В XVI веке придворный врач семейства Медичи флорентиец Ф. Реди нанес первый удар по теории самозарождения жизни. Будучи не только членом Флорентийской ученой академии (Academia del Cimento), но и членом литературной академии (Academia del la Cruska), Реди писал научные статьи на итальянском языке. Потом его работы переводились на латынь — язык ученых. Всесторонне образованный человек, философ-эпикуреец, поэт, воспевший тосканские вина, он был серьезным естествоиспытателем и блестящим экспериментатором.

Реди, по-видимому, впервые сделал то, что сегодня в химии и биологии называется контрольным опытом. Положив два куска мяса в различные сосуды, один он закрыл марлей, другой оставил открытым.

Сторонники самозарождения жизни утверждали, что личинки и черви появляются как бы из ничего. Реди ясно показал, что «черви» появились только в сосуде, который был открыт для контакта с флорентийскими мухами.

Так был установлен знаменитый принцип Реди — Omne vivum е vivo — все живое из живого… Но тогда живое вечно, поскольку вечен окружающий нас мир. И жизнь не имеет ни начала, ни конца.

Окончательный удар по теории самозарождения жизни нанесли эксперименты аббата Спалланцани, показавшего, что в стерилизованном питательном бульоне бактерии не развиваются. Таким образом уже в XVIII веке в естествознании сформировались два течения — сторонники принципа Реди и сторонники так называемого абиогенеза.

Абиогенез — естественный путь химического превращения простых органических соединений в сложные с последующим возникновением из этих сложных молекул живых клеток. Сторонники абиогенеза утверждают, например, что жизнь и сейчас может возникать на Земле. Существующая форма жизни (например, микрофлора) сразу же уничтожает новую жизнь.

Длительная борьба идей, накопление новых научных данных и радикальное изменение во взглядах на многие казавшиеся ранее очевидными явления окружающего нас мира предстали перед человечеством в совершенно ином свете.

Интерес к происхождению жизни вспыхнул с новой силой в конце XIX — начале XX века. Принцип Реди был возрожден знаменитым шведским физикохимиком С. Аррениусом. В основе его работ лежало представление о вечном и повсеместном распространении зародышей жизни во Вселенной, которые могут время от времени попадать на небесные тела (планеты), где природные условия благоприятны для дальнейшей эволюции.

Аррениус назвал такой путь возникновения и развития жизни на планетах панспермией.

Но в этой гипотезе нет ответа на вопрос о генезисе самих зародышей. И в самом деле, мы собираемся разобраться в том, как может возникнуть живое из неживого. Вместо этого гипотеза Аррениуса уводит нас в сторону чистой биологии, предлагая решать вопрос, как из вируса или микроорганизма получился человек.

Без преувеличения можно сказать, что настоящий переворот во взглядах на происхождение живой материи произошел после появления работы А. Опарина.

В чем же заключалась новизна идей, выдвинутых в 1924 году молодым биохимиком? Небольшая книга, вышедшая в издании «Московского рабочего» и оказавшая столь сильное влияние на развитие современной науки, состоит из пяти частей.

Первые две части посвящены истории проблемы происхождения жизни.

В третьей главе «Мир живого и неживого» Опарин впервые высказывает мысль о том, что жизнь тесно связана и, более того, схожа с коллоидным и студнеобразным состоянием вещества. Именно это положение нашло затем дальнейшее развитие в изучении знаменитых коацерватных капель.

Здесь же Опарин вводит несколько критериев, отличающих живое от неживого: обмен веществ, воспроизведение себе подобных и раздражимость. В конце главы автор делает нетривиальный для его времени вывод, состоящий в том, что «жизнь характеризуется не какими-либо определенными свойствами, а особенной специфической комбинацией этих свойств».

Но основной вклад Опарина в науку о происхождении жизни сделан в двух последних разделах книги: «От разрозненных элементов к органическим соединениям» и «От органического вещества к живому существу». Именно в этих главах впервые была сделана попытка объяснить возникновение органических соединений на изначально «стерильной», безжизненной Земле естественным путем, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой при высокой температуре поверхности ранней Земли.

Ясно, что эта конкретная схема Опарина претерпела за последующие десятилетия значительные изменения. Но сама идея непрерывного усложнения органических соединений, приведшего в конце концов к возникновению жизни, послужила основой современной науки о происхождении жизни. Эта идея получила название принципа непрерывности.

В последней главе Опарин предлагает считать первыми живыми организмами (с некоторыми оговорками) маленькие обособленные кусочки органического геля. Здесь также важна мысль о структурной и пространственной обособленности первых живых систем.

Проблемы передачи наследственной информации в работах Опарина затронуты не были.

Рассматривая первые работы, посвященные проблеме происхождения жизни, нельзя не упомянуть о знаменитом английском биохимике Д. Холдейне. Человек поразительного ума и широчайшего кругозора, блистательный полемист в 1929 году опубликовал коротенькую статью «Возникновение жизни». В этой статье, кстати говоря совершенно не понятой современниками (знаменитый английский кристаллофизик и философ Д. Бернал говорил о том, что ее читали, да и то в очень узких кругах, лишь благодаря обаянию личности Холдейна и красоте и ясности стиля изложения), ученый обрисовал все важнейшие аспекты проблемы происхождения жизни.

Холдейн впервые подчеркнул важность задачи переноса генетической информации при рассмотрении вопроса о происхождении жизни. Впервые также он указал на ультрафиолетовое излучение Солнца как источник образования органических соединений из атмосферных газов. С работой Опарина Холдейн не был знаком, и поэтому его также с полным основанием можно считать «крестным отцом» принципа непрерывности.

Десятки лет спустя после появления работ Опарина и Холдейна Бернал возродил идею Анаксимандра о роли ила, заметив, что на поверхности глин могут быстро идти процессы усложнения органических молекул. Новое — хорошо забытое старое, и сторонники абиогенеза получили в свои руки новую теорию, которая за 50 с лишним лет сильно расширила наши представления о возникновении жизни. Идею Опарина проверил опытным путем ученик известного американского ученого Г. Юри — С. Миллер. Он пропустил электрическую искру через смесь аммиака, метана, водорода и паров воды и получил аминокислоты — основные строительные «блоки», из которых состоит белок.

Результаты Миллера были сенсационны. Десятки экспериментаторов лихорадочно начали варить опаринский бульон. Были получены органические кислоты, все 20 природных аминокислот, основания нуклеиновых кислот, наконец, коацерватные капли Опарина и протеиноидные микросферы — предшественники первых клеток. Казалось, еще один шаг, и в пробирке возникнет жизнь. Но этот шаг не был сделан. Более того, по нашему глубокому убеждению, он будет сделан не скоро.

В чем же дело? Ведь получены аминокислоты — стройте белок. Есть нуклеиновые основания, фосфаты, сахара — делайте ДНК. Коацерваты и микросферы есть. Монтируйте все вместе и получайте жизнь. Дело оказалось гораздо более сложным.

27 лет назад Д. Уотсон и Ф. Крик открыли структуру ДНК. Затем Ф. Крик, М. Ниренберг и С. Очоа объяснили, как устроен генетический код. А потом выяснилась поразительная вещь: генетический код одинаков и у бактерии, и у дерева, и у человека. Универсальность кода означает, что в течение 3,5 миллиарда лет существования жизни на Земле основы генетического механизма, управляющего воспроизведением всех живых систем, остались неизменны.

Другими словами, 3,5 миллиарда лет назад на нашей планете уже существовали клетки, которые умели делать две вещи: во-первых, строить по заложенной в них генетической программе любую необходимую для них молекулу с заданными свойствами. Например, клетке нужно построить белковую молекулу, в которой жестко задана последовательность 100 аминокислот. Так вот, клетка, имея механизм кодового считывания, почти никогда не ошибается при создании этой молекулы. Если из этих аминокислот такую же белковую молекулу начнет делать химик-органик, порядок аминокислот в этой молекуле будет самый разный. Чтобы синтезировать один-единственный нужный вариант белка, химику не хватит времени существования Вселенной. Во-вторых, клетка способна размножаться, создавая свои точные копии.

Сегодня ученые, занимающиеся проблемой происхождения жизни, далеки от того, чтобы получить в пробирке (in vitro) из смеси простых молекул (например, аминокислот) биологический полимер с заранее заданными свойствами (белок). О том, чтобы создать искусственным путем клетку, содержащую генетический аппарат, пока приходится только мечтать. Более того, сейчас мы не в состоянии объяснить, каким образом произошел генетический код. Трудности на этом пути столь велики, что Ф. Крик и Л. Оргел вновь, предложили ученым обратиться к теории панспермии. Они назвали свою гипотезу гипотезой «направленной панспермии», утверждая, что все живое на Земле возникло от одного клона микроорганизмов, сознательно занесенного на нашу Землю высокоразвитой цивилизацией. Ясно, что эта гипотеза — развитие идей Аррениуса и принципа Реди.

Однако принцип Реди противоречит нынешним взглядам на происхождение Вселенной. Вспомним, что принцип Реди «живое из живого» неявно утверждает, что жизнь вечна. Теория абиогенеза постулирует, что живое происходит из неживого. Вот почему мне придется все время в этой книге идти «параллельными курсами»: следить за развитием неорганического мира и мира живого.

Жизнь не могла существовать на ранних стадиях развития мира. Поэтому вопрос о начале жизни на Земле, поставленный еще на рубеже XVIII и XIX веков, остается в силе и сейчас. А чтобы утверждение о несправедливости принципа Реди не выглядела слишком легковесным, вернемся к эволюции неорганического мира и посмотрим, как развивались наши представления о неживой природе.

Только в XVIII веке исследования строения Вселенной встали на экспериментальную основу. Это случилось вскоре после того, как девятнадцатилетний немецкий органист В. Гершель в 1757 году в поисках удачи переселился из Ганновера в Англию. Все свое свободное время, а он был «штатным» органистом Октагональной капеллы города Бат, Гершель отдал изучению астрономии и изготовлению телескопов. 13 марта 1781 года Гершель увидел в телескопе объект и подумал, что это «или любопытная туманная звезда, или комета». Позднее выяснилось, что это планета Уран.

Король Георг III пожаловал Гершелю звание придворного астронома и 200 фунтов стерлингов в год, что дало ему возможность оставить музыку и открыть впоследствии около 2500 туманностей и звездных скоплений. «Я проник в пространство глубже, чем какое-либо человеческое существо до меня; я наблюдал звезды, свет от которых, как можно доказать, идет два миллиона лет, прежде чем он достигнет Земли», — говорил Гершель. На надгробном памятнике отца современной астрономии высечена надпись: «Caelorum perrupit claustra» — «Он проник сквозь преграды небес».

Сегодня, спустя почти 200 лет после великого открытия Гершеля, мы знаем, что число звезд в нашей Галактике оценивается величиной 10¹¹, или сто миллиардов. Астрономы классифицируют звезды по температуре: горячие, голубые, называются звездами класса О, В, А, менее горячие, желтые, звезды — F, G, красные звезды — К, M. Это так называемая Гарвардская классификация.

Английские студенты, чтобы особенно не напрягаться при запоминании порядка букв, обозначающих различные классы звезд, придумали мнемоническое правило: O, be a fine girl, kiss me. (Будь хорошей девочкой, поцелуй меня.)

Нетрудно видеть, что первые буквы слов в этой фразе (которую, по всей видимости, каждый студент может произнести достаточно уверенно) соответствуют Гарвардской классификации.

Я завел разговор о звездах — этих огромных газовых шарах, раскаленных до миллионов градусов, потому что среди тысячи миллиардов звезд нашей Галактики в одном из ее спиральных рукавов есть желтая звезда класса G2 — Солнце. Ни по температуре, ни по размерам она не отличается от сотен тысяч других звезд этого класса. Солнце имеет несколько спутников, обращающихся вокруг него по эллиптическим орбитам. Эти спутники называются планетами.

Можно ли считать, что планетная система — большая редкость во Вселенной? Вряд ли. Исследования моделей образования планет, проведенные на электронно-вычислительных машинах в США, в Принстоне, и в СССР, в Институте прикладной математики, показали, что планетные системы должны быть обычным явлением в жизни Галактики.

Современные астрономические средства наблюдения не позволяют увидеть планеты даже у самых близких к Солнцу звезд. Почему же мы акцентируем внимание читателя на планетных системах? Дело в том, что солнечная планетная система имеет одну удивительную особенность. На третьей от Солнца планете — Земле есть разумная жизнь, есть технологически развитая цивилизация.

Сегодня человечество не знает, одиноко ли оно во Вселенной, или, быть может, в эту минуту на расстоянии тысяч световых лет где-нибудь в глубинах Космоса стартуют с неизвестной планеты звездолеты другой цивилизации. «Мы не одиноки во Вселенной», — говорит член-корреспондент Академии наук СССР Н. Кардашев. «Жизнь — уникальное явление, мы одиноки», — утверждает его учитель член-корреспондент Академии наук СССР И. Шкловский.

Такие полярные точки зрения в науке не уникальны. Известно немало примеров ожесточенных споров между выдающимися умами человечества. Так, А. Эйнштейн не признавал многие положения квантовой механики и полемизировал по этому поводу с родоначальником нового направления в физике Н. Бором.

Великий Эйнштейн заблуждался. Квантовая теория — мощный инструмент современной физики, подкрепленный большим числом экспериментальных фактов. Но дискуссия с Бором стимулировала развитие теоретической физики.

А как же быть в нашем случае?

Ведь, прежде чем говорить об уникальности земной жизни или, наоборот, о внеземном разуме, необходимо попытаться понять, что такое жизнь, случайно или закономерно возникла она в нашей солнечной системе. Наконец, как она возникла?

В свое время известный астроном X. Шепли, упоминая об ограниченности наших знаний, о Вселенной, сформулировал три основных вопроса, на которые человечеству предстоит дать ответ:

Что такое Вселенная?

Как она устроена?

Почему она существует?

Шепли говорил, что первый вопрос представляется самым простым и на него можно дать «бойкий», хотя и неполный, ответ. Относительно второго вопроса также можно кое-что сказать. А вот в ответ на третий «…мы можем лишь воскликнуть: один бог знает!».

Поставим те же вопросы применительно к жизни и сразу же увидим, что не можем дать полного ответа ни на один из них.

Что такое жизнь?

Как она устроена?

Почему она существует (как она возникла?)?

Интерес к проблеме жизни в целом настолько велик, что он привлекал и привлекает внимание самых выдающихся мыслителей. Напомним, что в той или иной мере этой проблемой были увлечены Аристотель и Платон, Эйнштейн и Бор, Крик и Бернал и многие другие выдающиеся ученые. По всей видимости, для человечества не существует более значительной проблемы, чем проблема возникновения и функционирования живой материи.

Но прежде чем перейти к подробному анализу идей и гипотез о происхождении жизни, необходимо ознакомиться хотя бы вкратце с современными представлениями об эволюции звезд и планет. Ведь бессмысленно строить схемы возникновения жизни в отрыве от конкретных физических условий. Кроме того, как мы видели, даже сейчас высказываются мысли о вечном существовании жизни во Вселенной. Подобная платформа вообще снимает проблему происхождения жизни с повестки дня, переводя ее в сферу теологии. Поэтому полезно совершить короткую экскурсию всего на 15 миллиардов лет назад и взглянуть на рождение нашего мира, или, как его назвал знаменитый английский астроном Д. Джинс, Великой Вселенной.

Итак, 15 миллиардов лет назад произошел Большой Взрыв — и родилась Вселенная.

Общепринята сегодня теория горячей Вселенной. Эта теория утверждает, что на самом раннем этапе была космическая протокапля, состоявшая из фотонов, протонов, электронов и нейтрино. Она была сжата до чудовищных плотностей. Некоторые ученые считают, что плотность первичной капли достигала, величины 10⁹¹ граммов в кубическом сантиметре. Тогда радиус Вселенной в начальный момент был всего… 10^–12 сантиметра. Но ведь известно, что приблизительно таков радиус электрона!

При подобных плотностях и линейных размерах обычные понятия и законы физики, в том числе и общая теория относительности, полностью неприменимы. Естественно, что ни о какой жизни не может идти речи. Понятие «время» также лишено смысла.

Если вести отсчеты от момента Взрыва, то уже через 0,01 секунды температура капли составляла приблизительно тысячу миллиардов градусов. Ни на Земле, ни на Солнце мы не можем даже представить себе подобных температур. Через 30 секунд температура снизилась «всего» до нескольких миллиардов градусов, и началось образование гелия. Конечно, говорить о какой-либо жизни при подобных температурах бессмысленно, да и где она могла существовать? Ведь тогда не было даже звезд (не говоря уже о планетах), а из элементов существовали только водород и гелий.

Поэтому забудем пока о Большом Взрыве и посмотрим на наш молодой мир, когда после Взрыва прошел приблизительно миллиард лет. Если считать по человеческим меркам, Вселенная была годовалого возраста. За этот промежуток времени от чудовищной протокапли не осталось и следа. Горячий мир стал остывать. Появились пылевые облака. Часть этих облаков сжималась, начали вспыхивать звезды. В них происходили сложные процессы синтеза элементов.

Но где же в Космосе те места, те объекты, на которых могла возникнуть жизнь? Мы знаем, что есть звезды, есть газопылевые облака, планеты, метеориты, кометы. Кому же из них отдать предпочтение?

Сколько же «зеленых планет» в нашей Галактике?

Если считать, что системы типа нашей солнечной не исключение, тогда только в нашей Галактике планет, пригодных для жизни, может быть более миллиона.

А могут ли быть планеты без звезд? В принципе, да. На таких планетах за счет их внутреннего тепла тоже могла бы существовать жизнь, аналогичная простейшим формам нашей земной жизни, например, бактерии.

«Но почему автор все время толкует нам только о земной жизни? — спросит наиболее нетерпеливый читатель. — Что за антропоцентризм, что за узость подхода? Это же самый настоящий водно-углеродный шовинизм».

Да. Именно так. Нам необходимо тщательно разобраться с этим непростым вопросом, поскольку от его решения зависит слишком многое.

Лет десять назад астрофизик Ф. Хойл опубликовал научно-фантастический роман «Черное облако» о контакте жителей Земли с высшим космическим разумом. Но задача нашей книги другая. Мы не будем строить спекулятивные схемы экзотических форм жизни, начиная от космического сверхорганизма Хойла и кончая излюбленной в научно-фантастической литературе кремниевой жизнью; мы будем стоять на несколько другой позиции и строить гипотезы, основанные на научных фактах.

Так почему же все-таки углерод и вода составляют основу жизни?

Еще в 1913 году биохимик из Гарвардского университета, Л. Гендерсон, издал книгу «Пригодность окружающей среды». Автор пришел к выводу, что все живое должно состоять из воды и углерода, поскольку сам Л. Гендерсон состоит из воды и углерода. Аргумент, конечно, сильный, но попробуем посмотреть на эту задачу более серьезно.

Все известные на Земле живые организмы, а также ископаемые формы жизни в определенном смысле химически одинаковы: белки, нуклеиновые кислоты, жиры, сахара и ряд других биологически важных молекул, построенных из ограниченного круга элементов. Это так называемые абсолютные органогены, среди которых центральное место занимает углерод. В число абсолютных органогенов входят также кислород, азот, фосфор, водород, сера, калий, кальций и магний.

Все химические реакции в клетках идут в водном растворе, причем именно в воде реализуются тысячи биохимических процессов, поддерживающих жизнедеятельность организма.

Но почему же именно углерод и вода играют столь уникальную роль в химии живого? Быть может, на Земле существовали другие формы жизни, построенные на иной химической основе, которые впоследствии были уничтожены углеродной жизнью? Возможны ли в принципе «другие химии» жизни? Эти вопросы имеют философское и научное значение.

Модели живых систем, основанных не на водно-углеродной основе, разрабатывались в последнее время довольно широко. В первую очередь здесь нужно отметить жизнь на основе аммиака, кремния и галогенов. Мы сначала изложим основные принципы этих псевдожизней, а затем проанализируем соотношения между гипотетическими живыми системами и углеродными формами жизни.

Обычно в качестве возможного заменителя углерода рассматривается кремний. Действительно, между этими двумя элементами очень много общего. В периодической системе элементов они находятся в одной группе, обладают одинаковой валентностью. Поэтому «кремниевая жизнь» обсуждается весьма часто не только в научно-фантастической литературе, но и на страницах научной печати.

По поводу возможности существования жизни, основанной на кремнии, существуют полярные точки зрения. Так, например, английский астроном-любитель В. Фирсов в своей книге «Жизнь вне Земли» утверждает, что кремниевая жизнь может быть широко представлена во Вселенной.

Тем не менее сходство кремния и углерода не дает достаточных оснований для построения гипотетических живых систем, содержащих в качестве основного звена кремний. Против кремниевой жизни можно выдвинуть ряд серьезных аргументов.

Американский химик Д. Уолд в своей превосходной работе «Почему живое вещество базируется на элементах второго и третьего периодов периодической системы» обращает внимание на то, что связь между атомами кремния (мы будем их называть в дальнейшем кремний-кремниевые связи) неустойчива в присутствии воды, аммиака или кислорода. Это очень сильное возражение против кремниевой жизни.

Кларк, или относительная распространенность кремния в земной коре, почти на два порядка выше кларка углерода. Тем не менее кремний не играет практически никакой роли в биохимии живого. Казалось, для природы было бы гораздо легче сконструировать жизнь на основе более доступного элемента. Однако в этом случае природа не пошла по принципу экономии, и у нее были веские причины. Кремний обладает рядом характерных химических свойств, которые делают его совершенно непригодным для построения сложных биологических молекул, работающих в клетке.

Так, все соединения кремния с водородом неустойчивы при нормальных температурах, и, наоборот, соединения, построенные на основе связей кремний — кислород (это просто хорошо всем известный песок), весьма устойчивы в термическом отношении до очень высоких температур.

