Зоряна спорідненість та космічна хімія

Мій дух о ніч! Як падший серафим
Визнав спорідненість з нетлінним життям зірковим
І, окрилений диханням твоїм,
Готовий летіти над цією таємницею безоднею.
А. Фет

У пориві натхнення поет легко переноситься в зоряні сфери і виявляє свою духовну спорідненість з ними. Чи міг він передбачити, що спорідненість виявиться не тільки духовною, але й тілесною? Правда, якщо вірити твердженням Біблії, тіло — річ суто земна. Бог ліпив людину та інші істоти зі звичайної глини. Але глина, між іншим, утворена алюмосилікатами, а наше тіло не містить ні кремнію, ні алюмінію. Зате між хімічним складом людського тіла і зоряною матерією виявляється воістину разюча схожість.

Самий поширений елемент у Всесвіті, в зірках і у міжзоряних газопилових хмарах — це водень. І в нашому тілі 63 відсотки всіх атомів — водневі. Кисень — другий по частоті атом тіла. На його частку припадає 25,5 відсотка атомів. У списку «зоряних» елементів він займає третє місце. Але другим там йде гелій — інертний газ, що не бере участь в хімічних сполуках, тому його можна і не рахувати. Наступним за частотою і в зоряній матерії, і в людському тілі виявляється вуглець. 9,5 відсотка атомів нашого тіла — вуглецеві. Атомам азоту в складі живої тканини належить четверте місце — 1,4 відсотка. У списку «зоряних» елементів, якщо «перестрибнути» ще один інертний газ, неон, послідовність та ж.

Так дані науки дозволяють доповнити поетичний погляд на світ. По складу атомів, що складають наше тіло, ми набагато ближче не «праху земного», а блискучим галактичним світам!

Алфавіт життя і міжзоряна хімія

Спорідненість із зоряними сферами підлестить, звичайно, самим аристократичним смакам. Але чи не випадковість це? Чи немає тут подібності без споріднення? Головне завдання статті якраз і полягає в тому, щоб показати можливість такого споріднення в самому буквальному сенсі цього слова.

Від рівня атомів піднімемося на наступну сходинку організації і познайомимося з молекулами живої тканини. Зовсім недавно відгриміли великі події «біологічної революції», і архітектура клітини постала перед нами у всій своїй складності і простоті. Білки будь-яких організмів, від людини до амеби, утворені об’єднанням всього лише двадцяти сортів малих молекул — амінокислот. Будемо вважати їх першими двадцятьма літерами алфавіту життя. З допомогою цих двадцяти букв записуються «білкові фрази». Але зміст цих «фраз» визначається записом в іншому полімері — нуклеїновій кислоті — поєднаннями чотирьох нуклеотидів.

Всі чули вислів «генетичний код». А це і є спосіб, яким сполучення нуклеотидів задають амінокислотний склад білків. Один з найдивовижніших фактів, виявлених при розшифровці коду, полягає в тому, що код абсолютно однаковий для всіх живих істот на Землі. Тому говорять про універсальність генетичного коду, і до питання про те, як її пояснити, ще треба буде повернутися.

До алфавіту життя, який тепер складається з двадцяти чотирьох букв, залишається додати зовсім небагато. Ні одна жива клітина не може обійтися без цукрів і жирів. Алфавіт життя практично вичерпується двадцятьма шістьма сортами органічних молекул і виявляється коротше алфавіту нашої мови.

Не маючи алфавіту не можна братися за книжку. Без «алфавітних» молекул неможливо побудувати найпростіший організм. Тому потрібний набір органічних молекул повинен існувати перед виникненням життя. Ясно і чітко цю точку зору сформулював ще в 1924 році біохімік А. В. Опарін. Зараз ми говоримо, що біологічній еволюції, еволюції живих істот, повинна була передувати еволюція молекул — хімічна еволюція. Перші вірогідні уявлення про шляхи хімічної еволюції з’явилися тільки в п’ятдесяті роки минулого століття, після дипломної роботи американського студента Стенлі Міллера.

