С тех пор, как ботинок великого английского биолога с хрустом наступил на вулканический берег Галапагосских островов, прошло уже почти две сотни лет. С тех пор биология сильно продвинулась вперёд, овладела новыми методами, открыла вещество наследственности — ДНК и с помощью генетического анализа смогла уточнить расположение разных видов на ветвях эволюционного древа. Но основные понятия о механизмах эволюции, гениально угаданные Дарвином, остались неизменными. Они только подтверждаются раз за разом. Возникает, скажем, новый раздел в биологии — и со своей стороны снова подтверждает дарвиновские принципы.
«Звери могут изменяться — живой пластилин вида под давлением среды принимает другую форму, отражая среду!» — со всей ясностью понял Дарвин, увидев галапагосских животных, проанализировав разницу между ними и их южноамериканскими предками. Таким образом он опроверг представления о неизменности видов, открыв феномен эволюции, то есть изменения и усложнения живого вещества.
А как быть с неживым веществом? И откуда взялось на Земле вещество живое?
Ещё не так давно люди думали, что между мёртвым и живым мирами лежит непреодолимая пропасть. Что есть некая мировая душа (этакий чудесный божественный флюид), которая оживляет мёртвую материю. Химики даже поделили вещества на неорганические и органические. Неорганические вещества считались принадлежащими неживому миру и более простыми по устройству — как, например, вода, песок, металл или соли. А из сложных органических веществ созданы живые существа и их выделения, например, мочевина, которую химики впервые выделили из мочи. И полагали, что сделать органику из неорганики никак нельзя, поскольку между веществами неорганическими и веществами органическими — пропасть непреодолимая. Это только Богу под силу.
Аргументом для таких мыслей было то, что нигде и никогда наука не наблюдала самозарождение жизни. Раньше, лет триста назад, на самой заре научного знания люди полагали, что мыши или микробы могут самозарождаться от грязи и сырости. Но потом точные научные исследования показали: жизнь рождается только от жизни. Если бульон простерилизовать, убив все одноклеточные создания в нём, а потом герметично запечатать, то бульон не испортится, поскольку процесс протухания как раз и вызывают микроорганизмы, пожирающие бульон. Нет микробов — бульон не портится. Так были изобретены консервы и сделан вывод: живая материя и мёртвая принципиально отличаются, и из мёртвой жизнь сама по себе не зарождается.
Точные опыты положили конец наивным гипотезам о самозарождении жизни. Именно тогда и возникло в науке мнение о принципиальной разнице между живой (органической) и неживой (неорганической) материей.
Однако потом химики синтезировали из неорганики первое органическое вещество — мочевину. Затем настал черёд и более сложных веществ, которые встречались только в живой материи, — жиры, сахара.
Люди задумались: если можно из мёртвой материи делать органические вещества, относящиеся к живой материи, то может, и саму жизнь реально получить?
В то время ситуация с научными мнениями о неизменности жизни напоминала чуть более раннюю ситуацию со взглядами на неизменность видов.
До Дарвина виды казались неизменными в силу длительности процессов. Ненаблюдаемое зарождение жизни имело ту же причину — для зарождения жизни «из грязи» нужны были не десятки тысяч лет, как для трансформации видов, а миллионы или сотни миллионов. Но получение химиками органики из неорганики свидетельствовало: ребята, усложнение химических веществ возможно — между живой и мертвой материей нет непреодолимой грани! Скорее всего, и сама жизнь явилась результатом эволюции, так же как и её дарвиновское пластичное изменение.
Поэтому сейчас никто из ученых не думает, будто жизнь существовала всегда, хотя относительно недавно — всего сотню лет назад — были и такие взгляды в науке. Теперь физики знают о зарождении мира так много, что с высоты этих знаний совершенно ясно — никакие формы жизни, то есть сложные структуры, в ранней вселенной существовать не могли. Но эволюция уже шла!
Глава 1. Эволюция неживой материи
Эволюция началась сразу, как только появился мир. Эволюция присуща не только живой материи, это свойство материи вообще. Она шла до возникновения жизни — и породила жизнь, она продолжает идти и сейчас — «над» жизнью, о чём мы ещё поговорим.
Сейчас мы на примере эволюции элементарных частиц посмотрим, как развивалась вселенная, и поймём общие законы развития — а это и есть цель нашей книги. Вот как всё у нас с вами здорово получается, просто везунчики какие-то!
