Вода, спринцовка жизни
Так как нам избавиться от груза предрассудков, чтобы подготовиться к астробиологической экспедиции на Титан? Давайте начнем с воды.
Многие биологи выстроятся в очередь, чтобы рассказать вам о том, как важна вода для жизни на Земле. Но тут необходимо понять, является ли вода единственно возможной жидкостью для жизни или это просто одна из многих жидкостей, которые могут служить средой для развития жизни. В настоящее время мы этого не знаем главным образом потому, что еще до конца не изучили земную жизнь, не говоря уже о жизни вообще. Справедливости ради надо отметить, что многие астробиологи отдают себе в этом отчет, и поэтому дружный крик «Ищите воду!» часто сопровождается оговорками, что вода — это жидкость, используемая земной жизнью, единственной, какую мы на сегодня знаем. Поэтому я попробую на какое-то время отказаться от этой точки зрения. Вместо этого я расскажу вам о ситуациях, когда вода мешает существованию жизни и как жизнь либо как-то приспособилась к этому, либо просто притерпелась и живет себе дальше.
Вода — это образцовая полярная жидкость, хотя в данном случае термин «полярная» относится больше к химии, чем к географии. Поместите водород в молекулу с атомом, сильно притягивающим электроны, например с атомом кислорода, и окажется, что, хотя все атомы имеют общие электроны (и формируют таким образом, ковалентную связь), некоторым достается больше, а некоторым — меньше. Кислород получает львиную долю электронов, и в результате положительный и отрицательный заряды распределяются неравномерно, превращая молекулу в электрический диполь.
Там, где противоположные заряды притягиваются, они образуют слабые водородные связи, которые могут формироваться между полярными молекулами или даже внутри них. Водородные связи помогают другим полярным молекулам, таким как соли, белки или даже ДНК, растворяться в воде, что дает им возможность свободно перемещаться и реагировать с другими растворенными в воде химическими веществами. В этом смысле можно сказать, что вода «полезна» для жизни, поскольку земная жизнь использует для своей химии причудливую смесь солей и белков.
Но в отношениях воды и жизни есть и своя «темная сторона». Нуклеиновые основания, которые составляют нашу ДНК, имеют настораживающую тенденцию разрушаться в воде: полярные молекулы могут разрушить слабые ковалентные связи путем гидролиза. В результате для сохранения целостности генетического кода требуется регулярный ремонт ДНК. Полярная природа воды также затрудняет образование водородной связи, участвующей в фолдинге
[15] белка. То, как каждый конкретный белок сворачивается в трехмерную структуру, играет критически важную роль в определении его биохимических свойств. Эти особенности не ставят непреодолимых препятствий на пути жизни, они больше похожи на крутые повороты, для прохождения которых требуются дополнительные химические усилия.
Многие ученые полагают, что возникновение жизни на Титане невозможно, поскольку имеющаяся там жидкая среда, скорее всего, состоит из смеси метана и этана, а молекулы обоих этих веществ неполярны. Многие полярные соли, белки и органические вещества, которые играют важную роль в жизнедеятельности земных организмов, нерастворимы в метане или этане. Вместо этого они будут выпадать в осадок и образовывать отложения на дне морей и озер. Но существует не меньшее количество органических веществ, которые растворяются в таких жидкостях, как метан и этан. Попробуйте спросить у тех, кто занимается органической химией, какую жидкость они используют в большинстве своих лабораторных экспериментов, и, скорее всего, они назовут не воду, а что-то другое. У тех химических соединений, которые хорошо растворяются в метане и этане, больше возможностей использовать слабые водородные связи, которые могут особенно хорошо подходить для низкотемпературных сред.
Может ли эта альтернативная, неполярная органическая химия стать основой внеземной жизни? Ответ, очевидно, положительный. Более важный вопрос — какие главнейшие биомолекулы нам следует искать? Чтобы найти на него ответ, нам следует отправиться на Титан и проанализировать содержимое колбы с жидкостью из небольшого холодного метанового пруда — титанианского аналога «небольшого теплого водоема», в котором Дарвин узрел зарождение земной жизни. Однако, как нам еще предстоит убедиться, на это потребуются гигантские средства (миллиарды и миллиарды) и несколько десятилетий упорного труда. А до тех пор какие черты Титана можем мы воспроизвести на Земле, чтобы заранее представить себе, с каким химическим и чисто гипотетически биохимическим окружением мы там столкнемся?
Златовласка на Титане
Может ли Титан оказаться «как раз впору» для жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, попробуем применить к нему те же теории, которые использовались для объяснения возникновения жизни на Земле. Возможно, самый результативный лабораторный опыт из всех, что применялись для моделирования химической картины ранней Земли, — это эксперимент Миллера — Юри.
Современные атмосферные условия на Титане не сильно отличаются от тех, которые, согласно нашим представлениям, существовали на Земле до возникновения жизни, и это главная причина, которая вызывает к нему такой интерес. Важные составляющие — это наличие водорода (который может отдавать электроны) и относительное отсутствие кислорода (который электроны притягивает). В атмосфере Титана, равно как и ранней Земли, водород — хороший восстановитель, отдающий свои электроны для синтеза новых органических веществ. Кислород — хороший окислитель, всегда стремится присоединить к себе электроны других атомов или молекул.
Так как же нам создать лабораторную модель Титана? Получить аналогичную по составу химическую смесь совсем не сложно — 95 % азота, незначительное количество метана и еще капелька угарного газа. Но откуда взять энергию для химических реакций? Поверхность Титана затемнена густой атмосферной дымкой — там нет ионизирующего излучения. Кроме того, по всей видимости, на Титане не бывает молний, которые могут стать искрой жизни, способной запустить химические реакции. Но верхние слои атмосферы — над дымкой — это среда, в которой протекают различные фотохимические процессы. Нам это известно, поскольку данные, полученные с помощью «Вояджера» и «Кассини», показали наличие побочных продуктов — по крайней мере самых простых, — возникающих в результате фотодиссоциации метана под воздействием фотонов солнечного света. Следовательно, перед нами стоит задача смоделировать верхние слои атмосферы Титана — сочетание крайне низкого давления и ионизирующего излучения — и проследить, чтобы интересующая нас химическая реакция происходила в разреженном газе, а не на стенках барокамеры.
Титанианская версия эксперимента отличается от оригинального эксперимента Стэнли Миллера одной очень важной деталью: в ней нет жидкости. Миллер и его последователи прогоняли органические вещества через колбу с жидкой водой, которая должна была выполнять функцию земных океанов. В нашей версии атмосферы Титана все реакции происходят в камере, заполненной преимущественно азотом. С учетом этих различий, которые могли быть решающими, каковы же оказались результаты «внеземной» версии эксперимента Миллера — Юри? Как ни странно, но, изменив состав смеси и приблизив условия эксперимента к условиям Титана, а не ранней Земли, мы не повлияли на полученный результат. В эксперименте Миллера — Юри, проведенном по титанианскому рецепту, синтезируются многие известные нам аминокислоты и азотистые основания.
