организмов на Земле). Все это дает основание утверждать, что естественный отбор, согласно учению Дарвина, мог и сможет в будущем привести к развитию различных форм жизни в других мирах.
Автор: Л. К. Лозина.