Помоги проекту - поделись книгой:
Космическому аппарату удалось проанализировать и некое, возможно, вызванное солнечным светом, истечение кометного материала на расстояние около 3 км. Оказалось, исходящие с поверхности кометы вещества содержат воду и углекислый газ. Но еще больше, чем воды, в нем органических соединений — формальдегида и метанола!..
«Кометы — это полуфабрикаты, материал которых не был использован зарождающейся Солнечной системой при формировании самого светила и планет возле него 4,5 млрд. лет назад, — полагают ученые. — Оставшись в глубоком вакууме при температуре, близкой к абсолютному нулю, кометы в отличие от других объектов Солнечной системы со временем почти не изменились. Они по-прежнему содержат первозданные лед, газ, пыль и… органику!»
Если «небесные странницы» действительно содержат органические молекулы, то и зарождение жизни на нашей планете, возможно, произошло проще, чем предполагалось до сих пор. Она могла быть занесена на Землю из космоса. Группа испанских и венгерских исследователей показала, что ранние формы РНК могли содержать количество генов, достаточное для функционирования очень простого организма.
Речь идет о линейных молекулах, называемых рибозимами. Они совмещают свойства нуклеиновой кислоты как хранилища генетической информации со свойствами ферментной молекулы, способствующей реализации другой функции. В данном случае — переводу генетической информации в необходимые клетке белки. На ранних стадиях жизни первые цепочки РНК, похоже, выступали сразу в двух ролях. С одной стороны, они были самовоспроизводящимися, как нынешняя двойная спираль ДНК, а с другой — могли участвовать в химических реакциях, необходимых для построения жизнедеятельной клетки. Единственным камнем преткновения для полного принятия этой «рибозиновой» теории зарождения жизни до сих пор являлся малый размер РНК-молекул: длина такой цепочки считалась недостаточной, чтобы содержать достаточно генов даже для самого простого организма.
Однако доктор Мауро Сантос с кафедры генетики и микробиологии Автономного университета Барселоны, под руководством которого и работала международная группа ученых, полагает, что критическое число генов может быть не 200, как полагали ранее, а вдвое меньшим. «Ста генов вполне достаточно для простейшего организма с функциональной активностью, — считает Сантос. — Рибоорганизмам не нужно столько генов, сколько бактериям»…
Зарубежных исследователей поддержали и наши ученые — сотрудники Новосибирского Института катализа, работавшие под руководством академика В.Н. Пармона. Однако прежде чем мы ознакомимся с их гипотезой, вспомним вот о чем.
До недавнего времени главной гипотезой о происхождении жизни на Земле считалась выдвинутая еще в 1922 году гипотеза Опарина — Холдейна. В ее основе лежит теория абиогенного синтеза (абиогенез — происхождение живого из неживого). То есть ученые полагали, что вначале на нашей планете были лишь водород, вода, углекислый газ, метан и аммиак. Солнце, молнии, радиация и вулканическая лава «создали» из этих веществ первую органику, которая затем случайно сложилась в первые аминокислоты, полисахариды и нуклеотиды, из которых потом — тоже случайно — образовалась первая белковая молекула.
Параллельно из тех же составляющих (конечно же, совершенно случайно) образовалась первая молекула ДНК, которой суждено было стать хранительницей генетической информации. Затем молекулы белка и ДНК опять-таки случайно встретились и непостижимым образом «договорились» отныне жить и работать в едином организме, в котором белок бы защищал ДНК от стрессов, а ДНК несла информацию о строении этого белка. Так возникли простейшие безъядерные бактерии (молекулы ДНК, завернутые в белковую оболочку), первые организмы и т. д.
Однако российский ученый, профессор МГУ Лев Блюменфельд, вычислил, что вероятность случайного появления на свет молекулы ДНК за время существования Земли равна 10800. То есть для того, чтобы получить всего одну ДНК, у нас должно быть 10800 планет возраста Земли. А поскольку считается, что вся наша Вселенная состоит всего из 1080 атомов, непонятно, откуда взяться такому количеству планет.
Между тем, как показали исследования геологов, на Земле в породах, возраст которых 3,8 млрд. лет (а возраст самой Земли, напомним, чуть превышает 4 млрд. лет), уже наблюдаются ископаемые остатки довольно-таки сложных организмов. Откуда они взялись?
Все это привело к тому, что среди ученых сейчас становится все более популярным так называемый «принцип Реди»: «Живое — только от живого». Или, говоря иначе, получается, что жизнь на нашу планету скорее всего попала в виде зародышей из космоса. Что вроде бы и подтверждает анализ вещества, добытого из недр кометы Темпля 1.
Однако новосибирские биохимики, как уже говорилось, смогли взглянуть на проблему с другой стороны. Они предположили, что ДНК не возникла случайно из органического бульона, а стала продуктом эволюции другой, более простой, молекулы. Нечто похожее на эволюцию происходит, например, в процессе формозной реакции Бутлерова; помещенная в формальдегид молекула полисахарида запускает цепную реакцию, в результате которой в растворе появляются все новые полисахариды.
Тогда процесс возникновения жизни на нашей планете можно представить примерно так. В атмосфере молодой Земли формальдегидов было более чем достаточно. Они весьма активно образовывались в ней под воздействием молний или при соприкосновении воздуха с вулканической лавой, а затем растворялись в океане. Под воздействием жесткого солнечного излучения часть из них превратилась в простейшие сахара, положив начало цепной реакции Бутлерова. Из-за присутствия апатита получившийся в океане питательный раствор больше подходил для рибозы, поэтому она получила преимущество, обзавелась дополнительными группами и «склеилась» в первые молекулы ДНК. Правда, ученые, как и создатели теории Опарина — Холдейна, не объясняют, каким образом ДНК оказалась окруженной белковым слоем. Над этим еще предстоит поработать.
Впрочем, рибоорганизмы — могли быть не единственной формой ранней жизни на нашей планете. Если биохимики долгое время считали, что жизнь на Земле возникла в процессе сложной и длительной эволюции химических веществ, закончившейся образованием живых клеток, то физики, словно в насмешку, получили из газообразной плазмы шарики, которые удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к биологическим клеткам: они растут, размножаются и сообщаются.
Румынский профессор Мирча Сандуловичу и его коллеги продемонстрировали шарики плазмы диаметром от нескольких микрометров до 3 см, которые были получены ими из инертного газа аргона. Плазменные шары не только растут, но и время от времени распадаются надвое, то есть воспроизводят сами себя. Они также испускают электромагнитные волны — ученые предлагают считать это обменом информацией.
«Таким образом, можно предположить, что перед нами прототипы первых живых клеток на Земле», — утверждает профессор Сандуловичу.
Биологи, правда, возражают: самая низкотемпературная плазма имеет температуру 10 тысяч градусов, при которой ДНК, основа жизни, возникнуть не может. Но как мы только что выяснили, первые прообразы живого могли быть и РНК-организмами, менее чувствительными к условиям окружающей среды. Кроме того, Сандуловичу настаивает на том, что его с коллегами открытие может положить начало новой теории образования жизни если не на Земле, то на других планетах. «Подобные живым клеткам сферы, описанные нами, могут лежать в основе форм жизни, которые мы еще не изучали», — полагает румынский физик.
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Охота за бозоном Хиггса
В заголовке нет ошибки: охота ведется не за бизоном, а за бозоном и ведут ее не охотники, а физики-экспериментаторы, поскольку так называется не животное, а некая гипотетическая частица. Когда началась эта охота и к чему она может привести, мы с вами и попробуем разобраться.
Загадочная частица получила свое название по имени профессора Питера Хиггса из Эдинбургского университета. Еще в 60-е годы прошлого столетия он предположил, что Вселенная вовсе не пуста, как нам кажется. Все ее пространство заполнено некой тягучей субстанцией, через которую осуществляется, например, гравитационное взаимодействие между небесными телами, начиная от частиц, атомов и молекул и кончая планетами, звездами и галактиками.
Другими словами, профессор предложил вернуться к идее всемирного эфира, которая однажды была уже отвергнута. Но поскольку физики тоже люди и не любят сознаваться в своих ошибках, то новую-старую субстанцию решили называть «полем Хиггса». И сейчас считается, что именно оно, это силовое поле, придает ядерным частицам массу. А их взаимное притяжение обеспечивается носителем гравитации, который вначале назвали гравитоном, а теперь бозоном Хиггса.
Физикам давно бы хотелось добраться до таких частиц, которые бы можно было назвать «первокирпичиками Вселенной». С этой целью они открыли уже множество частиц, которые поначалу опрометчиво назвали элементарными. Однако всякий раз оказывается, что каждая «элементарная» частица, в свою очередь, делится на еще более элементарные. В итоге полный перечень элементарных частиц представляет сегодня весьма внушительный манускрипт. Специальный международный центр, который ежегодно обнародует сведения о новых элементарных частицах, каждый раз выпускает брошюру объемом около 50 страниц.
Впрочем, основных элементарных частиц не так уж много — всего десяток-другой, но и прочие важны для мироздания. Причем бесконечно дробить материю нельзя. Так можно дойти до абсурда и получить какой-нибудь бессмысленный результат, подобный полутора землекопам в неверно решенной школьной задачке.
Одно время исследователи надеялись было остановиться на кварках. Но теперь получается, что и кварков становится чересчур много для «первокирпичиков»… И сейчас на роль основного элемента Вселенной исследователи прочат опять-таки бозон Хиггса. Потому на него и охотятся.
В 2000 году физикам показалось, что бозон Хиггса наконец пойман. Однако серия экспериментов, предпринятых для проверки первого эксперимента, показала, что бозон снова ускользнул. Тем не менее, ученые уверены, что частица все-таки существует. А чтобы ее поймать, нужно просто построить более надежные ловушки, создать еще более мощные ускорители.
Один из самых грандиозных приборов человечества всеобщими усилиями строится сейчас в Европейском центре ядерных исследований близ Женевы. Класс установки обычно определяется энергией пучка, которая измеряется в электрон-вольтах (эВ). Самым крупным ускорителем в мире был выработавший свой ресурс, а потому закрывшийся в 2000 году Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP), работавший в Европейском исследовательском центре CERN возле Женевы. На следующей ускорительной установке, которую назвали Новым линейным коллайдером (NLC), физики рассчитывают достичь энергии пучка в 250 млрд. эВ.
Электроны и соответствующие им античастицы — позитроны — рождаются в разных концах агрегата длиной более 30 км. Высокочастотное электромагнитное поле несет их друг к другу, как мощная волна несет на себе серфингистов. Столкновение частиц материи и антиматерии, движущихся внутри NLC со скоростью, предельно близкой к скорости света, должно высвободить энергию, достаточную для обнаружения пресловутого бозона Хиггса. Ведь NLC рассчитан на чудовищную энергию столкновения частиц, в нем смогут возникать даже лабораторные «черные дыры».
Все, что происходит при столкновении электронов и позитронов, будет зафиксировано при помощи специальных устройств, называемых детекторами. Попросту говоря, детектор — это сверхбыстродействующи аналог цифрового фотоаппарата. Он состоит из приборов с зарядовой связью, расположенных по кольцу вокруг узкой трубы, в которой происходят столкновения электронов с позитронами.
В течение долей секунды после каждого столкновения измерительные приборы сообщат компьютеру, получили ли они какой-нибудь сигнал, и если да, то какой. Вся эта информация затем сохраняется в обширной базе данных. Обработав около 300 миллионов ее элементов, физик может проследить движение каждой частицы, как сыщик выследил бы скрывающегося преступника по следам его операций с кредитными картами.
Впрочем, ловят бозон Хиггса не только для того, чтобы убедиться в справедливости предвидения профессора, найти еще одного кандидата на роль «первокирпичика Вселенной». Гипотетическая частица, по мнению многих ученых, позволит сделать очередной шаг по созданию Стандартной модели мира или Единой теории, которую иногда также называют «теорией всего».
Сейчас исследователям известно четыре типа фундаментальных взаимодействий между частицами. Первое и наиболее общее взаимодействие — гравитационное, которое испытывают все частицы без исключения. Оно проявляется в том, что все материальные объекты, будь то микрочастицы или макротела, притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам. Это взаимодействие по собственным ощущениям знает каждый человек, а описывается оно законом всемирного тяготения.
Переносчиками гравитационного взаимодействия по идее должны быть гравитоны — электрически нейтральные частицы, которые не имеют массы покоя и распространяются со скоростью света. При обычных плотностях материи гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабо. По этой причине гравитоны до сих пор не найдены, хотя их пытаются обнаружить не один десяток лет.
В ядре работают другие силы — электромагнитные. Именно электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов, молекул, а значит, в конечном счете то, что окружающий нас мир таков, каков он есть. Это взаимодействие присуще только электрически заряженным частицам — электронам, протонам, заряженным мезонам. Обеспечивается оно квантами электромагнитного поля — фотонами, которые, подобно гравитонам, не имеют ни заряда, ни массы покоя и распространяются со скоростью света.
Третье, так называемое слабое, взаимодействие наиболее отчетливо проявляется в процессах с участием нейтрино — электрически нейтральной частицы, которая тоже, вероятно, не имеет массы покоя. Слабое взаимодействие имеет одно очень важное свойство: будучи действительно несильным при сравнительно малых энергиях, оно быстро усиливается с ростом энергии взаимодействия. При энергиях порядка нескольких сот гига-электрон-вольт слабое взаимодействие по своему влиянию уравнивается с электромагнитным.
Квантами — переносчиками слабого взаимодействия служат так называемые W- и Z-мезоны — очень тяжелые частицы, с массой примерно 80 и 90 ГэВ соответственно. Интересно, что эти частицы, подобно планете Нептун, были открыты теоретически, «на кончике пера». И лишь затем в начале 1983 года W- и Z-мезоны были обнаружены в экспериментах.
И наконец, четвертое фундаментальное взаимодействие, самое сильное из всех, так и называется сильное. Оно примерно в сто раз сильнее электромагнитного и присуще тяжелым ядерным частицам — нуклонам (протонам и нейтронам), пионам (разновидности мезонов) и их «сородичам». Из этих частиц, именуемых адронами, состоят атомные ядра, а в ходе их взаимодействия выделяется ядерная энергия. В последние двадцать лет выяснилось, что адроны — не элементарные частицы; они состоят из кварков, склеенных друг с другом глюонами.
Таким образом, как мы видим, в мире имеется четыре вида взаимодействий, которые, казалось бы, радикально отличаются друг от друга как по силе, так и по своим особенностям. «Но стоит задуматься, — полагают ученые, — а всегда ли было такое различие между этими взаимодействиями? Нет ли между ними внутренней связи, которая указывала бы на их происхождение от единого, более универсального взаимодействия в результате спонтанного нарушения симметрии?..»
Сейчас на этот вопрос с большой степенью вероятности можно дать утвердительный ответ. В первую очередь это касается электромагнитных и слабых взаимодействий. Во всяком случае, теория говорит о том, что электромагнитное и слабое взаимодействия — «потомки» одного, так называемого электрослабого, взаимодействия. А носителем этого взаимодействия должен быть как раз бозон Хиггса. Получается, эта частица обязательно должна существовать — иначе рушится сама теория.
РАЗБЕРЕМСЯ, НЕ ТОРОПЯСЬ…
Ах, какие пузыри!
Вряд ли есть на Земле человек, который бы ни разу в жизни не видел мыльных пузырей. Эта детская забава миллионов и миллионов людей для физиков предмет изучения. Недаром великий английский физик лорд Кельвин в одной из своих лекций сказал: «Выдуйте мыльный пузырь и посмотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Так что же удивительного находят в мыльном пузыре ученые?
Вы никогда не задумывались, почему мыльная вода, в отличие от обычной, способна раздуваться пузырями. Оказывается, все дело в том, что у мыльной воды меньше поверхностное натяжение. Обеспечивают же это так называемые ПАВы — поверхностно-активные вещества, содержащиеся в мыле.
«Каждая молекула ПАВ — это удлиненная цепочка, состоящая из многих атомов водорода и углерода», — пишет по этому поводу профессор Я.Е. Гегузин в своей работе, посвященной… — вы догадались правильно… — опять-таки пузырям.
Так вот каждая молекула-цепочка ПАВ обладает очень важной особенностью — концы ее имеют различные свойства: один конец охотно соединяется с водой, а вот противоположный «хвостик» — напротив, ее боится. Поэтому молекулы мыла на поверхности воды всегда выстраиваются так, что с жидкостью соприкасаются лишь те концы, которые испытывают к воде влечение, то есть являются гидрофильными.
В итоге на поверхности воды образуется тонкая мыльная пленка, состоящая их двух «частоколов», образованных молекулами ПАВ, и некоторое количество мыльной воды между ними. Эта трехслойная структура достаточно прочна и эластична, чтобы, не лопаясь, выдерживать напор сжатого воздуха.
Знаменитый английский физик лорд Рэлей, в свое время тщательно исследовавший эту пленку, сделал открытие, добавившее блеска к его научной славе. Он разъяснил, почему при раздувании мыльная пленка лопается далеко не сразу. Оказывается, по мере растяжения в ряды «частоколов» вставляются все новые молекулы ПАВ из резерва. И пузырь в спокойном воздухе лопается лишь после того, как этот резерв будет полностью исчерпан. Именно это позволяет некоторым умельцам выдувать пузыри диаметром более 4 метров!
Если же оболочку мыльного пузыря ткнуть иголкой или просто пальцем, он, как всем известно, тут же лопнет. Почему? Скоростная киносъемка, проведенная уже во второй половине XX века советским исследователем М.О. Корнфельдом, показала, что и как при этом происходит.
Поделиться книгой: