Наука и удивительное

Рис. 54. Воспроизведение ДНК. а — молекула ДНК, для ясности устранены спиральные витки; б — продольное расщепление ДНК; в — каждая половина ДНК «собирает» нужные нуклеотиды и образует новую полную молекулу ДНК, тождественную исходной.

Оба члена пары, составляющей ступеньку, просто разделяются, так что образуются две половинки лестницы. Вспомним теперь, что в это время клетка содержит свободно плавающие нуклеотиды, которые производятся особыми белками (ферментами). Поэтому каждая половинка ступеньки находит в клетке соответствующий нуклеотид и снова образует целую ступеньку. В результате этого процесса получаются две лестницы с точно одинаковым порядком ступенек; после деления каждая попадает в одну из вновь образовавшихся клеток.

Теперь мы получили некоторое представление о том, как растет и размножается клетка. Когда несколько бактерий помещены в питательный раствор, процессы жизни превращают простые, но богатые энергией молекулы растворов в более сложные молекулы все большего числа бактерий, и эти процессы продолжаются до тех пор, пока все питательные вещества не израсходуются. Такие процессы возможны только благодаря участию макромолекул ДНК, которые не только определяют схему построения белков, но и воспроизводятся при каждом делении клетки, так что «постройка» белков может идти все быстрее и быстрее.

Вирус и человек

До сих пор мы описывали строение бактерии и процесс ее развития. А что мы можем сказать о других формах жизни, от вируса до человека, включая сюда всех животных и все растения? Замечательно, что некоторые существенные черты одинаковы во всех проявлениях жизни, несмотря на огромное разнообразие ее форм и представителей.

Рассмотрим два противоположных конца этой шкалы — вирус (фото IX) и человека.

Вирус гораздо меньше бактерии. Он состоит из нуклеиновой кислоты, заключенной в оболочку, образованную простыми белками. В нем нет сложных белков, производящих аминокислоты, АТФ и нуклеотиды. Он в них не нуждается. Вирус ведет жизнь паразита. Он может жить и размножаться, только находясь в какой-нибудь другой клетке. Присоединяясь к оболочке клетки-хозяина, он впускает в клетку свои нуклеиновые кислоты и использует ее аминокислоты и нуклеотиды (а также ее энергетические ресурсы, т. е. АТФ) для собственного размножения и для построения своей новой оболочки. Он действует так быстро, что вскоре клетка заполняется вновь образующимися вирусами; тогда ее оболочка лопается, и сама она погибает (фото X).

Эти вирусы вызывают болезни. Они атакуют некоторые клетки нашего организма и убивают их, используя материал самих клеток для своего воспроизведения. Естественно, что нуклеиновая кислота вируса должна «знать» гораздо меньше нуклеиновой кислоты бактерии. Ей нужно лишь производить белки для своей оболочки и воспроизводиться. В других белках вирус не нуждается, потому что клетка-хозяин снабжает его всем остальным. Не удивительно, что у вируса нуклеиновая кислота гораздо короче, чем у бактерии. Винтовая лестница вируса имеет только 100 000 ступенек, что хорошо согласуется с нашим представлением о нуклеиновой кислоте как о носителе информации. Вирус — это простейшая единица живого, он обладает самой короткой цепью ДНК.

Перейдем теперь к наиболее сложному живому существу — человеку и сравним его с бактерией. Прежде всего, бактерия — это единственная клетка, а человек — совокупность колоссального множества самых различных клеток. Однако, несмотря на свое разнообразие, клетки человеческого тела во многих отношениях похожи на бактериальные. Они тоже состоят из белков — простых, имеющих форму волокна, в оболочке и структурных элементах, и сложных, глобулярных белков, обеспечивающих осуществление химических реакций. Они содержат молекулы АТФ, в которых запасена энергия. И наконец, каждая клетка содержит молекулы ДНК. Эти молекулы, как и следует ожидать, очень длинны, примерно в 100 раз длиннее бактериальной ДНК. Если распрямить винтовую лестницу ДНК, содержащуюся в теле человека, то ее длина составит около двух метров. Однако в действительности эти лестницы спутаны в клубки и занимают очень мало места в клетке. В них насчитывается несколько миллиардов ступенек! Огромное число их, конечно, связано с тем, что человек организован гораздо сложнее бактерии.

Хотя все клетки человека содержат одну и ту же ДНК, в других отношениях они весьма различны. Каждый тип клеток служит различным целям. Клетки кожи защищают тело, клетки желудка выделяют вещества, требуемые для пищеварения, клетки мышц способны сокращаться и производить физическую работу, клетки сетчатки в глазу чувствительны к свету, и, кроме того, есть и нервные клетки.

Нервная система — это, вероятно, важнейшая новая структура, образовавшаяся в процессе превращения бактерий в высшие формы. Нервы представляют собой длинные нити, состоящие из особых клеток, по которым, как по телефонным проводам, передаются сообщения из одного места в другое; но передача сообщения по нервам происходит медленнее и иным механизмом. Когда свет падает на сетчатку, раздражение передается мозгу, при возбуждении кожи оно передается в другие участки мозга. И наоборот, раздражение, возникающее в мозгу, передается по нервам к каждой мышце тела и вызывает ее сокращение. Сам мозг представляет собой сложный клубок колоссального множества нервных клеток, число которых достигает 10 миллиардов. Их расположение и связь между отдельными клетками пока непонятны. Но эта гигантская совокупность нервных клеток способна реагировать на раздражения, приходящие извне. Мы можем думать и чувствовать.