Лабораторну скляну кулю він заповнив воднем, метаном, аміаком і парами води і з допомогою двох електродів, впаяних в стінки кулі, став пропускати через цю «гримучу» суміш електричний розряд. В кулі вдалося виявити такі речовини, як сечовина, мурашиний альдегід, карбонові кислоти, а незабаром — і амінокислоти. А пізніше в подібних експериментах, у тому числі проведених в лабораторії А. В. Опаріна, отримали також найважливіші компоненти нуклеїнових кислот.

Логіка подальших міркувань стала традиційною. Атмосфера примітивної Землі була схожа на атмосферу скляної міллеровської кулі хоча б в тому відношенні, що в ній був відсутній вільний кисень (нинішній кисень в атмосфері з’явився за рахунок дихання рослин). Припущення про хімічний склад первинної атмосфери досить неясні, але, мабуть, там був азот, вуглекислий газ або метан і в невеликих кількостях такі гази, як аміак і сірководень. У присутності водяної пари і при підводі енергії могли йти реакції органічного синтезу. Джерелом енергії служили атмосферні грозові розряди і радіація, сонячна або космічна, яка могла досягати поверхні. Здавалося, це єдина розумна відповідь на питання про положення в часі і просторі «скляної» кулі, в якій колись «варилося» життя. Час: чотири мільярди років тому; місце: планета Земля.

Однак коли в останні роки в галактичному міжзоряному просторі були знайдені органічні молекули, з’явилася інша можливість відповіді на ті ж питання, і «скляна» куля розрослася до розмірів Галактики, а час «варіння» розтягнувся до 12 мільярдів років. Але що конкретно виявили астрономи? Як з’явилася можливість доказів нашого «зіркового споріднення»?

Вже близько століття астрономи займаються хімічним аналізом речовини, віддаленої від нас на тисячі світлових років. У 1969 році при дослідженні міжзоряних радіоспектрів були відкриті лінії мурашиного альдегіду. Так почалася історія космічної органічної хімії. Слідом за формальдегідом в галактичному просторі виявили цианацетилен, деревний спирт, мурашину кислоту, формамід, оцтовий альдегід, ацетонітрил, метанімін і багато інших молекул.

Придивимося уважніше до будови цих «зоряних» молекул. Хімічна формула цианацетилена — HCCCN. Чотири важких атома — три вуглецю і азот — об’єднані в ланцюжок, який може служити основою для маси складних молекул. Формамід (NH2CHO) несе амінну групу, а мурашина кислота (НСООН) — карбоксил. Об’єднавши ці дві групи з радикалом СН2, отримаємо найпростішу амінокислоту — гліцин. Весь характерний набір груп і зв’язків, необхідний для синтезу «алфавітних» молекул, присутній на «лабораторних столах» нашої Галактики. Полімеризація ціаністого водню може дати азотисті основи. Від альдегідів легко перейти до цукрів. А вуглеводневі ланцюжки з кислотними групами утворюють молекули жирів. Алфавіт життя і хімія міжзоряного середовища виявилися разюче близькими один одному.

Друге важливе відкриття радиоастрономів полягало в тому, що хмари органічних молекул розподілені в об’ємі Галактики аж ніяк не випадково. Насамперед органічні молекули зустрічаються там, де концентрація речовини у газопиловій хмарі вже досить висока. Чим вище щільність хмари, тим складніше і різноманітніше органіка. Не випадково більша частина молекул була виявлена в сузір’ї Стрільця, поблизу галактичного центру. «Молекулярними скарбами» виявилася багата і Велика туманність Оріона, для району якої характерні «новонароджені» зірки.

Протозірки і протожиття

Починаючи з XVIII століття астрономи помічають в небі «чорні діри». На тлі зоряних розсипів, видимих в телескоп, ці ділянки здаються темними провалами. «Дірки» наглухо перегороджують дорогу світлу від будь-яких джерел, розташованих позаду. Компактні «чорні діри» називають глобулами. Їх компактність, звичайно, відносна, так як розміри окремих глобул можуть перевищувати десяток світлових років. Там, в цих газопилових згустках, починаються перші стадії таємничого процесу утворення зірок. Як він йде?

