Где и из чего зарождается жизнь?

Вступление

Одной из самых интересных идей, столетиями будоражащих фантазию не только профессиональных астрономов, но и людей других профессий, всегда являлась идея поиска доказательств наличия жизни на других планетах нашей солнечной системы. Вселенная огромна, практически бесконечна, и ученые вполне допускают мысль о том, что на какой-то далекой планете вне нашей солнечной системы, или даже на многих планетах, течет такая же жизнь, как и на Земле. Вполне вероятно, что где-то на просторах вселенной существуют планеты, условия которых позволяют образоваться жизни и поддерживать её в течение долгого времени. Но как обстоят дела с нашей солнечной системой?

Сегодня считается, что для того, чтобы где-то была возможна жизнь, необходимы атмосфера (иными словами, воздух), вода, показатель ускорения свободного падения (g, - одно из проявлений гравитации), близкий к земному, и приемлемая температура. Астрономы проводили целый ряд исследований, посвященных поиску жизненных форм на планетах нашей солнечной системы. Они искали на планетах воду, воздух и другие вещества, распространенные на планете Земля.

Где и из чего зарождается жизнь?

За последние несколько лет при исследовании радиоастрономическими методами газопылевых облаков в Галактике в них было обнаружено несколько типов органических соединений. Особенно отметим синильную кислоту, формальдегид, метиламин, спирты. Такое открытие тем более удивительно, что раньше в газопылевых облаках предполагалось лишь присутствие водорода и некоторого числа двухатомных соединений. Поскольку эти облака (или их фрагменты) отождествляются как районы зарождения звезд и планетных систем, то подобные результаты наблюдений представляют исключительный интерес.

После открытия органических молекул в газопылевых облаках межзвездные пылинки, на которых могут концентрироваться эти молекулы, стали называть семенами жизни. Совсем недавно знаменитый английский астрофизик Фред Хойл выдвинул идею о том, что в глубинах Космоса жизнь может зарождаться именно на межзвездных пылинках. Более того, Ф. Хойл и его соавтор Налин Чандра Викрамсингхе связывают эпидемии гриппа на Земле с внесением возбудителей этой инфекции из Космоса.

Еще раньше высказывались мысли о том, что жизнь способна развиваться на кометах и астероидах. Но посмотрим, может ли действительно возникнуть жизнь в результате химических процессов в холодных газопылевых облаках?

Сравнительно простые молекулы, такие, как формальдегид и синильная кислота, там есть. Они возникают из льдов простых газов, таких, как пары воды, метан, аммиак, на поверхности пылинок. Что же потом?

Реакции образования более сложных полимеров идут при низких температурах очень медленно. Кроме того, из-за очень низкой температуры на пылинках нет жидкой воды, которая необходима для всего живого. Да и межзвездные пылинки очень малы, меньше микрона, даже нормальная бактериальная клетка больше. Нет, для жизни нужен комфорт, а здесь и холодно и «тесно».

В метеоритах находят уже более сложные соединения углерода - аминокислоты. Казалось бы, всего один шаг до живого. Но нет. Метеориты тоже своего рода эволюционный тупик, поскольку у них нет ни гидросферы (хотя немного воды в химически связанном виде все-таки есть), ни атмосферы. Что же тогда остается? Только планеты? Только планеты.

Попробуем разобраться почему. Для этого нам придется посмотреть, какие природные факторы критична для жизни. Естественно, сначала мы будем пока говорить о том, что ближе: о нашей, земной, жизни.

Хорошо известно, что так называемые термофильные, (теплолюбивые) формы микроорганизмов существуют в горячих вулканических источниках, температура которых достигает в некоторых случаях 95-98 градусов Цельсия. Однако верхний температурный предел жизнедеятельности организмов, безусловно, есть, и мы не допустим серьезной ошибки, если установим его около 100 градусов Цельсия.

В том случае, если жизнь уже существует, нижняя температурная граница не столь критична. Однако мы акцентируем свое внимание на проблеме зарождения жизни, и нам необходимо учитывать скорости химических реакций. Поскольку большинство реакций проходит в жидкой фазе, то для нормальной жизнедеятельности автоматически получается и нижняя температурная граница около 0 градусов по шкале Цельсия.

Итак, для зарождения жизни мы получаем довольно узкий температурный интервал, всего около 100 градусов. Причем важно, что стабильность температур должна сохраняться очень долгое время без заметных перепадов.