Между бактерией и человеком есть существенное биологическое различие. Когда бактерия растет и размножается, она производит все, что ей требуется, в одной-единственной клетке. При росте человеческого существа должны образовываться самые различные клетки: клетки кожи, мышц, костей, нервные клетки и т. д. Развитие каждой части организма должно происходить по своему генеральному плану.

Отсюда возникает наиболее важная и интересная проблема, которая все еще не решена. По нашим нынешним представлениям, каждая клетка содержит молекулу ДНК, обладающую всей информацией об организме; она способна производить все белки, из которых состоит этот организм. Но очевидно, что ни одна клетка не может сделать все белки. Откуда же клетка узнает, какая часть программы, заложенной в ДНК, относится к ее собственному росту? Как исключаются другие части программы и используются только те, которые нужны?

Рассмотрим проблему роста и развития индивидуума. Мы знаем, что в самом начале зародыш состоит из одной клетки, которая делится на несколько клеток, подобных друг другу. Однако вскоре возникает специализация, или дифференциация, клеток. Одни клетки, развиваясь, превращаются в позвоночник, другие — в конечности, третьи — в пищеварительный тракт, четвертые — в нервную систему. Хотя все они содержат ту же нуклеиновую кислоту, они развиваются по-разному. Как это происходит?

Мы отмечаем эту избирательную способность клеток, наблюдая заживление раны. Клетки, соседние с ней, каким-то образом «узнают», как расти и размножаться таким образом и в таком направлении, чтобы восстановилась первоначальная структура ткани. Производятся только такие белки, которые отвечают должному образцу и заставляют развиваться нужную структуру.

Очень возможно, что решение этой проблемы состоит в следующем. Нуклеиновая кислота молекулы устроена и расположена так, что эффективность разных ее участков зависит от окружающей среды. В начале развития зародыша эффективны только те участки ДНК, которые производят недифференцированные клетки. Затем присутствие вновь созданных белков так влияет на ДНК, что эффективными становятся другие ее участки и образуется ряд новых белков. Итак, мы видим, что на каждой стадии развития активными становятся разные участки ДНК. В каждой клетке организма человека работает только тот участок ДНК, который отвечает специфическим потребностям данной клетки. Остальные участки поддерживаются неактивными в результате особого химического воздействия окружающей среды; механизм этого воздействия пока очень мало нам известен. Опыты с различными зародышевыми клетками, например, показали, что при развитии клетки, расположенной там, где из нее должен был бы развиваться хвост, получится голова, если пересадить эту клетку в то место, где должна была бы развиться голова.

При образовании нового индивидуума порядок чередования нуклеотидов в ДНК не сохраняется в точности прежним. Цепь молекул в ДНК так велика, что небольшие отклонения в разных ее участках не приводят к фундаментальным изменениям в развитии индивидуума, могут возникать только небольшие модификации. Поэтому ни один индивидуум не тождествен другому. Вследствие полового размножения эти модификации смешиваются в каждом новом поколении. В основном дети подобны родителям, но отличаются от них в деталях. Их ДНК — это копия примерно половины ДНК отца и половины ДНК матери. В этом и заключается фундаментальное различие между живыми индивидуумами и атомами. Два атома одного сорта тождественны во всех отношениях — они полностью совпадают по всем своим свойствам. Но два живых существа одного вида никогда не бывают совершенно одинаковыми. Чрезвычайно длинная цепь ДНК дает много возможностей для видоизменений внутри данного вида, и именно это делает жизнь столь захватывающе интересной.

Источники питания

Откуда поступает материал, который образует организм человека и заставляет его расти? Для вируса эта задача решается очень просто. Он является паразитом, и его потомство развивается в клетке хозяина. Бактерия более независима; она образует свои аминокислоты и нуклеотиды при помощи специальных белков, но для этого ее нужно поместить в питательный раствор сахара и других веществ. Человек должен есть, чтобы жить и расти. Он ест ткани живых организмов, например овощи и мясо. В этом отношении человек и другие животные менее независимы, чем бактерия. Мы не могли бы жить, питаясь раствором сахара и аммиака, потому что клетки нашего организма не в состоянии синтезировать необходимые аминокислоты. В этом отношении мы паразиты. Мы должны получать наши аминокислоты и нуклеотиды из другого живого материала. Белки в нашей пище расщепляются в процессе пищеварения в аминокислоты, из которых они состоят. Клетки нашего организма используют их для создания белков, нужных для его роста и химической деятельности.

Что касается наших потребностей в энергии — для работы наших мышц и синтеза белков, — то здесь мы поступаем, как бактерии. В наших клетках тоже есть белки, которые могут использовать энергию, освобождаемую при «сгорании» сахара, и запасать ее малыми порциями в квантовых состояниях молекулы АТФ. Эти молекулы служат носителями энергии в организме человека; они поглощаются мышцами во время сокращения, когда производится работа, или клетками при синтезе новых белков.

Бактерии нуждаются в сахаре, мы нуждаемся в аминокислотах и сахаре. Откуда поступают все эти вещества? И мы, и все другие живые существа, включая бактерии, потребляем сахар, сжигая его в СO₂ и воду. Мы потребляем и аминокислоты: после смерти наш организм разрушается, и содержащиеся в нем аминокислоты распадаются на углерод и другие простые вещества, из которых состоят аминокислоты. И молекулы сахара, и аминокислоты (и нуклеотиды) суть богатые энергией сочетания атомов, т. е. богатые энергией молекулы. Что же поставляет эти молекулы? Должны быть места, где синтезируется сахар, чтобы сделать возможной жизнь, и где создаются аминокислоты. Если бы таких мест не было, живые существа вскоре истощили бы все имеющиеся запасы.

