Звездное родство и космическая химия

Мой дух о ночь! Как падший серафим
Признал родство с нетленной жизнью звездной
И, окрылен дыханием твоим,
Готов лететь над этой тайной бездной.
А. Фет

В порыве вдохновения поэт легко переносится в звездные сферы и обнаруживает свое духовное родство с ними. Мог ли он предвидеть, что родство окажется не только духовным, но и телесным? Правда, если верить утверждениям Библии, тело — вещь сугубо земная. Бог лепил человека и прочие существа из обыкновенной глины. Но глина, между прочим, образована алюмосиликатами, а наше тело не содержит ни кремния, ни алюминия. Зато между химическим составом человеческого тела и звездной материи обнаруживается поистине поразительное сходство.

Самый распространенный элемент во Вселенной, в звездах и в межзвездных газопылевых облаках — это водород. И в нашем теле 63 процента всех атомов — водородные. Кислород — второй по частоте атом тела. На его долю приходится 25,5 процента атомов. В списке «звездных» элементов он занимает третье место. Но вторым там идет гелий — инертный газ, не участвующий в химических соединениях, поэтому его можно и не считать. Следующим по частоте и в звездной материи, и в человеческом теле оказывается углерод. 9,5 процента атомов нашего тела — углеродные. Атомам азота в составе живой ткани принадлежит четвертое место — 1,4 процента. В списке «звездных» элементов, если «перепрыгнуть» еще один инертный газ, неон, последовательность та же.

Так данные науки позволяют дополнить поэтический взгляд на мир. По составу атомов, слагающих наше тело, мы гораздо ближе не «праху земному», а сверкающим галактическим мирам!

Алфавит жизни и межзвездная химия

Родство со звездными сферами польстит, конечно, самым аристократическим вкусам. Но не случайность ли это? Нет ли тут сходства без родства? Главная задача статьи как раз и состоит в том, чтобы показать возможность такого родства в самом буквальном смысле этого слова.

От уровня атомов поднимемся на следующую ступеньку организации и познакомимся с молекулами живой ткани. Совсем недавно отгремели великие события «биологической революции», и архитектура клетки предстала перед нами во всей своей сложности и простоте. Белки любых организмов, от человека до амебы, образованы объединением всего лишь двадцати сортов малых молекул — аминокислот. Будем считать их первыми двадцатью буквами алфавита жизни. С помощью этих двадцати букв записываются «белковые фразы». Но содержание этих «фраз» определяется записью в другом полимере — в нуклеиновой кислоте — сочетаниями четырех нуклеотидов.

Все слышали выражение «генетический код». А это и есть способ, которым сочетания нуклеотидов задают аминокислотный состав белков. Один из самых удивительных фактов, обнаруженных при расшифровке кода, состоит в том, что код абсолютно одинаков для всех живых существ на Земле. Поэтому говорят об универсальности генетического кода, и к вопросу о том, как ее объяснить, еще надо будет вернуться.

К алфавиту жизни, который состоит теперь из двадцати четырех букв, остается добавить совсем немного. Ни одна живая клетка не может обойтись без сахаров и жиров. Алфавит жизни практически исчерпывается двадцатью шестью сортами органических молекул и оказывается короче алфавита нашего языка.

Не имея алфавита, нельзя приниматься за книгу. Без «алфавитных» молекул невозможно построить самый простой организм. Поэтому нужный набор органических молекул должен существовать перед возникновением жизни. Ясно и четко эту точку зрения сформулировал еще в 1924 году биохимик А. И. Опарин. Сейчас мы говорим, что биологической эволюции, эволюции живых существ, должна была предшествовать эволюция молекул — химическая эволюция. Первые правдоподобные представления о путях химической эволюции появились только в пятидесятые годы прошлого века, после дипломной работы американского студента Стэнли Миллера.

Лабораторный стеклянный шар он заполнил водородом, метаном, аммиаком и парами воды и с помощью двух электродов, впаянных в стенки шара, стал пропускать через эту «гремучую» смесь электрический разряд. В шаре удалось обнаружить такие вещества, как мочевина, муравьиный альдегид, карбоновые кислоты, а вскоре — и аминокислоты. А позднее в сходных экспериментах, в том числе проведенных в лаборатории А. И. Опарина, получили также важнейшие компоненты нуклеиновых кислот.

Логика дальнейших рассуждений стала традиционной. Атмосфера примитивной Земли была похожа на атмосферу стеклянного миллеровского шара хотя бы в том отношении, что в ней отсутствовал свободный кислород (нынешний кислород в атмосфере появился за счет дыхания растений). Предположения о химическом составе первичной атмосферы достаточно смутны, но, по-видимому, там имелся азот, углекислый газ или метан и в небольших количествах такие газы, как аммиак и сероводород. В присутствии водяных паров и при подводе энергии могли идти реакции органического синтеза. Источником энергии служили атмосферные грозовые разряды и радиация, солнечная или космическая, которая могла достигать поверхности. Казалось, это единственный разумный ответ на вопрос о положении во времени и пространстве того «стеклянного» шара, в котором когда-то «варилась» жизнь. Время: четыре миллиарда лет назад; место: планета Земля.

Однако когда в последние годы в галактическом межзвездном пространстве были найдены органические молекулы, то появилась другая возможность ответа на тот же вопрос, и «стеклянный» шар разросся до размеров Галактики, а время «варки» растянулось до 12 миллиардов лет. Но что конкретно обнаружили астрономы? Как появилась возможность доказательства нашего «звездного родства»?

Уже около столетия астрономы занимаются химическим анализом вещества, удаленного от нас на тысячи световых лет. В 1969 году при исследовании межзвездных радиоспектров были открыты линии муравьиного альдегида. Так началась история космической органической химии. Вслед за формальдегидом в галактическом пространстве обнаружили цианацетилен, древесный спирт, муравьиную кислоту, формамид, уксусный альдегид, ацетонитрил, метанимин и многие другие молекулы.

Присмотримся повнимательней к строению этих «звездных» молекул. Химическая формула цианацетилена — HCCCN. Четыре тяжелых атома — три углерода и азот — объединены в цепочку, которая может служить основой для массы сложных молекул. Формамид (NH2CHO) несет аминную группу, а муравьиная кислота (НСООН) — карбоксил. Объединив две эти группы с радикалом СН2, получим простейшую аминокислоту — глицин. Весь характерный набор групп и связей, необходимый для синтеза «алфавитных» молекул, присутствует на «лабораторных столах» нашей Галактики. Полимеризация цианистого водорода может дать азотистые основания. От альдегидов легко перейти к сахарам. А углеводородные цепочки с кислотными группами образуют молекулы жиров. Алфавит жизни и химия межзвездной среды оказались поразительно близкими друг другу.

Второе важное открытие радиоастрономов состояло в том, что облака органических молекул распределены в объеме Галактики отнюдь не случайно. Прежде всего органические молекулы встречаются там, где концентрация вещества и газопылевом облаке уже достаточно высока. Чем выше плотность облака, тем сложней и разнообразней органика. Не случайно большая часть молекул была обнаружена в созвездии Стрельца, вблизи галактического центра. «Молекулярными сокровищами» оказалась богата и Большая туманность Ориона, для района которой характерны «новорожденные» звезды.

Протозвезды и протожизнь

Начиная с XVIII века астрономы замечают в небе «черные дыры». На фоне звездных россыпей, видимых в телескоп, эти участки представляются темными провалами. «Дыры» наглухо преграждают дорогу свету от любых источников, расположенных позади. Компактные «черные дыры» называют глобулами. Их компактность, конечно, относительна, так как размеры отдельных глобул могут превышать десяток световых лет. Там, в этих газопылевых сгустках, начинаются первые стадии таинственного процесса образования звезд. Как он идет?
Сжатие облака начинается, по-видимому, в результате случайных колебаний плотности. А где вещество плотнее — больше и сила притяжения. Поэтому в район с повышенной плотностью начинают втягиваться, «проваливаться» новые массы вещества. В «обычном» облаке частиц не больше нескольких десятков на кубический сантиметр. В сжимающемся облаке, например таком, как расположенное в созвездии Стрельца, плотность частиц достигает 10 в 8 степени на кубический сантиметр. Очевидно, что вероятность столкновений между атомами и радикалами в таком облаке выше и, соответственно, выше вероятность образования сложных молекул. Не случайно в созвездии Стрельца «просматриваются» восемь из двадцати шести известных межзвездных молекул.

Чем выше концентрация вещества, тем быстрее идет сжатие глобулы. Потенциальная энергия «провалившихся» к центру частиц выделяется в виде тепла, и постепенно сжимающаяся глобула начинает светиться. Так возникает протозвезда.

В центральной части протозвезды температура достаточна, чтобы создать мощное инфракрасное (тепловое) излучение. Поэтому с Земли мы будем «видеть» ядро протозвезды как инфракрасный источник. Одновременно в большой части случаев (а может быть, и всегда) протозвезда оказывается также и ярким радиоисточником. Причем не обычным, а космическим мазером, рабочим телом которого служат молекулы воды и радикалы ОН. Таким образом, если правильна нарисованная картина, в одном и том же участке пространства должны оказаться инфракрасная звезда, мазерный радиоисточник и скопление органических молекул. Но это и наблюдают астрономы на самом деле! В Большой туманности Ориона рядом с инфракрасными объектами радиоастрономы нашли высокие концентрации молекул, таких, как формальдегид, древесный спирт и цианацетилен. Там же на волнах 18 и 1,35 сантиметра «работают» гидроксильные и водяные мазеры.

Итак, молекулы и звезды рождаются в одном месте и в одно время. Крохотные частицы органики и сверкающие звезды — разные грани одного космического феномена конденсации вещества. О рождении «звездного властелина» возвещают радиогерольды — космические мазеры. Тут же в его честь вспыхивает инфракрасный «костер». Какова же дальнейшая судьба органических молекул в облаке протозвезды?

Конечно, те, что попали в центральный «костер», «сгорят», распадутся на атомы. Но история молекул, оставшихся на периферии, будет продолжаться. И в нее вмешаются другие процессы — процессы рождения планет.

Классическая кантовская гипотеза образования планет из сгущающегося облака в последние годы обновила свои аргументы. Материалом для планет, как и предполагал Кант, должны служить отслаивающиеся внешние оболочки протозвезды. «Предпланетный суп» мог прекрасно сохранить всю имевшуюся органику и обеспечить условия для синтеза новых молекул. Причем не только органических. Вода — важнейшая неорганическая молекула, без которой невозможно представить жизнь. Но, по современным воззрениям, массовый бурный синтез воды происходит при формировании планетных систем. Ярчайший «радиосвет» водяных мазеров, возможно, связан именно с этим процессом. И вот астрофизики предположили, что источники мазерного излучения не протозвезды, а сами протопланети.

Сколько же органического вещества из первичного облака может получить молодая планета? Попробуем провести оценку, хотя бы самую грубую.

Пусть масса исходной глобулы равна пяти солнечным (явно заниженная величина). Радиоастрономические наблюдения показывают, что практически весь существующий в межзвездной среде углерод входит в состав органических молекул. Значит, масса органики в такой глобуле должна быть примерно равна удвоенной массе углерода и соответствует массе тысячи земных шаров. Предположим дальше, что звезда вместе с планетной системой формируется из массы, примерно равной солнечной. (Остальное вещество рассеивается, теряется.) Примем, что в той же пропорции потеряно органическое вещество, хотя, очевидно, потери легкого водорода и крупных тяжелых молекул не могут быть одинаковы. Теперь отбросим и ту часть органики (99,9 процента), которая «сгорит» в центральном «звездном костре». Все равно на долю планеты земного типа органики останется достаточно, чтобы покрыть поверхность земного шара слоем в тысячу тонн на квадратный метр! Если по тем или иным причинам мы завысили цифру оценки хотя бы даже в миллион раз, то все равно на квадратный метр земной поверхности придется по килограмму органического вещества. Неплохая материальная база для возникновения жизни!

Богатый запас органики на «свежеизготовленной» планете заметно упрощает всю цепочку событий, ведущую к появлению первого существа. Отпадает мучительно долгий процесс накопления «алфавитных» молекул в атмосфере и океанах первобытной Земли. Не требуется чудовищных грозовых разрядов, вулканических взрывов, радиоактивных излучений для процессов синтеза, растянутых на многие миллионы лет. Не предъявляется специальных требований к составу атмосферы на планете или потоку ультрафиолета от центральной звезды. Но главное — выигрывается время. Старт «химического забега», призом в котором служит сама жизнь, сдвигается на миллионы лет вперед.

Уже подобная возможность заставляет специалистов по проблемам возникновения жизни внимательно вглядываться в открытия молекулярной астрономии. Но что, если молодая планета получает в подарок от протозвездного облака не «набор-конструктор» для изготовления жизни, а готовую, настоящую жизнь?

Жизнь вне планет

Мы видели, что нетрудно представить себе существование «алфавита жизни» в межзвездном пространстве. Если есть мономеры, то в подходящих условиях, при подводе энергии (ультрафиолет близких звезд, космические лучи), могут нанизываться бусы полимерных молекул. Труднее представить дальнейшую эволюцию молекул в газопылевом облаке. Но важную роль здесь могут сыграть пылинки и комочки твердого вещества. Пылинки сами могут катализировать процессы полимеризации, а за неровностями их поверхности крупные молекулы могут укрыться от радиации. Наконец, в тех же трещинах и неровностях могут скапливаться молекулы воды.

Гипотезу о полимеризации малых молекул после прикрепления к минеральным поверхностям высказал английский ученый Джон Бериал. По Бериалу, местом сборки могли служить частицы ила и глины, появляющиеся в полосе прибоя или в устьях рек. Позднее полимеризацию на минеральных частицах сумели промоделировать в нескольких лабораториях.

Межзвездные пылинки — тоже минеральные частицы. И их поверхность также, видимо, способна послужить для катализа. Причем катализа не только полимеризации, но и последующих сложных взаимодействий между большими молекулами. А взаимодействие молекул, похожих на белки и нуклеиновые кислоты, загадочным пока для нас способом приводит к возникновению саморазмножающихся систем. Отсюда начинается жизнь. Жизнь, прикрепленная к пылинкам или каменным глыбам, в пустоте и холоде космического пространства… Возможна ли она?

Универсальность и пластичность той жизни, которую мы знаем, — единственный ответ на этот вопрос. В десятках опытов микроорганизмы выживали после воздействий, имитирующих космическое пространство. Они переносили вакуум и низкие температуры, выдерживали чудовищные дозы радиации и длительное обезвоживание. Микроорганизмы, выведенные в космос на ракетах, возвращались оттуда живыми. Не исключено, что и пред планетная жизнь находила свои пути борьбы со всеми неблагоприятными факторами. И едва улучшалась ситуация (поступление питательных веществ, благоприятная температура), как эта жизнь вспыхивала лихорадочной активностью и стремилась распространиться, размножиться, освоить новые пространства.

Космическая жизнь должна была подчиняться тем же эволюционным законам, что и жизнь на Земле. Организмы (конечно, микробного типа), точно так же, как и земные, должны были конкурировать за питательные вещества, источники энергии и «теплое место». Скачкообразный процесс мутаций точно так же должен был способствовать улучшению «межзвездной породы». Рано или поздно должен был появиться фотосинтетический аппарат, позволяющий использовать энергию видимого или невидимого света, такой же, как у земных растений и водорослей. Тогда общие черты физиологии космической жизни должны быть знакомы нам. Но можно ли представить себе облик этих космических организмов?

В 1961 году в метеоритах были найдены следы организованных «водорослеподобных структур». Вдобавок внутри метеоритов обнаружили органические вещества, включая аминокислоты.

Но, может быть, эти структуры — лишь следы микроорганизмов или пыльцы, попавших в метеориты после приземления? Большая часть ученых, квалифицированных, опытных микробиологов, склоняется к мнению, что это не так. Организованные элементы обнаруживают и в центральных частях метеоритов, куда наглухо закрыт доступ даже для частиц микронных размеров. Труднее опровергнуть другое возражение — абиогенный (помимо жизни) синтез найденных в метеоритах органических веществ и структур. Тем не менее вот точка зрения известного голландского исследователя М. Руттена: «…я думаю, что сложность строения стенок «организованных элементов» недвусмысленно указывает на их биогенную природу». Уже сейчас есть целая группа ученых, которая считает, что мы столкнулись со следами внеземной жизни, хотя это далеко еще нельзя считать доказанным.

Жизнь, возникшая вне планет, должна быть способна распространиться по всем телам, встречающимся в Галактике. Американский физик Ф. Дайсон заявил, что главная провинция жизни — не планеты, а кометы. Действительно, комет в Галактике очень много, и периодически, по мере движения по орбите, на комете могут возникать условия, даже более благоприятные для жизни, чем земные.

В атмосферах комет удалось обнаружить целый список органических и неорганических молекул. Богатый молекулярный «урожай» принесла недавняя гостья — комета Когоутека. Неудивительно, что кометы несут органические молекулы. Ведь они тоже «слеплены» из межзвездного материала.

У гипотезы предпланетной жизни хватает, конечно, и узких мест. Пылинки и каменные глыбы отнюдь не самые удобные «сборочные площадки» для организмов. Мала концентрация вещества в газопылевом облаке, мало воды и далеко не всегда благоприятен температурный режим. В принципе, однако, все эти трудности преодолимы. Теперь еще о достоинствах гипотезы.

В единый космический процесс сливаются рождение звезд, рождение планет и рождение жизни. Химический состав пылинок и газов во Вселенной оказывается сходным с химическим составом живых существ просто в силу «единоутробного родства». Гипотеза позволяет по-новому ответить и на некоторые загадки земной жизни. Мы упоминали уже об универсальности генетического кода, который одинаков для всех живых существ. Но эта универсальность объясняется легко и естественно, если все живые существа на Земле — потомки того «Адама» микроорганизмов, которого прислала на нашу планету протозвездная жизнь.

Ф. Крик и Л. Орджел обращают внимание на еще одну биохимическую загадку. Молекулы многих белков-ферментов содержат атомы молибдена. Например, с участием молибдена идет фиксация азота у некоторых бактерий. В то же время молибден на Земле встречается в десятки и сотни раз реже, чем его химические аналоги — никель и хром, которые могли бы занять его место в ферментах. Не объясняется ли такой странный выбор тем, что эти ферментные системы формировались когда-то в неземном окружении?

Наконец, подлинный «камень преткновения» во всех существующих теориях происхождения жизни — немыслимо малая вероятность образования самовоспроизводящегося комплекса из белков и нуклеиновых кислот. Но если пространственные и временные рамки процесса раздвинуты в десятки тысяч раз, то, очевидно, во столько же раз растет вероятность благоприятного исхода. Если монету подбрасывать тысячу раз, то примерно в пятистах случаях выпадает орел, а в пятистах — решка. Однако если монету подбросить миллиард раз, однажды она встанет на ребро и удержится. Возникновение жизни — флуктуация, выброс, удачный расклад костей. Для столь драгоценного выигрыша гораздо благоприятнее масштабы целой Галактики, нежели масштабы планеты. И если это так, то тем больше оснований надеяться, что «выигрыш» выпал не только на долю нашей Солнечной системы!

Автор: В. Ладин.