Заметим также, что в настоящее время неизвестны кремний-органические соединения, являющиеся аналогами молекул, содержащих углерод, кислород и водород: альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, сложных эфиров и аминов. Это обусловлено неспособностью кремния образовывать двойные и тройные связи, столь характерные для органической химии; поэтому кремний образует жесткие полимеры с кремний-кислородными связями.

Вышеперечисленные свойства кремния (а также аргументы, приведенные Уолдом) делают весьма маловероятным использование такого элемента в качестве основы для построения жизни. Правда, американский химик из Беркли, Г. Пиментел, считает, что при низких температурах кремниевая «псевдожизнь» может развиваться более успешно, чем углеродная. Однако требуются неводные растворители, а это обстоятельство снова уводит нас в сферу спекуляций. Фирсов предлагает в качестве возможных замен воды как универсального растворителя на сульфиды фосфора и такое абсолютно неизученное соединение, как Н₃PS₄ — серный аналог ортофосфорной кислоты, получающийся из фосфористого водорода и H₂S. Мне кажется, что это все маловероятно в силу некоторых общих соображений астрофизического плана. Ведь вода — одно из самых распространенных соединений в Космосе.

Рассмотрим теперь модель так называемой «жидко-аммиачной жизни», которая также довольно часто предлагается как возможная форма существования внеземных живых систем.

Гипотетическая аммиачная биохимия, или, как ее еще называют, химия Франклина, получается простой заменой кислорода в органической молекуле на иминогруппу (= NH). Сера в соединении остается или также замещается на азот, а вместо воды в качестве универсального растворителя используется аммиак.

Рассмотрим некоторые свойства аммиака подробнее.

При нормальном давлении аммиак существует как жидкость в очень узком интервале температур от –77,7 до –33,4 градуса Цельсия. Критической температуре +132,4 градуса, то есть температуре, выше которой нельзя получить аммиак в виде жидкости, соответствует давление 120 атмосфер. Скрытые теплоты у аммиака равны 332 калориям на грамм для парообразования и 84 калориям на грамм для плавления. По этим параметрам аммиак похож на воду.

Авторы моделей «аммиачной жизни» утверждают, что в полностью безводных условиях аммиачные формы белков будут действовать как ферменты-катализаторы столь же хорошо, как и в обычных водных средах. Это предположение выглядит сомнительно, так как скорее всего в жидком аммиаке белки-ферменты из-за изменения их структуры не смогут «работать». Кроме того, если исходить из требования нормальных скоростей химических реакций, необходимо сильно повысить точку кипения аммиака (скажем, до 100 градусов), что соответствует более высоким давлениям около 60 атмосфер.

Очень трудно представить себе, что при выбранных значениях давления и температуры могут где-либо существовать полностью безводные условия. Но как только мы переходим к водным растворам аммиака, аммиачные аналоги белков оказываются в сильно щелочной среде и перестают работать как ферменты.

Для регулировки деятельности клеточных мембран в аммиачной химии предлагаются такие экзотические соединения, как хлористый цезий или хлористый рубидий. Из-за малой космической распространенности цезия и рубидия подобная схема может представлять интерес только для умозрительных построений.

Таким образом, «аммиачная жизнь» с точки зрения общих физико-химических соображений кажется весьма маловероятной.

Еще более экзотичные варианты связаны с использованием галогенов вместо водорода (галоген-углеродная форма). В этом случае используется хлор или фтор, так как атомы брома и йода имеют слишком большие размеры.

Каковы же должны быть условия на планете, богатой галогенами? Атмосфера на такой планете должна содержать большие количества фтора и хлора, а гидросфера может состоять из соляной или плавиковой кислоты. Не говоря уже о том, что все минералы неустойчивы в присутствии плавиковой кислоты, возникновение подобных систем исключено в силу одного простого соображения. Жизнь существует на Земле на поверхности очень тонкого (по сравнению с радиусом Земли) слоя — земной коры. Казалось бы, химический состав живых систем должен быть хоть в какой-то степени похож на химический состав экологической ниши обитания — коры. Но нет. По своему химическому составу живое вещество гораздо ближе ко Вселенной, чем к земной коре. Это обстоятельство служит косвенным доказательством принципа универсальности построения живых систем в различных участках Вселенной.

По всей видимости, именно абсолютные органогены способны в процессе эволюции образовывать живые системы. Концентрации хлора и фтора во Вселенной исключительно малы по отношению к водороду (одна десятимиллионная и одна стомиллионная доля соответственно). Вот почему подобные модели выглядят весьма неубедительно. Непонятно, зачем и где будет происходить замена водорода на галогены?

Хорошо известно, что именно водород является основным элементом Вселенной. И поэтому, рассматривая нормальные содержания элементов во Вселенной, мы приходим к идее водно-углеродного шовинизма.

Следует подчеркнуть, что формальные замены углерода на кремний, водорода на галогены и так далее малопродуктивны в плане построения некой новой химии жизни. Мы, по-видимому, никогда не сумеем подобрать элемента, способного лучше углерода образовывать макромолекулы, и растворителя более универсального, чем вода. Кроме того, абсолютные органогены являются наиболее «доступными» элементами в Космосе.

Бесспорно, нельзя полностью исключить химические флуктуации во Вселенной, и теория подсказывает нам такие возможности. Однако наблюдательные данные астрономии (я имею в виду органические молекулы в Космосе) служат серьезной поддержкой того положения, что если где-либо еще, кроме Земли, во Вселенной и существует жизнь, то в основе ее должна лежать химия углерода.

А это значит, что жизнь-то во Вселенной должна быть похожей в целом на нашу. Это очень серьезный вывод, и сделан он в достаточно категоричной форме, хотя в предыдущей фразе я не употреблял слов «обязательно» и «только». Но ведь он сделан после довольно тщательного анализа, с использованием арсенала современной физики и химии. И этот вывод не накладывает никаких ограничений на возможность существования форм жизни, внешне отличающихся от земной.

Ведь даже с чисто философских позиций трудно считать, что наша форма жизни уникальна. Во Вселенной нет уникальных явлений и объектов. Об этом говорилось на Бюраканской конференции. Еще раньше эту мысль высказывали древние философы.

Ну а как же знаменитые киборги — синтез машины и разума — или уже упоминавшееся плазменное облако Ф. Хойла?

К сожалению, законы физики исключают возможность стабильного существования таких плазменных образований.

Но не будем все-таки слишком категоричны, оставим хоть немного места для фантазии и чуть-чуть помечтаем… Ведь человечество молодо, и то, о чем мы сейчас говорим, отражает лишь сегодняшний уровень знания. А разве возьмется кто-либо утверждать, что все познано человеком?

Поэтому «…превращение (людей. — Л. М.) в кибернетические существа сулит ряд преимуществ. Человек сентиментально привязан к своей биологической оболочке, и большинство культурно-консервативных людей не захотят расстаться со своим телом, имеющим ряд различных, хорошо известных преимуществ. Но будут и другие, которых привлечет возможность некоторых усовершенствований, например, бессмертие, колоссальный разум…».

Что это — отрывок из научно-фантастического романа? Очень похоже на А. Азимова, не правда ли?!

Но нет. Это высказывание его близкого друга, крупнейшего математика М. Минского, который считает, что создание искусственного разума, а следом за ним и киборгов — дело вполне реальное уже для XX столетия.

Один из аспирантов Минского построил машину, которая стоит никак не ниже уровня развития ребенка. Она (машина) умеет общаться с людьми, причем весьма своеобразно. В программу этой машины заложены понятия маленького механического мира: идея, что одно твердое тело может опираться на другое, нечто может находиться в ящике справа, слева, есть шары, кубы и т. д. Машина обсуждает с человеком этот мир.

Человек через печатающее устройство спрашивает:

— Что находится в этом ящике?

Машина, живущая в мире игрушек, отвечает:

— Синяя пирамида и синий куб.

— Сколько кирпичиков недостает в ящике?

— Четырех, — говорит машина.

— А есть ли среди них хотя бы один, более узкий, чем тот, который я просил тебя подобрать?

— Да, красный куб.

Подслушав этот разговор, любой человек сказал бы, что беседует отец с ребенком.

— Есть ли в ящике шпиль? — продолжает спрашивать машину человек.

— Но я не знаю, что это такое, — отвечает машина.

Человек объясняет ей, и после этого просит машину построить шпиль, и машина своими механическими руками строит его.

Все это произошло в 1970 году в Массачусетском технологическом институте.

А что может случиться через 50–100 лет?

Вполне возможно путешествие во времени. Для этого всего-навсего нужно найти электрически заряженную «черную дыру». Условия полета могут оказаться приемлемыми. За короткое время расширения «белой дыры» наблюдатель на космическом корабле увидит все прошлое нашей Вселенной и все будущее во время погружения в глубь «черной дыры».

«Опять фантастика», — скажет читатель. Да нет же. Это серьезнейшая работа блестящего советского астрофизика Н. Кардашева, который твердо уверен, что жизнь существует в загадочных квазарах в центре нашей Галактики.

Но неужели и там вода и углерод?

Очень может быть. Температура некоторых участков этого объекта близка к нашим комнатным, и углеродная жизнь в принципе могла бы там существовать, если бы не чудовищные потоки жесткого рентгеновского излучения.

А что, если жизнь приспособится когда-нибудь к такому излучению?

Все может быть… Может быть, когда-нибудь, когда Солнце станет слишком горячим, мы с вами будем вынуждены переселиться на квазары или другие планетные системы. Быть может, мы полетим в будущее или установим связь с таинственными фридмонами — замкнутыми мирами, имеющими для внешнего наблюдателя массу и заряд элементарных частиц. Пусть это фантастика, но это не лженаука.

Ясно одно: для того чтобы все это осуществить, необходимо настойчиво и кропотливо вести диалог с окружающей нас природой.

Конечно, из всех вариантов, предложенных мною, переселение на другие планетные системы выглядит наиболее простым делом (по сравнению, к примеру, с путешествием в будущее). Но даже для обсуждения подобной возможности мы должны быть уверены, что другие планетные системы существуют. Чуть выше говорилось о планетных системах около различных звезд почти как о доказанном факте. Но это не так. Наблюдательные данные, как говорят астрономы, о других планетных системах отсутствуют, и, поскольку наша книга называется «Планеты и жизнь», нам надо очень внимательно разобраться, как возникают планеты, как на некоторых из них образуется тонкая газовая оболочка, называемая атмосферой, как получаются океаны и что же, наконец, происходило на Земле 4 миллиарда лет назад, когда она была безжизненной.

Но мне в очередной раз придется огорчить читателя. Даже сегодня существует как минимум пять более или менее «равноправных» теорий (заметим, именно теорий) происхождения солнечной системы.

Поэтому будет полезным в ущерб строгости попытаться дать некоторую общую «синтетическую» картину образования Солнца и планет. Конечно, такой подход допускает определенный произвол (что, впрочем, в известной мере отражает состояние проблемы). Однако для нас важно иметь общую картину развития неорганического и органического мира. Поэтому мы перейдем к основным этапам истории Солнца и планет, как сегодня представляет себе этот процесс большинство ученых.

Мы вернемся на пять миллиардов лет назад и посмотрим, что же происходило с вращающейся шаровой туманностью. Правда, в отличие от горячей туманности Канта и Лапласа, наша туманность холодная.

При вращении туманность постепенно сплющивалась и превращалась в диск с шарообразным утолщением в центре.

В начальную эпоху и температура и плотность вещества в туманности были очень низки, но с течением времени плотность ее центральной части увеличивалась, пока в середине диска не зажглось молодое Солнце — протосолнце. Размер первичной туманности был порядка нескольких световых лет.

Необходимо обратить внимание на одно очень важное обстоятельство: по всей видимости, молодое Солнце имело собственное магнитное поле. Если силовые линии этого поля проходили через диск, то обязательно должна была существовать электромагнитная связь между протосолнцем и диском.

Именно в результате этой связи движение протозвезды будет тормозиться, а диск начнет медленно удаляться от ее поверхности. Именно таким образом вещество диска, которое впоследствии превратится в планеты, и уносит от Солнца львиную долю вращательного момента.

Так новая теория (ее разработал Хойл) успешно разрешила казавшуюся несколько десятилетий назад непреодолимой трудность старых гипотез.

Предполагается, что весь этот процесс начался 4,5–5 миллиардов лет назад. Молодое Солнце было тогда гораздо больше, чем сейчас. Оно постепенно сжималось под действием собственного гравитационного поля, и, когда радиус протосолнца стал равным приблизительно 10 сегодняшним, внутренняя температура повысилась настолько, что начались ядерные реакции сгорания дейтерия.

Несколько раньше, еще до ядерных реакций, на начальных стадиях сжатия наступает резкое увеличение температуры и светимости Солнца. Температура наружных слоев протозвезды достигает 50 тысяч градусов, а светимость увеличивается в 400 раз.

Все эти процессы описываются изящными уравнениями, но интереснее то обстоятельство, что они находят свое подтверждение и в наблюдательных астрономических фактах. Сейчас в окрестностях туманности Ориона видно резкое увеличение светимости протозвезды. Звезды, находящиеся в такой стадии развития, принято называть звездами типа Τ Тельца.

После стадии Τ Тельца светимость протосолнца уменьшилась, и Солнце, как говорят астрофизики, вступило на главную последовательность, то есть стало стабильной звездой, а вернее, почти стабильной. Светимость Солнца в это время составляла около 60 процентов от современной. За счет выгорания ядерного топлива и почти незаметного сжатия светимость Солнца все время увеличивалась.

Все эти факты имеют очень большое значение для правильного понимания проблемы происхождения жизни на Земле.

Посмотрим на дальнейшую эволюцию той части первичной туманности, из которой образовались планеты.

Эта часть представляла собой газопылевой слой, вращающийся вокруг протосолнца. Под воздействием различных причин он должен был разделиться на большое число отдельных сгущений, которые двигались по близким орбитам и поэтому очень быстро росли за счет столкновений друг с другом.

Сначала сгущения представляли собой смесь чрезвычайно разреженного газа и пыли. В результате соударений, а также процессов объединения и слипания плотность их увеличивалась. За сравнительно непродолжительный промежуток времени центральные части сгущений превратились в сплошные тела. Так, на расстоянии орбиты Земли этот интервал времени составил всего 10 тысяч лет, а на расстоянии от Юпитера до Солнца — миллион. Таким образом, первичные сгущения в туманности положили начало образованию роя сплошных тел, который впоследствии и привел к возникновению планет.

На определенной стадии появился «зародыш» нашей планеты, который стал «вычерпывать» вещество роя в своем районе. Зародыш Земли по своим размерам превышал Луну.

Твердые тела в допланетном рое достигли линейных размеров порядка десятков километров. Можно представить, что происходило при столкновении десятикилометрового тела (камня!) с зародышем Земли при скорости удара порядка 10 километров в секунду! Масштабы подобных катаклизмов мы видим на примере лунных и марсианских кратеров.

Большая часть падающего тела просто испарялась при ударе, но масса зародыша была достаточно большой, и вещество не могло улететь в космическое пространство. Зародыш увеличивался, постепенно наращивая свою массу. Кстати говоря, впервые именно Шмидт высказал мысль о том, что ударные процессы могли положить начало образованию атмосферы и океана еще до того, как закончилось формирование Земли.

Сколько же времени мог занять процесс образования Земли? Здесь мнения ученых расходятся: одни называют промежуток времени около 100 миллионов лет, другие приводят цифру тысяча лет. Важно ли это?

Чрезвычайно важно, поскольку если планеты (я говорю сейчас о планетах земной группы) сформировались за 100 миллионов лет, их поверхность была сравнительно холодной. По крайней мере средняя температура поверхности была меньше 100 градусов Цельсия. А если время образования планеты было около тысячи или даже 10 тысяч лет, то тепло от ударов падающих тел не успевало рассеиваться и поверхность Земли должна была быть расплавленной.

«Ну и что? — спросит читатель. — Ведь она потом могла остыть».

Все дело в том, что остыть поверхности Земли было бы чрезвычайно трудно. Давайте представим себе, что океаны Земли испарились, а для этого не нужно расплавлять ее поверхность. Достаточно, чтобы температура была больше 100 градусов Цельсия. Мы имели бы очень мощную атмосферу с давлением у поверхности Земли в несколько сот килограммов на квадратный сантиметр. Атмосфера эта состояла бы из паров воды и углекислого газа. И вот тогда возник бы так называемый необратимый парниковый эффект, который никогда не дал бы поверхности Земли остыть. Какая уж тут жизнь?!

Мне кажется более разумным разбирать эволюцию нашей планеты, исходя из предположения о том, что средняя температура ее поверхности никогда не была слишком высокой. Могли быть, конечно, так называемые горячие пятна. Например вулканы, температура которых при извержении достигает тысячи с лишним градусов. Но ведь жизнь никак не может существовать при подобной температуре, а чтобы средняя температура поверхности не была высокой, нужна достаточно продолжительная шкала времени образования планет (около ста миллионов лет).

Нарисованная выше схема образования планет приводит нас к нескольким замечательным выводам.

Во-первых, поскольку облака межзвездного газа существуют, они должны эволюционировать и образовывать протозвезды с планетными системами.

Во-вторых, астрономические наблюдения подтверждают существование звезд на стадии Τ Тельца, что также является косвенным доказательством нашего построения.

В-третьих, теоретические расчеты подтверждают так называемый закон Боде — правило, которому подчиняется расстояние планетных орбит от Солнца. Это скорее даже эмпирическое правило, состоящее в том, что отношение больших полуосей орбит соседних планет почти постоянно и равно 1,75±0,20.

Короче говоря, есть немалая надежда на то, что наша солнечная система не уникальна в Галактике.

Очень важное подтверждение этому положению находим мы в работах известного американского астронома Ван де Кампа, который в течение многих лет наблюдал знаменитую «летящую звезду Барнарда» в созвездии Змееносца. Эта звезда отличается самым большим собственным движением среди всех остальных звезд ночного неба. За 180 лет она перемещается по небу на величину лунного диаметра. Это объясняется прежде всего тем, что после звезды α Центавра это самая близкая к нам звезда. Ее радиус в 6 раз меньше радиуса Солнца, а масса почти в 10 раз меньше солнечной.

Ван де Камп в течение 25 лет наблюдал движение этой звезды по небосклону. Ему удалось установить удивительную особенность ее движения. Ван де Камп доказал, что «траектория» летящей звезды Барнарда волнообразная. Это могло быть только в случае, если у звезды есть спутник или спутники, то есть вокруг нее вращается одна или несколько планет (точнее, они вместе вращаются вокруг общего центра тяжести).

Предварительные вычисления показали, что масса спутника «летящей звезды» в 1,5 раза больше массы Юпитера. Последующие, более точные измерения позволили установить, что у этой звезды три спутника. Их массы равны соответственно 1,26; 0,63 и 0,89 массы Юпитера, а расстояние от звезды 4,5; 2,9 и 1,8 астрономической единицы (1 астрономическая единица равна расстоянию от Солнца до Земли).

Таким образом, после блистательного открытия Ван де Кампа множественность планетных систем во Вселенной вряд ли можно поставить под сомнение.

По-видимому, первыми это серьезное противоречие заметили американцы К. Саган и Д. Муллен. Они же предложили объяснение: будто бы очень небольшие примеси аммиака в атмосфере могли дать так называемый парниковый эффект, который поддерживал температуру поверхности нашей планеты выше точки таяния льда.

Итак, мы снова встретились с этим термином, и теперь нам нужно разобраться, что же это такое.

Парник в обычном понимании этого слова знаком каждому. Так вот, аналог парника, но уже в планетарном масштабе, мы имеем и на Земле и на Венере. Что он собой представляет?

На поверхность планеты падает излучение Солнца, причем большая часть энергии приходится на ту область длин волн, которая соответствует температуре внешней части нашего Солнца — около 6 тысяч градусов Цельсия. Другими словами, львиную долю солнечной энергии Земля получает в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Отдает же, переизлучает энергию в пространство наша планета в инфракрасной области спектра, так как температура Земли гораздо ниже температуры Солнца. Но если атмосфера задерживает очень незначительную часть падающего прямого солнечного излучения, то излучение, уходящее от планеты в космическое пространство, задерживается гораздо сильнее, особенно если в атмосфере есть пары воды, углекислота, аммиак. Поэтому температура атмосферы и соответственно поверхности повышается: получается парник.

Парник может стать необратимым. Представим себе, что мы немного повысим температуру планеты. Сразу же возрастет содержание водяного пара. Увеличение концентрации паров воды в атмосфере приведет к дальнейшему повышению температуры за счет парникового эффекта и так далее. По-видимому, такой случай мы имеем на Венере.

Сразу же возникает вопрос, почему это не происходит сейчас на Земле? Да потому, что когда возрастает содержание водяного пара в атмосфере и повышается температура, то увеличивается площадь облачного покрова и в Космос отражается больше солнечного излучения.

Но все-таки что же было на древней Земле?

Мы уже знаем, что аргументированных доводов о присутствии аммиака в древнейшей атмосфере Земли нет. К тому же время жизни аммиака (даже в количествах, эквивалентных атмосферному азоту) очень мало, примерно 10 тысяч лет, из-за неизбежного разложения аммиака под действием света (фотодиссоциация). Более того, согласно расчетам советского геофизика Э. Бютнер одновременно с образованием зеркала воды из-за фотодиссоциации водяного пара в атмосфере Земли могло накопиться изрядное количество кислорода: всего за 30 миллионов лет его содержание в атмосфере могло достичь 20 процентов сегодняшнего. А в присутствии свободного кислорода постоянная концентрация аммиака неминуемо будет исчезающе мала: он легко окисляется.

Значит, аммиак ни при чем. Надо искать новый путь для решения противоречия, указанного Саганом и Мулленом. То есть нужно объяснить, почему на поверхности Земли были плюсовые температуры, хотя Солнце грело заметно слабее, чем сейчас.

Принято думать, что атмосфера и гидросфера Земли обязаны своим рождением выделению летучих компонентов из мантии. Сторонники модели катастрофической дегазации полагают, что основная масса атмосферы выплеснулась из недр Земли за сравнительно небольшое время — около 500 миллионов лет. По модели равномерной дегазации, наоборот, отделение летучих компонентов мантии с незначительными колебаниями идет в течение всей истории Земли. Для наших дальнейших рассуждений нет принципиальной разницы между этими двумя моделями, и поэтому будем рассматривать модель равномерной дегазации.

Сначала обратим внимание на тот примечательный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяются вода и углекислый газ. Об этом свидетельствует множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах — базальтах. По оценкам разных авторов отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу — от 4 : 1 до 10 : 1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, благодаря которому на планете появился океан, хотя Солнце грело плохо.

Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).

Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной или Меркурием можно принять за 0,1. И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33 градуса ниже нуля по Цельсию.

Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра — основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он своим парниковым эффектом начал подогрев. С ростом концентрации CO₂ в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась, и льды начали таять.

Можно подсчитать, сколько CO₂ должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до 0 градусов Цельсия. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан профессором В. Морозом. Такой расчет непрост, точной цифры не получишь. Потому в конце концов был найден верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.

Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.

Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.

Что же происходит дальше? Вот что. При выделении из мантии 10¹³ граммов углекислоты в год (полагают, что именно так и было) такое значение давления будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу: растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов…

Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывает снег и лед. Вот мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.

Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан…

Правда, мы не учли весьма важное обстоятельство: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.

Нижняя возможная граница атмосферного содержания CO₂ в цикле оценена нами в 1,5 · 10²¹ грамма. Самое неопределенное в уравнении этого баланса — время жизни молекулы CO₂ в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И свои расчеты мы строили на этом щедром допущении.

Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.

Важным геохимическим следствием гипотезы должен быть резко отличный от нынешнего процесс образования карбонатов. При высоком содержании CO₂ в атмосфере и соответственно более низких значений pH воды главной формой карбонатных осадков должен быть доломит — карбонат магния, потому что он гораздо хуже кальцита растворяется в воде, насыщенной углекислым газом. Но все-таки растворимость карбонатов в таких условиях на порядок выше, чем при нынешнем pH и парциальном давлении двуокиси углерода. Возможно, именно этим объясняется скромное количество карбонатных осадков в докембрии.

И вот главное следствие. Плотная атмосфера из углекислого газа на примитивной Земле не могла создать условия для предбиологической эволюции, для накопления в океане заметных количеств органических молекул, ведь для синтезов органики необходим водород, метан, аммиак. К тому же увеличение содержания кислорода в атмосфере, начавшееся вместе с образованием зеркала воды, подавляло синтезы органических соединений, поскольку, как мы уже говорили, они (синтезы) не идут в окислительной среде. Очевидно, что в подобных условиях трудно, а скорее всего и невозможно ожидать накопления на поверхности Земли столь больших количеств органики, о которых писал Саган.

Но есть еще одно дополнительное обстоятельство, на которое ученые обратили внимание сравнительно недавно. Даже если бы под воздействием различных источников энергии в атмосфере Земли и могли образовываться сложные биомолекулы, они с большой эффективностью разрушались бы ультрафиолетовым излучением Солнца. Единственное спасительное убежище для синтезированных молекул — глубины океана. Но проведенные многими учеными, и в том числе автором этой книги, строгие расчеты показали, что ничтожная часть органических молекул достигнет поверхности океана. Как метко сказал крупнейший американский геохимик Ф. Абельсон, питательный бульон должен был быть очень «тощим». А если бульон «тощий», то и дальнейшие реакции усложнения, образования больших молекул должны происходить медленно и с невысокой вероятностью.

Чисто интуитивно многие исследователи понимали, что трудно получить значительные концентрации предшественников биомолекул во всей массе Мирового океана. Знаменитый английский физик и философ Д. Бернал давно указывал на так называемые субвитальные территории, где во время приливов и отливов, во время высыхания озер и больших луж могло происходить накопление предшественников органических соединений. Но Бернал предполагал так же, как многие другие, что атмосфера была восстановительной, а мы с вами убедились, что это отнюдь не очевидный факт.

Таким образом, налицо противоречие между основными предпосылками предбиологической химии и реальными данными современной эволюционной планетологии.

Но главное, что жизнь на Земле существует 3,5 миллиарда лет, а значит, вопреки всему вышесказанному обязательно шло образование и накопление органических молекул. Разрешить возникшие противоречия и попытался около 10 лет назад автор этой книги.

Нельзя, конечно, не рассказать и о знаменитом извержении Везувия в 79 году нашей эры.

Геологические данные говорят о том, что извержения Везувия были еще около десяти тысяч лет назад. Сформировавшийся после этого древний конус покрылся растительностью, и за столетие до извержения кратер даже послужил убежищем для гладиаторов Спартака.

Сильное землетрясение, сопутствующее пробуждению вулкана, произошло, по свидетельству Светония, во время первого концерта Нерона в Неаполе, в 63 году нашей эры. Менее сильные землетрясения продолжались до 79 года. Сейчас вулканологи смогли бы предупредить население о том, что частые землетрясения в вулканическом районе — неизбежные предвестники извержения. 1900 лет назад вулканологии как науки не существовало, и римляне были спокойны.

Извержение, начавшееся 24 августа 79 года, застало их врасплох. Это извержение было характерно выпадением огромного количества пепла и пемзы. Три цветущих города, Стабия, Помпеи и Геркуланум, были погребены под продуктами извержения Везувия, причем Геркуланум был разрушен грязевыми потоками. Раскопки показали, что большинство жителей Помпеи и Стабии успели покинуть свои жилища и спастись. Плиний Старший умер в районе Стабии в первый день извержения, как полагают, от сердечного приступа.

(Мне довелось видеть на юге Камчатки, в районе вулкана Желтовского, отложения пемзы толщиной около ста метров. Эта цифра поможет нам осмыслить масштабы катастрофы, происшедшей 1900 лет назад на побережье Неаполитанского залива.)

Одно из самых сильных извержений, известных человечеству, связано с вулканом Кракатау, расположенным в Зондском проливе между островами Ява и Суматра. Извержение началось 20 мая 1883 года взрывами средней силы. Около двух месяцев не происходило ничего особенного, но 27 августа раздался взрыв, который впоследствии был назван «стоном Земли». Пепел был выброшен на высоту более 80 километров, а отголоски взрыва дошли до Центральной Австралии и островов западной части Индийского океана, на расстояние более 5 тысяч километров от Кракатау! Если бы эти события не были документально зафиксированы, они казались бы невероятными.

Следы извержения остались на площади в 3,8 миллиона квадратных километров. Сумерки на Суматре стояли в течение 60 часов. Пепел несколько раз обогнул земной шар. Общий объем выбросов составил 16 кубических километров. Цунами, вызванные взрывом, перебросили из моря в глубь острова военный корабль на расстояние более полутора километров. Гигантские волны разрушили все прибрежные деревни. В результате циклопического взрыва две трети острова Кракатау было уничтожено, погибло 36 тысяч человек.

Мне посчастливилось быть свидетелем одного из самых сильных и интересных извержений нашего века. Извержения, сопровождавшегося мгновенным (по геологическим масштабам) рождением нескольких вулканических конусов. Речь пойдет о знаменитом Толбачике — вулкане Ключевской группы, расположенном неподалеку от одного из самых высоких наземных вулканов в мире — Ключевской сопки.

В 1975 году наша экспедиция на юге Камчатки получила известие о начале извержения. Через три дня мы вылетели из Петропавловска-Камчатского в Ключи. Когда наш Як-40 подлетал к Ключам, в иллюминатор самолета стал виден чудовищный столб черного дыма с грибовидным утолщением наверху. Я спросил командира экипажа, какова высота столба.

«Не менее 11 километров», — ответил он.

Через несколько часов вертолет доставил нас к месту извержения. Маленький лагерь вулканологов был разбит на черном безлюдном плато.

Многокилометровая чудовищная струя раскаленного пепла, обломков камней и газа вырывалась из усеченного конуса высотой около 200–300 метров, находившегося приблизительно в полутора километрах от лагеря. Ни с чем не сравнимый монотонный низкий рев стоял вокруг. Даже днем в центре струи были заметны языки пламени в сотни метров высотой. Это означало, что температура продуктов извержения достигала 1000 градусов Цельсия. Выше этих языков струя газа и пепла образовывала, как говорят вулканологи, форму цветной капусты, то есть непрерывно переходящие друг в друга черные вихри, в которых иногда сверкали молнии.

Мне и раньше приходилось наблюдать извержения с борта специального исследовательского самолета, но впечатление от действующего вулкана, находящегося практически рядом, ни с чем не сравнимое зрелище.

Лагерь вулканологов расположился на «границе безопасности». Насколько условной была эта граница, пришлось убедиться буквально через несколько дней. Дело в том, что крупные камни при взрывах падали в нескольких сотнях метров от палаток, а ветер относил пепловую тучу в сторону. Но стоило ветру чуть изменить направление, как горячий пепел и мелкие куски лавы стали падать на лагерь. Началась эвакуация людей и оборудования в более безопасное место. Интенсивность пеплопада была столь велика, что часть вещей пришлось оставить, и они были погребены под толстым слоем черного пепла Толбачика (как здесь не вспомнить Помпею).

Конус вулкана увеличивался с каждым днем. Скорость выбросов газа и пепла превышала скорость звука. Дни и ночи ревел молодой вулкан, и это продолжалось десятки дней. А затем началось излияние раскаленных лавовых рек. Но и этого разбушевавшейся природе показалось недостаточно. Не успел успокоиться один вулкан, как началось рождение следующего.

Я вернулся в эти места через год. Черный пепел, черные потоки застывших лавовых рек, пейзаж, скорее напоминающий Луну, а не Землю. И при взгляде из иллюминатора вертолета на эту совершенно нереальную, фантастическую картину невольно думалось о буквально неисчерпаемых запасах энергии, таящейся в глубинах нашей Земли.

Энергия эта проявляется не только в форме вулканических извержений.

Когда я впервые попал на Камчатку, мне посчастливилось проникнуть в кратер Мутновского вулкана, по моему мнению, самого красивого вулкана Камчатки. Есть на этом удивительном полуострове снежные сопки правильной формы, которые так и просятся на рекламную открытку. Таков Кроноцкий вулкан, вулкан Опала, знаменитая Авачинская сопка. Мутновский вулкан не похож ни на один из вулканов Камчатки.

Представьте себе гору трехкилометровой высоты, разрезанную пополам почти до середины. Через эту громадную щель можно подняться наверх к двум кратерам размером с Центральный стадион в Лужниках. В одном из этих кратеров под ослепительно голубым ледником на площади около 20 тысяч квадратных метров вырываются из отверстий в земле струи пара. Это и есть фумаролы.

Ни с чем не сравнимая по красоте картина таит опасность для новичков, впервые увидевших знаменитые фумарольные поля Мутновки. Горячие газы (их температура достигает 200 градусов) подтачивают ледник, и огромные глыбы льда нет-нет да и сваливаются с грохотом и треском на фумарольное поле. Впрочем, рев от вырывающихся из земли газов стоит такой, что приходится кричать, чтобы услышать друг друга, и шум от ударов ледяных глыб «маскируется» этим ревом.

На Камчатке и Курильских островах много фумарол. Есть они на вулкане Менделеев на Кунашире, есть и в жерле Авачинского вулкана. Фумаролы размещаются как внутри кратера, так и на наружных склонах конуса или же в полосе, окружающей основание конуса. «Живут» фумаролы очень долго — от десяти до ста тысяч лет.

Нам очень важно запомнить, что вместе с водой и углекислотой, составляющими основную часть фумарольных газов, из отверстий в земле выделяются окись углерода, метан, аммиак, сернистый карбонил, тиоциановая кислота (это особенно важно), водород. Есть в фумарольных газах и галогены — хлор, фтор. Поэтому около фумарол нередко можно наблюдать сверкающие ярко-красные кристаллы хлорида железа и белые кристаллические скопления хлоридов аммония и алюминия.

Около отверстий в земле часто вырастают «серные цветы» — желто-зеленые, игольчатой формы кристаллики серы. Они образуются, когда сероводород, также выделяющийся из фумарол, окисляется на воздухе до самородной серы. В кратере Мутновского вулкана несколько лет назад рядом с мощной фумаролой выросло целое архитектурное сооружение из кристаллической серы, напоминающее шалаш. К сожалению, туристы, с трудом добирающиеся до этих мест, разобрали «шалаш» на сувениры. Масштабы выноса серы бывают столь значительными, что иногда используются для промышленной добычи. Так, например, было в Италии в кратере Вулькано и в Мексике в кратере Попокатепетль.

Углекислого газа больше всего выделяют холодные фумаролы с температурой 100–200 градусов. Если топография местности такова, что углекислота может накапливаться, например в низинах и ложбинках (углекислота тяжелее воздуха), это приводит к трагическим последствиям. Животные, попадая в такое место, погибают от удушья. Хорошо известно в Америке Мертвое ущелье, оно расположено около Иеллоустонского парка. Когда это ущелье было впервые обнаружено людьми, они нашли там несколько мертвых медведей. На Камчатке неподалеку от Долины гейзеров также есть Долина смерти, где можно увидеть мертвых птиц и животных. При извержении Геклы в Исландии углекислота скопилась во впадине около подножия вулкана, и погибло стадо овец. Пастухи при этом остались живы и не испытали никаких признаков удушья: головы людей находились выше слоя углекислоты.

Наряду с фумаролами в районах активного вулканизма встречаются также и гейзеры. Из известных человеку гейзеров самым крупным был Ваймангу в Новой Зеландии. Он просуществовал всего пять лет: с 1899 по 1904 год. В расцвете своих сил при каждом извержении этот великан выбрасывал 800 тонн воды. Камни и обломки породы вылетали вместе со струей воды на высоту до 460 метров.

Главные районы распространения гейзеров на Земле: Камчатка, Исландия, Новая Зеландия, Северная Америка (Йеллоустонский парк). Гейзеры, хоть и очень красивое, но по сравнению с фумаролами и вулканами недолговечное явление. Нередко гейзеры перестают «работать» после землетрясений или изменения структуры подводящего канала из-за отложения там различных минералов.

Каковы же причины, вызывающие вулканические процессы? Когда начались эти процессы на Земле? И, наконец, как удалось доказать, что вулканы не только разрушают все во время извержения, но и имеют прямое отношение к проблемам предбиологической химии, а значит, и к проблеме происхождения жизни.

Постараемся ответить на эти вопросы.

Радиус нашей планеты равен приблизительно 6400 километрам. Земля состоит из трех главных частей: ядра радиусом примерно 3500 километров, мантии, толщина которой составляет около 2900 километров, и тонкой коры, ее толщина изменяется от 55 километров на континентах до 3 километров на некоторых участках океанического дна. Этот чрезвычайно тонкий (по сравнению с мантией) слой состоит главным образом из вулканических продуктов и продуктов глубинной магматической деятельности. Масштабы проявления вулканизма и его роль в образовании коры огромны. Так, в Южной Бразилии в меловом периоде излились базальтовые лавы объемом в полмиллиона кубических километров.

Строение Земли — предмет исследования многих ученых, и мы не имеем возможности подробно рассмотреть здесь этот вопрос. Для наших целей важно одно: вулканы выбрасывают огромное количество газов, жидкого и твердого материала, и нам хотелось бы понять причины этого явления.

Оговоримся сразу, что на сегодняшний день понять эти причины можно лишь в первом приближении. Как сказал Г. Макдовалд, не все оставшиеся пробелы в нашем познании относятся к Космосу. Причины и процессы образования магм (жидких расплавов мантии) раскрыты еще не до конца.

В самом общем виде можно представить себе следующую картину.

По-видимому, каждый вулкан связан с очагом магмы, находящимся на глубине порядка 60 километров. Вообще говоря, мы должны считать мантию Земли твердой, нерасплавленной. Но верхняя мантия находится на самой границе температурной устойчивости. Если температура в верхней мантии повышается до точки плавления, развивается питающий очаг магмы. Это приводит к вулканическому извержению, если магма может излиться на поверхность Земли.

Повышение температуры отнюдь не единственная причина для плавления мантии. Локальное уменьшение давления также способно в принципе привести к появлению расплава. Видимо, не случайно некоторые вулканы располагаются в одну линию, что отражает их приуроченность к глубинным разломам. А эти разломы и есть зоны пониженного давления.

При любом извержении вулкан выбрасывает огромное количество газов. Каков же химический состав газовой фазы вулкана?

Основная составляющая — пары воды. На втором месте углекислота. Именно это обстоятельство привело ученых к мысли, что вулканы породили атмосферу и океан.

Действительно, средняя годовая производительность вулканов по воде — 100 миллионов тонн. Если мы умножим эту величину на время жизни Земли, то как раз получим массу всех океанов Земли.

Но здесь есть одно очень деликатное обстоятельство. Геологи не знают, какая вода извергается вулканами. Вода мантии Земли, и тогда эта идея правильна, или же вода самих океанов, которая в принципе может «подпитывать» очаги вулканов.

Поэтому, если говорить строго, сегодня мы не можем считать вулканизм единственным источником атмосферы и гидросферы. Тем не менее одно ясно. Вклад вулканов в образование атмосферы и Мирового океана велик.

Кроме воды и углекислоты, при извержении вулкан выбрасывает окись углерода, водород, метан, аммиак, азот, соляную и фтористоводородную кислоты, соединения серы и фосфора, металлы. Это обстоятельство и дает возможность предполагать, что вулканы являются огромными природными химическими реакторами.

Действительно, в жерле вулкана температура достигает тысячи — полутора тысяч градусов. И именно в этой высокотемпературной зоне проходят сотни химических реакций, многие из которых приводят к образованию предшественников органических молекул.

А если вулкан при этом находится под водой? Мало того, что число подводных вулканов существенно превышает число вулканов на суше (где их более 500), только под водой создаются наиболее благоприятные условия для синтеза и дальнейшего сохранения образовавшихся органических молекул.

Ведь в огне мало что может сохраниться. Необходимо как можно быстрее вывести продукты реакции из горячей зоны. В случае наземного извержения мощная струя газа рассеивает образовавшиеся органические молекулы на огромные пространства.

А под водой? Мощный слой воды толщиной нередко в несколько километров «поджимает» струю у жерла. Концентрации продуктов резко увеличиваются. Сама струя становится меньше, а органические молекулы выносятся в «комфортные» условия, в воду, где и могут происходить дальнейшие реакции с их участием.

Если же вулканы в древности располагались в небольших внутренних морях или озерах, то совершенно ясно, что они могли их насытить органическими молекулами. И когда число этих молекул достигло некоторой критической концентрации, могли образовываться все более сложные молекулы, давшие наконец толчок для появления первых живых систем.

Не нужно забывать еще об одном проявлении вулканической деятельности. Речь идет о работе уже упоминавшихся гидротермальных систем: фумарол, гейзеров. Их деятельность сравнима по производительности с деятельностью вулканов. Например, фумаролы Мутновского вулкана выбрасывают 200 килограммов водяного пара в секунду, а работают они непрерывно уже в течение тысяч лет. Фумаролы, как мы уже говорили, извергают газы, необходимые для синтезов органических соединений: аммиак, метан, водород и ряд других.

Между Петропавловском-Камчатским и поселком Ключи есть вулкан Семячек. В кратере этого вулкана находится удивительно красивое, бирюзового цвета озеро. На дне озера расположены фумаролы. Посмотрим, что могло бы дать такое озеро 4 миллиарда лет назад, если бы на его дне в течение десяти тысяч лет «работали» фумаролы и выделяли бы именно те газы, о которых мы уже упоминали.

Пусть объем озера — миллион кубических метров, а производительность фумарол такая же, как производительность фумарольных полей Мутновского вулкана. (Я специально беру абсолютно реальные, ненадуманные цифры.) Простые расчеты показывают, что «всего» за десятки тысяч лет жизни такого озера в нем могли бы накопиться сотни тысяч тонн органических соединений. Вот где мог вариться первичный бульон: в вулканических озерах, и внутренних морях.

Палеогеологические данные неопровержимо говорят, нам о том, что миллиарды лет назад вулканические процессы на поверхности Земли были выражены гораздо сильнее, чем сегодня. Почему? В частности, потому, что Луна тогда была гораздо ближе к Земле, чем сейчас. Расчеты показывают, что Луна удаляется от Земли приблизительно на один сантиметр в год. Тогда, миллиарды лет назад, Луна, находясь вблизи Земли, вызывала огромные напряжения в ее коре за счет так называемых приливных сил.

С обычными приливами в океанах, также вызываемыми движением Луны, мы хорошо знакомы. Однако чем ближе планета и ее спутник, тем сильнее их взаимодействие. Вполне возможно, что в те далекие даже по геологическим масштабам времена в земной коре могли образовываться большие трещины, которые способствовали еще более мощному проявлению вулканической деятельности.

То обстоятельство, что в ранние геологические эпохи вулканизм был сильнее, подтверждается наблюдениями в Западной Сибири и Южной Бразилии. В Западной Сибири огромные пространства покрыты лавами, как их называют геологи, траппами. Эти породы датируются временем в миллионы лет назад. Ничего подобного в наши дни наблюдать не удается. Некоторые геологи считают, что вообще вся земная кора — продукт деятельности вулканов.

Но как все-таки удалось экспериментально подтвердить предположение о том, что вулканы могут «генерировать» органику?

Здесь были сделаны две вещи.

Во-первых, мы «смоделировали» в лаборатории вулкан. Причем не просто вулкан, а целых два вулкана — наземный и подводный. Конечно, все полностью воссоздать не удалось. Но мы сделали самое главное: смоделировали состав газовой смеси и жерло вулкана с лавой. В качестве жерла нам служила толстостенная кварцевая трубка, заполненная вулканической лавой и помещенная в печку, которая нагревала эту трубку до тысячи с лишним градусов. А через трубку пропускали воду, метан и аммиак.

В случае нашего наземного лабораторного вулкана мы сразу анализировали продукты, выходящие из трубки, а в случае подводного направляли «извержение» в колбу с водой и потом уже анализировали эту воду. Для анализа использовалась очень чувствительная аппаратура, которая могла обнаружить 0,00000000001 грамма органических соединений. Такие приборы называются газовыми хроматографами и хроматомасс-спектрометрами.

В результате этих работ нам удалось доказать, что при вулканических извержениях должны образовываться и синильная кислота, и альдегиды, и аминокислоты. Из синильной кислоты и альдегидов (вообще говоря, даже только из синильной кислоты) можно получить наиболее важные для биологии молекулы.

Но одно дело провести лабораторные опыты, а иное — попытаться обнаружить эти молекулы в районах действующего вулканизма. Именно для этой цели вместе со своим товарищем, заведующим лабораторией вулканохимии Института вулканологии В. Пономаревым я отправился на остров Атласова, самый северный остров Курильской гряды.

Остров этот необитаемый. Когда подплываешь к нему на корабле и еще не видишь берегов, кажется, что прямо из Охотского моря вырастает огромный ослепительно белый снежный конус. Это вулкан Алаид. В 1972 году он взорвался боковым извержением, у подножия вулкана вырос новый конус, и огромный поток лавы, напоминающий издали доисторическое чудовище, сполз в море. Спустя год из трещин на вершине конуса еще шел горячий газ. Именно этот газ мы и хотели проанализировать на месте.

Не проще ли было отобрать пробы, привезти их в Москву и исследовать на хорошем лабораторном оборудовании? Но дело в том, что хотелось найти именно синильную кислоту, тот самый цианистый водород, которой может давать начало многим биологически важным соединениям, в то же время убивая все живое. И, хотя молекула цианистого водорода устойчива по отношению к теплу, она слишком охотно вступает в химические реакции (особенно с водой). Именно поэтому ее нужно ловить «на месте», потом уже будет поздно.

Есть реактив, который реагирует только на цианистый водород. Если этот реактив поместить в небольшую стеклянную трубочку и пропустить через нее газ, в котором есть хотя бы следы цианистого водорода, трубочка с реактивом покраснеет (вернее, покраснеет реактив). Вот на эту «застенчивость» реактива мы очень надеялись, когда высадились с корабля на остров Атласова.

Для начала нужно было выбрать наиболее подходящую для экспериментов трещину, из которой выходят вулканические газы. Вообще-то вулканических трещин на Алаиде превеликое множество, но вся беда в том, что большинство из них низкотемпературные. Понятие «низкотемпературная» имеет здесь, конечно, весьма относительный смысл, поскольку даже у самых низкотемпературных трещин она около 300–400 градусов. Но это нам не подходило, потому что при таких температурах синильная кислота быстро реагирует с водой. Пришлось искать более горячие трещины. Две мы нашли на самой вершине молодого вулкана. Они представляли собой глубокие разрывы в лавовой корке. Внутри трещин лава меняла цвет от ярко-красного до ослепительно бело-розового. Это нам и было нужно.

Из обеих трещин вырывался раскаленный газ. Мы взяли титановые трубки длиной около двух метров, погрузили их в трещину и стали прокачивать газ через трубочку с реактивом. Они мгновенно покраснели. Сейчас, много лет спустя, уже трудно вспомнить, какую радость мне довелось пережить. Ведь за два года до эксперимента на Алаиде я теоретически предсказал наличие синильной кислоты в вулканических газах.

Мы провели на конусе вулкана несколько дней, и каждый раз результаты наших опытов были положительными. Более того, в следующем году я снова попал на Алаид. Трещины еще «работали», и мы опять стали проверять наш реактив. Он покраснел. Все было в порядке. Вулканы действительно могут генерировать органические соединения.

Позже мы исследовали также на органические молекулы выходы парогазовых струй, связанных обычно с магматическим очагом. Здесь эксперименты были сложнее, так как все выходы обычно загрязнены микроорганизмами и существует опасность открыть органику чисто поверхностного, микробного происхождения. Эта тонкость не всегда учитывается геологами в их работах.

Поэтому мы проводили тщательное микробиологическое исследование проб, взятых из парогазовых струй. В одной из скважин в районе Кошелевского вулкана в стерильной пробе была обнаружена простейшая аминокислота — глицин. Теперь окончательно стало ясно, что вулканизм был одним из решающих факторов, который на ранних стадиях развития Земли играл главную роль в процессах химической эволюции.

Теперь остается ответить на вопрос: почему, если вулканы выделяют метан и аммиак в течение долгого времени, мы не видим этих газов в атмосфере? Почему же сейчас не накапливается органика в районах активного вулканизма?

Ответ прост. Сейчас на Земле есть жизнь, и она очень быстро уничтожает органические молекулы, которые являются хорошей пищей, например, для микроорганизмов. Более того, в Петропавловске-Камчатском в филиале Тихоокеанского института рыбного хозяйства мне говорили, что экспедиции института заметили в южных морях интересное явление. Там, где на дне моря есть подводные вулканы, рыб и водорослей всегда больше. Это, конечно, весьма косвенное, но все-таки доказательство.

Теперь по поводу атмосферы. В ней могут накапливаться только малоактивные с точки зрения химии газы. Поэтому аммиак и другие реакционноспособные газы очень быстро исчезают из атмосферы. Вот почему образование органики интенсивнее идет в локальных вулканических районах, где эти самые газы не успевают рассеяться в атмосфере.

Итак, из смеси простых газов можно получить и аминокислоты, и аденин, и даже более сложные молекулы. Означает ли это, что мы вплотную подошли к решению задачи о создании первого живого организма in vitro, в пробирке?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам надо посмотреть, как построена живая клетка и как она работает.

Одним из наиболее удивительных свойств жизни является то, что природа очень экономно использует находящиеся в ее распоряжении полтора миллиона атомов. Очень небольшое количество типов молекул «работает» в клетке. Клетка — хорошая иллюстрация к афоризму Ньютона: «Natura enim simplex est» («Природа проста»).

Что же представляют собой эти молекулы?

В предыдущих главах часто использовались выражения «органические молекулы», «органические соединения» и так далее. Слово «органические» показывает, что эти молекулы связаны с жизнью, с организмами. Свойства органических молекул изучает специальная ветвь химии — органическая химия. На сегодняшний день известно около миллиона органических соединений, и людям понадобилось всего двести лет, чтобы изучить и описать свойства огромного числа соединений углерода.

Это стало, возможным лишь после того, как в конце XVIII века проявилась очевидная бесплодность методов и подходов алхимии. Тем не менее нужно сказать несколько слов об этом удивительно интересном направлении человеческой деятельности, потому что экспериментальная техника алхимиков послужила основой для химиков последующих поколений. Кроме того, в «актив» алхимии можно записать получение ряда чистых соединений и элементов.

В отличие от других наук древних времен побудительной причиной развития алхимии была не только человеческая любознательность. В течение многих сотен лет алхимики пытались создать философский камень — препарат, обладающий свойством превращать металлы в золото, и являющийся одновременно эликсиром жизни. Этот препарат называли по-разному: красным львом, красной тинктурой, великим эликсиром. Ему приписывалась огромная сила. Раствор его (золотой напиток), принимаемый внутрь в небольших дозах, должен был исцелять все болезни и избавлять от старости.

Зародилась алхимия еще в Древнем Египте, где и был впервые получен нашатырь. Римский император Диоклетиан нанес сильный удар по алхимии, издав указ о предании огню всех египетских рукописей с описанием рецептов превращения металлов в золото. Однако наивная вера в возможность подобного превращения была неистребима, и алхимия получила повсеместное распространение в развитых странах Запада и Востока.

Пик развития этой науки приходится на средние века. Поскольку в те времена каждый выдающийся ученый обладал всей суммой знаний своего времени, то история алхимии тесно связана с именами знаменитых философов и богословов. Так, известные философы XIII века Альберт Великий, он же граф фон Больштедт, и Р. Бэкон серьезно занимались алхимией. Р. Бэкону приписывают открытие пороха (в Европе), создание очков и телескопа. Не менее известный ученый Ф. Бэкон, барон, виконт и член палаты лордов, в XVI веке написал несколько научных трактатов, среди них «Введение в историю серы, ртути и соли».

В силу самой своей природы, своей основной цели, алхимия не могла не привлечь широкого внимания. Она соблазняла государственных деятелей, которым хотелось наиболее легким способом поправить шаткое финансовое положение, она же породила огромное число авантюристов и жуликов. Меценаты и владетельные князья чаще всего становились жертвами таких обманщиков. Например, в царствование Генриха VI Англия была буквально наводнена фальшивым золотом и находилась на грани финансовой катастрофы. Резиденция императора Рудольфа II в Праге стала центром алхимической науки XVI–XVII веков. Такой же алхимический «бум» охватил и соседний саксонский двор, где курфюрст Август и его супруга Анна Датская проводили в своих апартаментах «научные» исследования, пытаясь получить философский камень.

В истории поисков «красного льва» немало трагических событий. Владетельные князья не прощали обмана, и многие алхимики гибли под топором, на виселице или в темнице. Так в 1709 году алхимик Каэтан, сын неаполитанского крестьянина, окончил свои дни в Берлине на виселице, украшенной золотой мишурой. Английский врач Р. Прайс объявил Лондонскому королевскому обществу, что им получен красный и белый порошок, с помощью которого ртуть по желанию может быть превращена в золото или серебро. Когда же от него потребовали экспериментальных доказательств, чудодей отравился.

Однако не нужно забывать, что известный алхимик И. Беттхер, хотя и не добыл золото, но в 1704 году, находясь в тюрьме, получил коричневый яшмовый фарфор, а в 1709 году он же изобрел и белый фарфор. Гениальный И. Ньютон также был членом английского общества алхимиков.

Смертельный удар по алхимии нанес великий врач Парацельс в XVI веке, который провозгласил, что главная задача алхимии не получение философского камня, а облегчение страданий людей. «Химия — один из столпов, на который должна опираться врачебная наука. Задача химии вовсе не в том, чтобы делать золото и серебро, а в том, чтобы готовить лекарства», — говорил Парацельс.

Он первый посмотрел на процессы, идущие в живом организме, как на химические процессы, хотя и был уверен в возможности создания гомункула в колбе. На его примере особенно ярко проявилась та смесь схоластического невежества с гениальным прозрением, которая была характерна для средних веков. Вскоре после Парацельса и началось систематическое изучение химии живых систем.

Теперь, после короткой исторической экскурсии, вернемся к основной теме нашей главы — к молекулам живой клетки.

Без преувеличения можно сказать, что главным «подопытным животным» в биохимии и микробиологии служит микроорганизм, который называется по-латыни Echerichia coli (Ешерихия коли). Для простоты ученые ее называют «еколи». Это известная кишечная палочка — один из самых распространенных и легко культивируемых микроорганизмов. За короткое время на очень простых питательных средах, таких, как мясной бульон, можно вырастить многие миллиарды «еколи». Поэтому-то очень легко изучать их химический состав.

Оказалось, что 70 процентов веса высушенной клетки «еколи» составляют белки, 15 процентов — нуклеиновые кислоты, 10 процентов — липиды и 5 — полисахариды.

Главные труженики клетки — белки. Ни один процесс, происходящий в живой клетке, не обходится без участия белков. Голландский ученый Мюльдер первый предугадал их центральную роль в жизненных процессах и назвал эти соединения в 1838 году протеинами (от греческого слова «протос» — первичный). В течение последующих ста пятидесяти лет многие ученые проявляли большой интерес к исследованию белков, и поэтому к настоящему времени об их сложной структуре и функциях известно довольно много.

В каждой живой клетке ежесекундно протекают сотни химических реакций. Однако вряд ли хоть одна из них осуществилась, если бы в них не участвовали биологические катализаторы — вещества, которые увеличивают скорость реакций в сотни тысяч раз, а сами при этом остаются неизменными.

В неорганической химии катализаторы, обычно такие металлы, как железо, никель, платина, широко используются для получения промышленно важных соединений. Однако эффективность металлов как катализаторов не идет ни в какое сравнение с эффективностью биокатализаторов. Они называются ферментами, а все ферменты — белки.

Это отнюдь не означает обратного, что все белки — ферменты. Белки используются природой в качестве строительного материала тканей: кожи, сухожилий, мышц, нервных волокон. Волосы и ногти, например, почти полностью состоят из белковых материалов, длинных волокнистых структур.

Центральную роль в любом организме играют ферменты. Без них остановилась бы жизнь, все реакции в клетке настолько бы замедлились, что организм не сумел бы, например, своевременно удалять непрерывно накапливающиеся в нем ядовитые вещества.

Как построены белки?

Строительными блоками, кирпичиками для конструирования белковой молекулы служат аминокислоты. Их удается синтезировать in vitro, то есть вне организма, небиологическим путем. Двадцать природных аминокислот состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Правда, две аминокислоты из двадцати, участвующих в построении белков, содержат также серу. В чистом виде аминокислоты — белые порошки со слабым специфическим запахом.

В 1806 году из сока спаржи впервые было выделено соединение, которое оказалось аминокислотой и получило название аспарагина.

Какой химический смысл несет в себе слово «аминокислота»? Это значит, что молекула имеет одновременно в своей структуре и кислую и основную группы, которые прикреплены к одному и тому же атому углерода. Этот атом называется центральным. Роль кислой группы выполняет так называемая карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух кислородов и одного водорода. Аминогруппа, в нее входят атом азота и два атома водорода, расположена на «другом конце» центрального атома углерода.

С 1806 по 1935 год химиками-органиками были получены все двадцать аминокислот. Интересно, что чистый препарат серосодержащей аминокислоты цистина получен в 1810 году из камней мочевого пузыря. Этот препарат сначала назвали окислом мочевого пузыря. Из белкового материала аминокислота была впервые выделена в 1820 году. Она оказалась самой простой. Эта аминокислота получила название глицина.

Несмотря на то, что все аминокислоты выделялись химиками из органического материала, лишь в 1870 году русский химик Н. Любавин впервые высказал идею о том, что белковое вещество состоит из аминокислот. Эта мысль лет на двадцать опередила свое время, и лишь работы Э. Фишера установили, что белки состоят только из аминокислот.

Химики-органики разработали приемы, используя которые можно заставить аминокислоты соединиться в цепочку. Такие полимеры аминокислот называются полипептидами. Полипептид можно получить искусственно. Белок вырабатывается только живой клеткой. В чем же разница между полимером, полученным в лаборатории, и полимером, построенным живой клеткой?

Вот здесь мы подошли к очень существенному и интересному вопросу. Известно, что аминокислоты можно синтезировать в пробирке. Можно сделать из них полимер. Будет ли этот полимер обладать теми свойствами белка, которые делают незаменимой эту молекулу в организме? Сразу и определенно можно сказать, что нет! И вот почему.

Обычно белковая молекула содержит сто-двести строительных блоков, их называют аминокислотными остатками. В «остатки» их записали потому, что, когда две молекулы аминокислоты связываются в дипептид, они «на пару» теряют одну молекулу воды. В пептидной цепи их структура уже нисколько иная, чем в свободном виде. Если аминокислотных остатков сто, то очевидно, что из них (используя 20 различных сортов аминокислот) можно выстроить 20¹⁰⁰ различных полипептидных цепей, отличающихся порядком расположения аминокислотных остатков. А сколько белков использует при работе клетка?

Вернемся к нашей микоплазме. Ей для нормальной жизни нужно приблизительно сто ферментов. Эти сто ферментов она строит из тех же двадцати аминокислот. Могла бы строить 20¹⁰⁰, а строит меньше, чем 20². Все дело в специфичности белков-ферментов. Последовательность аминокислот в белке полностью определяет его функцию и, в частности, каталитические, или ферментативные, свойства. Поэтому, если мы каким-либо образом поменяем порядок аминокислот в белке, он потеряет свои свойства, которые жизненно необходимы для клетки, для организма.

Но ведь получил американский биохимик С. Фокс так называемые протеиноиды? Получил. Их молекулярный вес порядка 30 тысяч, и, значит, они содержат около 300 аминокислотных остатков. Эти протеиноиды похожи на белки, но все-таки это не белки. Да и способ их получения уж слишком экзотичен.

Фокс брал полностью безводную смесь аминокислот, причем обязателен был избыток аспарагиновой и глютаминовой кислот. Затем нагревал смесь до 170 градусов Цельсия. Аминокислоты сплавлялись в белковоподобное вещество, которое, правда, обладало очень маленькой каталитической активностью. Кроме того, им без вреда могли лакомиться и крысы и бактерии.

Но полностью безводные условия на ранней Земле вряд ли могли существовать. Кроме того, если органика образовывалась, то синтезировались не только аминокислоты, а и другие молекулы тоже. Так что опыты Фокса не слишком правдоподобны с геологической точки зрения. Таким образом, на сегодняшний день наиболее существенный из компонентов живой материи — белок не удалось получить в экспериментах, связанных с предбиологическими исследованиями.

Другой важный класс макромолекул живых организмов — углеводы. Это соединения, в которых атомы углерода, водорода и кислорода находятся в соотношении 1 : 2 : 1. Будучи одним из основных компонентов нашей ежедневной пищи, углеводы поставляют значительную часть энергии, необходимой для живого организма. Типичные углеводы, с которыми каждый из нас сталкивается ежедневно, — крахмал и сахар. Поскольку это вещества растительного происхождения, а основную массу живого на Земле составляют растения, углеводы имеют «прочное большинство голосов» среди других органических соединений на нашей планете.

Многие углеводы, выделенные из живых организмов, так же как и белки, полимеры. Но структурной единицей углеводов является молекула сахара, например, хорошо известной всем глюкозы. Поэтому полимеры глюкозы называются полисахаридами. Глюкоза, содержащаяся в свободном виде в сладких фруктах, необходима для «энергетического» питания организма. Недаром после болезни, когда человек ослаблен, ему назначают уколы глюкозы.

Молекула глюкозы представляет собой замкнутое кольцо с шестью атомами углерода, химики называют ее шестиуглеродным сахаром. Существуют сахара с большим и меньшим числом атомов углерода. Например, очень важную роль в биохимии играют пятиуглеродные сахара — пентозы. Они являются неотъемлемой частью нуклеиновых кислот.

Если мы будем последовательно присоединять одну молекулу глюкозы к другой, то в зависимости от способа присоединения получим крахмал или целлюлозу. Кстати говоря, целлюлозы в природе больше, чем какого-либо другого органического соединения. Целлюлоза — основной структурный элемент растительных тканей. Хлопок и лен содержат от 90 до 99 процентов чистой целлюлозы, древесина до 45 процентов. Длинные прямые пучки макромолекул целлюлозы образуют в организмах нити, прочность которых превышает прочность хорошей стальной проволоки такого же диаметра.

Сахара и полисахариды без труда получаются в процессе небиологических синтезов, что впервые показал великий русский химик А. Бутлеров. Поэтому молекулы сахаров никогда не будут камнем преткновения при попытке создания живого из неживого.

Важная составная часть организмов — макромолекулы, которые называются липидами. Более привычное название, употребляемое в обиходе, — жиры. Они тоже построены главным образом из углерода, водорода и кислорода, хотя иногда в их состав входит фосфор. Типичная молекула липида состоит из хорошо известного каждому глицерина (одной молекулы), который соединен с жирными кислотами.

Молекулы липидов обладают замечательным свойством. Они представляют собой цепочку, которая имеет «голову» и «хвост». «Голова молекулы» может раствориться в воде, а «хвост» нерастворим, гидрофобен. Поэтому молекулы липидов всегда ориентированы в клетке и являются одной из составных частей клеточных мембран. Совсем недавно удалось небиологическим путем синтезировать молекулы этого типа и получить из них аналоги биологических мембран.

В начале короткого рассказа о молекулах, входящих в состав живого организма, говорилось о том, что белки — наиболее существенный компонент живого. Это так. Белки — главные труженики клетки, исполнители. Но есть еще один тип макромолекул, без которых жизнь в виде, известном на Земле, была бы невозможна. Это знаменитые нуклеиновые кислоты.

В 1868 году, через три года после того как Г. Мендель заложил основы генетики, швейцарский врач Ф. Мишер выделил из гноя больничных бинтов новое вещество, которое он назвал нуклеином. Мишер установил, что нуклеин состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и фосфорной кислоты.

Нельзя не подчеркнуть, что, как только заходит речь о важнейших макромолекулах, составляющих живую клетку, мы вновь и вновь сталкиваемся с замечательным свойством живого: в основе всего живого лежит химия углерода.

В 1889 году вещество, выделенное Мишером, было предложено называть нуклеиновой кислотой. Следует заметить, что Мишер нашел это соединение, изучая клеточное ядро, и, помимо получения нуклеина, что само по себе является эпохальным открытием, Мишер предположил, что именно нуклеин является генетически активным материалом. К сожалению, это осталось в то время незамеченным.

После открытия Мишера началось интенсивное исследование химии нуклеиновых кислот, но только через восемьдесят лет всем стала очевидна центральная роль, которую нуклеиновые кислоты играют в управлении клеточными процессами. Это, бесспорно, некая ирония судьбы, поскольку Мишер обнаружил нуклеин именно при попытке раскрыть химическую природу клеточного ядра.

В 1910 году было установлено, что нуклеиновые кислоты содержат в своем составе сахар, а вскоре после этого было высказано предположение, что сахар и азотистое основание (например, упоминавшийся выше аденин) объединены в общий комплекс. Этот комплекс, в свою очередь, соединен с фосфорнокислым остатком. Углевод вместе с азотистым основанием назвали нуклеозидом, а нуклеозид вместе с фосфатной группой — нуклеотидом.

Нуклеиновые кислоты являются полимерами нуклеотидов — полинуклеотидами. В нуклеиновых кислотах используется, как правило, пять оснований — аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил.

К 1930 году стало ясно, что существует два типа нуклеиновых кислот, отличающихся молекулой сахара и составом азотистых оснований. Впоследствии они получили название рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В построении молекулы ДНК участвуют четыре азотистых основания — аденин, гуанин, тимин и цитозин. В РНК вместо тимина урацил. Есть и отличие в пентозах: в состав РНК входит рибоза, а ДНК — дезоксирибоза. Ученым, занимающимся предбиологической химией, сто лет спустя после открытия Мишера удалось синтезировать нуклеозиды, нуклеотиды и их полимеры. Но полученное в лаборатории драматически отличалось от того, что делает живая клетка.

Структура клеточных нуклеиновых кислот идеальна. Это законченное молекулярное архитектурное сооружение. Нуклеиновые кислоты — полимеры нуклеотидов, и в клетке нуклеотиды соединяются между собой всегда по одному и тому же правилу. Мы помним, что пентозы — пятиуглеродные циклические сахара. Так вот, в нуклеиновых кислотах связь между нуклеотидами осуществляется через фосфатную группу, которая соединяет совершенно определенный атом углерода в пентозе одного нуклеотида с другим всегда одним и тем же (из пяти возможных) атомом углерода в пентозе другого нуклеотида. А в колбе получается хаос. Эта та же ситуация, которая случается с ребенком, когда он впервые открывает игрушку-конструктор. Чтобы построить что-нибудь стоящее, необходимо прикладывать одну деталь к другой определенным образом. Природа умеет это делать, а химики пока нет.

Кроме того, клетка способна создавать информацию. И это главное.

Ясно, что есть много дополнительных свойств, присущих живой клетке. Мы уже говорили об обмене веществ, или метаболизме. Можно еще раз упомянуть, например, о каталитической активности белков. Хорошо известно также, что клеточные вещества обладают оптической активностью. Однако каждое из этих свойств, взятое в отдельности, не может однозначно характеризовать жизнь.

В качестве примера рассмотрим такое очень важное свойство клетки, как обмен веществ. Но ведь оно присуще и неживому миру. Действительно, взглянем на систему река — океан, грунт — атмосфера, транспорт материала при извержении вулканов. Река выносит в океан гигантское количество воды. При испарении воды с поверхности океана на суше выпадают дожди, которые вновь питают водой реки. Чем не обмен веществ?

По-видимому, только возникновение механизма воспроизведения (в широком смысле слова) и передачи информации можно отождествить с началом эволюции собственно живых систем.

В неживой природе есть такое явление, как рост кристаллов. Более того, кристаллы одного и того же вещества похожи друг на друга как две капли воды. Но механизм роста кристалла, во-первых, не имеет практически ничего общего с ростом клетки. А во-вторых, кристаллы не умеют производить потомство. Они не могут снять копию и «пустить ее в жизнь».

Чтобы нагляднее представить себе всю сложность процесса воспроизведения жизни, необходимо подробнее остановиться на ключевых аспектах воспроизведения генетического материала в клетке (редупликация ДНК), биологического кода и синтеза белка.

Современное представление об этих процессах сформировалось на основании фундаментальной гипотезы лауреатов Нобелевской премии Д. Уотсона и Ф. Крика о структуре ДНК и блестящих экспериментальных работах лауреатов Нобелевской премии Д. Корнберга, М. Ниренберга, С. Очоа, Ф. Крика, X. Кораны и других исследователей. Тому, кто незнаком с драматической историей открытия структуры ДНК, обязательно следует прочитать замечательную книгу Уотсона «Двойная спираль».

Модель двухцепочечного строения дезоксирибонуклеиновой кислоты, предложенная Уотсоном и Криком, весьма удачно объясняет процессы размножения организма и передачи наследственной информации.

Процесс редупликации (снятия копии) резко отличается от «механического» деления микросфер. Как же идет этот процесс в клетке? Он начинается с разделения на некотором участке двойной спирали молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты при воздействии специального белка. Вот здесь-то и обнаруживается, что спиральная структура ДНК идеально приспособлена для создания своих собственных копий.

При разрыве связей, стабилизирующих молекулу ДНК, и раскручивании двойной спирали на некотором участке ДНК появляются две свободные цепочки. На одной из этих цепочек (ее называют смысловой), как на матрице, начинает синтезироваться новая цепь, состоящая из уже знакомых нам нуклеотидов.

Может, конечно, возникнуть вопрос: а нужно ли влезать в такие дебри молекулярной биологии? Но ведь мы уже говорили о том, что двадцать аминокислот располагаются в единственном, уникальном для клетки порядке, образуя нужный ей белок. А что контролирует этот процесс в клетке? Гены. А ген — это определенная последовательность триплетов (троек) нуклеотидов в ДНК.

Но ведь если мы себе представим родительскую бактериальную клетку и дочернюю бактериальную клетку, то ясно, что и «мать» и «дочь» умеют строить одни и те же белки по одной и той же программе. Что это значит? Это может означать лишь одно: ДНК ухитряется осуществлять свое собственное воспроизведение, передавая всю содержащуюся в ней информацию от родителей к потомству.

Посмотрим, как это происходит, как из одной молекулы ДНК получаются две полностью похожие на исходную. Гипотеза (впоследствии подтвержденная экспериментально) о механизме репликации ДНК также была высказана Уотсоном и Криком. Однако сначала нужно упомянуть о так называемом правиле эквивалентности Э. Чаргаффа, установленном в 1950 году.

Азотистых оснований, из которых строится ДНК, всего четыре. Это аденин, гуанин, тимин и цитозин. Правило эквивалентности Чаргаффа состоит в том, что в молекулах ДНК количество аденина всегда равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина.

Глубокий смысл этого правила (его называют также правилом спаривания оснований) прояснился, когда Уотсон и Крик установили комплементарную структуру ДНК. Другими словами, в двухцепочечной спирали ДНК напротив молекулы аденина одной цепи всегда находится молекула тимина, а напротив гуанина — цитозин.

Уотсон и Крик сразу поняли значение этого факта для воспроизведения клеточной информации. Свою первую статью в журнале «Nature» (а эта публикация, кстати говоря, принесла им Нобелевскую премию) ученые закончили знаменательной фразой: «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что специфическое спаривание… позволяет предполагать возможный копирующий механизм для генетического материала». Г. Стент говорит, что это самое скромное утверждение в истории науки.

Теперь вернемся к процессу репликации. В клетке всегда есть запас свободных нуклеотидов. И когда начинается разделение полинуклеотидных цепочек двойной спирали, каждое основание притягивает комплементарное ему: в соответствии с правилом спаривания оснований напротив аденина появляется тимин, а напротив цитозина — гуанин. Таким образом, напротив каждой из двух исходных родительских цепочек образуется комплементарная дочерняя. Из одной молекулы ДНК получаются две, полностью идентичные материнской молекуле.

В каждой дочерней молекуле ДНК одна из цепочек двойной спирали — родительская, а другая — синтезированная. Поэтому, когда начнут делиться дочерние клетки, то у части «внучатых» молекул ДНК уже не останется родительских атомов в полинуклеотидных цепях. Тем не менее природа выполнила свою цель: «родительская» информация записана в каждой молекуле ДНК, и процесс комплементарной репликации полностью обеспечивает передачу информации от родителей к потомкам.

После открытия знаменитой структуры двойной спирали немало времени ушло на поиски экспериментальных методов, которые смогли бы подтвердить правильность описанного выше механизма репликации ДНК. Это был очень важный и необходимый этап научного поиска, поскольку решение вопроса о структуре ДНК не являлось еще полной гарантией непогрешимости Уотсона и Крика в проблеме репликации генетического материала.

В то время многие солидные биологи думали, что ДНК вообще прямо не реплицируется, а существует некая таинственная молекула-посредник, которая «запоминает» информацию родительской ДНК, а затем уж с нее, как с матрицы, снимаются копии дочерних молекул ДНК. Этот способ передачи информации они назвали консервативным. Способ передачи информации, предложенный Уотсоном и Криком, получил название полуконсервативного.

Полуконсервативный механизм репликации был полностью подтвержден в классических опытах М. Меселсона и Ф. Сталя. Особенность опыта состояла в том, что исходная молекула ДНК, за репликацией которой следили ученые, содержала не обычные атомы азота, а тяжелые, с атомным весом 15. Для этого культура бактерий выращивалась на питательной среде, включающей в себя лишь меченый азот ¹⁵N. Деление же этих «тяжелых» клеток происходило в среде, содержащей обычный азот. Меселсон и Сталь исследовали ДНК различных поколений при помощи специального метода, позволяющего в отдельности видеть «тяжелую» и нормальную ДНК.

Вот этот опыт и позволил получить изящное прямое доказательство справедливости полуконсервативного механизма репликации молекулы ДНК, предложенного Уотсоном и Криком. Меселсон и Сталь убедительно продемонстрировали, что после удвоения числа бактерий вся их ДНК оказалась гибридной, то есть промежуточной по весу между «тяжелой» и нормальной. С каждым новым поколением наблюдалось уменьшение количества тяжелой ДНК и увеличение числа нормальных «легких» молекул.

С какой же скоростью происходит рост новых цепей ДНК?

Работая с культурой уже знакомой нам «еколи» (кишечной палочки), ученые оценили величину скорости роста цепи бактериальной дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эти оценки невольно заставляют поражаться совершенству, которого достигла природа, создавая молекулярные машины-клетки. Оказалось, что 1400 нуклеотидов в секунду наращиваются на дочерней цепи — реплике. Мы сумеем лучше осмыслить, насколько велика эта скорость, вспомнив, что родительская молекула-спираль должна раскручиваться, чтобы получалась свободная цепь — матрица для синтеза. Так вот, скорость раскручивания ДНК в процессе репликации около 140 оборотов в секунду! Лишь сравнительно недавно такие скорости были достигнуты в лучших высокоскоростных центрифугах.

Процессы, которые мы рассматривали сейчас, не кажутся особенно сложными, но уже и на этой стадии жизни клетки, если взглянуть на весь механизм репликации в целом, сразу же возникнут принципиальные трудности.

Почему, собственно говоря, ДНК должна расплетаться, раскручиваться? Что заставляет ее это делать? Американский ученый А. Корнберг в результате упорной почти десятилетней работы доказал, что и в процессе репликации центральную роль играют все те же ферменты. Иными словами, без ферментов не может идти образование новых цепей ДНК. Фермент и расплетает двойную спираль, и строит новую полинуклеотидную цепочку.

Эксперименты Корнберга и его сотрудников по синтезу ДНК существенно расширили представления о репликации и синтезе генетического материала. Общая картина процесса репликации представляется достаточно ясной. Есть стартовая, родительская молекула ДНК. Есть ферменты, есть разрыв стартовой молекулы и синтез молекул потомков.

Поражает прежде всего временнáя сбалансированность всех процессов, проходящих в нормальных условиях в живой клетке. Очевидно, что этот механизм является результатом длительной эволюции и не мог появиться внезапно, да еще во всем своем блеске, как Афина из головы Зевса. Но, к сожалению, механизмы-предшественники природой утеряны. В этом и состоит принципиальная трудность при попытках построить эволюционную схему от молекул к клетке.

Итак, один из центральных вопросов: как возник механизм репликации и синтеза нуклеиновых кислот?

К сожалению, здесь можно заниматься лишь самыми общими рассуждениями. Специалисты по предбиологической эволюции получили синтетические полинуклеотиды. По всей видимости, в условиях примитивной Земли могло происходить накопление некоторых количеств этих молекул. Но заметим, что к этим опытам нужно относиться с известной осторожностью, так как условия, в которых проводился синтез, вряд ли могли реально существовать на примитивной Земле. Это одно важное замечание.

В то же время ученые, занимающиеся абиогенным синтезом, обратили внимание на то, что в их опытах количественный выход полипептидов всегда выше, чем выход полинуклеотидов. Этот важный факт дает возможность предположить, что к моменту образования полинуклеотидов на стерильной Земле уже были достаточно высокомолекулярные полипептиды.

А что, если бы удалось экспериментально доказать, что какой-либо синтетический полипептид может способствовать полимеризации полинуклеотидов? Тогда мы имели бы возможность построения гипотетических механизмов — предшественников современных механизмов репликации и синтеза нуклеиновых кислот.

Предположение о слабой каталитической активности полипептида выглядит очень перспективным. В этом случае первичный полипептид мог бы выполнять функции, аналогичные функции ДНК-полимеразы, фермента, участвующего в биосинтезе ДНК в клетке. Поскольку белки, по-видимому, «старше» нуклеиновых кислот, эта гипотеза могла бы быть проверена экспериментально.

Возможно, что механизм репликации возник уже после образования протоклеток и включения в них полимеров. Действительно, ведь современные процессы репликации, синтеза генетического материала и матричного синтеза белка происходят в растворах, концентрация органических соединений в которых весьма высока. Очень трудно представить себе, что на примитивной Земле могли существовать места, где достигались бы такие концентрации. Только при достижении критической концентрации, аналогичной критической массе в ядерной физике, могли пойти репликативные процессы.

Вот почему репликативная функция могла появиться позже, чем протоклетки, и ей предшествовала длительная эволюция полимеров и первичных структур типа протеиноидных микросфер. Эта упрощенная схема не решает, конечно, таких важных вопросов: каким образом осуществляется контроль репликации ДНК в клетке и что обеспечивает удивительную надежность при образовании копии? И уж конечно, остается открытым вопрос о моменте включения и полипептидов и полинуклеотидов в протоклетки.

Но ведь мало передать информацию. Клетка при делении дает потомство. Оно должно превратиться во взрослые, полноценные организмы. Пища в окружающем мире есть. Автотрофные организмы используют углекислый газ как источник углерода, микроорганизмы извлекают из окружающей среды необходимые для питания простые вещества. В любом организме эти простые вещества превращаются в сложные полимерные молекулы, среди которых центральное место занимают белки. Не будь белков, клетка была бы мертва.

Представим себе на минуту клетку с нуклеиновыми кислотами, но без белков. Все, что нужно клетке для жизни, записано в молекуле ДНК. Но эта инструкция мертва. Некому открыть словарь нуклеиновых кислот, нет исполнителей инструкций.

Встречается ли такая ситуация в современной биологии? Конечно же. В мире вирусов. Маленький кусочек нуклеиновой кислоты мертв. Но стоит ему попасть в клетку, как начинаются удивительные процессы. Вторгаясь в клетку, вирус «приказывает» ей жить по-другому, нежели она жила до этой драматической встречи.

Но самое главное: в основе нормальной работы клетки и работы по «чужому приказу» лежит один и тот же механизм. Именно этот механизм в эволюционном плане — величайшая загадка и современной молекулярной биологии, и проблемы происхождения жизни. Речь идет о матричном синтезе белка и генетическом коде.

Но только ли этот вопрос встает перед нами? Отнюдь нет. Давайте еще раз присмотримся к различным этапам работы молекулярных машин.

Итак, матричная РНК синтезируется на одной из цепей дезоксирибонуклеиновой кислоты, отправляется к рибосомам и соединяется с ними. Как это происходит? Каким образом матричная РНК попадает на рибосомы?

Здесь, по всей видимости, имеет место некоторая специфичность механизмов связывания мРНК с рибосомами, взаимного химического узнавания. Ну а транспорт тРНК к рибосомам идет главным образом за счет беспорядочных, случайных движений, диффузии молекулы в клетке. На примере тРНК биофизики показали, что механизм диффузии в состоянии объяснить наблюдаемые скорости синтеза.

Нужно сказать, что современное представление о роли тРНК выработалось не сразу и первоначально основная роль отводилась мРНК как непосредственной матрице для синтеза. Казалось, что пространственные химические связи, или, как говорят химики, стереохимическое соответствие между кодоном и аминокислотой, решают вопрос об аминокислотной последовательности белка.

Адапторная гипотеза Крика явилась первым этапом на пути к выяснению истинной роли тРНК в процессе матричного синтеза. Крик предположил, что аминокислота взаимодействует с матричной РНК не непосредственно, а при помощи некоторых малых молекул, которые он предложил называть адапторами. Он считал, что адапторы представляют собой тринуклеотиды, с которыми аминокислота соединяется при помощи ферментативного механизма. (Трудно переоценить роль Ф. Крика в развитии современной молекулярной биологии. Порой кажется, что большая часть принципиальных идей в этой науке была выдвинута именно им.)

Сейчас ясно, что адапторы — это не что иное, как транспортные РНК, которые переносят активированные аминокислоты на рибонуклеиновую матрицу и рибосому. Адаптором транспортная РНК названа потому, что она обеспечивает возможность специфического взаимодействия между аминокислотой и матричной РНК.

Основным свойством, определяющим дальнейший механизм сборки аминокислот, является специфическое взаимодействие транспортной и матричной РНК. Аминокислота, связанная с транспортной РНК, уже никак не влияет на дальнейший механизм синтеза. Все последующие процессы определяются только взаимодействием антикодона транспортной РНК, кодона информационной РНК и рибосомы.

Для проверки этого положения были проведены эксперименты, в процессе которых удалось включить в белок неприродную аминокислоту, соединив ее ферментативно с транспортной РНК. Связывание антикодона с кодоном — неферментативный процесс. Он определяется тем же правилом спаривания оснований, правилом Чаргаффа, о котором мы уже говорили. Именно после соединения антикодона с кодоном и начинается последовательная сборка полипептидной цепочки.

Кстати, стоит сказать еще несколько слов о правиле Чаргаффа и о самом Чаргаффе. Биохимик из Колумбийского университета, австриец по происхождению Э. Чаргафф и его ученики еще со времен второй мировой войны изучали соотношение различных нуклеиновых оснований в разных препаратах ДНК. Установив количественно свое знаменитое правило, Чаргафф не дал ему никакого объяснения, хотя, имея в руках подобный материал, именно он, а не Уотсон с Криком, находился ближе всего к открытию структуры двойной спирали.

Более того, как пишет Уотсон, Чаргафф с нескрываемым презрением относился к их попыткам раскрыть структуру ДНК. И когда наконец весь мир признал великое открытие Уотсона и Крика, лишь один Чаргафф продолжал относиться к нему весьма скептически.

Но вернемся к нашему молекулярному «конвейеру».

Для нормальной работы любой машины, в том числе и молекулярной машины — клетки, необходимы команды на включение определенных механизмов. Действительно, откуда клетке знать, что пришла пора синтезировать тот или иной белок? Как клетка узнает, что надо прекратить считывание определенного участка ДНК? С какого участка начать считывание? Ведь хорошо известно, что молекулы ДНК, РНК и белков существенно различаются по своей длине. Короткие пептиды-белки содержат иногда десятки аминокислотных остатков, а молекула ДНК — миллионы нуклеотидов. Матричная РНК — тысячи.

Молекула мРНК является копией, репликой только одного участка ДНК, соответствующей инструкции для построения одного белка. Это обстоятельство наталкивает нас на мысль, что в молекуле ДНК какие-то факторы должны определять, где начнется и где кончится синтез матричной РНК. В свою очередь, в молекуле матричной РНК что-то должно определять начало и конец синтеза белковой молекулы. Говоря другими словами, если молекула белка — фраза, то она должна начинаться после точки с большой буквы и должна кончаться точкой. Выяснение природы сигналов или команд на начала и конец процесса и составляет проблему «пунктуации кода». Но мы не будем заниматься сейчас этой специальной и очень непростой задачей. Отметим лишь, что и на этапе начала синтеза, и на этапе его окончания обязательно присутствие нескольких специализированных белков.

Весьма беглый обзор проблемы матричного синтеза белка, приведенный выше, позволяет нам поставить ряд принципиальных вопросов.

Совершенно ясно, что какой бы этап репликации генетического материала или синтеза белка мы ни взяли, необходимым звеном в этом этапе являются весьма специализированные ферменты. Их можно назвать операторными, сигнальными, управляющими белками в широком смысле этого слова. В рамках центральной догмы биологии появление этих ферментов объяснить невозможно. Действительно, если мы не хотим иметь дело, как принято говорить в математике, с бесконечностями, надо признать, что, по всей видимости, существовали еще какие-то механизмы синтеза белка в клетке, которые в настоящее время неизвестны.

Если же попытаться применить общепринятую схему синтеза белка к специализированным ферментам, рибосомам, то мгновенно получается расхождение в решении вопроса: для синтеза любого из этих соединений нужно то же самое соединение. Неясно, каким образом в эволюционном плане можно решить этот парадокс.

Здесь мы подходим к наиболее трудному и принципиальному вопросу — проблеме эволюции кода.

Ясно, что механизм такой сложности не мог возникнуть скачком. Мы можем, конечно, привлечь к решению проблемы происхождения жизни и религиозные аргументы. Но, если отбросить наиболее легкий путь «решения» задачи, связанный с витализмом, то видно, какая громадная экспериментальная работа предстоит, чтобы найти подходы к решению этой задачи.

Я хочу подчеркнуть, что здесь нужны именно эксперименты. Гипотез об эволюции кода предостаточно, и, как говорил Крик, следовало бы установить ежегодную премию за самую плохую статью по поводу эволюции генетического аппарата. Здесь тот самый случай, когда фактических экспериментальных данных явно не хватает, а идей более чем достаточно. «Поэтому я надеюсь, — продолжает Крик, — что всякий, кто выдвинет детально разработанную теорию происхождения генетического кода, постарается сделать это так, чтобы теория в той или иной форме поддавалась экспериментальной проверке. Идеи сами по себе ничего нам не дадут, если мы не сумеем получить новые фактические данные либо путем изучения механизмов, имеющихся у современных живых форм, либо путем прямого эксперимента».

Сейчас уже очевидно, что абиогенно синтезировать можно очень многие молекулы клетки, кроме белков и ДНК.

А вот, когда удастся получить в лаборатории информацию из хаоса на уровне ДНК или РНК, тогда и начнется новый этап в биологии. Решение именно этого этапа даст нам ключ к тайне проблемы возникновения жизни.

И здесь тем более интересно ознакомиться с глубоким анализом проблемы возникновения и эволюции кода, предпринятым Ф. Криком и Л. Оргелом еще в 1968 году.

Два слова о блистательном специалисте в области как предбиологической химии, так и биохимии Л. Оргеле. Во время Бюраканской конференции зашел разговор о модном тогда «индексе интеллектуальности». При этом Оргел смутился, а остальные участники беседы дружно рассмеялись. Я не мог понять, в чем дело, пока мне не объяснили, что у Оргела один из самых низких индексов во всей Америке. Я спросил Оргела, не ошибка ли это? Он с грустью сказал, что нет. Тогда мы все вместе дружно возмутились несовершенством метода оценки творческого потенциала ученого.

Работы Крика и Оргела особенно отчетливо демонстрируют неразрывную связь проблемы кода и проблемы возникновения жизни.

Рассматривая структуру кода, Крик в первую очередь подчеркивает основное свойство кода, не зависящее ни от каких второстепенных деталей: его практическую универсальность.

Для объяснения универсальности кода Крик рассмотрел две гипотезы, хотя возможны различные промежуточные случаи.

На первый взгляд наиболее естественной выглядит так называемая теория стереохимического соответствия. Согласно этой теории аминокислота имеет химическое «сродство» к соответствующему кодону молекулы матричной РНК. Были проделаны работы с использованием пространственных моделей молекул для подтверждения этой гипотезы. Однако Крик считает эти попытки малоубедительными, так как в построении моделей были допущены ошибки.

Более привлекательной выглядит идея о стереохимическом соответствии между аминокислотой и антикодоном на молекуле транспортной РНК. Следует отметить, что экспериментальные данные здесь очень и очень противоречивы, и на основании этого Крик делает вывод, что стереохимическое соответствие не является общим механизмом в процессе трансляции, а наблюдается в нескольких особых случаях. По крайней мере, в сегодняшнем механизме матричного синтеза стереохимическое соответствие между аминокислотой и антикодоном тРНК не играет заметной роли, хотя для некоторых аминокислот оно могло иметь определенное значение в прошлом.

При обсуждении возможных примитивных механизмов синтеза белка прежде всего возникает вопрос о роли неинформационных, транспортной и рибосомальной, РНК и активизирующих ферментов.

Какова же их роль?

Крик предполагает, что транспортные РНК и рибосомальная РНК играли центральную роль в примитивном механизме синтеза белка. Прарибосомы согласно этой гипотезе состояли полностью из РНК. Синтез белка мог вначале идти не столь точно, как сейчас.

Однако эта схема также не решает вопроса с происхождением активизующих ферментов (синтетаз и репликаз), хотя можно предположить, что именно на этой стадии стереохимическое соответствие имело существенное значение. Можно также предположить, что примитивные транспортные РНК являлись собственными активирующими ферментами, и первичная машина синтеза работала только на основе нуклеиновых кислот.

Однако стоит отметить, что вопрос о происхождении самих нуклеиновых кислот с нужной для синтеза белка последовательностью оснований и судьбе образовавшихся белков в схеме Крика остается открытым, хотя ученый считает возможным случайное образование таких последовательностей.

Что же касается самого кода, то трудно предположить, что код с самого начала не был триплетным. Ведь в этом случае любые изменения в размере кодона делают всю предыдущую информацию бессмысленной. Более правдоподобна идея о том, что в примитивном коде читались лишь два первых основания из триплета и по-настоящему кодировались только несколько аминокислот, по-видимому, глицин, аланин, серин и аспарагиновая кислота. Можно предположить также, что кодоны работали на группы аминокислот.

В плане этой проблемы исключительно важен вопрос о числе оснований в примитивных нуклеиновых кислотах. Крик, так же как и Оргел, рассматривает примитивную прануклеиновую кислоту, состоящую лишь из двух оснований.

Центральная идея заключается в том, что кодируется лишь несколько аминокислот, один кодон используется для кодирования группы аминокислот. Кодон для аланина, например, мог кодировать также глицин и так далее.

На этой стадии мог быть создан не очень хороший белок, поскольку в белке использовались не все 20 аминокислот. В этой схеме эволюция состояла в увеличении точности и включении в белок все новых и новых аминокислот.

Разбирая вопрос о развитии генетического аппарата, Оргел также предполагает существование некоторой эволюционной схемы в условиях примитивной Земли. Это соображение само по себе могло показаться тривиальным, если бы не существовало так называемой теории направленной панспермии, о которой мы уже упоминали в начале книги.

Оргел рассматривает два направления в эволюции живого: жизнь без нуклеиновых кислот и жизнь без белка.

Следуя Оргелу, попытаемся рассмотреть обе возможности, хотя с эволюционной точки зрения такое разделение выглядит маловероятным.

Образование полипептидов в предбиологических условиях — процесс более «выгодный», нежели синтез полинуклеотидов. Это подтверждено многими лабораторными экспериментами и обусловлено, в частности, тем, что сахара, входящие в нуклеиновые кислоты, менее стабильны в водном растворе, чем аминокислоты, что затрудняет их концентрирование.

Таким образом, небиологическая полимеризация аминокислот, по-видимому, предшествовала появлению нуклеиновых кислот.

Именно на основании этого предположения Оргел строит модель жизни без нуклеиновых кислот, хотя, в общем-то, совершенно ясно, что в первичном бульоне было «все» и анализ таких крайних случаев, на мой взгляд, представляет только чисто умозрительный интерес.

Абиотически синтезированные полимеры аминокислот, по мнению Оргела, не могли достичь высокой степени специализации и организации и проявить свойства ферментативной активности. Репликация с помощью белков не могла быть точной, и для построения каждого «сорта» цепи аминокислот требовался новый фермент.

Это не совсем верное предположение, потому что вполне было возможно возникновение неспецифического катализа, что снимает основные возражения Оргела против чисто белковой жизни. Во всяком случае, мысль Оргела о неспособности чисто полипептидной системы к направленной эволюции следует считать справедливой, поскольку нет структурной основы для точной репликации.

В качестве второй возможности Оргел предлагает модель жизни, основанной на нуклеиновых кислотах без «белкового кода». При этом он указывает на необходимость анализа двух ключевых процессов: репликации без белков (ферментов) и эволюции без белков.

Комплементарная репликация постулируется Оргелом как свойство внутреннее, присущее молекулам нуклеиновых кислот и зависящее только от их структуры. Доказательство этого положения можно найти в физико-химических свойствах оснований нуклеиновых кислот и их производных — правиле Чаргаффа. Сравнительно недавно биохимики продемонстрировали, что полинуклеотидная цепочка работает как матрица для ориентации мононуклеотидов.

Было показано также, что направленный матричный синтез нуклеотидов идет в водном растворе с использованием конденсирующего агента (карбодиимид). Но здесь очень важно отметить, что во всех опытах по матричному синтезу образуются не только природные изомеры полинуклеотидов. В значительных количествах присутствуют изомеры с неприродными химическими связями, которые никогда не встречаются в живых клетках.

Постулируя нуклеиновую схему, легко получить реплицирующиеся системы, используя, например, полиматрицу аденин-цитозин, которая будет направлять синтез полинуклеотида урацил-гуанин в соответствии с правилом Чаргаффа, и наоборот.

Очень интересен вопрос о том, какого уровня организации может достичь система без синтеза белка и соответственно репликации нуклеиновых кислот.

Здесь Оргел выдвигает ряд интересных идей. Он подчеркивает, что одноцепочечные нуклеиновые кислоты, имея определенную пространственную структуру, могли бы обладать каталитическими функциями. С другой стороны, кажется весьма вероятным, что полинуклеотидные цепи могли осуществлять некоторый отбор среди аминокислот, образуя с ними стереоспецифические комплексы. Но это тоже своего рода тупик, потому что без белков все-таки жить нельзя.

Таким образом, возможность протеиновой жизни ограничена невозможностью достижения уровня генетического механизма, а нуклеиновая жизнь ограничена собственной химической инертностью.

Центральная проблема — возникновение кода, в котором тесно связаны генетический нуклеиновый и функциональный белковый аппараты клетки.

Оргел указывает на очень интересную возможность пути возникновения эволюционирующей системы. Если гипотетический полипептид, состоящий из аминокислот… глицин, аланин, глицин, аланин… и так далее, ускоряет матричную репликацию полимеров, содержащих, например, аденин и урацил, то система, содержащая полиматрицу аденин-урацил, аминокислоты и транспортные РНК, способна развиваться, могут образовываться новые полипептиды.

Можно, по-видимому, разработать немало модификаций такой схемы, но прежде всего хочется сделать небольшое резюме. Основная ценность работ Крика и Оргела состоит в том, что ни тот, ни другой не оставляют места необоснованному оптимизму в решении проблемы происхождения жизни. Грандиозная трудность проблемы возникновения кода и его эволюции исключительно наглядно и убедительно продемонстрирована в этих работах.

Именно удивительное свойство универсальности кода и приводит нас к выводу, что современный механизм наследственности сформировался за поразительно короткий промежуток времени (по сравнению с «возрастом» живых систем) — менее одного миллиарда лет. Этот факт сильно затрудняет решение проблемы происхождения жизни.

Где механизмы-предшественники? Их, к сожалению, нет.

Вот если бы удалось показать возможность прямого синтеза белка на ДНК-матрице, это было бы огромным достижением. Мы смогли бы тогда получить сведения об эволюционном развитии современного матричного синтеза белка. Но сегодня существуют, к сожалению, лишь косвенные данные о возможности прямого синтеза белка на органических матрицах.

Как бы то ни было, сейчас уже видно несколько направлений для работ в области молекулярной эволюции. Можно было бы, скажем, посмотреть, как ведут себя и как взаимодействуют короткие полипептидные и полинуклеотидные цепочки.

Возьмем, к примеру, декапептид — пептид, состоящий из 10 аминокислотных остатков. Предположим дополнительно, что сначала при построении пептидов использовалось не двадцать, а всего лишь семь аминокислот.

Можно с полной уверенностью сказать, что в смеси, содержащей семь аминокислот, будет образовываться не 7¹⁰ декапептидов с равной вероятностью каждый, а гораздо меньше. Хотя бы потому, например, что одной аминокислоты окажется больше, чем другой. В таком случае синтез декапептида пойдет уже не только по вероятностным законам, но будет определяться и такими факторами, как концентрация аминокислот в реакционной смеси, кислотность среды и так далее. И может случиться, в этой смеси будут синтезироваться не миллиарды, а только десятки разных типов декапептидов, что уже вполне поддается экспериментальной проверке.

И вот тут-то можно наткнуться на очень интересные вещи: декапептид вполне может обладать каталитической активностью.

Предположим, что он способствует полимеризации нуклеотидов, то есть работает как синтетаза. Тогда нам удастся запустить механизм репликации. Эта пока спекулятивная идея, конечно же, нуждается в проверке. Отметим, что подобные опыты уже ведутся.

Особенно внушительные экспериментальные подходы были разработаны в лаборатории того же Фокса. Не будем сейчас обращать внимания на то, в какой мере эти опыты соответствуют условиям примитивной Земли, отметим, что они имеют исключительное значение для изучения проблемы происхождения жизни.

Фоксу удалось установить, что уже на стадии термического синтеза аминокислот возникает исключительно важное свойство органических молекул: свойство самоупорядоченности или самоорганизации, которое в данном конкретном случае (синтез протеноида) проявляется в том, что соотношение аминокислот в исходной реакционной смеси сильно отличается от аминокислотного состава синтезированного полимера. Это свидетельствует, что включение аминокислот в полимер происходит не статистически и существует некоторая избирательность, являющаяся прямым следствием химических свойств самих аминокислот.

Еще раз напомним, что полученные полимеры обладают рядом свойств, которые указывают на их известную общность с природными белками. Это в первую очередь качественный и количественный аминокислотный состав протеиноида, в общем-то идентичный среднему аминокислотному составу белка; молекулярные веса, соответствующие молекулярным весам небольших белковых молекул; растворимость, схожая с растворимостью белков, и ряд других свойств, среди которых, конечно же, одно из основных — каталитическая активность.

Правда, каталитическая активность протеиноидов весьма слаба, однако это свойство могло бы закрепляться в процессах молекулярного отбора. Наиболее важным свойством протеиноидов является их способность образовывать в растворе морфологические единицы, протеиноидные микросферы. Нужно только отдавать себе полный отчет в том, что в протеиноидных микросферах отсутствует направленный синтез биополимеров и кодирующая система. Поэтому их, бесспорно, нельзя считать живыми системами.

Исключительную важность представляют эксперименты, в которых делаются попытки моделировать начальные пути биосинтеза белка.

Фокс исследовал взаимодействие полиаминокислот и мононуклеотидов. В процессе этих опытов удалось установить, что полиаргинин по-разному взаимодействует с аденином и урацилом. Точно так же и полилизин по-разному реагировал на различные типы нуклеиновых оснований.

Ну чем не начало кодирования? Конечно, на самом примитивном уровне.

В лаборатории Фокса изучалось и взаимодействие термически синтезированных протеиноидов, образующих морфологические структуры с различными полинуклеотидами. В результате этих исследований было установлено, что протеиноид определенного типа имеет различное химическое сродство к разным полинуклеотидам. Они объединились, и вновь образованные структуры можно было бы рассматривать как предшественники рибосом, прарибосомы.

Данные некоторых опытов, проведенных в лаборатории Фокса, свидетельствуют о возможном дорибосомальном механизме трансляции.

Конечно, эти эксперименты нужно расценивать как первые шаги в новой области добиологического синтеза — моделировании динамических процессов. Основная трудность здесь в том, что в лабораторных экспериментах концентрации реагентов могут очень сильно отличаться от реальных природных концентраций, соответствующих геологическим и геохимическим условиям, которые существовали на примитивной Земле около 4 миллиардов лет назад. Пока именно это обстоятельство кажется наиболее уязвимым местом в изложенных выше результатах.

Тем не менее мне думается, что именно теоретическое и экспериментальное моделирование динамических клеточных процессов — самое важное направление в работах по проблеме происхождения жизни.

Вряд ли кто-нибудь, даже самый большой оптимист, считает, что в ближайшее время удастся синтезировать живой организм, однако мне кажется, что именно усилия в изучении эволюции механизмов репликации и синтеза уже в ближайшее время, несомненно, принесут большие открытия.

Попробуем немного пофантазировать и представить себе гипотетическую последовательность событий, которые могли иметь место на примитивной Земле после того, как сформировалось достаточное количество предшественников белков.

Исходная посылка состоит в том, что до возникновения нуклеотидов и полинуклеотидов шла продолжительная эволюция пептидов и полипептидов. Бесспорно, что параллельно происходило образование других классов биологически важных соединений, в том числе предшественников нуклеиновых кислот. Однако в любой момент времени концентрация полипептидов была заметно больше концентрации полинуклеотидов.

Здесь мне хотелось бы обратить внимание на хорошо известный биологам механизм, не требующий в принципе участия нуклеиновых кислот, — механизм самосборки. Вполне можно предположить, что на ранних этапах эволюции самосборка происходила автономно. Характерным примером является самосборка низкомолекулярного белка грамицидина, не требующая генетического контроля.

Сейчас есть все основания считать, что процесс самосборки был определяющим при образовании примитивных клеточных мембран, которые могли состоять из полипептидов и предшественников липидов. На этой ступени эволюции появились первые морфологические единицы, которые еще нельзя назвать клетками, — это были просто микросферы. Но с возникновением таких микросфер стала возможна дальнейшая эволюция биополимеров.

Обладая большой концентрационной способностью, микросферы резко ускорили ход химических реакций. Нельзя исключить, что на примитивных мембранах начались процессы синтеза полинуклеотидов, которые катализировались полипептидами, входящими как составные части в примитивную мембрану.

Таким образом, на этом этапе мог бы осуществляться процесс протобелок → протонуклеиновая кислота.

С появлением первых матриц мог начаться в том или ином виде прямой матричный синтез полипептидов. Достаточно было появления полипептида, который умел хотя бы немного «помогать» процессу репликации, и тогда сразу же мог возникнуть другой процесс: процесс снятия копий — начало протожизни.

Эти предклетки должны были обладать достаточной устойчивостью к воздействию внешних условий. Они должны были иметь свое и весьма продолжительное «время жизни».

Процесс репликации мог происходить и без участия ферментов, просто за счет изменения параметров среды, например, изменения температуры или кислотности раствора.

Схемы эволюции можно представить следующим образом: сначала был первичный океан. Затем под воздействием источников энергии на атмосферу и переноса продуктов реакций образовался разбавленный раствор мономеров. Потом в результате медленной эволюции возникла жизнь. Это классическая схема зарождения жизни в океане.

Возможен и другой вариант, связанный, например, с районами активной вулканической деятельности. В этом случае последовательность событий можно представить так. В некоторых локальных областях образуется концентрированный раствор мономеров (аминокислот и так далее). Мы уже видели, что вполне возможны реакции полимеризации этих мономеров. Следующим этапом является концентрирование полимеров на минералах. Это дает возможность для образования протоклеток и «включения» механизмов самосборки. Затем происходит дополнительное концентрирование органического материала в протоклетках.

Именно на этой стадии возникает примитивный прямой матричный механизм. Природа слепа, она работает методом проб и ошибок. С того момента, как она «нашла» прямое матричное копирование, могли пройти еще многие миллионы лет, прежде чем возник современный вариант трансляционного механизма.

В рамках этой схемы тоже очень трудно представить себе, как могли возникнуть трансляция и код и почему код оставался неизменным в течение 3,5 миллиарда лет. «Глядя» на генетический код, невольно думаешь о том, что в какой-то момент времени природа получила удовлетворение от своей работы и сочла этот этап своей деятельности завершенным.

Стратегическое направление исследований — изучение возникновения динамической организации — сейчас на начальной стадии. Слишком много сегодня нерешенных вопросов в этой области. Полезно их перечислить.

Как возникло кодовое соответствие между полинуклеотидами и полипептидами?

Как возникла транскрипция и трансляционный аппарат?

Как возник информационный поток между полимерами?

Как возникло сопряжение механизмов транскрипции и трансляции?

В биологии XX века произошла революция: родилась новая наука — молекулярная биология.

Бесспорно, начало этой революции следует приурочить к определению структуры ДНК. Крик назвал это событие «концом начала». Когда устанавливали структуру генетического кода, Крик сказал, что это — «начало конца». Он имел здесь в виду, что главное в молекулярной биологии уже сделано. С этим вряд ли можно согласиться.

Величайшая загадка молекулярной эволюции еще ждет своего решения. Сегодняшний день в проблеме происхождения жизни — начало начал.

Во всяком случае, проблема возникновения оптической активности не кажется сегодня столь загадочной, и можно уверенно констатировать, что наметились конкретные пути решения.

Совсем другое дело — загадка происхождения генетического кода. Трудности на этом пути столь велики, что даже в настоящее время возникают идеи о внеземном происхождении земной жизни.

Так, совсем недавно Ф. Крик и Л. Оргел с учетом космологических данных ревизовали модель панспермии и предложили модель так называемой направленной панспермии, в которой возникновение жизни на Земле объясняется целенаправленной деятельностью цивилизаций, возраст которых больше возраста Солнца.

Бесспорно, что, пока не будет решена проблема возникновения генетического аппарата в чисто философском аспекте, мы не можем полностью отвергать идею панспермии, в какой бы форме она ни предлагалась. Однако нужно помнить о том, что эта идея не дает решения проблемы возникновения жизни в целом, относя его в другое место и в другое время.

Нужно сказать, что в чисто философском плане эта модель представляет интерес как пример труднодоказуемого и также трудноопровергаемого предположения.

Ортодоксальная теория панспермии, выдвинутая впервые Аррениусом и развитая впоследствии другими учеными, заключается в том, что жизнь была занесена на Землю в виде спор внутри метеорита внесолнечного происхождения. В такой форме теория приводит к экстремально низким вероятностям зарождения жизни вследствие чрезвычайно малой частоты подобного рода событий.

Крик и Оргел считают последнюю точку зрения ошибочной, поскольку могли существовать планеты другого типа, чем Земля. На этих планетах каталитическая активность минералов (и это особенно важно для возникновения живых систем) могла сильно отличаться от земной. Такие планеты могли существовать задолго до образования Земли.

Авторы принимают, что время существования Галактики — 13 миллиардов лет, и спустя 2 миллиарда лет после возникновения Галактики могли появляться звезды, которые содержали не только легкие, но и тяжелые элементы.

Таким образом за 6,5 миллиарда лет до образования нашей солнечной системы могли возникнуть планетные системы, в которых были планеты типа Земли.

Поскольку время, в течение которого на Земле возникла технологически развития цивилизация, меньше 4 миллиардов лет, то даже до образования Земли как планеты в Галактике могли существовать высокоразвитые технологические цивилизации.

На основании этих астрофизических данных Крик и Оргел предполагают, что жизнь на Земле возникла в результате заражения нашей планеты микроорганизмами, специально посланными высокоразвитой цивилизацией для осеменения планет, потенциально пригодных для жизни. Для этой цели был использован автоматический космический зонд.

Исходя из ближайших возможностей нашей собственной цивилизации, нетрудно убедиться, что создание такого космического корабля вполне реальная задача. При полезной нагрузке в одну тонну можно послать десять образцов по 10¹⁶ микроорганизмов в каждой или 100 образцов по 10¹⁵ клеток. Нет никакой необходимости ускорять корабль до очень больших скоростей, так как время в астрономическом плане не является лимитирующим фактором. Радиус нашей Галактики составляет приблизительно 10⁵ световых лет, и, таким образом, в принципе за 10⁸ лет автоматический корабль может достигнуть границ Галактики, если его скорость составляет 0,001 от скорости света.

Здесь неясным моментом является вопрос о сохранности зародышей в течение времени порядка 10⁶–10⁸ лет. Однако, если сохранять споры при температурах, близких к абсолютному нулю, эта трудность может быть разрешена.

Таким образом, Крик и Оргел не считают невероятным появление жизни на Земле именно таким путем. В защиту своей позиции они выдвигают следующие аргументы.

Химический состав живых систем должен хотя бы в некоторой степени отражать условия их возникновения и развития. Поэтому наличие в земных формах жизни редких элементов может свидетельствовать об их внеземном происхождении.

Авторы считают, что молибден является свидетелем внеземного происхождения нашей земной жизни. Процентное содержание хрома, никеля и молибдена составляет на Земле 0,2; 3,16 и 0,02 процента соответственно. И хотя первые два элемента не играют в биохимии практически никакой роли, молибден принимает участие во многих ферментативных реакциях.

Если бы удалось показать, что элементы, представленные в земных организмах, коррелируют с содержанием элементов в так называемых «молибденовых» звездах, это послужило бы серьезным доказательством в пользу выдвигаемой гипотезы. Однако этот аргумент не выдерживает критики в силу того, что нужно рассматривать не процентное содержание элементов в массе Земли в целом, а степень их концентрирования в живых системах по сравнению с их концентрациями в земной коре или морской воде. Тогда оказывается, что молибден не занимает никакого особенного положения по сравнению, например, с фосфором.

Гораздо более серьезным аргументом в пользу этой гипотезы является проблема универсальности генетического кода, поскольку в настоящее время не существует сколь-либо удовлетворительной теории, объясняющей возникновение кода и его универсальность. Поэтому гипотеза направленной панспермии, постулирующая возникновение всех форм земной жизни от одного внеземного микроорганизма, наиболее легко и естественно «расправляется» с этой загадкой.

Правда, перенося решение проблемы возникновения жизни в другое место и время, эта гипотеза не дает никаких позитивных путей для решения интересующей нас задачи.

Действительно, пусть 13 миллиардов лет назад был Большой Взрыв, а спустя 2 миллиарда лет начали образовываться звезды и планеты. И пусть на какой-то планете возникла жизнь. Но задача науки состоит именно в том, чтобы объяснить, как эта жизнь возникла, где бы это ни случилось: на Земле или какой-то другой планете.

Бесспорно, что гипотеза внеземного происхождения жизни, одним из авторов которой является крупнейший ученый современности Ф. Крик, лишний раз свидетельствует об огромной сложности проблемы зарождения жизни и, в частности, проблемы возникновения генетического кода. Однако в научном плане ее вряд ли можно считать плодотворной, хотя в принципе нельзя исключить внезапного пересмотра наших представлений вследствие выхода человека в Космос.

Отметим, что, если встать на позиции теории направленной панспермии, вероятность существования жизни во Вселенной резко повышается, так как каждой «зеленой» планете можно приписать вероятность присутствия жизни на ней, равной 1.

В этом случае жизнь во Вселенной — явление очень распространенное. Но где тогда эта сверхцивилизация, которая «тиражировала» жизнь в нашей Галактике?

Ведь эта цивилизация должна быть на миллиарды лет старше нас. Жива ли она до сих пор или погибла в результате какой-нибудь космической катастрофы?

Только ли на Земле могла эта цивилизация оставить зародыши жизни?

Быть может, космические автоматы посещали подряд все планеты солнечной системы и на далеких внешних планетах — Уране, Нептуне и Плутоне тоже были оставлены «семена» жизни. За миллиарды лет с ними могли произойти удивительные изменения.

Недаром, когда ученые начали планировать эксперименты по поиску жизни на Марсе, одним из основных требований, выдвинутых биологами, было требование о стерилизации всей научной аппаратуры и космического корабля. Все детали были «прожарены» при температуре около 130 градусов Цельсия.

Подобные предосторожности были предприняты для того, чтобы не привести возможные инопланетные формы жизни в контакт с земной микрофлорой. Ведь в результате этого контакта инопланетная жизнь могла бы быть уничтожена. С другой стороны, хорошо известно, что при возвращении с Луны американские космонавты проходили весьма продолжительный карантин.

Отметим еще одно обстоятельство. Если правы Крик и Оргел, жизнь в Галактике должна быть построена по единому образцу.

По всей видимости, дальнейшие, более глубокие исследования планет помогут в известной мере приблизиться к решению проблемы возникновения и существования внеземных форм жизни. Именно поэтому в решении Бюраканской конференции подчеркнута важность экспериментов по поиску жизни на других планетах солнечной системы.

Со времен открытия знаменитых каналов на Марсе человечество мучил вопрос о жизни на этой планете. Никто не сомневался, что она существует, причем жизнь разумная. Казалось, что предметом обсуждения является лишь метод установления контактов с марсианами, а также вопросы их биологии, архитектуры марсианских городов и так далее. Правда, в последние годы оптимизм в отношении жизни на Марсе у большинства ученых в результате космических экспериментов сильно поубавился.

Здесь, в общем, случилась такая же история, как и с Венерой, когда получение новой информации привело к пересмотру установившихся взглядов.

Но сначала поговорим о природных условиях Марса. Атмосфера этой планеты весьма разрежена по сравнению с атмосферами Земли и Венеры и давление у поверхности оценивается величиной, почти в сто раз меньшей, чем у поверхности Земли. Основной составляющей атмосферы является углекислый газ. В качестве малых примесей есть аргон, азот и кислород. Оказалось, что аргон на Марсе не такой, как на Земле.

Аргон в земной атмосфере состоит из нескольких изотопов, причем больше всего аргона, который произошел от распада радиоактивного калия с атомным весом 40. На втором месте — нерадиогенный изотоп аргона с атомным весом 36.

А на Марсе радиогенного аргона гораздо больше, чем нерадиогенного. Это может означать лишь одно. Все процессы дегазации, образования атмосферы шли менее интенсивно, чем на Земле, и поэтому первичного, нерадиогенного азота в атмосфере Марса меньше, чем в атмосферах Земли и Венеры.

Вообще говоря, определение концентраций благородных газов в атмосферах планет исключительно важно именно для изучения эволюции планеты, так как сравнение содержания благородных газов в метеоритах и планетах дает возможность судить о термической истории планет и эволюции их атмосфер.

Температуры поверхности Марса весьма низки и составляют на полюсах величину порядка –140 градусов Цельсия, а на экваторе в дневное время достигают 28 градусов. Поверхность Марса имеет красноватый оттенок, что связано с наличием на ней окислов железа. Нельзя исключить, что здесь могут идти процессы фотохимического синтеза простых органических молекул, поскольку поверхности Марса достигает ультрафиолетовое излучение Солнца.

Для проверки этого предположения были проведены некоторые эксперименты. Они продемонстрировали образование альдегидов в условиях, моделирующих марсианский климат. Однако если альдегиды и присутствуют на поверхности Марса, концентрация их очень мала, не более 0,0000001 грамма на квадратном сантиметре.

В результате полетов к Марсу автоматических станций выяснились чрезвычайно интересные особенности рельефа этой планеты. На фотографии, полученной с автоматической станции «Маринер-9», отчетливо видно образование, напоминающее русло высохшей реки. Позже автоматические станции «Викинг» подтвердили это другими снимками. Эти фотографии вызывают недоумение в первую очередь потому, что, с одной стороны, атмосферное давление слишком низко, чтобы могли существовать открытые водоемы, а с другой стороны, на Марсе очень часты пыльные бури, и поэтому за геологические времена русла бывших рек должны были бы просто исчезнуть под слоем пыли.

Именно с этой точки зрения большой интерес представляют гипотезы периодических изменений климата Марса. Остановимся на них несколько подробнее, поскольку именно они оставляют еще некоторые надежды для поиска жизни на Марсе. Действительно, в нынешних условиях трудно ожидать, что Марс — зеленая планета. На ее поверхность падает гибельный для земных форм жизни поток ультрафиолета, а низкие средние температуры и малые количества воды делают очень и очень сомнительной возможность зарождения и существования даже примитивных форм жизни на этой планете.

Возможны, правда, локальные изменения подобных условий. Смягчение экологии можно ожидать, например, в районах активного вулканизма на Марсе. Но существуют другие модели — модели временных изменений климата планеты.

Если наблюдать Марс в телескоп, легко можно заметить, как каждый год летом испаряется южная полярная шапка. В то же время северная полярная шапка площадью около 100 тысяч квадратных километров никогда не тает до конца.

При таянии южной полярной шапки частично обнажаются кратеры, и поэтому можно провести приблизительную оценку ее толщины. Эта оценка дает значение многих десятков метров, причем можно думать, что на южном полюсе есть районы с еще большей глубиной снежного покрова. Толщину северной полярной шапки трудно оценить на основании наблюдательных данных. И тем не менее некоторые ученые считают, что толщина ледяного покрова для весеннего остатка северной шапки достигает одного километра.

Если предположить, что средняя плотность ледяного покрова составляет 1 грамм в кубическом сантиметре, то при испарении остатка северной полярной шапки можно получить очень плотную атмосферу, как на Земле. Тогда-то, естественно, и появляется возможность существования открытых водоемов на планете. Вода в атмосферу и на поверхность Марса может поставляться и из слоя вечной марсианской мерзлоты во время периодических потеплений. Расчеты показывают, что марсианская весна должна наступать каждые 20–50 тысяч лет.

Конечно же, мы должны учитывать не только глобальные изменения климата Марса. На нем могут быть оазисы, где в принципе возможна жизнь. Самый большой из известных вулканов в солнечной системе Nix Olimpica находится на Марсе, и есть все основания предполагать, что на этой планете вулканизм — постоянно действующий фактор. Вот в этом случае на поверхности Марса и могут быть оазисы, в которых, возможно, даже сейчас живут примитивные микроорганизмы.

Несколько слов по поводу сезонной волны потемнения, которую в течение ста лет связывали с цветением марсианской растительности. Потемнение поверхности Марса начинается весной. Волна потемнения движется от полярных шапок к экватору со скоростью около 30 километров в сутки. (Термин «потемнение» не совсем точный. На самом деле астрономы наблюдают возрастание контрастности различных участков поверхности Марса.) Сейчас возможность образования волны потемнения за счет биологических процессов исключена. Ее наиболее убедительно объясняет изменение сезонных ветровых режимов Марса с учетом переноса пылевых частиц. Именно сезонный перенос пыли изменяет контраст различных участков поверхности Марса.

Однако окончательное заключение о биогенности Марса можно сделать лишь после очень широкого круга экспериментов по поиску жизни на этой планете.

Проблеме поисков жизни на Марсе последние 15 лет уделялось очень большое внимание, и поэтому остановимся на ней несколько подробнее. Планирование экспериментов по поиску жизни — весьма сложная задача, так как очень трудно, если не невозможно, указать какой-либо единый, универсальный признак, однозначно характеризующий живую систему. Поэтому принципиальный этап в научной программе поиска инопланетных форм жизни — выработка критериев, которые, с одной стороны, достаточно полно характеризовали бы живую систему, а с другой — могли служить удобной основой для разработки соответствующих методов обнаружения инопланетной жизни.

Выработка такого комплекса критериев аналогична выработке некоторой «модели» живой системы. Безусловно, что такая «модель» имеет ряд существенных ограничений и не будет полностью соответствовать реальной живой системе. Тем не менее на современном этапе поиска инопланетных форм жизни такого рода подход можно считать оправданным.

Для характеристики собственно живых систем на любом уровне их иерархии нужно иметь в виду прежде всего два самых существенных свойства живого: во-первых, обмен веществ (метаболизм), и, во-вторых, способность к самовоспроизведению, или размножение.

Эксперименты по искусственному синтезу биологически важных соединений доказали возможность образования в лабораторных условиях веществ, жизненно необходимых для любых организмов и получавшихся ранее только в процессе биосинтеза. Лабораторные синтезы некоторых соединений идут в присутствии интенсивного потока ультрафиолетовых лучей, и, поскольку на поверхность Марса попадает значительное количество ультрафиолета, не исключена возможность, что на поверхности Марса есть органические соединения абиогенного происхождения.

Эта задача очень интересна сама по себе и тесно связана с возможностью существования жизни на планете. Поэтому-то все программы по изучению Марса и планировались таким образом, чтобы искать на его поверхности и собственно живые системы, и органические молекулы.

Во второй половине 1976 года на поверхность Марса были доставлены две американские автоматические станции — «Викинг-1» и «Викинг-2», оснащенные научной аппаратурой, предназначенной для изучения поверхности и атмосферы планеты. И все-таки, по словам руководителей проекта «Викинг», задачей номер один был поиск жизни на Марсе. Вообще говоря, информация, которая была собрана о Марсе еще до «Викингов», не противоречила возможности существования здесь простейших форм жизни. Однако уточнение природных условий планеты, которое входило в программу экспедиции, имело огромное значение не только для решения поставленной «сверхзадачи».

«Викинги» выполнили множество экспериментов, среди которых одним из главных было фотографирование марсианской поверхности. Снимки, сделанные с орбитальных аппаратов и непосредственно с посадочного модуля, содержат очень ценную научную информацию. Например, перед выбором места посадки «Викингов» были тщательно исследованы участки планеты площадью около 4,5 миллиона квадратных километров. Это позволило получить новые сведения о строении поверхности Марса.

Фотографии запечатлели лавовые потоки и кратеры, причем некоторые явно отличаются от метеоритных. Значит, на Марсе, по крайней мере в прошлом, действовали вулканы. Снимки еще раз подтвердили, что на поверхности планеты есть структуры, которые можно истолковать как следы водных потоков или ледников.

Мы уже говорили о том, что климат на Марсе не всегда был таким, как сегодня. Однако если в прошлом на Марсе были реки и ледники, то куда исчезла вода сегодня?

Многие исследователи полагают, что сейчас на Марсе существует мощный слой (многие сотни метров) вечной мерзлоты. И вот, как бы в подтверждение этой точки зрения, при анализе фотографий поверхности удалось установить, что на склонах некоторых метеоритных кратеров застыли многокилометровые «селевые потоки». Судя по всему, при ударе метеорита о поверхность планеты мерзлый грунт нагревается и тает, и потоки грязи стекают по склону кратера, оставляя характерные следы.

Предварительный анализ полученных данных позволяет считать, что атмосфера Марса в прошлом была более плотной. Если эти данные верны, то Марс действительно претерпевал за свою историю значительные изменения климата.

Центральными экспериментами «Викингов» были эксперименты по поиску жизни на Марсе. Эксперименты делились на две группы.

Первая группа — анализ проб грунта на присутствие в нем органических молекул. Эти опыты проводили при помощи бортового хроматомасс-спектрометра весьма высокой чувствительности: многие соединения выявляются этим прибором даже в том случае, если они присутствуют в пробе в количестве, меньшем чем одна часть на миллиард.

Что же это за прибор? Он представляет собой хроматографическую разделительную колонку, соединенную со входом в ионный источник миниатюрного масс-спектрометра. Начальный участок колонки связан с печкой, в которой сжигаются пробы марсианского грунта.

При сжигании сложных органических соединений обычно образуются летучие вещества — нитрилы, альдегиды, бензол и другие достаточно простые продукты. Попадая все вместе в хроматографическую колонку, они выходят из нее в различное время, и поэтому масс-спектрометр анализирует уже не сложную смесь веществ, а индивидуальные простые соединения, спектры которых хорошо известны.

Руководители программы «Викинг» исходили из естественного предположения, что если жизнь на поверхности Марса существует, то ей должны сопутствовать достаточно сложные органические соединения. Действительно, на Земле мы почти всегда встречаем продукты распада и жизнедеятельности микрофлоры. Поэтому органические остатки на поверхности нашей планеты есть практически повсеместно.

Но очень чувствительный прибор на «Викингах» не обнаружил в грунте никаких органических молекул. Было зафиксировано лишь присутствие воды в совсем малых дозах — 0,1–1 процент. Эти результаты (они были одними из первых, переданных на Землю) нанесли сильный удар по оптимизму сторонников «жизни на Марсе». Ведь исследователи рассчитывали обнаружить на поверхности Марса хотя бы продукты абиогенного синтеза. Мы уже говорили, что альдегиды, например, в принципе могут образовываться из атмосферных компонентов под действием ультрафиолетового излучения. Правда, концентрация таких соединений должна быть очень низкой, поскольку создающий их ультрафиолет оказывает одновременно и сильное разрушающее действие.

Поэтому руководители программы решили «копнуть глубже» — взять пробу на анализ из-под камня, где органические соединения защищены от ультрафиолета и должны были бы сохраниться. Но и здесь ученых постигла неудача. В этой пробе органики также не было.

Казалось, вопрос решен: Марс — биологически мертвая планета. Но тут на Землю стала поступать информация, получаемая в результате других экспериментов, чисто биологических. Этих экспериментов было три.

Первый состоял в изучении фотосинтетического усвоения гипотетической марсианской микрофлорой меченых ¹⁴CO₂ и ¹⁴CO. Пробы грунта поместили в небольшой замкнутый объем (камеру). В камере был смонтирован миниатюрный осветитель, имитирующий солнечный свет, а внутрь вместо марсианского воздуха вводились ¹⁴CO₂ и ¹⁴CO. Авторы этого эксперимента предполагали, что если в пробе грунта содержатся микроорганизмы, то они могут под действием солнечного света усваивать ¹⁴CO₂ и ¹⁴CO, включая в молекулы клеточного вещества радиоуглерод из газовой фазы.

После экспонирования образцов грунта на свету они подвергались постепенному нагреванию. Сначала при нагревании и продувке инертным газом удалялись все исходные и сорбированные газы. Затем температура повышалась до 600 градусов Цельсия, и происходило термическое разложение гипотетических марсианских микроорганизмов, при котором должна была бы выделяться углекислота с радиоуглеродом, перешедшим в состав этих организмов из исходной газовой фазы. Для фиксации меченого радиоуглерода служил счетчик радиоактивности, который и зарегистрировал искомый сигнал. Контрольный образец, прошедший предварительную термическую обработку, дал отрицательный результат.

Во втором эксперименте изучали хорошо известный для земных условий факт «дыхания грунта». Если взять образец грунта и увлажнить его, то все процессы жизнедеятельности микроорганизмов здесь как бы усиливаются, активнее выделяются газы: азот, углекислота, кислород. Приборы «Викингов» зарегистрировали выделение из увлажненной пробы кислорода и углекислоты.

В третьем опыте к пробе грунта добавлялась питательная жидкая среда, содержащая меченые радиоактивные соединения — аминокислоты, лактат и прочие. Этот метод широко используют микробиологи для изучения обмена веществ у земной микрофлоры. Микроорганизмы, усваивая эти соединения, окисляют их до углекислоты, которая радиоактивна, так как содержит ¹⁴C. На «Викингах» счетчики радиоактивности зарегистрировали рост счета импульсов, что может свидетельствовать о присутствии в пробе микрофлоры.

Хорошо известно, что каждый биологический эксперимент требует контроля. Как были организованы контрольные опыты на «Викингах»? Те же самые процедуры, о которых мы только что говорили, дублировались на образцах, предварительно нагретых до 170 градусов Цельсия. Если в этих пробах и была жизнь, построенная по земному образу и подобию, то она была уничтожена при нагревании. Значит, все процессы обмена и усвоения не должны были происходить, и соответственно нельзя в этом случае было ожидать сигналов от датчиков во всех трех биологических экспериментах.

Так вот, самым интересным было то, что сигналы от датчиков в опытах с предварительно простерилизованным при температуре 170 градусов Цельсия образцом отсутствовали.

Итак, налицо противоречие. Хотя кривые, фиксирующие выделение ¹⁴CO₂, и непохожи на те, которые получаются на Земле, но рост количества меченой углекислоты очевиден, и вся серия биологических экспериментов как будто не согласуется с хроматомасс-спектрометрическим анализом.

Попробуем разобраться в этом противоречии. Здесь открываются, по крайней мере, две возможности.

Первая состоит в том, что следует принять вывод: жизни на Марсе нет (по крайней мере, в местах посадки «Викингов»). В этом случае результаты биологических экспериментов могут быть объяснены следующим образом: меченые соединения, содержавшиеся в жидкой питательной среде, были окислены до ¹⁴CO₂ чисто неорганическим путем.

Дело в том, что из-за отсутствия на Марсе защитного озонового экрана на поверхность планеты падает поток жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. При облучении ультрафиолетом минералы Марса сильно могут изменять свои свойства. На их поверхности могут образовываться активные центры, придающие минералам свойства сильных катализаторов, ускоряющих разнообразные химические реакции.

Вторая возможность — сделать вывод, что жизнь на Марсе есть.

Но как же отнестись в этом случае к результатам хроматомасс-спектрометрии? Объяснение может быть найдено и тут.

Если концентрация клеток в марсианском грунте низка, например, как у нас в Антарктике, хроматомасс-спектрометры «Викингов» могли не почувствовать этих клеток. А биологические тесты? Они нацелены на изучение результатов длительного процесса, когда даже одна клетка может изменить состав питательной среды.

Представим себе такую ситуацию: марсианские микроорганизмы находились в анабиозе. Они «проснулись» в посадочном модуле «Викинга» в условиях земной питательной среды и стали поглощать незнакомую пищу. Началось выделение ¹⁴CO₂ в газовую фазу. Но пища оказалась неприемлемой для инопланетной микрофлоры. Марсианские микроорганизмы погибли. Прирост меченой углекислоты прекратился.

Как мы видим, интерпретация результатов может быть взаимоисключающей.

Возникает естественный вопрос: можно ли было предусмотреть ситуацию, когда один эксперимент (хроматомасс-спектроскопия) говорит с определенностью «нет», а другие (биологические) говорят «возможно»?

Об этом судить сейчас очень трудно. Руководители программы «Викинг» провели громадную многолетнюю подготовительную работу, проверяя все приборы в крайне суровых климатических районах Земли. Мысль об особых свойствах поверхности Марса возникла лишь после получения информации с «Викингов»…

Так или иначе, строгого ответа на вопрос, есть ли жизнь на Марсе, «Викинги», к сожалению, не дали.

Ну а если на Марсе нет жизни? Остаются еще какие-либо надежды?

Из планет, расположенных от Солнца на большем расстоянии, чем Марс, наибольший интерес представляет Юпитер. Этот гигантский газовый шар по объему в тысячу раз больше Земли. Огромная масса Юпитера обусловливает своеобразие его химического состава. Основной компонентой является молекулярный водород.

Сильно восстановительная атмосфера Юпитера открывает интересные возможности для образования и накопления сложных органических молекул. Цветные фотографии, полученные с американских зондов «Пионер-10» и «Вояджер», подтверждают подобные возможности. На этих фотографиях мы видим отчетливо окрашенные детали. По-видимому, подобное явление можно объяснить лишь возникновением специфических органических соединений.

Образование полимерного материала, по цвету похожего на Большое красное пятно Юпитера, было продемонстрировано в лабораториях американских ученых К. Сагана и С. Поннамперумы. Этот полимер синтезировался в результате воздействия ультрафиолетового излучения на смесь газов, моделирующую атмосферу Юпитера. Опыты, проведенные в лаборатории автора этой книги, в которых изучалось воздействие электрических разрядов на модельную атмосферу Юпитера, показали, что там может быть и цианистый водород и аминокислоты.

На Юпитере мощные облака, и, по всей видимости, именно район облачного слоя Юпитера наиболее благоприятен для синтеза органических молекул.

Самый сложный вопрос, как сохранить эти молекулы. Недра Юпитера очень горячие, а атмосфера все время перемешивается. Поэтому органические молекулы уносятся потоками внутрь Юпитера и разрушаются. Принципиальным здесь является то обстоятельство, что, если в атмосфере Юпитера есть район с постоянной по высоте температурой, это должно способствовать стабилизации и сохранности органических молекул. Это же замечание относится также к Сатурну, Урану и Нептуну.

Несостоявшаяся звезда, как часто называют Юпитер, не очень подходящее место для зарождения жизни. Делать какие-то очень категорические заключения мне не хотелось бы, но вряд ли на других дальних планетах мы сумеем обнаружить что-либо интересное в плане биологии.

Так что же? Неужели никаких шансов найти хотя бы простейшие формы жизни на других планетах нет?

Конечно, экспедиция «Викингов» к Марсу принесла сторонникам жизни на этой планете известное разочарование. Тем не менее мы должны помнить, что однозначного ответа на вопрос эти экспедиции не дали. Когда будут повторены подобные эксперименты, сказать трудно. Загадка жизни на Марсе еще многие годы будет интриговать человечество. Но уже сегодня ясно, что если жизнь на Марсе и есть, то биосфера этой планеты очень и очень «слабая». Такая же, как, скажем, у нас в Антарктиде: единичные микроорганизмы в грунте.

И тем не менее задача не теряет своего интереса: а вдруг там, на Марсе, мы найдем недостающее звено генетического кода? Решение одного этого вопроса окупило бы все космические запуски к Марсу.

Но неужели только Марс?

Несколько лет тому назад американские астрономы Д. Крюйкшенк и Д. Моррисон установили, что на одном из спутников Сатурна, Титане, есть атмосфера. Вообще планеты-гиганты Юпитер и Сатурн отличаются одной особенностью: это как бы солнечные системы в миниатюре, особенно Юпитер, имеющий несколько спутников. Но у спутников Юпитера нет выраженной плотной атмосферы, а вот Титан — дело другое.

Еще в 1944 году известный американский астроном Д. Койпер предположил, что Титан — необычный объект в солнечной системе именно потому, что у него есть атмосфера. Но только после тщательных наблюдений в обсерватории близ Гонолулу удалось установить, что Титан действительно окружен газовой оболочкой, в состав которой входят, по всей видимости, водород, метан и азот. Точные характеристики этой атмосферы неизвестны, но очень странно, как такое маленькое небесное тело могло удержать водород.

Ученые стали строить модели атмосферы Титана. Сейчас существует две модели атмосферы спутника Сатурна. По одной модели температура поверхности планеты 80 градусов по шкале Кельвина и давление газов у поверхности около 20 миллиметров ртутного столба, то есть побольше, чем на Марсе.

Но дело осложняется тем, что все наши данные о Титане не очень точны, потому что уж слишком он далек от Земли. Одни исследователи считают, что его радиус 2900 километров, а другие называют цифру 2550 километров. Одни, как мы уже говорили, полагают поверхностную температуру равной 80 градусам по Кельвину, другие приводят значение 200 градусов по Кельвину, а давление у поверхности около двух атмосфер.

Самое интересное, что даже при столь низких температурах возможно образование органических соединений, и жизнь на Титане в принципе могла бы существовать. Ведь переживают же земные микроорганизмы температуры, близкие к абсолютному нулю.

А где источники энергии для начальной стадии биопоэза — химической эволюции? Это космические лучи, ультрафиолетовое излучение, достигающее Титана.

Рассмотрим гипотетическую органическую химию Титана более подробно. Можно предположить, что в верхней атмосфере Титана есть пыль, которая поглощает видимое и ультрафиолетовое солнечное излучение. В атмосфере есть облачный слой, состоящий из льдов самых обычных углеводородов. И ниже и выше облаков атмосфера состоит из метана и азота с добавками аммиака и воды.

Но что же происходит в пылевой дымке, облаках и верхней атмосфере Титана?

Первое предположение состояло в том, что пыль в атмосфере Титана желтого цвета и представляет собой полимер ацетилена. Конечно, ацетилен — газ, но в определенных условиях он может полимеризоваться при низких температурах. Были проделаны лабораторные эксперименты, и оказалось, что полимер ацетилена не очень подходящий кандидат для пыли в атмосфере Титана.

Скорее всего красноватый цвет Титана обусловлен продуктами, образующимися при бомбардировке протонами смеси метана и азота. В лаборатории действительно было установлено, что в этом случае получается полимер красноватого цвета. Но нам гораздо интереснее посмотреть, что может происходить на поверхности Титана. А там могут происходить совершенно удивительные вещи.

Время существования солнечной системы (и, конечно же, Титана) — около четырех с половиной миллиардов лет. Так вот, за это время на поверхности Титана должен был обращаться слой органических молекул толщиной в сотни метров!! Это следствие сложных криохимических процессов. Но ведь в таких условиях могут существовать какие-нибудь новые формы жизни: криожизнь, или жизнь при низких температурах. Основа ее — углерод, но кто может сказать, в какие причудливые формы выльется за 4,5 миллиарда лет криожизнь.

Планеты типа Юпитера и Сатурна могут в принципе образовываться в космосе и без родительских звезд. Такие планеты называются одинокими, или блуждающими. Быть может, и на таких небесных телах развиваются своеобразные новые формы микроорганизмов.

Еще несколько слов о спутниках Юпитера.

Я уже говорил о том, что у них нет столь мощной атмосферы, как у Титана. Но ведь доказано, что, например, на Ио есть действующие вулканы. А мы с вами помним, что вулкан — генератор органических соединений.

Однако атмосферы-то все-таки нет! Да, атмосферы нет. Но есть кора и есть мантия. И в самое последнее время появились гипотезы о том, что мантия некоторых из спутников Юпитера состоит из… воды!

Тут же возникли идеи о возможном существовании жизни внутри юпитерианских лун. Так какие же из Галилеевых спутников Юпитера могут быть обителью жизни?

Считается, что Ио и Европа имеют обычную силикатную мантию, в то время как Ганимед и Каллисто содержат значительные количества воды или льда. Ну а поскольку в любом случае существуют внутренние источники тепла, то водяная мантия этих спутников — вполне подходящее место для существования жизни. Обитают же в земных пещерах в условиях вечной темноты самые разнообразные живые существа.

Другое дело, могла ли зародиться жизнь в этих условиях. Этот вопрос, бесспорно, ждет своего решения. Но сама мысль о жизни в «подземных» океанах Ганимеда и Каллисто весьма и весьма привлекательна.

Итак, Марс, Титан, Ганимед и Каллисто — вот наиболее вероятные кандидаты на присутствие простейших форм жизни.

Есть еще, конечно, совсем далекие планеты, о которых мы практически ничего не знаем, — Плутон и Нептун. С этих планет мы видели бы Солнце просто как яркую звезду на темном небе.

Что там, на этих планетах? Были ли они когда-либо горячими или сверхнизкие температуры всегда сковывали глыбы льда на их поверхности?

Сейчас мы не в состоянии ответить на эти вопросы. Но почему бы не предположить, что и на этих планетах может существовать криожизнь?

Систематическое изучение планет солнечной системы средствами космической техники только начинается, и бесспорно, что ближайшие десятилетия принесут много новой информации. Быть может, скоро мы сумеем получить ответ на вопрос, интересующий каждого человека: существует ли жизнь в солнечной системе где-нибудь, кроме Земли?

Наконец, необходимо учитывать тот факт, что, несмотря на значительные достижения, человечество отнюдь не всесильно. Наука не достигла «насыщения». И мне представляется, что слабым местом в аргументации Шкловского является именно своего рода интеллектуальный антропоцентризм, связанный с переносом нынешних человеческих представлений на деятельность внеземных разумных цивилизаций.

Прежде всего нужно отметить тот факт, что и обсуждаемая выше концепция и возражения оппонентов Шкловского — хорошие примеры чисто умозрительных споров по поводу недоказуемых на сегодняшний день положений. И тем не менее эти дискуссии приносят огромную пользу и обогащают интеллектуальный багаж человечества, хотя до получения каких-либо новых наблюдательных данных истина в них не родится.

Не следует забывать, что наша технологическая цивилизация очень молода. Если считать ее возраст с момента возникновения современных средств связи, то ей всего около ста лет от роду.

Теперь представим себе ситуацию детского сада. Ведь никто не допустит пятилетнего ребенка к управлению самолетом, это абсолютно бессмысленная вещь. Не раз высказывалось предположение, что сверхцивилизации терпеливо ждут определенного уровня развития нашей науки и культуры и только после достижения этого порога вступят с нами в контакт.

Мне могут возразить, что в детском саду детей учат. Это так. Но кто знает законы развития цивилизаций?

Нельзя исключить того, что, наоборот, любое вмешательство в естественный ход событий на какой-либо планете является недопустимым с точки зрения носителей внеземного разума.

Конечно, если правы оракулы Римского клуба, предсказывающие скорую гибель нашей цивилизации, положение коренным образом меняется, и тогда Шкловский прав. Дело в том, что, если человеческий разум, человеческое общество не смогут справиться с проблемами перенаселения, загрязнения окружающей среды, ядерной угрозой, тогда, бесспорно, нашей цивилизации угрожает гибель.

Можно полагать, что такой путь вполне закономерен для цивилизаций гуманоидного типа, и тогда шкала жизни подобных цивилизаций невелика. В этом случае вероятность каких-либо контактов становится исчезающе малой, поскольку цивилизация может погибнуть, прежде чем она встанет на путь космической экспансии.

Все сказанное выше подтверждает огромную ответственность, лежащую на человечестве в целом, ответственность за сохранение жизни на нашей планете. Однако, как правильно указывает Н. Кардашев, нет никаких объективных оснований думать, что во Вселенной «работает» страшный фатальный закон неизбежного уничтожения любой цивилизации после достижения ею определенной стадии развития.

Поэтому попробуем более оптимистично поглядеть на наше будущее и оценить возможности развития цивилизаций и контактов с иными мирами.

Итак, откажемся от концепции апологетов Римского клуба, проповедующих стабилизацию или гибель цивилизации на уровне развития, близкого к нашему. Пусть наша цивилизация живет и развивается, тем более что в науке — одной из движущих сил развития общества — существует масса нерешенных проблем.

В биологии это прежде всего создание общей теории эволюции живой материи. Сюда, конечно же, входит решение проблемы происхождения жизни. В физиологии нет сколь-либо полной теории деятельности мозга человека и животных.

В физике можно указать гораздо большее число нерешенных принципиальных проблем. Нет теории о том, что было в начале и до начала наблюдаемого расширения Вселенной. Нет единой теории гравитации и релятивистской квантовой механики. Физики не могут сегодня ответить на вопрос, почему фундаментальные постоянные, например скорость света, имеют определенные численные значения. Мы не знаем ничего о топологии космического пространства. Ведь нельзя исключить существования других микро- и макромиров. Не создана еще, наконец, общая теория элементарных частиц.

Приведенные примеры отнюдь не исчерпывают всех нерешенных проблем современного естествознания.

И поэтому цивилизации есть чем заняться. Нельзя исключить того, что, если какая-нибудь цивилизация в силу тех или иных причин развивается чуть «технологичнее» нашей, она уже давно проникла в иные вселенные и для нее представляет больший интерес изучать законы построения других миров, чем космические путешествия.

Кардашев взамен модели неограниченной экспансии указывает следующие возможные пути деятельности разумной цивилизации. Вместо неограниченной космической экспансии — целенаправленные полеты к наиболее интересным объектам во Вселенной. В нашей Галактике наиболее заманчивым представляется полет к ее центру.

Цивилизация может удовлетворять свое любопытство не в исследовании космического пространства, а, к примеру, в изучении микромира. Кто знает сейчас, какие возможности могут открыться в этой области?

И наконец, о захватывающей воображение проблеме перехода в другие пространственно-временные измерения. Мне хотелось бы более подробно остановиться на этой модели, разработанной Кардашевым.

Писатели-фантасты легко и просто справляются с этой проблемой. Я думаю, что многие читатели знакомы с термином, бытующим в научно-фантастической литературе, — гиперпространство. Космонавты обычно проходят через гиперпространство и оказываются после этого в необходимой им точке нашей Вселенной. Но оказывается, что современные физические теории в принципе «разрешают» куда более поразительные вещи.

Давайте вспомним, что такое «черная дыра».

Если достаточно большая (конечно, по меркам астрофизики) масса, например, больше, чем две массы Солнца, начинает сжиматься, остановить этот процесс уже никак нельзя. Процесс сжатия будет продолжаться, пока не будет достигнут так называемый гравитационный или шварцшильдовский радиус r_q. Численное значение этого радиуса можно приблизительно найти из следующего простого соотношения: r_q ≈ 3 (М/МО) километров, где М — масса сжимающегося объекта, а МО — масса Солнца. Сразу же видно, что, если бы наше Солнце вдруг «захотело» стать «черной дырой», его радиус должен был бы уменьшиться всего до нескольких километров.

К счастью, в обычных условиях лишь более массивные, чем Солнце, объекты могут сжиматься до гравитационного радиуса. И если сжимающаяся масса, будь то звезда или облако межзвездного газа, достигнет шварцшильдовского радиуса, получается «черная дыра», или, как еще принято говорить, гравитационная могила. А сам процесс сжатия называется гравитационным коллапсом.

В центре «черной дыры» плотность бесконечна и даже лучи света не могут выйти за поверхность гравитационного радиуса, столь велики силы притяжения. Все, что оказывается в сфере действия «черной дыры», поглощается ею. Мало того, что бесконечна плотность в центре «черной дыры», там бесконечно высока и температура.

И вот в такой объект Кардашев предлагает послать космический корабль.

Здесь нужно обсудить две вещи.

Во-первых, если масса «черной дыры» невелика (немного более двух масс Солнца), корабль, безусловно, погибнет в гравитационной могиле из-за гигантских плотностей внутри «черной дыры».

Но если масса дыры очень велика, например в миллиард раз больше массы Солнца, да к тому же она электрически заряжена, то можно думать, что люди в космическом корабле останутся в живых. Ведь из-за электрического заряда большая масса не может сжаться до бесконечной плотности.

Вблизи шварцшильдовского радиуса сжатие прекратится и сменится расширением. И плотности в такой почти «черной дыре» будут нормальными: около одного грамма в кубическом сантиметре.

А зачем, вообще говоря, понадобилось Кардашеву посылать космический корабль к таким странным объектам?

Ведь из общей теории относительности известно, что для наблюдателя, находящегося на Земле, полет космического корабля к «черной дыре» будет выглядеть очень своеобразно. По мере сближения корабля с «черной дырой» все процессы для земного наблюдателя бесконечно замедлятся. Изображение корабля будет все более слабым и за бесконечное время пропадет.

А космонавты будут жить по обычным часам, и все процессы в корабле для них будут выглядеть нормально. Но за иллюминаторами своего корабля они увидят потрясающие вещи. Когда они будут приближаться к шварцшильдовской сфере заряженной «черной дыры», они смогут увидеть все будущее нашей Вселенной, причем за конечный промежуток времени. Этот поразительный вывод основывается на строгих законах физики.

Смогут ли космонавты вернуться на Землю? Ведь стадия сжатия сменится стадией расширения, «черная дыра» станет «белой дырой».

К сожалению, нет. Второй не менее ошеломительный результат Кардашева состоит в следующем. Когда корабль выйдет из-под шварцшильдовской сферы, он окажется в новой вселенной, в другом пространстве, и на этой стадии полета космонавты увидят все прошлое нового мира!

Таким образом, через «черную дыру» можно проникнуть в будущее. Чем не машина времени! Правда, и плата за такую возможность немала: вечное скитание по иным мирам. Я глубоко убежден в том, что идеи, развиваемые Кардашевым, а ведь они базируются на прочной научной основе, куда увлекательнее любого научно-фантастического романа.

Но все-таки каковы же сегодня возможности контактов с другими цивилизациями?

Один вариант мы сейчас обсудили. Правда, совершенно ясно, что это вариант не сегодняшнего дня, поскольку системы «черно-белые дыры» находятся ближе к центру Галактики и человечество не в состоянии в ближайшее время совершить туда путешествие.

Поэтому остаются только наблюдательные возможности, возможности поиска различных электромагнитных сигналов. Но от каких источников могут исходить эти сигналы?

Есть предположения, что в районе центра нашей Галактики могут существовать сверхцивилизации, использующие ядро Галактики или квазары как источники энергии. Вроде того, как наша цивилизация использует энергию Солнца. Но мощность излучения ядра Галактики в миллион раз выше мощности излучения Солнца, а квазар мощнее Солнца в триллион раз! И ядра Галактик и квазары на миллиарды лет старше нашего Солнца. И действительно, резонно предполагать, что около этих источников энергии и расположены сверхцивилизации.

Очень интересен следующий факт. Вблизи центра нашей Галактики есть огромное облако с почти «земной» температурой, около 0 градусов Цельсия. Что может быть внутри этого облака?! А строго в центре Галактики есть точечный источник коротковолнового радиоизлучения. Его размеры меньше, чем размеры солнечной системы. Мы пока не знаем, какова природа этого источника.

В 1979 году в Советском Союзе впервые на околоземную орбиту был выведен радиотелескоп. Не за горами постройка различных инженерных сооружений на Луне.

В космосе, где не нужно охлаждать приемники излучения, эффективность их работы более высока, чем на Земле. Поиск информационных сигналов по ряду причин удобнее вести на миллиметровых волнах, а не на волне 21 сантиметр, как это предполагалось раньше. В том же диапазоне можно исследовать тепловое излучение от больших астроинженерных конструкций.

Когда мы говорим «информационное сообщение», то, конечно же, имеется в виду, что один абонент принимает от другого сообщения со смысловой нагрузкой. Вопрос состоит в том, сумеет ли человечество расшифровать принятое сообщение. Тепловое излучение от астроинженерной конструкции не является в полном смысле слова смысловым сигналом. Это пассивный, косвенный сигнал о деятельности суперцивилизации.

Если же одна цивилизация посылает вполне сознательно сигнал о своем существовании, она должна это делать таким образом, чтобы сигнал поддавался дешифровке. Сейчас большинство ученых стоит на точке зрения, согласно которой практически любой «разумный» сигнал, снабженный вводным текстом или кодом для дешифровки, может быть расшифрован. Конечно, если сообщение приходит не в виде радиосигнала, а в виде космического инопланетного корабля, задача облегчается, хотя и в этом случае могут существовать определенные трудности. К примеру, мы просто можем не знать о назначении некоторых предметов корабля, и их исследование тоже своеобразная задача дешифровки.

А каковы могут быть последствия контактов с внеземным разумом? И что может произойти, если мы наконец обнаружим внеземную цивилизацию?

Предположим, мы приняли радиосигнал от суперцивилизации. Сумели его дешифровать. Что дальше? Дальше возможно возникновение нескольких ситуаций, но коротко все эти ситуации можно разделить на два больших класса — благоприятные и неблагоприятные.

Поскольку мы ничего не знаем априорно об этических принципах суперразума, то мы должны предусматривать в принципе возможность неблагоприятной ситуации. В чем может состоять неблагоприятная ситуация?

Предположим, принимаемое сообщение содержит инструкцию для построения принципиально новой ЭВМ, с невиданными возможностями. Человечество должно иметь в виду потенциальную агрессивность созданного супермозга и должно заранее обезопасить себя от последствий этой потенциальной агрессивности.

Благоприятные ситуации связаны с приобщением человечества к высшим достижениям внеземной культуры и техники, и значение этого факта трудно переоценить. Контакт сможет оказать огромное влияние на культурный, научный и технологический потенциал человечества. Более того, контакт может оказать положительное влияние на будущее самого человечества.

Только в нынешнее время, впервые в истории человеческого общества появилась реальная возможность проводить глубокие теоретические и экспериментальные исследования по этой интригующей проблеме. Сейчас человечество готово к поиску внеземных цивилизаций и контакту с ними. Уже в ближайшее время будет осуществляться поиск сигналов от возможных астроинженерных объектов, от мощных источников в центре Галактики и так далее.

Быть может, еще при жизни нашего поколения удастся разрешить вечную загадку: одиноки ли мы во Вселенной? И будем надеяться, что в ближайшее время будет решена и другая великая проблема — проблема возникновения живой материи. Решение этих проблем было бы триумфом человеческого гения.