Стиснення хмари починається, мабуть, в результаті випадкових коливань щільності. А де речовина щільніше — більше і сила тяжіння. Тому в район з підвищеною щільністю починають втягуватися, «провалюватися» нові маси речовини. В «звичайній» хмарі частинок не більше декількох десятків на кубічний сантиметр. У стисненій хмарі, наприклад, такій, яка розташована в сузір’ї Стрільця, щільність частинок досягає 10 у 8 ступені на кубічний сантиметр. Очевидно, що ймовірність зіткнень між атомами і радикалами в такій хмарі вище і, відповідно, вище ймовірність утворення складних молекул. Не випадково в сузір’ї Стрільця «проглядаються» вісім з двадцяти шести відомих міжзоряних молекул.

Чим вище концентрація речовини, тим швидше йде стиснення глобули. Потенційна енергія «провалених» до центру частинок виділяється у вигляді тепла, і поступово стиснена глобула починає світитися. Так виникає протозірка.

У центральній частині протозірки температура достатня, щоб створити потужне інфрачервоне (теплове) випромінювання. Тому з Землі ми будемо «бачити» ядро протозірки як інфрачервоне джерело. Одночасно у великій частині випадків (а може і завжди) протозірка виявляється також і яскравим радіоджерелом. Причому не звичайним, а космічним мазером, робочим тілом якого служать молекули води і радикали ОН. Таким чином, якщо правильно намальована картина, в одній і тій же ділянці простору повинні виявитися інфрачервона зірка, мазерне радіоджерело і скупчення органічних молекул. Але це і спостерігають астрономи насправді! У Великій туманності Оріона поруч з інфрачервоними об’єктами радіоастрономи знайшли високі концентрації молекул, таких, як формальдегід, деревний спирт і цианацетилен. Там же на хвилях 18 і 1,35 сантиметрів «працюють» гідроксильні і водяні мазери.

Отже, молекули і зірки народжуються в одному місці і в один час. Крихітні частинки органіки і виблискуючі зірки — різні грані одного космічного феномена конденсації речовини. Про народження «зоряного володаря» сповіщають радіогерольди — космічні мазери. Тут же в його честь спалахує інфрачервоне «багаття». Яка ж подальша доля органічних молекул в хмарі протозірки?

Звичайно, ті, що потрапили в центральне «вогнище», «згорять», розпадуться на атоми. Але історія молекул, що залишилися на периферії, буде продовжуватися. І в неї втрутяться інші процеси — процеси народження планет.

Класична кантівська гіпотеза утворення планет з згущеної хмари в останні роки оновила свої аргументи. Матеріалом для планет, як і Кант припускав, повинні служити зовнішні оболонки протозірок. «Предпланетний суп» міг чудово зберегти всю наявну органіку і забезпечити умови для синтезу нових молекул. Причому не тільки органічних. Вода — найважливіша неорганічна молекула, без якої неможливо уявити життя. Але, за сучасними поглядами, масовий бурхливий синтез води відбувається при формуванні планетних систем. Найяскравіше «радіосвітло» водяних мазерів, можливо, пов’язане саме з цим процесом. І ось астрофізики припустили, що джерела мазерного випромінювання не протозірки, а самі протопланети.

Скільки органічної речовини з первинної хмари може отримати молода планета? Спробуємо провести оцінку, хоча б саму грубу.

Нехай маса вихідної глобули дорівнює п’яти сонячним (явно занижена величина). Радіоастрономічні спостереження показують, що практично весь існуючий в міжзоряному середовищі вуглець входить до складу органічних молекул. Отже, маса органіки в такій глобулі повинна бути приблизно рівною подвоєній масі вуглецю і відповідати масі тисячі земних куль. Припустимо далі, що зірка разом з планетною системою формується із маси, приблизно рівною сонячній. (Інша речовина розсіюється, втрачається.) Приймемо, що в тій же пропорції втрачена органічна речовина, хоча, очевидно, втрати легкого водню і великих важких молекул не можуть бути однакові. Тепер відкинемо і ту частину органіки (99,9 відсотка), яка «згорить» в центральному «зоряному багатті». Все одно на частку планети земного типу органіки залишиться достатньо, щоб покрити поверхню земної кулі шаром у тисячу тонн на квадратний метр! Якщо з тих чи інших причин ми завищили цифру оцінки хоча б навіть у мільйон разів, то все одно на квадратний метр земної поверхні доведеться по кілограму органічної речовини. Непогана матеріальна база для виникнення життя!

Багатий запас органіки на «свіжовиготовленій» планеті помітно спрощує весь ланцюжок подій, що ведуть до появи першої істоти. Відпадає болісно довгий процес накопичення «алфавітних» молекул в атмосфері і океанах первісної Землі. Не потрібно жахливих грозових розрядів, вулканічних вибухів, радіоактивних випромінювань для процесів синтезу, розтягнутих на багато мільйонів років. Не висувають спеціальних вимог до складу атмосфери на планеті або потоку ультрафіолету від центральної зірки. Але головне — виграється час. Старт «хімічного забігу», призом у якому служить саме життя, зсувається на мільйони років уперед.

Вже подібна можливість змушує фахівців з проблем виникнення життя уважно вдивлятися у відкриття молекулярної астрономії. Але що, якщо молода планета отримує в подарунок від протозіркової хмари не «набір-конструктор» для виготовлення життя, а готове, справжнє життя?

Життя поза планет

Ми бачили, що неважко уявити собі існування «алфавіту життя» в міжзоряному просторі. Якщо є мономери, то у відповідних умовах, при підводі енергії (ультрафіолет близьких зірок, космічні промені), можуть нанизуватися намисто полімерних молекул. Важче уявити подальшу еволюцію молекул в газопиловій хмарі. Але важливу роль тут можуть зіграти порошинки і грудочки твердої речовини. Порошинки самі можуть каталізувати процеси полімеризації, а за нерівностями їх поверхні великі молекули можуть сховатися від радіації. Нарешті, в тих же тріщинах і нерівностях можуть накопичуватися молекули води.

Гіпотезу про полімеризацію малих молекул після прикріплення до мінеральних поверхонь висловив англійський вчений Джон Беріал. За Беріалом, місцем складання могли служити частинки мулу і глини, що з’являються в смузі прибою або в гирлах річок. Пізніше полімеризацію на мінеральних частинках зуміли промоделювати в кількох лабораторіях.

Міжзоряні порошини — теж мінеральні частинки. І їх поверхня також, мабуть, здатна послужити для каталізу. Причому каталізу не тільки полімеризації, але і наступних складних взаємодій між великими молекулами. А взаємодія молекул, схожих на білки і нуклеїнові кислоти, загадковим поки для нас способом призводить до виникнення саморозмножувальних систем. Звідси починається життя. Життя, прикріплене до пилинок чи кам’яних брил, в порожнечі і холоді космічного простору… чи можливо воно?

Універсальність і пластичність того життя, яке ми знаємо, — єдина відповідь на це питання. У десятках дослідів мікроорганізми виживали після впливів, що імітують космічний простір. Вони переносили вакуум і низькі температури, витримували жахливі дози радіації і тривале зневоднення. Мікроорганізми, виведені в космос на ракетах, поверталися звідти живими. Не виключено, що і предпланетне життя знаходило свої шляхи боротьби з усіма несприятливими факторами. І ледь ситуація поліпшувалася (надходження поживних речовин, сприятлива температура), як це життя спалахувало гарячковою активністю і прагнуло поширитися, розмножитися, освоїти нові простори.

Космічне життя повинне було підкорятися тим же еволюційним законам, що й життя на Землі. Організми (звичайно, мікробного типу), точно так само, як і земні, повинні були конкурувати за поживні речовини, джерела енергії і «тепле місце». Стрибкоподібний процес мутацій точно так само повинен був сприяти поліпшенню «міжзоряної породи». Рано чи пізно повинен був з’явитися фотосинтетичний апарат, що дозволяє використовувати енергію видимого або невидимого світу, такий же, як у земних рослин і водоростей. Тоді загальні риси фізіології космічного життя повинні бути знайомі нам. Але чи можна уявити собі вигляд цих космічних організмів?