Этот синтез происходит в растениях. Зеленый цвет растений обязан веществу, называемому хлорофиллом, который вместе с ДНК является важнейшей для существования жизни на Земле молекулой. Молекула хлорофилла не так велика, как молекула ДНК, но имеет сложное строение, благодаря которому она способна осуществлять свою важнейшую функцию. При воздействии солнечных лучей хлорофилл поглощает их энергию и восстанавливает, богатые энергией молекулы, такие, как сахар, из их «пепла», т. е. из углекислоты и воды. Солнечная энергия превращается в химическую.

Молекулы хлорофилла «работают» в клетках зеленых растений. Растение получает воду из почвы, двуокись углерода из воздуха и энергию от солнечных лучей, падающих на листья.

Сахар содержит меньше кислорода, чем СO₂ и вода. Следовательно, в процессе образования сахара в виде побочного продукта получается кислород. Весь кислород атмосферы был произведен растениями, когда содержавшийся в них хлорофилл образовывал сахар. Мы не могли бы дышать, если бы растения не занимались непрерывно производством кислорода.

Молекулы хлорофилла всегда образуются при росте зеленых растений. Клетки растений подобны тем, которые мы здесь описывали, но они еще в большей степени независимы, чем бактерии. Они не только содержат белки, которые производят все необходимые аминокислоты, но создают и хлорофилл, который затем синтезирует сахар при помощи солнечного света. Таким образом, растения живут и развиваются, не нуждаясь в питательном растворе сахара и не «поедая» живой материи. Все, что им нужно, — это свет, двуокись углерода, вода и некоторые неорганические вещества, например аммиак, находящийся в почве. В этом отношении растения — идеальные живые системы. Действительно, растения — это единственная «производящая» живая материя; она сама производит при помощи света все необходимые ей материалы из простых неорганических веществ. Все другие формы жизни следует отнести к «разрушающим». Они нуждаются в богатых энергией веществах, производимых растениями, и используют их для создания собственных структур. Животные и человек наиболее расточительны. Для построения своих клеток они нуждаются не только в таком богатом энергией веществе, как сахар, но и в высокоорганизованном материале — аминокислотах. Человек и животные гораздо выше организованы, чем все другие формы жизни. Особенно мы должны гордиться своей нервной системой, которая координирует восприятие и движение и, наконец, делает возможным мышление.

Что такое жизнь? С нашей точки зрения, это проявление особых молекулярных структур, которые непрерывно воспроизводятся и заставляют другие молекулярные структуры укладываться в определенную схему, различную для каждого вида живого, но одинаковую в принципе. Атомы могут соединяться в живую материю только при совершенно особых условиях. Температура должна быть достаточно низкой, чтобы тепловое движение не разрушало сложные фабрики макромолекул. Однако она не должна быть и слишком низкой, потому что жизнь возможна только тогда, когда белки и нуклеиновые кислоты сохраняют способность производить химический синтез; для этой деятельности необходимо наличие некоторого теплового движения. Если клеточный материал замерзнет, вся химическая работа остановится. Для синтеза богатых энергией молекул необходим солнечный свет, но его не должно быть слишком много, так как температуры должны оставаться умеренными. У нас на Земле эти условия очевидно выполняются: поверхность нашей планеты богата зелеными растениями и различными странными комбинациями атомов, которые мы называем живыми организмами.

Хотя на многие вопросы развития человека и животных еще нельзя дать ответ, некоторые представления уже можно сформулировать вполне ясно. Каждый вид со всеми своими органами, нервами, костями и мозгом развивается по плану, заложенному в макромолекулах его нуклеиновых кислот. Здесь оказываются тесно связанными атомная физика и жизнь в ее наивысшей форме. Каждый нуклеотид в длинной цепи ДНК находится в точно определенном квантовом состоянии, характеризующем свойства нуклеотида. Специфические нуклеотиды связаны электронами в типичные конфигурации, достаточно устойчивые для поддержания соответствующего порядка в цепи, несмотря на тепловое движение и другие возмущающие эффекты в клетке. На этом порядке основано не только развитие данного индивидуума, но и размножение данного вида. Устойчивость квантовых состояний в ДНК служит гарантией того, что дети в основном повторяют своих родителей, т. е. гарантирует сохранение вида. Различие форм жизни отражает различие в способах расположения нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Постоянство этих форм, их воспроизведение в каждом поколении, отражает устойчивость атомов.

ГЛАВА IX

ЭВОЛЮЦИЯ

Что происходило в начале?

Изучая природу, как мы это делали в нашей книге, мы неизбежно приходим к вопросу: как произошли вещи? Мы стремимся узнать, как возник наш мир. Вот почему все существующие религии, а также многие философские системы описывают начало мира, а иногда пророчат и его неминуемый конец.

Есть ли какой-нибудь научный ответ на эти вопросы? Как всегда в науке, ответ может быть только частичным. Наши научные познания о природе постоянно растут. Каждое новое научное открытие как-то обогащает их. Но всегда остается множество явлений, которых мы не понимаем. Поэтому, когда мы пытаемся описать то, что происходило очень давно или наступит через много лет, или, наконец, то, что происходит чрезвычайно далеко от нас, наши заключения неизбежно оказываются весьма зыбкими. В частности, рассуждая о материи, находящейся в условиях, очень несходных с земными, мы неизбежно допускаем множество ошибок. Недостаточность наших знаний проявляется при этом значительно острее. Так как мы вынуждены экстраполировать наши сведения и наш опыт, небольшая ошибка или неправильная интерпретация может повести к совершенно ложным заключениям. И тем не менее делать выводы очень заманчиво, и многие ученые пытались нарисовать возможную или вероятную картину прошлого на основе наших нынешних знаний, т. е. пытались рассказать историю того, как мог возникнуть и развиться мир и как он принял тот вид, какой он имеет сейчас.

