Н Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе
Теперь мы можем ответить на вопрос: "Что такое жизнь?". Характерным генетическим признаком живых су ществ является способность к саморепликации и мутациям, лежащая в основе эволюционного развития всех структур и функций, которыми и отличаются живые объекты от не живых. В таком случае на наш вопрос можно ответить примерно так: жизнь равнозначна наличию генетических свойств. Любая система, способная к свободным мутациям и их последующему воспроизведению, почти неизбежно долж на развиваться по пути, обеспечивающему ее выживание. За свою долгую эволюцию она достигает той степени слож ности, разнообразия и целесообразности в своем строении, которую и принято обозначать словом "живое". Таким образом, тот "творец", следы деятельности которого мы находим повсюду в живом мире, есть не что иное, как естественный отбор, влияющий на спонтанные мутации на протяжении длительного времени.
Взгляд на природу жизни в генетическом аспекте был впервые изложен одним из основателей современной ге нетики американским ученым Г.Дж. Мёллером (1890-1967), открывшим мутагенное воздействие рентгеновского излу чения. Задолго до того, как была выяснена химическая природа генов и их связи с белками, Мёллер написал работу "Ген как основа жизни", которую представил на между народном конгрессе, состоявшемся в 1926 г. В ней отме
чалось, что в основе феномена жизни лежат саморепликация и мутабильность. Мы не можем здесь подробно излагать его тщательно аргументированные доводы, но приведем хотя бы небольшой отрывок из резюме статьи, где отражены логика и стиль автора.
Замечено, что процесс роста включает в себя механизм "специфического аутокатализа". без которого существование жизни невозможно. Известно, что ген. находясь в окружении протоплазмы, обладает подобным свойством. Еще более уди вительно, что iCH может мутировать, нс теряя своей специ фической аутокаталитичсской способности. Благодаря такому исключительному свойству его возможности превышают уро вень. соответствующий простому функционированию, а это вызывает невероятные предположения, что любая другая часть протоплазмы независимо от юна также обладает аутоката литической активностью, ибо в действительности "рост" ос тальной части протоплазмы, вероятно, следует рассматривать как побочный результат генной активности. Точно так же невероятно трудно предположить, что за аутокатализ ответ ci венна основная часть простейшей живой материи, высоко организованного ("протоплазменного" по своей природе) ве щества. связанного с геном. Следуя этой логике, приходим к выводу, что простые по своей структуре гены. по-видимому, и сформировали основу первичной живой материи. Возможность мутировать без потери способности к росту, присущая только живым организмам, позволила им эволюционировать в более сложные формы с образованием таких побочных продуктов, как протоплазма, сома и т.д., которые в наибольшей степени способствовали их выживаемости. Таким образом, вероятно. именно гены и составляю] основу жизни.
Подобный генетический подход признается сейчас прак тически всеми учеными. Негенетические определения жизни обычно выглядят слишком расплывчатыми либо чересчур ограниченными. Например, если пользоваться ими, то крис таллы или пламя трудно исключить из разряда "живого". Ведь кристаллы обладают высокой степенью упорядочения и способностью к росту, так как зародыши кристаллизации могут воспроизводить самих себя. Пламя способно не толь ко к росту и самовоспроизведению в виде искр-благодаря активному "метаболизму" оно может поддерживаться.
Генетическое определение жизни позволяет нам сделать чрезвычайно важное заключение общего характера: посколь ку все гены и белки построены из одних и тех же нуклеотидов и аминокислот, а генетический код (за небольшими исклю чениями) также универсален, все земные организмы в своей основе одинаковы. Несмотря на всю загадочность феномена жизни, на Земле существует только одна ее форма, и она должна была зародиться лишь однажды.
Жизнь и химия углерода
Генетический подход к эволюции подразумевает, что жизнь связана с химическим составом живой материи. Об этой связи и пойдет речь. Вопрос о химическом строении биологических форм, безусловно, интересен сам по себе, но представление о химической структуре внеземных организ мов особенно важно для каждого, кто занимается поисками жизни на Марсе. Жизнь на нашей планете определяется химическими свойствами углерода. Компоненты генетиче ской системы образованы соединениями углерода с неболь шим числом других, главным образом легких элементов: водорода, азота, кислорода (см. табл. 2). А может ли какой-то другой химический элемент заменить углерод в биохимических процессах? Хотя писатели-фантасты нередко отвечают на этот вопрос утвердительно, это отнюдь не означает, что подобная замена действительно возможна.
Химики не раз отмечали, что характерной особенностью атомов углерода является способность к формированию, по-видимому, безграничного числа больших, сложных, но вместе с тем достаточно стабильных молекул. Прежде всего атом углерода обладает уникальной способностью обра зовывать четыре сильные химические связи-называемые ковалентными-с другими атомами, включая атомы самого углерода. Поскольку ковалентные связи имеют пространст венную ориентацию, атомы углерода могут создавать ске леты гигантских трехмерных структур определенной архи тектуры, подобные белкам и нуклеиновым кислотам.
Другая важная особенность соединений углерода - их хи мическая инертность. В условиях, господствующих на зем ной поверхности, органические соединения термодинамиче ски нестабильны. Они не находятся в равновесии с окру жающей средой, а подобно камню, лежащему на склоне юры, под действием любого достаточно сильного внешнего толчка "скатываются" вниз к равновесному состоянию. Так. при нагревании или в присутствии катализаторов активи рованные органические вещества соединяются с кислородом атмосферы: многие органические соединения взаимодейству ют также с водой или испытывают ряд других изменений. Но, несмотря на свою термодинамическую нестабильность. соединения углерода химически инертны, т. е. с трудом вступают в реакции. Достижению термодинамического рав новесия препятствует то обстоятельство, что четырехвалент ные атомы углерода обладают слабой реакционной спо
Тио.шца 2. Элемента .рный состав белков и ДНК (число атомов на 100) Элемент В среднем по 314 ДНК человека белкам* Углерод (С) 31.6 29.8 Водород (Н)** 49.6 37.5 Кислород (0) 9,7 18.3 Азот (N) 8,8 11,3 Сера (S) 0,3 Фосфор (Р) - 3,1 * Рассчитано заново по данным Дайхофф (1972).
** В этих молекулах атомов водорода больше, чем в молекулах других 1И110В. Но водород не может служи ть структурной основой молекулы, по скольку он образует лишь одну ковалентную связь.
собностью, т. е. если воспользоваться прежней аналогией, камень, лежащий на склоне горы, находится в этом случае в глубокой яме. Подобная инертность, обусловленная элект ронной структурой атомов углерода, и обеспечивает обра зование молекулярных систем чрезвычайно сложной струк туры, но вместе с тем очень стабильных. В процессе обмена веществ ферменты в соответствующий момент соединяются с молекулами и, видоизменяя их, обеспечивают тем самым протекание необходимых реакций.
Благодаря этим уникальным свойствам углерод служит основным материалом для построения диетических систем. Эти же свойства объясняют способность углерода создавать 1 ораздо больше соединений, чем все другие элементы вместе взятые. В силу тех же своих особенностей углерод, состав ляющий лишь 0.5% 01 общего состава земной коры, яв ляется элементом, более характерным для живой материи. чем. например, близкий к нему но химическим свойствам кремний. На земной поверхности на каждый атом углерода приходится 25 атомов кремния, однако роль кремния и OHOXHMHH очень незначительна. Кик и углерод, кремний oopasvci четыре кова.юшныс связи, но сила этих связей ра^шчна: связь крсмний-кремииН слабая, кремний-кисло род сильная. По )i()U причине кремний существует на Земле и виде силикатов инертных соединений, в больших мо .[скулах которых каждый атом кремния связан с четырьмя ai омами кислорода, а соединения, состоящие из цепочек.
содержащих шесть и более атомов кремния, вообще не обнаружены. Это резко контрастирует с разнообразием больших структур, основанных на углероде. Соединения кремния и водорода, так называемые силаны (или кремне водороды), также принципиально отличаются от их угле родсодержащих гомологов (углеводородов). В то время как углеводороды инертны, силаны загораются при простом контакте с воздухом, разрушаются в воде. Они настолько реакционноспособны. что. как говорят, самым необходимым качеством химика, занимающегося синтезом наиболее слож ных по строению силанов, является мужество. И опять же все эти особенности силанов обусловлены электронной струк турой атомов кремния: именно благодаря своим свойствам кремний является основным компонентом горных пород, а не живой материи.
