Вид с высоты

Оказалось, кроме того, что при вирусном заражении в клетку проникает именно вирусная нуклеиновая кислота, белок же остается снаружи. Это дает основания полагать, что белок всего лишь неживая оболочка для нуклеиновой кислоты и что как раз нуклеиновая кислота является главной в вирусе. Выделенная в чистом виде вирусная нуклеиновая кислота частично сохраняет инфекционность.

Итак, это пример молекулы нуклеиновой кислоты, которая ведет себя, как живой организм.

Предположим, что теперь мы скажем: «Организм может быть назван живым, если в нем имеется по крайней мере одна молекула нуклеиновой кислоты, способная к копированию». Это определение является как структурным (наличие нуклеиновой кислоты), так и функциональным (копирование). Оно охватывает не только все клеточные формы жизни, но и все вирусы, и исключает все прочее.

Разумеется, могут быть и возражения. Некоторые считают, что вирус не является примером подлинно живого организма, так как не может выполнять своих жизненных функций, пока не попадет в клетку. Внутри клетки, и только внутри нее, он управляет действием ферментов и осуществляет синтез специфических ферментов и других белков. Он делает это, используя химический аппарат клетки, в том числе ее ферменты. Вне клетки вирус не выполняет ни одной из функций, которые мы связываем с жизнью. Из всего этого и следует вывод, что на самом деле именно клетка является единицей жизни.

Мне этот довод не кажется таким уж неопровержимым. Разумеется, вирусу для отправления некоторых его функций требуется клетка, но и вне клетки жизнь его не совсем статична. Вирус активно проникает в клетку — самостоятельно, без помощи самой клетки. Это пример по крайней мере одного действия, характерного для жизни (что-то вроде приема пищи, только в данном случае он делает это шиворот-навыворот, то есть не отправляет ее внутрь себя, а сам забирается в пищу), которое вирус выполняет совершенно самостоятельно.

А кроме того, даже если предположить, что вирус использует аппарат клетки для выполнения некоторых своих функций, то ведь и солитер пользуется нашим клеточным аппаратом для тех же целей. Вирус, как и солитер, паразит, но более законченный. Справедливо ли ставить какую-то искусственную границу и утверждать, что солитер — живой организм, а вирус — нет?

Более того, все организмы (паразиты они или не паразиты) зависят от некоторых факторов внешнего мира. Мы с вами, например, прожили бы всего несколько минут, если бы нас лишили кислорода. Можно ли на этом основании считать, что мы не живые организмы, а истинно живым организмом является кислород? Почему бы тогда не отнести необходимую вирусу клетку, находящуюся вне его, к той же категории, к которой мы относим необходимый нам кислород, находящийся вне нас?

Нельзя считать решающим и тот довод, что вирус использует ферменты, которые ему не принадлежат. Я объясню это, прибегнув к аналогии.

Предположим, дровосек рубит дерево топором. Он не может делать это без топора, и все же мы никогда не думаем о дровосеке, как о комбинации человек — топор. Дровосек — это человек, а топор — это просто его орудие. Точно так же нуклеиновая кислота может оказаться неспособной выполнять свои функции без ферментов, но ферменты — это всего лишь ее орудие, а вот главное — все-таки она сама.

Кстати, топор, которым дровосек рубит дерево, может оказаться как его собственным, так и ворованным. Это характеризует его или как честного человека, или как вора, но в любом случае он дровосек, занимающийся своим делом. Так и вирус, выполняющий свои функции, является живым организмом независимо от того, принадлежат ему ферменты или нет.

Что касается моего определения живых организмов, говорящего, что они должны состоять из нуклеиновых кислот, то оно с этой точки зрения правомерно.

Необходимо, конечно, помнить, что живой организм — это нечто большее, чем составляющая его нуклеиновая кислота и составляющие его клетки. Как я уже говорил в этой главе, живой организм построен из отдельных частей, которые еще и соответствующим образом организованы в единое целое.

Есть некоторые биологи, которые порицают усиленный интерес к ДНК в нынешних биологических и биохимических исследованиях. Они считают, что проблемой организации пренебрегают ради изучения отдельных частей, и я должен признать, что их опасения до некоторой степени оправданны.

Тем не менее я также считаю, что мы никогда не поймем организацию, пока тщательно не разберемся в тех составных частях, которые подлежат организации, и надеюсь, что, когда молекула ДНК будет разобрана по косточкам и выставлена для всеобщего обозрения, многие явления, которые сегодня загадочны (и организация в том числе), точно станут на свое место.

4. Жизнь в той ее форме, которая нам неизвестна

Нет худа без добра. И вот вам пример.

Однажды мои дети упросили меня сводить их на фильм о чудовищах, который рекламировался по телевидению.

«Это научная фантастика», — пояснили они. Что такое научная фантастика, дети точно не знали, а так как папа пишет что-то вроде этого, то они сочли такой аргумент весьма убедительным.

Я пытался объяснить им, что, насколько я понимаю, фильм этот вовсе не научно-фантастический, но, хотя логика и была на моей стороне, все решили децибелы, которыми измерялась мощь детского хора.

И я встал в очередь, растянувшуюся на два квартала. Здесь были мальчишки со всей округи и приблудившийся взрослый, который неумело притворялся, будто ждет автобуса и вот-вот уедет. Погода была типичная для ранней весны в Новой Англии (сеялась мерзкая изморось, и завывал восточный ветер), а мы, как назло, продвигались вперед очень медленно.

Наконец, когда мы уже были метрах в двух от кассира, а мне лично оставалось каких-нибудь два шага до воспаления легких, мой ангел-хранитель улыбнулся и пришел на выручку. Над кассой вывесили табличку: «Все билеты проданы».

Я радостно воскликнул: «Ах, какое безобразие!» — и повез вопивших от возмущения ребят домой.

В связи с этим случаем я подумал, как ничтожна фантазия создателей киночудовищ. Они наделяют их только двумя атрибутами — громадными размерами и способностью все разрушать и убивать. Здесь и громадные обезьяны, и громадные осьминоги (а может быть, правильнее сказать «спруты»?), и громадные орлы, и громадные пауки, и громадные амебы. Во всяком случае, именно это, как мне кажется, и нужно Голливуду. Одного этого достаточно, чтобы привлечь в кино огромные толпы наших крикливых головастиков, ибо все на свете крепкие и живые мальчишки или девчонки втайне мечтают стать большими и могучими.

Но что такое просто большие размеры для настоящего aficionado?[3] Нас манит разнообразие. И, когда осторожный астроном говорит о жизни на других мирах, делая оговорку, что подразумевает под этим только «жизнь в той ее форме, которая нам известна», нас разбирает нетерпение.

А как же быть с «жизнью в той ее форме, которая нам неизвестна»?

Именно о ней я и хотел поговорить в этой главе.

Для начала решим, что понимать под «жизнью в той ее форме, которая нам известна». Безусловно, «жизнь в той ее форме, которая нам известна» бесконечно разнообразна. Мы знаем, что живое существо в состоянии и летать, и бегать, и прыгать, и ползать, и ходить, и скакать, и плавать, и просто сидеть. Оно способно светиться и не светиться, есть и не есть. Иметь кости, панцирь, раковину или бесформенное, мягкое тело. У живого существа есть конечности, щупальца или вообще нет придатков. Оно может быть волосатым, чешуйчатым, покрытым перьями, шипами или просто голым.

Если мы хотим свалить все это в кучу и назвать «жизнью в той ее форме, которая нам известна», то нам придется найти в каждом живом существе нечто общее для всех. Мы могли бы сказать, что живое существо состоит из клеток. Однако вирус — форма жизни, знакомая всякому, кто когда-либо болел гриппом, — не состоит из клеток.

Значит, мы должны оставить физиологию и забраться в химию, чтобы иметь возможность сказать, что все живые организмы состоят из соответствующего набора молекул нуклеиновой кислоты, которые управляют химическими реакциями с помощью белков, действующих в водной среде.

О жизни можно говорить много, почти до бесконечности, но я попытаюсь свести подробности до минимума. Для «жизни в той ее форме, которая нам известна» совершенно необходима вода: на ее фоне разыгрывается драма, в которой главные роли исполняют нуклеиновые кислоты и белки.

Поэтому всякий ученый, оценивая возможность возникновения жизни на какой-нибудь планете, всегда отвергает ее, если на планете нет воды или если вода находится не в жидком состоянии, а только в виде льда или пара.

(Между прочим, вы можете поинтересоваться, почему я не взял в качестве непременного условия жизни кислород. Да потому, что для жизни он не обязателен. Разумеется, кислород необходим для тех процессов, которые у большинства форм жизни связаны с выделением энергии, но это не обязательное условие. Есть ткани в нашем теле, которые могут временно жить без молекулярного кислорода, и есть микроорганизмы, способные сколько угодно жить вообще без кислорода. Жизнь на Земле, вероятнее всего, развивалась в бескислородной атмосфере, и даже сегодня существуют микроорганизмы, которые вообще не выносят кислорода. Но ни одна известная форма жизни на Земле не может существовать при полном отсутствии воды, без которой нет ни белка, ни нуклеиновой кислоты.)

* * *

Для обсуждения «жизни в той ее форме, которая нам неизвестна» давайте переменим либо фон, либо исполнителей главных ролей. Начнем с фона!

Вода — это изумительное вещество с целым набором необычных свойств, идеальных для существования «жизни в той ее форме, которая нам известна». Она действительно так хорошо подходит для развития жизни, что некоторые люди видят в природе воды несомненное доказательство божественного провидения. Но этот довод неверен, так как известно, что жизнь вынуждена была приспосабливаться к условиям водной среды, в которой она развивалась. Жизнь приспособлена к воде, а не вода к жизни.

Можем ли мы представить себе жизнь, которая приспособилась бы к какой-либо другой жидкости, не слишком отличающейся от воды? Такой жидкостью, например, мог бы быть аммиак.

Аммиак почти во всем схож с водой. Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода (Н₂O), ее атомный вес равен 18; молекула аммиака состоит из одного атома азота и трех атомов водорода (NH₃), и ее атомный вес равен 17. Жидкий аммиак имеет почти такую же теплоемкость, как и вода; его тоже можно считать универсальным растворителем, и он весьма легко теряет один ион водорода.

В сущности, изучив реакции, происходящие в жидком аммиаке, химики нашли, что они аналогичны реакциям, происходящим в воде, и поэтому «химия аммиака» разработана весьма подробно.

Аммиак легко представить себе фоном жизни… только не на Земле. Температура на Земле такова, что аммиак существует в природе в виде газа. При нашем атмосферном давлении он кипит при –33,4 градуса и замерзает при –77,7 градуса.

А на других планетах?

В 1935 году с помощью спектрального анализа было показано, что атмосфера Юпитера и в меньшей степени Сатурна насыщена аммиаком. Сразу высказали предположение, что Юпитер покрыт огромными океанами аммиака.

Разумеется, температура на Юпитере, по-видимому, не поднимается выше –100 градусов, и поэтому можно предположить, что аммиак на этой планете находится в твердом состоянии, а для равновесия в атмосфере есть пары аммиака. Очень жаль. Вот если бы Юпитер был поближе к Солнцу…

Но погодите! Ведь аммиак кипит при –33,4 градуса только при атмосферном давлении, существующем на Земле. Температура кипения повышается с повышением давления, и если плотность атмосферы Юпитера достаточно высока и границы ее достаточно обширны, то весьма возможно, что океаны аммиака там действительно существуют. (Есть и другие точки зрения — см. главу 16.)

Однако против всей концепции жизни на фоне аммиака можно выдвинуть то возражение, что составные части живых организмов нестойки и реагируют на все быстро, чутко и по-разному. Поэтому белки, столь характерные для «жизни в той ее форме, которая нам известна», очевидно, очень нестабильны. Небольшое повышение температуры — и они расщепляются.

С другой стороны, понижение температуры могло бы сделать белковые молекулы слишком стабильными. При температурах, близких к температуре замерзания воды, многие формы нетеплокровной жизни становятся поистине вялыми. Тогда каким образом поддерживалась бы жизнь в среде аммиака, при температуре на добрую сотню градусов ниже температуры замерзания воды, когда химические реакции протекают слишком медленно?

На это есть два ответа. Во-первых, что значит «слишком медленно»? Почему бы не существовать формам жизни, которые по сравнению с нами живут неторопливо? Как растения.

Второй, менее тривиальный ответ: белковые структуры в процессе эволюции жизни приспосабливаются к температуре среды. Если бы жизнь более миллиарда лет приспосабливалась к температурам жидкого аммиака, то создались бы, наверно, такие белковые структуры, для которых было бы невозможно даже самое кратковременное существование при температуре жидкой воды; в то же время они были бы весьма стабильны для нормального существования при температурах жидкого аммиака. Эти новые виды белковых структур при низких температурах были бы и достаточно стабильны и достаточно нестабильны, чтобы поддерживать быстро изменяющуюся «торопливую» форму жизни.

И не стоит печалиться из-за того, что невозможно представить себе эти структуры. Предположим, что мы постоянно живем при температуре, когда железо раскаляется почти докрасна (естественно, что химически мы тогда коренным образом отличались бы от того, что представляем собой ныне). Могли бы мы в таких условиях знать что-либо о белках земного типа? Удалось бы нам охлаждать сосуды до 25 градусов по Цельсию, создавать белки и изучать их? Могли бы мы когда-либо мечтать об этом до тех пор, пока не были бы открыты формы жизни с такими белками?

* * *

Ну, а кроме аммиака?

Самые распространенные элементы Вселенной — это водород, гелий, углерод, азот, кислород и неон. Мы вычеркиваем из списка гелий и неон, потому что они инертны и не участвуют в реакциях. Ввиду колоссального преобладания водорода во Вселенной углерод, азот и кислород образуют в основном соединения с водородом. Кислород с водородом дают воду (Н₂О), а азот с водородом — аммиак (NH₃). Их мы уже рассмотрели. Остается углерод, который, соединяясь с водородом, образует метан (СН₄).

В атмосфере Юпитера и Сатурна наряду с аммиаком есть и метан, а на Уране и Нептуне, планетах еще более отдаленных, метан преобладает, так как аммиак там выморожен. Причина в том, что метан остается жидким при температурах более низких, чем для жидкого аммиака. На Земле он кипит при –161,6 градуса и замерзает при –182,6 градуса.

Может ли метан быть фоном для жизни, в которой исполнителями главных ролей были бы все те же нестабильные формы белков? Увы, здесь дело гораздо сложнее.

И аммиак и вода являются полярными соединениями; это означает, что электрические заряды в их молекулах распределяются несимметрично. А вот метан — это соединение неполярное, ибо электрические заряды распределяются в его молекуле симметрично.

Известно, что полярные жидкости способны растворять только полярные вещества, а неполярные жидкости растворяют только неполярные вещества.

Поэтому вода (которая полярна) растворяет соль и сахар (также полярные соединения), но не растворяет жиры и масла (неполярные соединения, называемые липидами). Отсюда возникла поговорка: «Масло и вода не смешиваются никогда».

С другой стороны, метан, неполярное соединение, растворяет липиды, но не растворяет ни сахара, ни соли.

Белки и нуклеиновые кислоты полярны и в метане не растворяются. Оказывается, очень трудно представить себе структуру, соответствующую нашим понятиям о том, какими должны быть белок и нуклеиновая кислота, чтобы они могли растворяться в метане.

Метан в качестве фона для жизни требует смены исполнителей главных ролей.

Для этого нам придется решить вопрос, какие именно свойства делают белки и нуклеиновые кислоты необходимыми для жизни.

Ну, во-первых, они построены из гигантских молекул, почти бесконечно разнообразных по своей структуре и потому обладающих способностью легко изменяться, — это необходимая основа для почти бесконечного разнообразия жизни.

А нет ли каких-либо других веществ со столь же большими и сложными, но неполярными молекулами, тоже способными растворяться в метане? Самыми распространенными неполярными соединениями, ассоциирующимися с жизнью, являются липиды; здесь возникает вопрос: а может быть, существуют липиды с гигантскими молекулами?

Это не просто предположение. Такие гигантские молекулы липидов существуют на самом деле. В частности, в ткани мозга есть гигантские липидные молекулы сложной структуры (их функции неизвестны). Очень распространены в природе так называемые липопротеиды; эти соединения состоят как из липидов, так и из белков, объединенных в единые гигантские молекулы. Пока что человек всего лишь чуть-чуть затронул поверхность химии липидов; по-видимому, возможности неполярной молекулы гораздо больше, чем мы представляли себе до последнего времени.

Вспомните также, что биохимическая эволюция жизни на Земле шла в основном в полярной водной среде. Если бы жизнь развивалась в такой неполярной среде, как метан, то под действием тех же эволюционных сил молекулы липидов изменялись бы, создавались бы сложные и хрупкие нестабильные формы молекул, способные в конце концов выполнять функции, которые в нашем представлении обычно связываются с белками и нуклеиновыми кислотами.

В поисках веществ, имеющих в жидком состоянии еще более низкую температуру, чем метан, мы столкнемся лишь с водородом, гелием и неоном. Если исключить гелий и неон, останется водород — самое распространенное вещество Вселенной. (Некоторые астрономы считают, что, возможно, 4/₅ Юпитера — это водород, а остальное — в основном гелий… в таком случае мы можем распрощаться с океанами аммиака.)

Водород становится жидким при –253 градусах и замерзает при –259 градусах; никакое давление не может поднять его температуру кипения выше –240 градусов. Это всего на 20–30 градусов выше абсолютного нуля, и поэтому более холодного фона для жизни, чем водород, представить невозможно. Водород неполярен, так что снова исполнителем главной роли был бы какой-нибудь липид.

* * *

До сих пор мы говорили о планетах более «холодных», чем Земля. А как же обстоит дело с планетами более «горячими»?

Начнем с того, что с химической точки зрения одни планеты резко отличаются от других. В солнечной системе, как, очевидно, и во всей Вселенной, существует три типа планет.

На холодных планетах молекулярные движения замедленны, и поэтому в процессе образования планета может удержать даже водород и гелий (самые легкие, а следовательно, и самые подвижные из всех веществ). Так как все здесь состоит из водорода и гелия, планеты имеют большие размеры. Вот известные нам примеры: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

На «горячих» планетах, где молекулярное движение ускорено, водород и гелий улетают в пространство. Более сложных атомов — этих жалких примесей в могучем океане водорода и гелия — хватает лишь на образование маленьких планет. Из основных соединений водорода остается только вода. Температура ее кипения выше, чем у остальных участников трио метан — аммиак — вода. Кроме того, вода лучше всего подходит для образования прочных соединений с силикатами, из которых состоит твердая кора планеты.

Возникают такие миры, как Марс, Земля и Венера. Здесь аммиачная и метановая формы жизни невозможны. Во-первых, при температуре этих планет аммиак и метан существуют в газообразном состоянии. Во-вторых, даже если спустя много миллионов лет и наступит период полного обледенения (температура при этом упадет достаточно сильно, чтобы аммиак или метан стали жидкими), — все равно количество аммиака и метана будет недостаточным для поддержания аммиачной или метановой формы жизни на любой из этих планет.

А теперь представьте себе мир еще более теплый, чем наше умеренное трио планет, мир настолько горячий, что в нем нет даже воды. Пример — Меркурий. Это твердое каменное тело; если в нем и есть водород или соединения водорода, то их очень мало.

Неужели здесь вовсе немыслимы формы жизни, которые можно было бы связать с существующими химическими механизмами?

Не обязательно.

Есть неводородные жидкости с температурой кипения выше, чем у воды. В космическом масштабе наиболее распространенной жидкостью такого рода была бы сера — при давлении в одну атмосферу она плавится при 113 градусах и кипит при 445 градусах (именно такова температура на солнечной стороне Меркурия).

Но кто же станет исполнителем главных ролей на этом фоне?

Рассмотренные нами до сих пор сложные молекулярные структуры — это обыкновенные органические молекулы, то есть гигантские молекулы, состоящие главным образом из углерода и водорода, с кислородом и азотом в качестве главных (по количеству) «примесей» и серой и фосфором в качестве второстепенных (опять-таки по количеству). Если бы молекула состояла только из углерода и водорода, она была бы неполярной, — кислород и азот придают ей полярные свойства.

На фоне воды (а она, как известно, состоит из кислорода и водорода) следует ожидать, что в живой ткани атомов кислорода больше, чем атомов азота. На Земле именно так и обстоит дело. На фоне аммиака, как мне кажется, атомы азота будут превалировать над атомами кислорода. Два подвида соответствующих белков и нуклеиновых кислот можно было бы отличать друг от друга, ставя в скобки О или N (чтобы указать, каких атомов больше).

Липиды, играющие главные роли на фоне метана и водорода, бедны как кислородом, так и азотом; они почти целиком состоят из углерода и водорода и поэтому неполярны.

Но на такой горячей планете, как Меркурий, ни белки, ни нуклеиновые кислоты, ни липиды не могли бы существовать. При температуре жидкой серы все известные нам органические соединения — кроме простейших — разрушаются. Земные белки при температуре от 60 градусов и выше разрушаются уже через несколько минут.

Как же тогда стабилизировать органические соединения? Первое, что приходит в голову, — это заменить водород каким-нибудь другим элементом, так как в горячих мирах ощущается острая нехватка водорода.

Давайте поговорим о водороде. Атом водорода — самый маленький из всех атомов; его можно протиснуть в молекулярную структуру там, где другие атомы не пройдут. В любую, даже самую сложную углеродную цепочку можно со всех сторон втиснуть маленькие атомы водорода — получатся углеводороды. Любой другой атом оказался бы для этого слишком большим… кроме одного.

«Кроме одного»! Какого же? Оказывается, только атом фтора по размерам почти так же мал, как атом водорода, и обладает сходными химическими свойствами (по крайней мере в отношении способности участвовать в определенных комбинациях молекул). К сожалению, фтор так активен, что химикам очень трудно с ним работать, и поэтому они, естественно, больше занимались исследованиями не столь агрессивных элементов.

Но во время второй мировой войны положение изменилось. Возникла необходимость работать с гексафторидом урана: это был единственный способ ввести уран в соединение, которое без особого труда превращалось в газ. Работу с ураном надо было продолжить (вы знаете почему), и волей-неволей пришлось иметь дело и с фтором.

В результате была создана целая группа фторуглеродов, сложных молекул, состоящих из углерода и фтора, а не из углерода и водорода. Так была заложена основа химии фторорганических соединений.

Разумеется, фторуглероды инертны в значительно большей степени, чем соответствующие углеводороды (именно это свойство оказалось особо ценным для промышленности), и, по-видимому, совершенно не обладают гибкостью и изменчивостью, необходимыми для жизни.

Но ведь полученные до настоящего времени фторуглероды аналогичны полиэтилену или полистиролу. Эти последние относятся к органическим соединениям водорода, а если бы нам пришлось судить о возможностях таких соединений только по полиэтилену, то мы едва ли могли бы составить представление о белках.

Насколько мне известно, до сих пор еще никто не только не имел дела с проблемой фтористых белков, но даже и не думал об этом. Но почему бы нам и не поговорить о ней? Не приходится сомневаться в том, что фтористые белки при обычной температуре должны быть гораздо менее активными, чем обычные белки. Но на такой планете, как Меркурий, где температура настолько высока, что водородные органические соединения разрушаются, фторорганические соединения могли бы стать как раз настолько активными, чтобы поддержать жизнь; возможно, именно из этих фторорганических соединений и развилась бы там жизнь.

* * *

Такая фторорганическая жизнь на фоне серы возможна, конечно, лишь при условии, что количества фтора, углерода и серы на горячих планетах достаточны для развития жизни в результате случайных реакций, протекавших на протяжении всего существования солнечной системы.

Каждый из перечисленных элементов в умеренном количестве имеется в любом уголке Вселенной, так что это условие, в общем, не так уж невыполнимо. Но на всякий случай поговорим и о возможных альтернативах.