Де й iз чого зароджується життя?
Реферат
За останнi кiлька рокiв при дослiдженнi радiоастрономiчними методами газопилових хмар у Галактицi в них було виявлено кiлька типiв органiчних сполук. Особливо вiдзначимо синильну кислоту, формальдегiд, метиламiн, спирти. (Всi цi простi молекули - ключовi вихiднi продукти для синтезу бiльше складних сполук, абсолютно необхiдних для життя, наприклад, амiнокислот - будiвельних блокiв бiлка.) Таке вiдкриття тим бiльше дивно, що ранiше в газопилових хмарах передбачалася лише присутнiсть водню й деякого числа двохатомних сполук. Оскiльки цi хмари (або їхнi фрагменти) ототожнюються як райони зародження зiрок i планетних систем, те подiбнi результати спостережень становлять винятковий iнтерес.
Пiсля вiдкриття органiчних молекул у газопилових хмарах мiжзорянi порошини, на яких можуть концентруватися цi молекули, сталi називати носiннями життя. Зовсiм недавно знаменитий англiйський астрофiзик Ф. Хойл висунув iдею про те, що в глибинах Космосу життя може зароджуватися саме на мiжзоряних порошинах. Бiльше того, Ф. Хойл i його спiвавтор Н. Викрамсингх зв'язують епiдемiї грипу на Землi iз внесенням збудникiв цiєї iнфекцiї з Космосу. Правда, Хойл делiкатно обходить питання про те, як виникає життя на мiжзоряних порошинах.
Ще ранiше висловлювалися думки про те, що життя здатне розвиватися на кометах i астероїдах. Але подивимося, чи може дiйсно виникнути життя в результатi хiмiчних процесiв у холодних газопилових хмарах?
Порiвняно простi молекули, такi, як формальдегiд i синильна кислота, там є. Вони виникають iз льодiв простих газiв, таких, як пари води, метан, амiак, на поверхнi порошин. Що ж потiм?
Реакцiї утворення бiльше складних полiмерiв iдуть при низьких температурах дуже повiльно. Крiм того, через дуже низьку температуру на порошинах немає рiдкої води, що необхiдна для всього живого. Та й мiжзорянi порошини дуже малi, менше мiкрона, навiть нормальна бактерiальна клiтка бiльше. Нi, для життя потрiбний комфорт, а тут i холодно й "тiсно".
(хоча небагато води в хiмiчно зв'язаному видi все-таки є), нi атмосфери. Що ж тодi залишається? Тiльки планети?
Тiльки планети.
Спробуємо розiбратися, чому. Для цього нам доведеться подивитися, якi природнi фактори критичнi для життя. Природно, спочатку ми будемо поки говорити про те, що ближче: про нашого, земний, життя.
ушкодження в клiтках i пiдвищують їхня стiйкiсть до високої температури, до кiнця незрозумiлi, так у нас iз вами немає необхiдностi вдаватися в детальний аналiз бiохiмiї термофiлiв. Ясно, що еволюцiя виробила захиснi механiзми. Однак верхня температурна межа життєдiяльностi органiзмiв, безумовно, є, i ми не допустимо серйозної помилки, якщо встановимо його близько 100 градусiв Цельсiя.
У тому випадку, якщо життя вже iснує, нижня температурна границя не настiльки критична. Однак ми акцентуємо свою увагу на проблемi зародження життя, i нам необхiдно враховувати швидкостi хiмiчних реакцiй. Оскiльки бiльшiсть реакцiй проходить у рiдкiй фазi, то для нормальної життєдiяльностi автоматично виходить i нижня температурна границя близько 0 градусiв по шкалi Цельсiя.
Отже, для зародження життя ми одержуємо досить вузький температурний iнтервал, усього близько 100 градусiв. Причому важливо, що стабiльнiсть температур повинна зберiгатися дуже довгий час без помiтних перепадiв.
температури вночi й удень великi: вiд + 110 до -120, бiльше двохсот градусiв, а на Венерi й Землi вони незначнi.
Оскiльки саме в атмосферi, гiдросферi й на поверхнi роздягнула фаз вiдбувається синтез органiчних молекул, те цiлком зрозумiло, що для проходження реакцiй синтезу на планетах повиннi бути якi-небудь джерела енергiї.
Отже, планети, так ще планети з атмосфери. До речi, атмосфера виконує ще одну дуже важливу функцiю: вона захищає тендiтнi органiчнi молекули вiд руйнiвної дiї ультрафiолетового випромiнювання батькiвської зiрки. Наприклад, у нас на Землi життя навряд чи було б можливе, якби в атмосферi не було озонового екрана. Саме цей екран затримує найнебезпечнiшу частину випромiнювання Сонця.