Где же могут быть такие условия? Только на планетах, имеющих атмосферу. Именно атмосфера - фактор планетарного масштаба, исключающий резкие температурные перепады. Например, на Луне, лишенной воздуха, перепады температуры ночью и днем велики: от + 110 до -120, более двухсот градусов, а на Венере и Земле они незначительны.

Поскольку именно в атмосфере, гидросфере и на поверхности раздела фаз происходит синтез органических молекул, то вполне понятно, что для прохождения реакций синтеза на планетах должны быть какие-нибудь источники энергии.

Итак, планеты, да еще планеты с атмосферами. Кстати, атмосфера выполняет еще одну очень важную функцию: она защищает хрупкие органические молекулы от разрушительного действия ультрафиолетового излучения родительской звезды. Например, у нас на Земле жизнь вряд ли была бы возможна, если бы в атмосфере не было озонового экрана. Именно этот экран задерживает наиболее опасную часть излучения Солнца.

Условимся называть планеты, где жизнь типа земной в принципе может существовать, «зелеными планетами». На таких планетах должна быть атмосфера, гидросфера и довольно комфортная мягкая погода. Но как долго все это должно существовать? Тысячу, миллион, миллиард лет?

Возраст Земли - около 4,5 миллиарда лет, и палеонтологи утверждают, что 3,5 миллиарда лет тому назад на Земле уже была жизнь. А сколько живут звезды? Ведь известно, что некоторые из них взрываются. Это так называемые новые и сверхновые звезды. Ясно, что, если звезда взорвется, около нее не останется ничего живого. Существует общее правило в астрофизике: чем звезда горячее, тем меньше срок ее жизни. Поэтому «зеленые планеты» могут быть только около долгоживущих не очень горячих звезд, и тогда в сфере нашего рассмотрения останутся лишь звезды с временем жизни не менее миллиарда лет, то есть звезды спектральных классов F, G, К, М.

Здесь, однако, существенным фактором является тепловой поток, достигающий поверхности планеты, поскольку все мы не любим, когда слишком холодно. Например, энергия излучения М-карлика составляет лишь около 5 процентов энергии звезды типа Солнца. Но если планета в системе М-карлика находится недалеко от звезды, там будут вполне комфортные условия для жизни. Эволюция органических соединений может достигать высокого уровня лишь на планетах. Действительно, в газопылевых образованиях концентрации вещества слишком низки, около 1 атома в кубическом сантиметре, чтобы с эффективностью шли реакции образования биополимеров. Нельзя, правда, исключить возможность синтеза простых аминокислот и в газопылевых облаках, и в атмосферах инфракрасных звезд. Что касается комет, то в лабораторных условиях, воспроизводящих «кометную» обстановку, ученые продемонстрировали возможность образования достаточно сложных органических молекул, а в метеоритах аминокислоты содержатся в заметных количествах. Тем не менее для всех процессов усложнения необходимы достаточно высокие концентрации материала, и именно поэтому все перечисленные объекты являются своего рода эволюционными тупиками. Итак, все-таки планеты.

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.

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

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.

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.

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. 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.

• Поэтому замена углерода на кремний маловероятна для возникновения жизни.

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 имино-группу (= 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 десятимиллнонная 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, но он не накладывает никаких ограничений на возможность существования форм жизни, внешне отличающихся от земной.

Уравнение Дрейка — формула, предназначенная для определения числа внеземных цивилизаций в Галактике, с которыми учеловечества есть шанс вступить в контакт. Сформулирована доктором Фрэнком Дональдом Дрейком (профессором астрономии и астрофизикикалифорнийского университета Santa Cruz) в 1960 году.

Выглядит формула следующим образом:

,

— количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт;

— количество звёзд, образующихся в год в нашей галактике;

— доля звёзд, обладающих планетами;

— среднее количество планет (и спутников) с подходящими условиями для зарождения цивилизации;

— вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями;

— вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь;

— отношение количества планет, разумные жители которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, на которых есть разумная жизнь;

— время жизни такой цивилизации (то есть время, в течение которого цивилизация существует, способна вступить в контакт и хочет вступить в контакт).

Меркурий

Атмосфера Меркурия Содержит три элемента, являющимися маркерами жизни (кислород, водяной пар и метан). Таким образом, о наличии жизни может сказать кислород в атмосфере, вода (водяной пар в атмосфере и водяной лед на полюсах) и метан как признак отходов метаболизма.

Если газовая оболочка планеты содержит все эти вещества, то почему ученые считают, что на планете никогда не было жизни? Во-первых, уровень кислорода слишком низок для поддержания жизни. Далее, экстремальные температуры, которые просто уничтожат жизнь. В-третьих, на планете не существует жидкой воды, водяной лед есть только на дне кратеров и никогда не подвергается воздействию солнечного света. Газ метан, в атмосфере, появляется благодаря геологическим процессам, таким, как вулканизм и геотермальная деятельность. И последнее, давление на поверхности крайне низко, из-за этого резкие перепады температур, отсутствие жидкой воды и постоянная бомбардировка планеты солнечным ветром.

Венера

В настоящее время физические условия на Венере являются крайне экстремальными: из-за парникового эффекта её температура на поверхности составляет в среднем +470°С. Слои атмосферы Венеры состоят из серной кислоты, что тоже губительно для жизни, а атмосферное давление выше земного в 90 раз. Однако известны организмы-экстремофилы на Земле, которые обитают в подобных условиях, поэтому ученые полностью не исключают возможность существования организмов в венерианских облаках. Есть вероятность, что жизнь на Венере находится под её поверхностью, где условия, возможно, намного благоприятнее, чем на поверхности.

Американский ученый-астроном Карл Саган (1934-1996) считал, что коренная перестройка атмосферы Венеры и избавление планеты от парникового эффекта - вещь вполне реальная. Для этого требуется лишь одно: наладить фотосинтез. А в атмосфере Венеры есть все необходимое для производства фотосинтеза в самых широких масштабах: углекислый газ, водяные пары, солнечный свет. Поэтому в верхние, относительно прохладные слои венерианской атмосферы ученый предлагал забросить с помощью космических аппаратов бурно размножающуюся водоросль - хлореллу. Она очистит атмосферу от избытка углекислого газа и пополнит ее кислородом. Лишившись углекислого газа, атмосфера перестанет быть ловушкой для солнечной энергии. Когда же парниковый эффект ослабнет, температура пойдет на убыль, водяной пар сконденсируется в воду, которая обильно прольется на остывающую поверхность планеты. Это еще в большей мере уменьшит парниковый эффект, и тогда на Венере появятся условия, благоприятные для развития растительного и животного мира. Со временем климат негостеприимной планеты изменится настолько, что она, возможно, станет пригодной для обитания человека.

Марс

Атмосфера есть. Непосредственные изменения температуры поверхности (по Джинсу) показывают, что в экваториальных областях к полудню температура поднимается до +10°. Ночью — мороз. В полярных областях температура достигает минус 70°. «Снежные шапки», покрывающие полюсы, по-видимому представляют скопления твердой углекислоты, а не снега. Таким образом на поверхности Марса мы имеем благоприятные условия для развития жизни.

В апреле 2012 года были опубликованы исследования учёных Германского Аэрокосмического центра (DLR), в ходе которых исследовалась возможность выживания земных организмов в марсианских условиях. Лишайники и сине-зелёные водоросли, собранные в Альпах (на высоте до 3500 метров) и Антарктиде, были помещены в атмосферу, имеющую марсианский состав. В специальной модельной камере ученые воспроизвели существующие на поверхности Марса состав атмосферы, грунт, давление, температуру, и солнечное излучение.

Эксперимент длился 34 дня, за это время лишайники и сине-зелёные водоросли не только выжили, но и продолжали фотосинтезировать. Эксперимент подтвердил, что у живых существ есть шанс выжить на Марсе в трещинах скал и маленьких пещерах (для защиты от ультрафиолетового излучения), даже пробыв там в течение длительного периода.

На Марсе есть сезонные потоки жидкой соленой воды. Эти образования проявляют себя в теплое время года и исчезают — в холодное. К своим выводам планетологи пришли, проанализировав высококачественные снимки, полученные научным инструментом High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) орбитального марсианского аппарата Mars Reconnaissance Orbiter (MRO).

Юпитер

Гигант планетного царства. Имеет прекрасно развитую атмосферу. Вода, несомненно должна быть, а с нею и остальные вещества, необходимые для создания организмов. Но вода на Юпитере твердая, даже углекислота и та твердая. Температура поверхности достигает—150°. Возможна ли жизнь при такой температуре?

«……атмосфера Юпитера не способствует образованию сложных органических соединений по ряду причин. Во-первых, при высоких температурах и давлениях в сильно

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: