Био предоставил Пастеру все требуемые реагенты, и в одной из лабораторий Коллеж де Франс начался знаменитый опыт. Через некоторое время Пастер передал Био кристаллы и сказал, что они будут вращать свет влево. Так оно и произошло. Маститый Био был потрясен.

Идеи Пастера и легли в основу теории Вант-Гоффа и Ле-Беля. За 14 лет до четкой формулировки основного положения стереохимии, в 1860 году Пастер писал: «Расположены ли атомы правой винной кислоты в направлении витков правой спирали… Или они образуют какую-то другую асимметричную группировку? Мы не можем ответить на эти вопросы. Однако нет никакого сомнения, что расположение атомов является асимметричным и не совместимым со своим зеркальным изображением.

Не менее достоверно и то, что атомы l-формы кислоты обладают точно противоположным расположением».

Великий ученый замечательно ясно и точно объяснил загадку оптической активности.

После работ Пастера, Вант-Гоффа и Ле-Беля биохимиками был установлен поразительный факт. Во всем мире живого, в органических молекулах любой клетки белки построены только из одного типа пространственных изомеров аминокислот, а именно из l-аминокислот.

Белки коровы, дерева, дрожжей и даже вирусов состоят из l-аминокислот.

Почему? Ведь правые и левые молекулы химически абсолютно одинаковы.

Они одинаковы, лишь когда дело касается взаимодействия с оптически неактивными веществами. Если же они реагируют с другими правыми и левыми молекулами, проявляются их стереохимические особенности.

Лауреат Нобелевской премии шведский физик X. Альвен развивает идею существования антимиров, где роль электрона выполняет позитрон, а вместо протона в ядре атома — антипротон. Такой мир, в терминах физики, являлся бы зеркальным отображением нашего мира.

При соприкосновении они были бы уничтожены, аннигилировали. А в мире живого?

Этот вопрос был поднят еще в XIX веке, но не физиками или биологами, а автором знаменитой «Алисы в Зазеркалье» Л. Кэрролом. Правда, он известен и как математик. «Может быть, зеркальное молоко не годится для питья», — рассуждает Алиса в знаменитой книге.

Кэррол прав. Если бы мы с вами были построены из белков, в состав которых входили бы не l-, а d-аминокислоты, внешне ничего бы не переменилось. Возможно, большинство людей писало бы левой рукой, а сердце билось бы справа. И животные и микроорганизмы дышали бы так же, как и сейчас. Но если бы l-человек стал бы есть d-белки, он очень скоро умер бы от голода, так как d-аминокислоты не сумели бы включиться в состав l-белкового мира.

Итак, почему у нас l-, а не d-мир? Почему и как в результате эволюции произошел отбор только одной формы изомеров молекул?

В живых системах всегда присутствует только один оптический изомер, в то время как в процессах небиологического синтеза при прочих равных условиях (без использования оптически активных матриц) образуется рацемическая смесь молекул, то есть смесь, состоящая поровну из l- и d-форм и не вращающая плоскость поляризации, в процессах биосинтеза синтезируются оптически активные соединения. По этому поводу существует целый ряд предположений, и мы остановимся на обзоре лишь некоторых гипотез, представляющих, на наш взгляд, наибольший интерес.

Лауреат Нобелевской премии известный химик Д. Уолд подчеркивает различие формы у энантиомеров как весьма важное качество для ряда биохимических реакций и обосновывает предположение, что оптическая активность возникла в результате естественного отбора молекул из начальной рацемической смеси.

Целесообразно, однако, указать сначала на природные источники оптической асимметрии, которые могли бы играть определенную роль в отборе молекул. Так, еще в 1896 году было обнаружено, что оптические изомеры отличаются коэффициентами поглощения поляризованного света. Это явление могло бы в принципе служить механизмом отбора, так как на поверхность Земли попадает некоторое количество поляризованного излучения.

Однако результирующий эффект, по-видимому, слишком мал, чтобы играть заметную роль в возникновении столь явно выраженного отбора энантиомера одного типа.

В качестве возможной причины появления оптической активности рассматривались кристаллы кварца, которые могут разделять оптические изомеры с различной адсорбцией и играть определенную роль в ассиметрическом синтезе (небиологическом) на поверхности. Но для этого одна форма кварца должна быть преимущественной. Если же правые и левые кристаллы кварца встречаются одинаково часто в природе, то остается надежда лишь на локальные флуктуации какой-либо из этих форм.

Правда, известный геохимик В. Гольдшмит сообщил в свое время о преимущественном распространении правых кристаллов кварца. Он полагал, что правых кристаллов в 10 раз больше, чем левых. Другие геологи не сумели подтвердить численные данные Гольдшмита. Однако нельзя исключить того обстоятельства, что правых кристаллов действительно несколько больше, чем левых.

Тем не менее кристаллы кварца не могли играть скольлибо серьезной роли в возникновении биологической оптической активности, так как экспериментально была доказана равная эффективность правых и левых кристаллов кварца в отношении поверхностной ориентации аминокислот.

Уолд видит объяснение эволюционного пути этого явления в постепенной селекции молекул. Для обоснования своей идеи он рассматривает полипептиды и белки, с одной стороны, и полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты — с другой.

Большинство известных белков имеет в своей структуре спирализованные участки, называемые а-спиралью, а-спираль была открыта и изучена лауреатом Нобелевской премии и Ленинской премии мира знаменитым химиком Л. Полингом.

При изучении синтетических полимеров аминокислот удалось показать, что они образуют в некоторых растворах а-спиральную структуру самопроизвольно. Может ли а-спираль образовываться из смеси l- и d-аминокислот? Тщательно проанализировав этот вопрос, Уолд приходит к выводу, что небольшие включения d-аминокислот не оказывают существенного влияния на а-спиральную конфигурацию. Однако возникновение а-спирали в рацемической смеси аминокислот маловероятно, если не невозможно, по все тем же стереохимическим причинам.

Сравнивая процессы полимеризации и свойства l-, dаминокислот и полимеров, можно сделать следующие важные выводы: полимер, состоящий из смеси l- и d-аминокислот, растет значительно медленнее, чем l- или d-форма отдельно (примерно в 20 раз медленнее). Кроме этого, смешанные полимеры короче, чем l- или d-формы, образованные в аналогичных условиях. Но это еще не все.

Смешанные полимеры гораздо менее стабильны в своей конфигурации, чем l- или d-формы.

Все эти факторы могут обеспечить естественный отбор на молекулярном уровне по признаку стерического (стереохимического) преимущества.

Еще более нагляден пример с нуклеиновыми кислотами. Ведь они тоже оптически активны. Вернее, оптически активна молекула сахара, входящая в состав и ДНК и РНК. Полная геометрия двойной спирали определена структурой групп, связанных с асимметрическим атомом углерода в молекуле сахара.

Поскольку компонентами нуклеотидов являются d-сахара, то устанавливается определенная пространственная ориентация азотистых оснований по отношению к асимметричному углеродному атому молекулы сахара.

Именно поэтому конфигурация нуклеиновой кислоты стерически четко определена, что и дает возможность для спаривания оснований. В случае же использования смеси l- и d-сахаров азотистые основания не могут расположиться комплементарно и двойная спираль не сможет образоваться.

Что же определяет в природе выбор правого или левого?

Саму оптическую активность объяснить нетрудно.

Труднее объяснить, почему природа сделала столь определенный выбор. Обсуждая этот вопрос, Уолд вспоминает свой разговор с Эйнштейном.

Почему живое использует l-аминокислоты? Этот вопрос аналогичен проблеме зарядовой симметрии в физике. Эйнштейн говорил, что он часто задавал себе вопрос, почему электрон заряжен отрицательно. И в том и в другом случае можно дать аналогичный ответ: одна форма победила другую. Возможно, говорит Уолд, некоторое время существовали l- и d-организмы. Затем одна популяция вытеснила другую. Возможно также, что отбор произошел раньше, на стадии предбиологической эволюции.

Идеи Уолда представляются весьма интересными и обоснованными именно в части естественного отбора оптических антиподов, их внутренней приспособленности для построения структур высшего порядка. Что касается вопроса о том, почему мы имеем на Земле жизнь, a не «антижизнь», то есть системы, построенные из l-аминокислот и d-сахаров, а не наоборот, то, по-видимому, сегодня мы не в состоянии решить эту задачу.

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 панспермин, 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 106 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.

Глава X

БОГИ И «ВИКИНГИ»

Среди планет солнечной системы третья планета от Солнца обитаема. Это наша Земля — Деметра, богиня плодородия.

Извечный вопрос, есть ли где-нибудь еще жизнь, кроме Земли, относился прежде всего к другим планетам солнечной системы. Казалось бы, сейчас этот вопрос в известной мере утерял свою актуальность в связи с результатами исследования планет. Человечество получило от космических исследований столь большой объем научной информации, что он будет еще многие десятилетия осмысливаться учеными.

И нам полезно посмотреть, как практически на глазах сегодняшнего поколения менялось отношение к проблеме существования жизни на других планетах, какие новые идеи возникают по этому поводу и как старые идеи теряют свою силу перед неопровержимыми экспериментальными данными.

Итак, посмотрим, каков климат — на планетах солнечной системы. Где еще, кроме Земли, может зародиться и существовать жизнь?

Наша родительская звезда — Солнце имеет семью, состоящую из девяти планет. Расстояния от планет до Солнца исчисляются сотнями миллионов и даже миллиардами километров. С такими чудовищными цифрами оперировать не очень-то удобно. Поэтому астрономы предпочитают иметь дело не с километрами, а с астрономическими единицами. Одна астрономическая единица равна расстоянию от Солнца до Земли, или приблизительно 150 миллионам километров.

Самая близкая к Солнцу планета Меркурий находится от него на расстоянии 0,39 астрономической единицы.

Самая далекая, Плутон, в 100 раз дальше от Солнца, чем Меркурий. Расстояние от Солнца до Нептуна в 30 раз больше, чем расстояние от Солнца до Земли. Уран находится в 19 астрономических единицах от Солнца, Сатурн — почти в десяти, Юпитер — в пяти. Марс дальше в полтора раза от Солнца, чем Земля. Ну а ближайшая соседка Венера отстоит от Солнца «всего» на 0,72 астрономической единицы.

Чем дальше от Солнца планета, тем холоднее ее климат. Ведь хорошо известно, что количество солнечной радиации убывает пропорционально квадрату расстояния от нашего светила. Именно поэтому поверхность Меркурия получает в семь раз больше солнечных лучей, чем поверхность Земли. А на долю Плутона приходится всего 0,0006 того количества солнечной энергии, которая достигает Земли.

Очень важной величиной, определяющей климатические условия, является время обращения планет вокруг Солнца, то есть продолжительность их года. Ясно, что чем дальше от Солнца планета, тем продолжительней период ее обращения. Меркурий полностью «замыкает» свою орбиту за 88 дней. Земля, как мы знаем, тратит на это уже 365 дней. Чем дальше от Солнца, тем больше, и год Юпитера составляет почти 12 земных лет, а на Плутоне длится 248 земных лет. Марсианский год приблизительно вдвое больше земного. Это означает, что и каждый сезон года на Марсе продолжается приблизительно вдвое дольше, чем на Земле.

Чрезвычайно важно знать и массу планеты, поскольку именно она определяет силу тяжести на поверхности.

В солнечной системе самая легкая планета — Меркурий. Его масса составляет всего 0,05 массы Земли. Юпитер же тяжелее всех остальных планет, вместе взятых.

Он в 318 раз тяжелее Земли и в три раза тяжелее Сатурна. Итак, каковы же климатические условия на планетах?

Самая маленькая, самая легкая и самая близкая к Солнцу планета — Меркурий. Температура его поверхности, освещаемой солнечными лучами, достигает 345 градусов по Цельсию. Если бы можно было повысить температуру поверхности Меркурия всего на сто градусов, то сера, находящаяся на поверхности, начала бы кипеть и астрономы наблюдали бы желтую атмосферу на этой планете. Но, во-первых, этих ста градусов все-таки не хватает, а во-вторых, если атмосфера на Меркурии и есть, то она очень слабая. Давление газов у поверхности Меркурия в сотни миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли. Совершенно ясно, что на поверхности такой планеты, так же как и на поверхности Луны, никакой жизни быть не может.

Совсем недавно наш выдающийся ученый академик В. Вернадский говорил, что существование микробной жизни на Венере более чем вероятно. Существование жизни на Марсе у него (как, впрочем, и у подавляющего большинства других ученых) не вызывало никаких сомнений.

Существовали какие-нибудь основания для столь оптимистической точки зрения? Безусловно. Ведь Венера и по размерам, и по средней плотности, и по массе — близнец или, точнее, родная сестра Земли. Поэтому-то и считалось еще лет тридцать тому назад, что на Венере обязательно должна быть жизнь. Но, пожалуй, именно в отношении Венеры наши представления претерпели наибольшие изменения в последнее десятилетие. Это, конечно, в первую очередь связано с достижениями советских космических станций типа «Венера» и американского «Пионера».

Наиболее интересные данные о Венере были получены с автоматических станций «Венера-9 и 10» в 1975 году, со станций «Венера-11 и 12» в 1978 году и в том же году с американской станции «Пионер-Венера». Советские автоматические станции в 1975 году впервые дали возможность человечеству взглянуть глазами телевизионных установок на каменистую и безжизненную поверхность Венеры. Их отличие от американской станции «Пионер» состояло в том, что они работали на поверхности Венеры.

Американцы пошли по другому пути. У них был большой космический корабль, из которого выбросили три маленьких и один большой исследовательский зонды.

На всех зондах была установлена научная аппаратура.

Зонды прошли всю атмосферу Венеры до самой поверхности и сделали много измерений. При столкновении с поверхностью Венеры все они, кроме одного, погибли: скорость соударения достигала 11 метров в секунду.

Один маленький зонд «жил» на поверхности 67 минут.

Что же показали советские и американские космические эксперименты?

Атмосфера Венеры горячая, плотная и сухая. Температура поверхности больше 400 градусов Цельсия. Выше, чем на Меркурии. Но ведь Венера дальше от Солнца, чем Меркурий. Почему же она горячее?

Дело в том, что на Венере вовсю работает тот самый парниковый эффект, о котором говорилось в одной из предыдущих глав. Давление атмосферного столба у поверхности — около ста килограммов на квадратный сантиметр, и львиную долю этого давления создает углекислый газ. Поэтому-то парниковый эффект на Венере гораздо сильнее, чем на Земле, поэтому-то и температура поверхности Венеры выше, чем у Меркурия.

При подобных температурах не может быть и речи о существовании каких-либо форм жизни. Высказывались, правда, идеи о холодных полюсах на Венере и о существовании именно в этих районах океанов. Однако вряд ли подобное предположение можно считать состоятельным: в этом случае необходимы гигантские перепады температуры в меридиональном направлении.

А как получить такие перепады? Ведь на Венере сильные ветры. На высоте 40 километров их скорость достигает скорости хорошего урагана, 40 метров в секунду.

На высоте 60 километров и того больше, 100–160 метров в секунду. При столь сильных движениях в атмосфере значительные температурные перепады невозможны.

Таким образом, мы приходим к выводу о невозможности существования не только каких-либо форм жизни на поверхности Венеры, но, по-видимому, и о невозможности существования на поверхности этой планеты сколь-либо сложных органических молекул.

Действительно, основной компонент атмосферы Венеры — углекислый газ. Есть немного азота и аргона. Воды совсем мало. Даже сернистого газа больше, чем воды.

Из такой атмосферы органической «каши» не сваришь, хотя грозовые разряды там бывают.

Кстати, вопрос о том, куда исчезла вода с Венеры, является одним~из самых загадочных. Ведь на Земле-то воды более чем достаточно. Средняя толща одних океанов около трех километров. А сколько еще воды в мантии!

Для объяснения этого явления предлагался ряд гипотез. Можно, например, предположить, что в самом начале образования планеты исходный материал содержал малые количества воды, поскольку в зоне образования Венеры начальные температуры были выше. Это предположение носит слишком общий характер, не поддается никакой экспериментальной проверке и целиком зависит от слишком неопределенных начальных условий.