Умовимося називати планети, де життя типу земний у принципi може iснувати, "зеленими планетами".
На таких планетах повинна бути атмосфера, гiдросфера й досить комфортна м'яка погода. Але як довго все це повинне iснувати? Тисячу, мiльйон, мiльярд рокiв?
Вiк Землi - близько 4,5 мiльярди рокiв, i палеонтологи затверджують, що 3,5 мiльярди рокiв тому на Землi вже було життя. А скiльки живуть зiрки?
Адже вiдомо, що деякi з них вибухають. Це так званi новi й зверх новi зiрки. Ясно, що, якщо зiрка вибухне, бiля її не залишиться нiчого живого. Існує загальне правило в астрофiзику: чим зiрка гаряче, тим менше строк її життя. Тому "зеленi планети" можуть бути тiльки бiля не дуже гарячих зiрок, i тодi в сферi нашого розгляду залишаться лише зiрки iз часом життя не менш мiльярда рокiв, тобто зiрки спектральних класiв F, G, ДО, М.
енергiї зiрки типу Сонця. Але якщо планета в системi М-Карлика перебуває недалеко вiд зiрки, там будуть цiлком комфортнi умови для життя.
Еволюцiя органiчних сполук може досягати високого рiвня лише на планетах. Дiйсно, у газопилових утвореннях концентрацiї речовини занадто низькi, близько 1 атома в кубiчному сантиметрi, щоб з ефективнiстю йшли реакцiї утворення бiополiмерiв. Не можна, щоправда, виключити можливiсть синтезу простих амiнокислот i в газопилових хмарах, i в атмосферах iнфрачервоних зiрок. Що стосується комет, то в лабораторних умовах, що вiдтворюють "кометну" обстановку, ученi продемонстрували можливiсть утворення досить складних органiчних молекул, а в метеоритах амiнокислоти втримуються в помiтних кiлькостях. Проте для всiх процесiв ускладнення необхiднi досить високi концентрацiї матерiалу, i саме тому всi перерахованi об'єкти є свого роду еволюцiйними тупиками. Отже, все-таки планети.
Скiльки ж "зелених планет" у нашiй Галактицi?
Якщо вважати, що системи типу нашої сонячної не виключення, тодi тiльки в нашiй Галактицi планет, придатних для життя, може бути бiльше мiльйона.
А чи можуть бути планети без зiрок? У принципi, так.
На таких планетах за рахунок їхнього внутрiшнього тепла теж могла б iснувати життя, аналогiчна найпростiшим формам нашого земного життя, наприклад, бактерiї.
Ще в 1913 роцi бiохiмiк з Гарвардського унiверситету, Л. Гендерсон, видав книгу "Придатнiсть навколишнього середовища". Автор дiйшов висновку, що все живе повинне складатися з води й вуглецю, оскiльки сам Л. Гендерсон складається з води й вуглецю. Аргумент, звичайно, сильний, але спробуємо подивитися на це завдання бiльш серйозно.
кола елементiв. Це так званi абсолютнi органогени, серед яких центральне мiсце займає вуглець. У число абсолютних органогенiв входять також кисень, азот, фосфор, водень, сiрка, калiй, кальцiй i магнiй.
Всi хiмiчнi реакцiї в клiтках iдуть у водяному розчинi, причому саме у водi реалiзуються тисячi бiохiмiчних процесiв, що пiдтримують життєдiяльнiсть органiзму.
Але чому ж саме вуглець i вода грають настiльки унiкальну роль у хiмiї живого? Бути може, на Землi iснували iншi форми життя, побудованi на iншiй хiмiчнiй основi, якi згодом були знищенi вуглецевим життям? Чи можливi в принципi "iншi хiмiї" життя? Цi питання мають фiлософське й наукове значення.
Моделi живих систем, заснованих не на водно-вуглецевiй основi, розроблялися останнiм часом досить широко. У першу чергу тут потрiбно вiдзначити життя на основi амiаку, кремнiю й галогенiв. Ми спочатку викладемо основнi принципи цих псевдо життя, а потiм проаналiзуємо спiввiдношення мiж гiпотетичними живими системами й вуглецевими формами життя.
Звичайно як можливий замiнник вуглецю розглядається кремнiй. Дiйсно, мiж цими двома елементами дуже багато загального. У перiодичнiй системi елементiв вони перебувають в однiй групi, мають однакову валентнiсть. Тому "кремнiєве життя" обговорюється досить часто не тiльки в науково-фантастичнiй лiтературi, але й на сторiнках наукової печатки.
Із приводу можливостi iснування життя, заснованої на кремнiї, iснують полярнi точки зору.
Так, наприклад, англiйський астроном-аматор В. Фiрсов у своїй книзi "Життя поза Землею" затверджує, що кремнiєве життя може бути широко представлена у Всесвiтi.
Американський хiмiк Д. Уолд у своїй роботi "Чому жива речовина базується на елементах другого й третього перiодiв перiодичної системи" звертає увагу на те, що зв'язок мiж атомами кремнiю (ми будемо їх називати надалi кремнiй кремнiєвi зв'язки) нестiйка в присутностi води, амiаку або кисню. Це дуже сильне заперечення проти кремнiєвого життя.
Вiдносна поширенiсть кремнiю в земнiй корi, майже на два порядки вище вуглецю. Проте, кремнiй не грає практично нiякої ролi в бiохiмiї живого. Здавалося, для природи було б набагато легше сконструювати життя на основi бiльше доступного елемента. Однак у цьому випадку природа не пiшла за принципом економiї, i в неї були вагомi причини. Кремнiй володiє поруч характерних хiмiчних властивостей, якi роблять його зовсiм непридатним для побудови складних бiологiчних молекул, що працюють у клiтцi.
Так, всi сполуки кремнiю з воднем нестiйкi при нормальних температурах, i, навпаки, сполуки, побудованi на основi зв'язкiв кремнiй - кисень (це просто добре всiм вiдомий пiсок), досить стiйкi в термiчному вiдношеннi до дуже високих температур.
Помiтимо також, що в цей час невiдомi сполуки, що є аналогами молекул, що мiстять вуглець, кисень i водень: альдегiдiв, кетонiв, карбонових кислот, складних ефiрiв i амiнiв. Це обумовлено нездатнiстю кремнiю утворювати подвiйнi й потрiйнi зв'язки, настiльки характернi для органiчної хiмiї; тому кремнiй утворить твердi полiмери iз кремнiй-кисневими зв'язками.
Перерахованi вище властивостi кремнiю (а також аргументи, наведенi Уолдом) роблять досить малоймовiрним використання такого елемента як основу для побудови життя. Правда, американський хiмiк з Берклi, Г. Пиментел, уважає, що при низьких температурах кремнiєве "псевдо життя" може розвиватися бiльш успiшно, нiж вуглецеве. Однак потрiбнi неводнi розчинники, а ця обставина знову веде нас у сферу спекуляцiй. Фiрсов пропонує як можливi замiни води як унiверсального розчинника на сульфiди фосфору й таке абсолютно невивчена сполука, як Н3PS4 - сiрчаний аналог ортофосфорної кислоти, що виходить iз фосфористого водню й H2S. Менi здається, що це все малоймовiрно в силу деяких загальних мiркувань астрофiзичного плану. Адже вода - одне з найпоширенiших сполук у Космосi.
Розглянемо тепер модель так званого "рiдкого амiачного життя", що також досить часто пропонується як можлива форма iснування неземних живих систем.
Гiпотетична амiачна бiохiмiя, або, як її ще називають, хiмiя Франклiна, виходить простою замiною кисню в органiчнiй молекулi на амiногрупу (= NH). Сiрка в сполуцi залишається або також замiщається на азот, а замiсть води як унiверсальний розчинник використовується амiак.
Розглянемо деякi властивостi амiаку докладнiше.
амiак у виглядi рiдини, вiдповiдає тиск 120 атмосфер. Схованi теплоти в амiаку рiвнi 332 калорiям на грам для паротворення й 84 калорiям на грам для плавлення. По цих параметрах амiак схожий на воду.
Автори моделей "амiачного життя" затверджують, що в повнiстю безводних умовах амiачнi форми бiлкiв будуть дiяти як ферменти-каталiзатори настiльки ж добре, як i у звичайних водних середовищах. Це припущення виглядає сумнiвно, тому що швидше за все в рiдкому амiаку бiлки-ферменти через змiну їхньої структури не зможуть "працювати". Крiм того, якщо виходити з вимоги нормальних швидкостей хiмiчних реакцiй, необхiдно сильно пiдвищити крапку кипiння амiаку (скажемо, до 100 градусiв), що вiдповiдає бiльше високим тискам близько 60 атмосфер.
Дуже важко уявити собi, що при обраних значеннях тиску й температури можуть де-небудь iснувати повнiстю безводнi умови. Але як тiльки ми переходимо до водяних розчинiв амiаку, амiачнi аналоги бiлкiв виявляються в сильно лужному середовищi й перестають працювати як ферменти.
Для регулювання дiяльностi клiтинних мембран в амiачнiй хiмiї пропонуються такi екзотичнi сполуки, як хлористий цезiй або хлористий рубiдiй.
Через малу космiчну поширенiсть цезiю й рубiдiю подiбна схема може становити iнтерес тiльки для умоглядних побудов.
Таким чином, "амiачне життя" з погляду загальних фiзико-хiмiчних мiркувань здається досить малоймовiрною.
Ще бiльше екзотичнi варiанти пов'язанi з використанням галогенiв замiсть водню (галоген вуглецева форма). У цьому випадку використовується хлор або фтор, тому що атоми брому i йоду мають занадто бiльшi розмiри.
Якi ж повиннi бути умови на планетi, багатої галогенами? Атмосфера на такiй планетi повинна мiстити бiльшi кiлькостi фтору й хлору, а гiдросфера може складатися iз соляної або плавикової кислоти.
(у порiвняннi з радiусом Землi) шару - земної кори. Здавалося б, хiмiчний склад живих систем повинен бути хоч у якiмсь ступенi схожий на хiмiчний склад екологiчної нiшi перебування - кори.
Але немає. По своєму хiмiчному складi жива речовина набагато ближче до Всесвiту, чим до земної кори. Ця обставина є непрямим доказом принципу унiверсальностi побудови живих систем у рiзних дiлянках Всесвiту.
Як видно, саме абсолютнi органогени здатнi в процесi еволюцiї утворювати живi системи. Концентрацiї хлору й фтору у Всесвiтi винятково малi стосовно водню (одна десяти мiлiонна й одна стомiльйонна частка вiдповiдно). От чому подiбнi моделi виглядають досить непереконливо. Незрозумiло, навiщо й де буде вiдбуватися замiна водню на галогени?
Варто пiдкреслити, що формальнi замiни вуглецю на кремнiй, водню на галогени й так далi малопродуктивнi в планi побудови якоїсь нової хiмiї життя. Ми, очевидно, нiколи не зумiємо пiдiбрати елемента, здатного краще вуглецю утворювати макромолекули, i розчинника бiльше унiверсального, чим вода. Крiм того, абсолютнi органогени є найбiльше "доступними" елементами в Космосi.
пiдтримкою того положення, що якщо де-небудь ще, крiм Землi, у Всесвiтi й iснує життя, то в основi її повинна лежати хiмiя вуглецю.
"обов'язково" i "тiльки". Але адже вiн зроблений пiсля досить ретельного аналiзу, з використанням арсеналу сучасної фiзики й хiмiї. І цей висновок не накладає нiяких обмежень на можливiсть iснування форм життя, що зовнi вiдрiзняються вiд земної.
Адже навiть iз чисто фiлософських позицiй важко вважати, що наша форма життя унiкальна. У Вселеної немає унiкальних явищ i об'єктiв. Про це говорилося на Бюраканської конференцiї. Ще ранiше цю думку висловлювали древнi фiлософи.
Ну а як же знаменитi кiборги - синтез машини й розуму - або вже згадуване плазмена хмара Ф. Хойла?
На жаль, закони фiзики виключають можливiсть стабiльного iснування таких плазмених утворень.
Один з аспiрантiв Мiнського побудував машину, що стоїть нiяк не нижче рiвня розвитку дитини. Вона (машина) умiє спiлкуватися з людьми, причому досить своєрiдно. У програму цiєї машини закладенi поняття маленького механiчного миру: iдея, що одне тверде тiло може опиратися на iнше, щось може перебувати в ящику праворуч, лiворуч, є кулi, куби й т. д. Машина обговорює з людиною цей мир.
Все це вiдбулося в 1970 роцi в Масачусетському технологiчному iнститутi.
А що може трапитися через 50-100 рокiв?
Цiлком можлива подорож у часi. Для цього всього-на-всього потрiбно знайти електричне заряджену "чорну дiру". Умови польоту можуть виявитися прийнятними. За короткий час розширення "бiлої дiри" спостерiгач на космiчному кораблi побачить все минуле нашої Вселеної й все майбутнє пiд час занурення в глиб "чорної дiри".
Дуже може бути. Температура деяких дiлянок цього об'єкта близька до нашим кiмнатних, i вуглецеве життя в принципi могли б там iснувати, якби не дивовижнi потоки твердого рентгенiвського випромiнювання. Залишається вiдкритим питання: «А що, якщо життя пристосується коли-небудь до такого випромiнювання?»
1. Вуд Дж. Метеориты и происхождение Солнечной системы. – М., 2001
2. Кац Я. Г. Рябухiн А. Г. Космiчна геологiя. – К., 2004
3. Войткевич Г. В. Геологiчна хронологiя Землi. – К., 2003
4. Друянов В. А. Загадочная биография Земли. – М, 1991
| 