У 1961 році в метеоритах були знайдені сліди організованих «водорослеподібних структур». До того ж всередині метеоритів виявили органічні речовини, включаючи амінокислоти.

Але, може бути, ці структури — лише сліди мікроорганізмів або пилку, що потрапили в метеорити після приземлення? Велика частина вчених, кваліфікованих, досвідчених мікробіологів, схиляється до думки, що це не так. Організовані елементи виявляють і в центральних частинах метеоритів, куди наглухо закритий доступ для частинок мікронних розмірів. Важче спростувати інше заперечення — абіогенний (крім життя) синтез знайдений в метеоритах органічних речовин і структур. Тим не менш ось точка зору відомого голландського дослідника М. Руттена: «…я думаю, що складність будови стінок «організованих елементів» недвозначно вказує на їх біогенну природу». Вже зараз є ціла група вчених, яка вважає, що ми зіткнулися зі слідами позаземного життя, хоча це далеко ще не можна вважати доведеним.

Життя, що виникло поза планет, повинно бути здатне поширитися по всім тілам, що зустрічаються в Галактиці. Американський фізик Ф. Дайсон заявив, що головна провінція життя — не планети, а комети. Дійсно, комет в Галактиці дуже багато, і періодично, по мірі руху по орбіті комети можуть виникати умови, навіть більш сприятливі для життя, ніж земні.

В атмосферах комет вдалося виявити цілий список органічних і неорганічних молекул. Багатий молекулярний «урожай» принесла недавня гостя — комета Когоутека. Не дивно, що комети несуть органічні молекули. Адже вони теж «зліплені» з міжзоряного матеріалу.

У гіпотезі предпланетного життя вистачає, звичайно, і вузьких місць. Порошинки і кам’яні брили аж ніяк не самі зручні «складальні майданчики» для організмів. Мала концентрація речовини в газопиловій хмарі, мало води і далеко не завжди сприятливий температурний режим. В принципі, однак, всі ці труднощі переборні. Тепер ще про достоїнства гіпотези.

В єдиний космічний процес зливаються народження зірок, народження планет і народження життя. Хімічний склад пилу та газів у Всесвіті виявляється подібним з хімічним складом живих істот просто в силу «єдиноутробної спорідненості». Гіпотеза дозволяє по-новому відповісти і на деякі загадки земного життя. Ми згадували вже про універсальність генетичного коду, який однаковий для всіх живих істот. Але ця універсальність пояснюється легко і природно, якщо всі живі істоти на Землі — нащадки того «Адама» мікроорганізмів, якого прислало на нашу планету протозіркове життя.

Ф. Крик і Л. Орджел звертають увагу на ще одну біохімічну загадку. Молекули багатьох білків-ферментів містять атоми молібдену. Наприклад, з участю молібдену йде фіксація азоту у деяких бактерій. У той же час молібден на Землі зустрічається в десятки і сотні разів рідше, ніж його хімічні аналоги — нікель і хром, які могли б зайняти його місце у ферментах. Чи не пояснюється такий дивний вибір тим, що ці ферментні системи формувалися колись в неземному оточенні?

Нарешті, справжній «камінь спотикання» у всіх існуючих теорій походження життя — немислимо мала ймовірність утворення самовідтворного комплексу з білків і нуклеїнових кислот. Але якщо просторові і тимчасові рамки процесу розсунуті в десятки тисяч разів, то, очевидно, у стільки ж разів зростає вірогідність сприятливого результату. Якщо підкидати монету тисячу разів, то приблизно в п’ятистах випадках випадає орел, а в п’ятистах — решка. Однак якщо підкинути монету мільярд разів, одного разу вона стане на ребро і втримається. Виникнення життя — флуктуація, викид, вдалий розклад кісток. Для настільки дорогоцінного виграшу набагато сприятливіші масштаби цілої Галактики, ніж масштаби планети. І якщо це так, то тим більше підстав сподіватися, що «виграш» випав не тільки на частку нашої Сонячної системи!

Автор: В. Ладен.