Наука есть познание природы, но она предполагает и понимание пределов доступного в настоящее время. Поэтому нельзя ожидать, что нам удастся создать себе исчерпывающее представление о природе. Например, мы ничего не знаем о настоящем начале природы — если оно вообще существовало. Все что мы можем — это пойти вспять так далеко, как нам позволяют наши нынешние познания, т. е. настолько, насколько мы сможем доверять своим заключениям. Наш рассказ не ответит нам на любой вопрос о начале Вселенной. Мы начнем его с несколько более позднего времени, с периода, когда мир находился в состоянии, о котором мы имеем известную информацию. Самое раннее известное нам состояние вещества — это то, в котором оно находилось в виде разреженного водорода. Наш рассказ будет ограниченным, но тем не менее впечатляющим, так как в нем речь пойдет о развитии материи, о развитии материи от водородной туманности к миру, где есть живые системы.

Среди многих вопросов, на которые сегодня нельзя ответить, один связан с расширением Вселенной. В гл. I мы узнали, что все галактики удаляются от нас. Если это движение происходило таким же образом и раньше, то должен был существовать момент, когда вся материя Вселенной была сосредоточена в одном месте, — «начало» расширения. Мы не знаем, всегда ли расширение оставалось неизменным. Если в прошлом не было изменений, то надо заключить, что 10–20 миллиардов лет назад все галактики находились в весьма малом объеме; концентрация материи тогда должна была быть совершенно необычной. Об этом гипотетическом начале можно сказать очень немногое, кроме того, что существовавшие тогда условия весьма резко отличались от всего, нам известного.

Имеется школа ученых, которая отстаивает интересную точку зрения, позволяющую избежать такого аномального состояния. Согласно спекулятивному предположению этих ученых, расширение Вселенной сопровождалось непрерывным созданием материи в пространстве. Предполагается, что, как только при расширении Вселенной между галактиками появляются аномально большие пустоты, в них сразу же образуется материя, которая потом собирается в новые звезды и галактики. Согласно этой гипотезе, количество образовавшейся новой материи как раз достаточно, чтобы, несмотря на расширение, расстояние между галактиками оставалось примерно одинаковым. Эта интересная идея показывает, что можно по крайней мере представить себе расширяющуюся Вселенную без начала и конца. Не было «нагромождения» галактик много миллиардов лет назад, потому что тогда было меньше галактик; большинство галактик, которые мы видим, было создано в промежутке между кажущимся началом и нынешним временем. И наоборот, не должно быть разрежения галактик в будущем, потому что непрерывно будут создаваться новые галактики. Галактики непрестанно рождаются и разбегаются в бесконечном пространстве. Вот что означает расширение Вселенной согласно этой школе ученых.

Очень мало фактов подкрепляют эту гипотезу, но ничто ей и не противоречит. Конечно, представление о создании материи из ничего противоречит нашим обычным представлениям о сохранении материи и энергии. Однако количество вновь рождающейся материи, необходимой для того, чтобы Вселенная не разрежалась, настолько мало, что его никогда не удается заметить в лаборатории. Потребовалось бы создание лишь одного водородного атома в год в каждом кубическом километре Вселенной; такое малое количество заметить невозможно.

В настоящее время эти предположения носят чисто спекулятивный характер и не подтверждаются никакими наблюдениями. Возможно, однако, что будущие наблюдения и более глубокое понимание процессов, происходящих в галактиках и между ними, когда-нибудь приведут к появлению более обоснованных представлений о начале и конце мира, основанных на фактах, а не на фантазиях. Несомненно, однако, что спекулятивные идеи о непрерывном создании материи имеют известный интерес, так как из них следует хотя бы логическая возможность существования расширяющейся Вселенной без начала или конца[54].

Эволюция звезд

Итак, сегодня мы не можем объяснить возникновение и развитие всей Вселенной. Мы слишком мало знаем, как образовались галактики и как они развиваются. Поставим себе более скромную задачу. Мы располагаем достаточными знаниями и достаточной интуицией для описания по крайней мере одного этапа развития — образования материи в том состоянии, в котором мы ее видим на Земле, из разреженного водорода. Наша Галактика, а также все другие галактики заполнены так называемым межзвездным газом, который занимает огромные пространства и состоит почти полностью из водорода. Его так много, что он составляет значительную часть всей массы галактик. О происхождении этого газа нам известно очень мало. Часть его, несомненно, была выброшена во время звездных взрывов, но значительные его количества должны были существовать еще до образования звезд. Отсюда мы начнем наш рассказ; мы хотим показать в нем, как из газообразного водорода возникли все те вещи, которые мы видим вокруг нас и среди которых мы живем.

Однако и здесь необходимо сделать оговорку. Даже эта частичная история Вселенной основана на довольно ненадежных заключениях и теориях, относящихся к поведению материи в весьма необычных условиях. Поэтому многие утверждения, излагаемые в этой главе, весьма гипотетичны и обоснованы гораздо хуже, чем содержание предыдущих глав.

Водородный газ. Начнем с рассмотрения огромного облака газообразного водорода. Большая туманность Ориона — пример такого облака (фото XI).

Мы видим ее потому, что она освещена соседними звездами. В таком облаке немного порядка и немного разнообразия. Атомы водорода движутся хаотически, сталкиваясь друг с другом случайным образом.

Облако испытывает медленные изменения под влиянием силы тяжести. Конечно, гравитационное притяжение между водородными атомами крайне мало из-за их малой массы. Но если облако очень велико, то общий гравитационный эффект множества атомов становится важным. За очень долгие периоды времени случайно происходит сгущение, и возникшее таким способом образование служит более сильным центром притяжения, чем отдельный атом. Поэтому оно притягивает все больше атомов и становится все более сильным центром, который в свою очередь притягивает все новые и новые атомы в занимаемую им область. Наконец, образуется один или несколько сгустков водородных атомов; они становятся все крупнее и крупнее, и их рост не прекращается, пока они не притянут к себе большую часть вещества всей туманности.

Гравитационная сила сближает атомы, так что их сгустки становятся меньше и плотнее. Атомы «падают» к центру притяжения под действием силы тяжести. «Падая», они приобретают скорость; попадая в плотные области, они сталкиваются с другими атомами и передают энергию движения остальному веществу. Таким образом, сжатие сгустков заставляет атомы двигаться все быстрее и быстрее и сталкиваться друг с другом. Гравитационная энергия превращается в энергию беспорядочного теплового движения. Газ в сгустке уплотняется и нагревается.

Первая стадия образования звезд. Гравитационное сжатие увеличивает температуру, и через какое-то время она достигает уровня, при котором энергия, передаваемая при столкновении, превосходит предел устойчивости водородного атома. Тогда атомы переходят в возбуждённые квантовые состояния; при возвращении в основные состояния атомы излучают свет. Испускается характеристическое излучение водородного атома. На этой стадии объект становится светящимся — мы видим излучающий газ.

Гравитационное сжатие продолжает действовать и дальше; оно сдавливает атомы все сильнее и вызывает все большее повышение температуры. Наступает момент, когда атомы в центре сгустка сближаются так тесно, что их электронные оболочки начинают мешать друг другу; температура становится столь высокой, что электроны отрываются. Объект начинает излучать огромное количество света, но это уже не чисто водородное излучение — оно содержит свет всех длин волн, испускаемый свободно движущимися электронами и тесно сжатыми атомами. Сгусток становился настоящей звездой на первой стадии ее развития (рис. 55 и 56).

Рис. 55. Облако водородного газа.

Рис. 56. Первые три стадии образования звезд. а — газовый водородный шар; б — в центре шара происходит горение водорода и развивается противодавление; при этом тепло «вытекает» из центра шара; в — красный гигант; горение гелия в центре шара; из центра «вытекает» огромное количество тепла, оно рассеивает окружающее вещество по большой сфере.

Вторая стадия образования звезд. Гравитационное сжатие продолжалось бы неограниченно долго, нагревая и уплотняя звезду, если бы не возникал некий новый процесс. Когда температура становится очень высокой, начинаются ядерные процессы. Надо ожидать, что они должны происходить в центре звезды, где температура выше всего. Когда температура звезды становится достаточной для ядерного горения водорода, т. е. примерно достигает 5 миллиардов градусов, начинается вторая стадия в жизни звезды.

Ядерное горение водорода было описано в гл. VII. Напомним, что протоны (ядра атомов водорода) через много времени после того, как они освободились от электронов, сталкиваются друг с другом при высокой температуре и образуют дипротоны, которые становятся дейтронами в результате радиоактивного превращения. Затем пары дейтронов сливаются и образуют ядра гелия (см. рис. 46). Это ядерный пожар, зажженный теплом, развивающимся при сжатии в центре звезды. Он выделяет огромную энергию, и возникающее в центре противодавление останавливает гравитационное сжатие. После этого размер звезды в течение долгого времени остается неизменным.

Горение водорода — процесс медленный, но эффективный. Тепло, выделяющееся при этом пожаре, доходит до поверхности звезды и поддерживает ее свечение. Оно поставляет энергию, необходимую для постоянного испускания света с поверхности звезды в пространство, и сохраняет ее жизнь в течение долгого времени. Проходит несколько миллиардов лет, прежде чем водород в середине звезды истощится и превратится в гелий.

Третья стадия образования звезд. После израсходования большей части водорода в центральной области, горение водорода прекращается, а вместе с ним перестанет действовать и противодавление, уравновешивающее гравитационное сжатие. Снова начнет действовать сила тяжести, что приведет к дальнейшему сжатию. Это всегда связано с повышением температуры, потому что атомы «падают» внутрь звезды и увеличивают свою скорость. Наступает момент, когда в центре достигается температура, примерно равная 100 миллиардам градусов[55], при которой начинает гореть гелий. Это начало третьего этапа в жизни звезды. Ядерный гелиевый пожар возникает от слияния трех ядер гелия в ядро углерода (см. гл. VII). Гелий горит очень быстро и производит гораздо больше тепла, чем медленное горение водорода. Тепловое давление в центре не только останавливает сжатие, но и заставляет разлетаться остаток вещества звезды. На этой стадии звезда состоит из очень горячего и плотного центра, где идет ядерное горение, окруженного гигантской сферой из очень разреженного материала. Большая часть этого разреженного вещества состоит из водорода, который избежал сгорания на второй стадии, так как не находился в горячем центре. Такие звезды называются красными гигантами; их красный цвет объясняется тем, что большая часть вещества находится так далеко от раскаленного центра, что светится красноватым, а не белым светом, как это было на второй стадии образования звезды.

В стадии красного гиганта развитие звезды идет быстро. Вскоре в центре звезды достигается температура, при которой ядра гелия приходят в тесное соприкосновение с вновь образованными ядрами углерода. При этом возникает новый вид ядерного горения, в результате которого образуется кислород. Его ядро состоит из четырех ядер гелия. Дальнейшее повышение температуры позволяет соединяться пяти, шести и большему числу ядер гелия, давая неон, магний, кремний, серу и т. д.

На этой стадии температура в середине звезды так высока, что ее центр становится как бы печью, производящей элементы. В ней могут образовываться не только соединения ядер гелия, но и ядра других типов. Некоторые из них получаются при столкновении чисто гелиевых по составу ядер с протонами, другие — от присоединения к уже образовавшимся ядрам нейтронов. Нейтроны, пригодные для такого присоединения, испускаются при энергичных ядерных столкновениях, при которых они просто срываются с ядер и движутся в веществе, пока их не захватит другое ядро. Таким способом получаются многие типы ядер; некоторые из них содержат избыток протонов или нейтронов и поэтому радиоактивны. Они превращаются в более устойчивые формы.

Следует помнить, что эти реакции, приводящие к образованию ядер, совершаются только в самом центре звезды. Остальная ее часть слишком холодна для этого. Поэтому вещество звезды в основном состоит из водорода, который служит огромным резервуаром горючего для печи, производящей элементы и находящейся в центре звезды.

Взрыв и возрождение. Мы мало знаем о том, что происходит в звезде, когда третья стадия кончается и ядерный огонь гаснет из-за истощения горючего в центре. Есть много теорий эволюции звезд после третьей стадии. Возможно, что звезда сжимается до очень малых размеров, нагреваясь до сверхвысоких температур и становясь тем, что называют белым карликом. Для наших целей дальнейшее ее развитие не столь интересно, так как оно не приводит к образованию новых элементов. Важно, однако, одно обстоятельство: в конце третьей стадии, когда ядерный пожар догорает, в некоторых звездах, хотя и не во всех, происходит внезапная перестройка вещества, выражающаяся в виде сильнейшего взрыва. Эти взрывы иногда видны, когда какая-либо звезда-гигант внезапно становится исключительно яркой. Такая звезда называется сверхновой. Во время этой вспышки большая часть вещества звезды исторгается в межзвездное пространство и смешивается с исходным водородом. Когда в пространстве, где происходил взрыв сверхновых, снова образуются звезды, входящий в них водород уже не чистый, к нему примешаны следы других элементов, и звезда, развивающаяся из такого газа, уже с самого начала содержит много разных элементов.

Взрыв звезды — сравнительно редкое событие. Вероятно, только несколько процентов звезд проходят через эту стадию сильной перестройки. Тем не менее такие события очень важны, так как ядра, образовавшиеся в центре звезды, распространяются по всему пространству. Они важны и по другой причине: есть много тяжелых ядер, которые не могут образовываться даже в самых горячих центрах звезд. Таковы, например, золото, свинец, уран. Взрыв звезды создает условия для очень интенсивных ядерных столкновений, при которых могут возникать и сложнейшие ядерные структуры. Поэтому весьма вероятно, что эти тяжелые ядра создавались в процессе взрыва и затем рассеивались во всем мировом пространстве.

Новое, «второе поколение» звезд образовано исходным водородом, в который добавлено вещество, возникшее при взрывах звезд. Развитие звезд второго поколения не сильно отличается от развития звезд первого поколения, так как примесь вещества, отличного от водорода, очень мала. Газ, из которого образуются звезды второго поколения, почти весь состоит из водорода.

Солнце является примером звезды, возникшей из водородного облака, загрязненного остатками взорвавшихся звезд. Оно находится теперь во второй стадии своего развития, так как водород в нем превращается в гелий. Это медленное и постоянное горение водорода поставляет энергию, которую Солнце непрерывно излучает в виде тепла и света уже несколько миллиардов лет. Если бы Солнце образовалось из чистого водородного облака, оно не содержало бы ничего, кроме водорода и гелия. Солнце действительно состоит главным образом из водорода и гелия, но, исследуя свет, излучаемый его поверхностью, мы находим и следы других элементов; наличие этих элементов подтверждает, что Солнце относится к «позднейшему поколению» звезд, что вещество, из которого оно состоит, образовалось в другой, более ранней звезде.

Создание Земли

При образовании Солнца из исходного «загрязненного» водородного облака должны были происходить какие-то особые процессы, в результате которых небольшие клочки материи начали обращаться по орбитам вокруг Солнца. Мы знаем, что Солнце окружено девятью планетами, которые гораздо меньше него (рис. 57).

Рис. 57. Орбиты и символы планет.

Происхождение этих маленьких клочков материи очень важно для нас, так как мы живем на одном из них. Мы имеем очень неясные представления о механизме создания этих планет. Один способ их возможного образования таков. При сжатии газового облака и его превращении в звезду остались маленькие кусочки облака. Они уплотнились под действием силы тяготения и образовали сгустки, которые обращаются вокруг Солнца как планеты. Вначале эти сгустки состояли, конечно, из того же материала, что и все остальное, т. е. из водорода, слегка загрязненного более тяжелыми элементами. Когда же они собирались в планеты, началось разделение элементов. Планеты, в особенности самые маленькие, состоят главным образом из более тяжелых элементов и содержат мало водорода и гелия. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, тяжелые атомы притягиваются сильнее легких; так как сила притяжения в маленьких сгустках была невелика, легкие элементы, такие, как водород, ускользнули из этого поля тяготения и рассеялись. Во-вторых, вследствие малого размера сгустков их гравитационное сжатие не вызывало сильного нагревания, как в звездах. Поэтому атомы образовали молекулы, и большинство молекул объединилось в жидкости и твердые тела. Газообразные элементы частично улетучились, а частично образовали газовые слои на поверхности планет — атмосферы. Планеты (в особенности меньшие из них) состоят главным образом из веществ, встречающихся в виде твердых тел (например, железо и горные породы).

Иными словами, при образовании меньших планет, таких, как Земля, большая часть водорода улетучилась и осталось главным образом вещество, примешанное к исходному водороду в результате предыдущего взрыва звезды. Состав нашей Земли обусловлен заражением исходного газового облака солнечной системы. Процесс возникновения Земли освободил большую часть водорода и удержал тяжелые элементы, образовавшиеся в центре какой-то ранее существовавшей звезды. Это не значит, что на Земле совсем не осталось водорода. С нашей планеты улетучился только газообразный водород. Те водородные атомы, которые образовали с другими атомами молекулы жидкостей и твердых тел, остались. Например, множество водородных атомов соединилось с кислородом, давая молекулы воды, и осталось на Земле в виде жидкой воды или льда.

Теперь мы можем набросать историю вещества, составляющего Землю, от его возникновения в чисто водородном облаке до современного состояния.

Исходное водородное облако превратилось в звезды, и по крайней мере одна из них должна была взорваться. Вещество, образовавшееся при взрыве, рассеялось по другим водородным облакам, из которых тоже возникли звезды; одна из них — наше Солнце. Во время образования Солнца малые количества вещества в непосредственной близости от Солнца превратились в сгустки и образовали планеты, которые удержали главным образом тяжелые элементы. Поэтому все, что мы видим вокруг себя — углерод бумаги, графита, карандаша, кремний горных пород, железо инструментов и машин, — пришло из центра взорвавшихся горячих звезд и через миллиарды лет собралось на нашей планете — Земле.

Эти объекты — бумага, горные породы, машины— возникли из простого газообразного водорода, состоявшего только из протонов и электронов. Гравитационное сжатие устанавливает в центрах звезд такие условия, при которых протоны втискиваются в конфигурации квантовых состояний атомных ядер, после того как часть протонов в результате радиоактивного процесса превращается в нейтроны. Создаются новые и более дифференцированные единицы — ядра. Они представляют какое-то упорядоченное устройство, в противоположность хаотическому движению в газообразном водороде. Большинство таких единиц образуется во время взрыва звезд.

Позднее, когда ядра изгоняются в холодное пространство, они собирают вокруг себя электроны, которые после этого уже не движутся беспорядочным образом. Эти электроны образуют конфигурации, характерные для тех атомов, вид которых определяется данным ядром. Создается больший порядок, появляется больше специфических единиц — атомов различных элементов. На этой стадии атомы распределены в пространстве беспорядочно. Они представляют только небольшую долю всех атомов газа, беспорядочно движущихся в пространстве. Большая часть этого газа — водород.

Но позднее, когда из него развивается другая звезда, новые атомы отделяются от водорода и собираются в планеты. Благодаря низкой температуре планет происходит дальнейшая дифференциация. Образуются молекулы, которые собираются в жидкости и твердые тела на поверхности планет. Мы видим, как природа спускается здесь по квантовой лестнице, переходя со ступеньки на ступеньку. Она начинает с протонов и нейтронов, образует ядра в центрах звезд, потом атомы в пространстве и, наконец, молекулы и кристаллы на тех немногих планетах, где имеются подходящие температуры.

При этом развитии только небольшая часть водорода превращается в другие элементы. Требуются огромные количества водорода, чтобы создать условия, при которых небольшая его часть объединится в более сложные единицы. Звезды должны собраться, взорваться и вновь собраться для того, чтобы пренебрежимо малая доля исходной материи превратилась в те разнообразные вещества, которые мы видим на Земле.

Сколько времени длилось это развитие? Как мы узнали в гл. II, солнечная система образовалась около 4,5 миллиарда лет назад. Взрыв звезды, при котором освободились различные атомы, должен был произойти раньше; есть указания, что это случилось 7—10 миллиардов лет назад. Длительность жизни звезды считают примерно равной 10 миллиардам лет. Следовательно, первое водородное облако начало образовывать звезды примерно 20 миллиардов лет назад. Потребовалось чрезвычайно много времени и чрезвычайно большое количество материала, чтобы создать вещество нашего мира.

Развитие жизни

Начала. Мы проследили эволюцию нашего мира от водородного облака до развития звезд с их планетами. Планеты — это собрания вещества в более «прогрессивной» форме, они состоят главным образом из более сложных элементов, чем водород. Земля, например, состоит из множества элементов. В тело Земли входят тяжелые металлы, главным образом железо; наружные ее слои состоят из горных пород и минералов, на поверхности Земли мы видим много воды. Земля окружена слоем газа — атмосферой.

Остальные этапы эволюции нашей планеты происходили под этим защитным слоем газа, на поверхности Земли. Это история дальнейшей дифференциации материи, образования и распространения сложных единиц материи, из которых состоит живой мир на Земле. Любое утверждение о происхождении и ранних стадиях развития жизни может быть только гадательным, так как условия того времени существенно отличались от нынешних.

Рассматривая эту проблему, как и предыдущие проблемы развития звезд и планет, мы находимся в положении исследователей, пытающихся начертить карту неизвестного континента. Их знания отрывочны, они видели только малые участки побережья, наблюдали устья рек и участки их русла в глубине материков. Пытаясь составить карту, они должны были, полагаясь на свое воображение, воспроизвести неизвестные части побережья и предположить, что наблюденные ими устье и отдельные участки реки являются частями одной реки. Это лучшее, что они могут сделать. Позднейшая карта покажет, что они чрезвычайно сильно упростили и исказили картину, и что два водных пространства не принадлежат одной и той же реке. Однако, несмотря на ошибки, в этой карте можно будет узнать в общих чертах контуры материка.

Наши сведения о развитии мира тоже отрывочны. Мы должны прибегать к воображению почти на каждом шагу, чтобы восполнить неизвестное. Многое, из того, что я здесь скажу, позднее, вероятно окажется неверным. Однако есть веские основания полагать, что уже теперь мы правильно представляем себе общий ход событий.

Постараемся увидеть нашу планету такой, какой она была 3 миллиарда лет назад (рис. 58).

Рис. 58. Первобытная Земля до возникновения на ней жизни.

В целом вид Земли не столь сильно отличался от ее нынешнего вида. Ее орбита вокруг Солнца и ее внутреннее строение были почти такими же, как и теперь. Иной была только поверхность Земли. Были только скалы и вода — ничего больше. Атмосфера содержала азот, двуокись углерода, метан, аммиак, но в ней не было кислорода. Кислород сильно реагирует с большинством веществ и образует стойкие соединения. Следовательно, этот элемент может существовать в атмосфере только в том случае, если он непрерывно воспроизводится в каком-то процессе, освобождающем кислород из химических соединений. В гл. VIII мы показали, что это происходит в настоящее время в хлорофилле зеленых растений, но на ранних стадиях развития Земли растения еще не существовали.

На Землю падает солнечный свет, с которым на нее приходит тепло. Расстояние между Землей и Солнцем таково, что температура на большей части земной поверхности поддерживается в пределах между 0 и 100 °C и значительная часть воды может оставаться жидкой. Это обстоятельство имеет чрезвычайно большое значение для дальнейшей истории Земли, так как жидкая вода наилучшим образом «воспринимает» многие химические вещества и позволяет им реагировать друг с другом.

Отсутствие кислорода имело очень важные последствия: ультрафиолетовые лучи от Солнца свободно достигали поверхности Земли, тогда как теперь они почти полностью поглощаются кислородом в самых верхних слоях атмосферы. Ультрафиолетовый свет химически активен. Он разрушает химические связи между атомами и позволяет им соединяться другим способом. Он производит таким способом новые химические соединения из старых. Мы можем предположить поэтому, что солнечное излучение создало много новых, до того не существовавших химических соединений. Среди этих соединений, несомненно, были также молекулы, играющие столь важную роль в живых структурах, как, например, сахар, нуклеотиды и аминокислоты. Их образование должно было протекать очень медленно. Ультрафиолетовым лучам сначала пришлось разложить молекулы, содержащие необходимые атомы; затем случай сблизил эти атомы в положениях, необходимых для образования новых молекул. Простые структуры должны были возникать чаще сложных, потому что гораздо вероятнее сблизиться в правильном положении нескольким атомам, чем большему их числу. Спирты и сахар были образованы солнечным светом во много больших количествах, чем аминокислоты и нуклеотиды.

Образование новых соединений шло очень медленно, но за много миллионов лет эти вещества накопились. Возникнув на поверхности воды, они спускались в нижние слои и были там защищены от разложения ультрафиолетовыми лучами. В настоящее время такое накопление было бы невозможным, так как аминокислоты и нуклеотиды быстро поглотились бы живыми организмами или разложились бы от окисления свободным кислородом атмосферы. Только стерильные условия ранних периодов эволюции допускали медленное накопление этих веществ. Случилось так, что в водах Земли постепенно начали появляться небольшие количества сахара и аналогичных соединений и еще меньшие количества аминокислот и нуклеотидов.

В больших океанах эти молекулы оказывались очень далеко друг от друга. Но в малых прудах и в небольших водоемах их концентрация могла становиться уже заметной. Некоторые нуклеотиды могли даже соединяться и образовывать небольшую цепь нуклеиновой кислоты, а некоторые аминокислоты— соединяться в белковую цепь. Небольшие водоемы могли поэтому содержать короткие цепи нуклеиновых кислот и белков. Однако цепи, образованные при случайных соединениях, отличны от тех, которые нужны для жизни. Эти цепи не имеют особого значения и не обладают особой химической активностью.

Один раз мог образоваться один белок, другой раз иной.

Нуклеиновые кислоты, образованные случайным соединением нуклеотидов, имели большее значение. Мы видели в гл. VIII, что цепь нуклеиновой кислоты типа ДНК может точно воспроизводиться, расщепляясь на две половинки, причем каждая из этих половинок потом собирает нуклеотиды, необходимые для построения двух одинаковых полных цепей. Таким образом, если цепочка нуклеиновой кислоты помещена в среду, содержащую нуклеотиды, в среде возникает все больше и больше повторений цепи, пока весь запас нуклеотидов не истощится. Если случайное сближение образовало одну цепь, она заставит все нуклеотиды в своей окрестности соединяться подобным же способом. Нуклеиновые кислоты способны производить свои повторения, если около них имеются нуклеотиды. Во многих отношениях этот процесс и есть основа жизни, потому что он позволяет сложным структурам воспроизводиться в благоприятных условиях.

Нуклеиновые кислоты могут делать больше, чем просто воспроизводиться. В гл. VIII мы узнали, что они служат шаблонами, по которым строятся аминокислоты, строятся в определенном порядке, нужном для образования белков. Вероятно, каждая цепь нуклеиновой кислоты (или винтовая лестница типа ДНК) служит как бы формой для одного или нескольких белков. Поэтому, если в жидкости, где есть и аминокислоты, присутствует нуклеиновая кислота, она заставит аминокислоты соединяться в белковые цепи; будут получаться те белки, для которых данная нуклеиновая кислота служит как бы шаблоном.