Вы, мои читатели, — люди современные и продвинутые и наверняка знаете, что всё в мире состоит из атомов — мама, папа, селёдка, конфетка, стол, ветер, вода и прочие объекты. Ещё наверняка вы краем уха слышали слово «молекула» — это тоже, вроде бы, мельчайшие частицы, не видимые глазом, из которых состоит всё вещество. В чём же разница между молекулами и атомами?
В том, что молекулы собираются из атомов. Атомы — простейшие вещества, элементарные.
А молекулы, составленные из атомов, как поделки из деталей конструктора, — это сборные конструкции. Они могут быть весьма сложными. Молекулы живого вещества — самые сложные из известных. Они, как, например, молекула ДНК, могут состоять из миллиардов атомов.
Сколько же вообще видов атомов бывает в природе, то есть сколько существует элементарных веществ, из которых строится мир? Ответ на этот вопрос давно известен науке — элементарных химических веществ несколько десятков. И все они собраны в таблице Менделеева. В ней — только простейшие вещества: металлы, углерод, сера, газы. Например, кислород и азот — два газа, из смеси которых по большей части состоит воздух. Азот и кислород — простые вещества. Кроме них, в воздухе содержится углекислый газ, который выдыхают из лёгких живые существа. Это сложное вещество: его молекула сложена из трех атомов — двух атомов кислорода и одного атома углерода. Что такое углерод, вы знаете — это уголь. От слова «уголь», собственно, и произошло название этого химического элемента.
Поваренная соль — это сложное вещество, её молекулы собраны из атомов металла натрия и газа хлора, поэтому научное название поваренной соли — хлорид натрия.
Вода — тоже сложное вещество: каждая её молекула состоит их двух атомов водорода и одного атома кислорода.
В основном нас окружают сложные вещества, простые в бытовой обстановке ещё поискать надо. Кстати, поищите! Весьма советую заняться этим увлекательным делом вместе с родителями. Получится смешно: если родитель, конечно, не химик, не физик, не астроном, не биолог, а простой нормальный человек и маленько забыл, чему его в школе учили и что такое таблица Менделеева, он будет всё время ошибаться и задумываться. При этом у тебя, дорогой читатель, перед папой и мамой будет преимущество — подсказка в виде той самой таблицы Менделеева, нарисованная чуть ниже. Всё, что в ней указано, — это простые, то есть элементарные вещества природы. Собственно, таблица так и называется — Таблица химических элементов. Из этих элементов складывается мир и все его сложные вещества.
Рис. 14. Так выглядит таблица Менделеева. В ней даны латинские обозначения элементов, их название и порядковый номер
Тут я просто вынужден немножко рассказать об устройстве материи. Если вы читали мою книгу «Физика на пальцах» или «Астрономия на пальцах», вы про это уже знаете. Но я все равно советую прочесть то, что написано ниже, ибо, во-первых, повторение — мать учения, а во-вторых, читать меня — одно удовольствие! Даже два удовольствия, если к удовольствию ещё и пользу прибавить, поскольку польза всегда в радость…
Вы уже знаете, что абсолютное большинство веществ и предметов вокруг нас — сложные. Их мельчайшие неделимые частицы называются молекулами. Почему «неделимые»?
Потому что молекула — самая маленькая частичка вещества, которая ещё обладает свойствами этого вещества. Если разделить эту мельчайшую частицу составного вещества, то она развалится на атомы других веществ с другими свойствами.
Например, вода. В обычных условиях она жидкая, прозрачная, неэлектропроводная (в чистом виде). У неё ещё много других свойств — плотность, теплоёмкость, теплопроводность и так далее. Но если самую маленькую частичку воды — её молекулу — разложить на составные части, то получится два атома водорода и один атом кислорода. Водород — это газ. Кислород — это газ. И свойства этих составных частей воды далеки от свойств самой воды. Это вообще не вода!
То же самое с солью. Разделите на части молекулу поваренной соли, то есть самую маленькую частичку, которая ещё обладает свойствами соли, и вы получите то, что солью не является, — атом металла натрия и атом ядовитого газа хлора.
Если все молекулы всех веществ в мире разделить на атомы (а разных веществ в мире — миллионы!), останется только набор всего из несколько десятков химических элементов таблицы Менделеева.
Теперь вопрос: а мельчайшие частицы химических элементов — атомы — можно разделить на части? Известно, из чего они сделаны?
Известно! Все химические элементы, среди которых такие непохожие, как золото, ртуть, серебро, сера, железо, йод, углерод, кислород, водород, уран и десятки других, состоят всего из трех частиц в разных пропорциях.
Весь вещественный мир, все предметы вблизи нас и в далеком космосе сделаны всего из трех частичек, имя которым — протон, нейтрон и электрон. Принципы их взаимодействия я в подробностях сейчас описывать не буду, вы прочтёте это в книге «Физика на пальцах». Здесь — лишь в самых общих чертах.
Протон — элементарная частица, имеющая положительный электрический заряд. Электрон — очень маленькая элементарная частица (почти в две тысячи раз легче протона), имеющая отрицательный электрический заряд. Нейтрон — частица размером с протон, но электрического заряда не имеющая, нейтральная, отсюда и название.
Электрон кружится вокруг протона, как планетка вокруг звезды. Если вы представили себе крохотулю электрон, кружащийся вокруг пузатенького протона, значит, вы представили себе не что иное, как самый простой химический элемент, обозначенный в таблице Менделеева под номером один, — водород.
Да, наборчик из одного протона и одного электрона, крутящегося вокруг протона, — это и есть атом водорода. Так просто он устроен.
Теперь давайте посмотрим на химический элемент номер два в таблице Менделеева. Газ гелий. Он как устроен?
У него в центре два протона, два нейтрона, а вокруг них вращаются на своих орбитах два электрона.
Рис. 15. Вот так устроен гелий
Теперь берем следующее по номеру элементарное вещество из таблицы — номер три. Литий, легкий металл. В ядре его атома три протона и три нейтрона, а вокруг ядра крутятся, как планетки, три электрона.
Уловили? Конечно! Всё просто! Теперь вы и сами можете.
Какое теперь вещество возьмём из таблицы деда Менделеева? Ну, давайте фосфор. Наверняка вы слышали от родителей, что рыбу есть полезно, потому что в ней много фосфора. Давайте-ка разберёмся в его устройстве!
Фосфор — номер пятнадцать. И это значит, что ядро состоит из пятнадцати протонов, пятнадцати нейтронов, а вокруг них болтаются пятнадцать электронов. Это ли не прекрасно?
Примерно так строятся все химические элементы (элементарные химические вещества) в таблице Менделеева. Правда, есть некоторые нюансы — при увеличении номера в ядре атома увеличивается число нейтронов. Скажем, у золота с номером 79 вокруг ядра кружатся 79 электронов, в ядре атома, как и положено, содержатся 79 протонов, а вот нейтронов 117. Но для нас это сейчас непринципиально.
Важно, что всего из трех элементарных частиц — протона, нейтрона и электрона — мы теоретически в состоянии собрать любые атомы, а уж из атомов потом — любые, какие только возможно, молекулы. Весь многообразный мир — всего из трех штучек!
А ведь когда мир только зародился, он не был столь многообразен. В нём не было веществ, он представлял собой сущий хаос из элементарных частиц и излучений. Как же из хаоса собралось такое структурное чудо?
Мы уже знаем как — с помощью закачанной в систему энергии. Сейчас расскажу.
Эта глава началась со слов о зарождении мира, которые наверняка вас зацепили. Ведь всегда же интересно, откуда всё взялось! А мы вместо ответа взяли и уехали куда-то к деду Менделееву. Ну что ж, теперь пришла пора вернуться.
Мир наш возник примерно четырнадцать миллиардов лет тому назад в результате Большого взрыва. Не спрашивайте меня, что было до того, как возникла наша вселенная — я отправлю вас к своей книге «Астрономия на пальцах», где про это подробно рассказывается со всеми возможными ужасами. Здесь же мы изучаем, что происходило внутри нашего мира.
Итак, мир возник из сингулярности — микроскопической точки с бесконечной плотностью и бесконечной температурой. Эта точка тут же начала расширяться, разменивая свою чудовищную энергию на пространство, в котором «конденсировались» частицы.
Расчёты показывают, что, когда с момента взрыва сингулярности прошла ничтожная, непредставимо малая доля секунды, температура упала до 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (одного октиллиона) градусов, а сама вселенная успела раздуться от точки до шарика диаметром в десять сантиметров. Вся наша вселенная с её невообразимыми расстояниями в миллиарды триллионов километров когда-то представляла собой шарик размером с детский мяч. И не спрашивайте меня, где взорвалась эта самая сингулярность и что было вокруг «мячика» — я снова отошлю вас к уже упомянутой книге за подробностями. А пока сообщу, что вокруг «мячика» совсем ничего не было, потому что слова «где» и «вокруг» отсылают нас к понятию пространства — так же, как слово «до» в вопросе «а что было до Большого взрыва?» относится к понятию времени.
А время и пространство — неотъемлемые свойства нашего мира. Не было вселенной — не было ни времени, ни пространства.
Поэтому все эти вопросы просто бессмысленны. Время и пространство возникли вместе с материей в момент Большого взрыва. Если я говорю, что размер вселенной через 10- секунды составлял десять сантиметров, значит, так оно и есть. Никакого «вокруг» не было, иначе это «вокруг» можно было бы включить в наш мир, и тогда он был бы на целую бесконечность больше десяти сантиметров.
Мы не можем ответить, что было вне нашего мира, когда он был таким крохотным. Но мы знаем, что происходило в нашем мире. Происходил хаос, в котором нельзя было отличить вещество от излучения, всё было едино в этом бушующем клубке дикой энергии, всё превращалось друг в друга.
Но по мере того, как шарик распирало этой дикой энергией взрыва, его температура падала, и вещество отделилось от излучения, они стали разными сущностями. А что такое вещество, точнее, что оно из себя тогда представляло? Тогда это были частицы, которые физики называют кварками. Из кварков как раз и состоят уже знакомые нам протоны и нейтроны. В современном мире кварки не существуют в свободном виде, они все неразрывно соединены в протоны, нейтроны и некоторые другие частицы, о которых в этой книге говорить совершенно бесполезно.
Так вот, кварки слепились в протоны и нейтроны, когда возраст нашего мира составлял опять-таки ничтожную долю мгновения (10-6 секунды, для особо въедливых), а диаметр вселенной раздулся уже до десяти миллиардов километров. Расстояние от Земли до Солнца (которых тогда ещё не было) всего 150 миллионов километров, и кому-то может показаться, что десять миллиардов — очень много. Но по сравнению с сегодняшними габаритами мира это сущие копейки! Однако именно тогда, в этой «копеечной» вселенной кварки намертво слиплись в частицы более крупные. Почему это произошло? Почему раньше не происходило?
Потому что раньше температуры, царящие в молодой вселенной, были чудовищными. А что такое температура в данном случае? Это энергия самих частиц, их скорость, попросту говоря. Эта энергия в хаосе случайных столкновений разрывала любые структуры. Но при расширении вселенной температура упала, и кваркам стало энергетически выгоднее слипнуться в нейтроны и протоны. Сейчас уже никто и ничто не в силах разорвать их связь, потому что во вселенной больше нет таких чудовищных энергий. И никогда уже не будет.
Как только энергия внешней среды становится меньше, чем энергия связи элементов внутри системы (то есть та энергия, которая держит систему, не позволяя ей развалиться), системы уже могут начать существовать.
Этот феномен очень просто пронаблюдать. Возьмите кусок льда или свинца. Его частицы сцеплены между собой, поэтому кусок и существует. А теперь начинайте его нагревать. Как только температура среды превысит температуру плавления льда или свинца, куски расплавятся.
Точно так же распадаются государства и семьи. Как только агрессивное давление среды начинает превышать энергию связи внутри системы, система распадается.
Это, между прочим, один из законов эволюции — при падении уровня внешней энергии начинают образовываться более сложные структуры, чем были. Дальше мы увидим, что эти структуры начинают конкурировать друг с другом за свободную энергию. И выживают более сложно устроенные и более эффективно присваивающие ресурс.
Тем временем вселенная продолжала раздуваться. И вот температура упала настолько, что из хаоса элементарных частиц начали образовываться первые ядра атомов — слипались друг с другом протон и нейтрон или пара протонов стягивались вместе так называемым сильным взаимодействием. Затем температура вселенной упала ещё и перестала отрывать притянувшиеся к протонам электроны. Образовались ещё более сложные стабильные структуры — атомы водорода и гелия. Гелия было совсем мало, и в общем можно сказать, что раздувающаяся вселенная оказалась целиком заполнена водородом. Это произошло, когда вселенной была уже целая тысяча лет.
А дальше процесс как бы остановился. Получилась вселенная, заполненная только простейшим веществом — водородом. А для того, чтобы возникла жизнь, нужны очень сложные и многообразные атомы. Детальки конструктора должны быть разными! Если у вас в конструкторе только гаечки, вы ничего не построите!
Откуда же взялись сложные атомы, состоящие не как водород, из одного протона и одного электрона, а из сотен частиц? Скажем, в ядре свинца, из которого в моё время дети любили отливать кастеты, больше двухсот частиц — протонов и нейтронов, а вокруг ядра крутится восемь десятков электронов с гаком! Откуда такое богатство? Как это всё возникло из водорода? Ведь это же типичное усложнение, нормальная эволюция!
Тут я в третий раз вынужден отослать вас к книге «Астрономия на пальцах», где наилучшим образом расписано, как именно шло появление тяжелых элементов. А вкратце скажу следующее: элементы тяжелее водорода образовывались в звёздах. Именно в этих горячих газовых шарах до сих пор идёт термоядерный процесс — превращение водорода во все остальные элементы таблицы Менделеева. Там сложные атомы самособираются из простых.
Далее происходит вот что. Огромные (их называют сверхновыми) звёзды взрываются и раскидывают — я бы даже сказал, рассеивают, как сеятель семена — наработанное вещество в космос. Затем из этого пылевого облака сгущается новая планетарная система, в её центре загорается на остатках водорода звёздочка поменьше прежней, и вот вам, пожалуйста — звезда и планеты с полным набором химических элементов для зарождения жизни. Конструктор укомплектован и готов к сборке!
Иными словами, первое поколение огромных звёзд должно было полностью выгореть и взорваться, чтобы в следующих звёздных поколениях из вещества прежних звёзд уже смогли образоваться планеты, на которых зародилась жизнь. По сути, мы с вами сделаны из звёздного пепла. Жизнь собрана из останков первого поколения сгоревших звёзд.
Но прежде, чем зародилась жизнь, на планетах должна была пройти ещё и геологическая эволюция. Иначе никак! Ведь когда под действием гравитации планеты начинают сгущаться из облака межзвёздной пыли, они сначала представляют собой рыхлые и совершенно хаотичные пылевые сгустки, где все химические элементы присутствуют, но перемешаны, потому что в атомарном виде были разбросаны взрывом сверхновой звезды в окружающее пространство.
Если вы посмотрите на нашу чудесную, хоть не очень крупную планетку, то увидите, что никакого хаоса и бессмысленной мешанины элементов на ней нет. Есть рудные жилы, золотые самородки, моря и океаны, алмазы и другие драгоценные камни. Как это всё образовалось из пылевого сгустка перемешанных атомов?
Как раз в результате геологической эволюции!
Геология считается одной из самых скучных наук, поэтому я здесь не буду уделять много времени описанию геологической эволюции и проходящих химических реакций. Нам важно уловить суть.
Откуда взялась энергия для усложнения, эволюции, сепарации вещества внутри пылевого сгустка, каким была ранняя Земля? Мы же помним, что для эволюции, образования сложных структур, самособирающихся из хаоса, нужен поток свободной энергии, а солнечные лучи внутрь планеты не проникают.
Частично эту энергию обеспечила гравитационная сила. Когда огромные массы космической пыли под действием сил тяготения сначала собрались в разреженное облако, потом стянулись в огромный рыхлый ком, затем, уплотняясь, образовали уже плотный шар, в его глубинах из-за гигантского давления выросла температура. Это обеспечило движение вещества, привело к его сепарации и разным химическим реакциям, составившим суть геологической эволюции. Вторым источником энергии был распад радиоактивных элементов в глубинах планеты (о них вы можете прочесть в книге «Физика на пальцах»).
Раньше геологи представляли себе Землю как доменную или мартеновскую печь. Считалось, что в результате высоких температур более тяжелые элементы (металлы) расплавились и опустились вниз, как это бывает в металлургических печах, образовав таким образом жидкое и горячее металлическое ядро планеты. А легкие шлаки — опять-таки, как в металлургических печах, — всплыли наверх и застыли в виде силикатно-каменной земной коры.
С тех пор появилась более интересная геологически-планетарная теория. Согласно ей, распад радиоактивных элементов, разогревая планету, высвобождает растворённый в металлах водород. Будучи очень легким и текучим газом, он устремляется сквозь толщу планеты наружу, в космос. Получается то, что в металлургии называется водородной продувкой — на заводах раскалённые докрасна металлические слитки иногда продувают водородом, чтобы избавиться от содержащегося в слитке кислорода, который ухудшает свойства металла. И водород легко прошивает твердый, хоть и горячий металл, вынося из его массы атомы кислорода.
То же самое происходило в масштабах планеты — водород, идущий из глубин, выносил к поверхности кислород, и в результате на поверхности планеты образовалась окисная кора (окислы — это соединения кислорода с разными элементами). Эту твёрдую каменную кору Земли называют литосферой. Кроме того, образовалась вода, заполнившая впадины в земной коре (вода, напомню, это окись водорода). А ещё — горючие полезные ископаемые: там, где выходящий к поверхности водород встречал на своём пути много углерода, получались так называемые месторождения углеводородов, то есть нефти и газа. Есть, правда, другая теория, которую в современном мире ещё разделяет кто-то из стареньких учёных, — будто нефть образовалась из трупов живых существ. Но про такие глупости мне даже писать неохота, хотя вы ещё можете встретить подобные воззрения в устаревших книгах и даже людей, разделяющих эту смешную точку зрения!
Но что по старым воззрениям, что по новым, наша планета и другие планеты Солнечной системы, расположенные неподалёку от Солнца, представляют собой не что иное, как металлические шарики, покрытые слоем «ржавчины». На этой «ржавчине» или «металлургическом шлаке» мы с вами и живём.
Как образовывались рудные жилы и месторождения, в которых сконцентрированы полезные ископаемые, я писать не буду — и так ясно из практики, что они как-то образовались из того идеального космического хаоса атомарной пыли, перемешанной взрывом сверхновой звезды. Геологическая эволюция прошла, это факт. Источник энергии для геологической эволюции мы нашли — гравитационный и радиогенный разогрев. На этом ставим точку и начинаем думать, как возникла жизнь.
Глава 2. Жизнь — это вам не сахар. Это много сахара!
Возникновение жизни — логическое продолжение той эволюционной линии, которая началась в момент Большого взрыва, продолжилась космической, потом геологической эволюцией, а затем естественно перетекла в эволюцию сложных органических веществ.
Надо отметить, что первые органические вещества начали образовываться даже не на планетах, а ещё в космосе, в облаках космической пыли под действием космического излучения. Например, в космосе найдено такое сложное вещество, как муравьиная кислота. По названию ясно, что вещество как-то связано с муравьями — и действительно, ещё в XVII веке английский учёный Джой Рей выделил ее из лесных муравьев. Муравьиная кислота вырабатывается у муравьёв в брюшках, и при нападении врагов муравьи дружно поднимают брюшки и опрыскивают противника этой кислотой. Можно сунуть в муравейник травинку — муравьи воспримут это как вражеское проникновение и начнут с ним бороться с помощью своего химического оружия. Если потом стряхнуть муравьев с травинки, а травинку облизать, на вкус она окажется кисленькая. Это и есть муравьиная кислота. Между прочим, грозное оружие! Вам-то, такому огромному, ничего, а некоторые насекомые от опрыскивания ею сразу окочурятся.
Молекула муравьиной кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома углерода и двух атомов кислорода. И это не единственная относительно сложная молекулярная конструкция, которая обнаружена в космосе. Оказалось, разной органики в космосе предостаточно, есть там и формальдегид, и гликольальдегид, и прочее. Из-за этого даже появилась гипотеза, согласно которой эта самая органика не образуется исключительно на поверхности молодых планет, а заносится на них из космоса. Так что наша юная Земля вполне могла иметь достаточно привнесённой органики. А могла и сама её наработать — дурное дело нехитрое. Я-то считаю, что никакого «влияния сверху» приличной планете не нужно — под действием излучения от своей звезды она создаст сложность из собственного разнообразия элементов. Кстати, разные эксперименты с моделированием условий ранней Земли показывают, что это возможно — сделать аминокислоты, которые служат кирпичиками жизни, из той неорганики, что в изобилии присутствовала в первичной атмосфере планеты.
Одна из весьма перспективных гипотез — предположение, что первая жизнь, или, скажем так, преджизнь, зародилась в черных курильщиках. Вы не знаете, что такое черные курильщики?
Это подводные гейзеры.
Уж что такое гейзеры, вы должны знать! Так вот, эти гейзеры с очень горячей водой бьют прямо из океанского дна. А черными их назвали за их цвет — струя воды, вырывающаяся из донной расщелины, черного цвета и напоминает дым.
Впервые донные гейзеры были открыты лет тридцать назад. В извергаемой под огромным давлением воде содержится много растворённого сероводорода — это очень вонючий газ, пахнущий тухлыми яйцами (точнее, наоборот, тухлые яйца имеют такой запах, потому что выделяют при протухании сероводород). По названию понятно, что молекулы этого газа состоят из атомов серы и водорода. Хорошо хоть, на глубине в три километра нюхать эту вонь некому!
При этом в морской воде растворено много солей разных металлов… А что такое соли, кстати? Да ещё «разных металлов»?.. Я не буду сейчас слишком глубоко соваться в химию и постараюсь объяснить, как зародилась жизнь, буквально на пальцах, но все-таки какие-то вещи считаю нужным пояснить. Одну соль вы точно знаете — поваренную, которую на картошку сыплют. И если напряжёте память молодецкую, то вспомните, что каждая молекула этой соли сделана из одного атома металла натрия и одной молекулы газа хлора. Так вот, металлические соли — это металл плюс кислотный остаток. И не спрашивайте меня, что такое кислотный остаток, а то мне придется вместо «Эволюции на пальцах» писать «Химию на пальцах»!..
Так вот, сероводород начинает реагировать с морской солью, в результате реакции образуются вещества, именуемые сульфидами, а они густого черного цвета. Поэтому курильщики — черные.
Вообще в этих курильщиках и вокруг них — самые благодатные условия для химических реакций. Во-первых, курильщики вымывают из океанского дна уйму разного, да и в солёной морской воде также содержится предостаточно всяких веществ, а это — готовый строительный материал для производства. Во-вторых, температуры там высокие. Вода в этих природных реакторах перегрета до температуры в 250 градусов Цельсия. А высокая температура, как мы уже знаем, — это и есть необходимая для строительства энергия. Химикам давно известно: повышение температуры резко увеличивает скорость прохождения реакции. Наконец, в-третьих, большое количество разных примесей означает, что среди них наверняка есть катализаторы — вещества, которые сами в химических реакциях не участвуют, но способны их ускорять. И химические эксперименты, воссоздающие условия, которые присутствуют в черных курильщиках, показали: да, при этом действительно образуются аминокислоты.
Немного ранее я назвал аминокислоты «буквами жизни», а также «кирпичиками жизни». И это верные аналогии. Но как, по каким чертежам складывается из кирпичиков здание жизни? Кто и как сложил из них первый живой организм? Ведь между кирпичиками и зданием, как между аминокислотами и живой клеткой, — дистанция огромного размера.
Мы уже знаем от дядюшки Дарвина, что для возникновения жизни нужен естественный отбор. А какой отбор может быть у молекул, которым всё равно, выживут они или нет, потому что они не живут!? Как они могут бороться за энергию среды с другими молекулами? Как они могут размножаться и передавать признаки?
Всё это правильные вопросы! И эти вопросы как бы между делом позволили нам сформулировать, что же такое жизнь и чем она отличается от нежизни. Вот главные признаки жизни:
— живые объекты (субъекты или существа, зовите как хотите) функционируют, обмениваясь энергией и веществом с окружающей средой. Таким образом они активно поддерживают свою выделенность из среды;
— они копируются (размножаются);
— эволюционируют по Дарвину, то есть передают по наследству индивидуальные черты, а при копировании этих черт возможны ошибки.
Может быть, эти три фактора сложились постепенно? А когда собрались вместе все три признака жизни, тогда сложная химическая система и стала жизнью? Хорошая идея!
Давайте посмотрим, существует ли вообще в неживой материи то, что нужно для получения жизни. Например, есть ли среди химических веществ и реакций нечто такое, что можно назвать размножением? Потом поищем нечто такое, что можно было бы назвать обменом энергией. Тогда останется найти нечто похожее на естественный отбор в неживой природе, прибавить к нему два ранее найденных пункта, и вместо сложнейшей серии химических реакций, протекающих в среде, у нас получится то, что можно назвать жизнью.
Ну-ка, поищем.
О! Копирование в химии есть! Химикам известен класс реакций, которые называются автокаталитическими. Но для того, чтобы понять, как они проходят, нужно знать, что такое катализ и катализатор.
Катализатор — это ускоритель химической реакции. Что такое химическая реакция, надеюсь, понятно? Да, правильно, это процесс, при котором из одних химических веществ получаются другие. Вот пример простой химической реакции:
HCl + NaOH = NaCl + H2O
Не запоминайте эту формулу ни в коем случае, а то вдруг станете умнее, чем положено ребёнку! Я вам и так, словами, расскажу, что здесь к чему.
Едкое вещество соляную кислоту — (HCl), молекулы которой состоят из одного атома водорода (Н) и одного атома хлора (Cl), смешали с другим едким веществом — щелочью (NaOH), молекулы которой состоят из одного атома металла натрия (Na), одной молекулы кислорода (О) и одной молекулы водорода (Н). И в результате бурной реакции получилась поваренная соль (NaCl), смешанная с водой (H2O), то есть просто солёная вода. По отдельности и соляная кислота и щелочь разъедают кожу при попадании на неё, я уж не говорю о том, чтобы их пить — это смерть в мучениях! А после их смешивания образуется то, что вполне можно пить — обычная солёная вода. Была агрессивная среда, а после реакции стала нейтральная. Поэтому такой тип реакций называется реакциями нейтрализации.
В химии — мириады разного рода реакций. И среди них есть, как мы уже сказали, группа реакций каталитических, то есть идущих только в присутствии катализатора. Катализатор — это вещество, которое само не участвует в реакции, то есть ни во что другое не превращается, но зато позволяет идти другим реакциям в своём присутствии. Ускоритель. Бросил в пробирку катализатор, и реакция пошла! Катализаторами разных реакций часто служат металлы.
Среди этой группы есть подгруппа реакций, которые называются автокаталитическими. В них катализатором выступают сами продукты реакции. То есть чем больше продуктов реакции, тем быстрее идёт реакция, потому что больше ускорителя. И это очень напоминает размножение. Собственно, это и есть размножение продуктов реакции в растворе. Молекула автокатализатора, которая сама есть продукт реакции, производит как катализатор, используя болтающиеся в растворе реактивы, другую точно такую же молекулу, как она сама. Она словно «поедает» вещества, содержащиеся в растворе, чтобы произвести себе подобные молекулы.
Вот вам размножение!
Если продукты реакции — вещества нестойкие, то есть могут со временем распадаться, то их количество в растворе зависит от количества «пищи». Много «пищи» — автокаталитическое воспроизводство идёт с нарастанием. А если количество реактива, из которого собираются автокатализаторы, в какой-то момент начало уменьшаться, то продукты реакции будут «вымирать» быстрее, чем автособираются, и в конце концов и в растворе их не останется вовсе. И даже если потом количество «пищи» вырастет, автокатализаторы не начнут самособираться — мы ведь помним, что для каталитической реакции нужен катализатор. А для автокаталитической катализатором служит сам продукт реакции. Нет его — не будет реакции при любом количестве «пищи»! Что же получается? Уменьшилось количество «пищи», и наш продукт реакции «вымер».
Что, если в сложном растворе идут несколько схожих реакций автокатализа одновременно? Это может происходить потому, например, что в результате начавшейся реакции образуются чуть-чуть отличающиеся друг от друга вещества. Вещества могут быть, например, идентичными химически, но отличаться пространственным строением, как левая и правая рука. Вроде бы и то рука, и это рука, но левая перчатки на правую руку отчего-то не налезает — а всё потому, что руки отличаются пространственным строением. Аналогичным образом могут отличаться и большие молекулы — в одной молекуле радикал (группа атомов) так присоединен, а в другой молекуле — эдак, с поворотом. И тогда изменённые вариации молекул начинают воспроизводить уже себя.
Вот вам случайная изменчивость!
А что, если характер разных автокаталитических реакций немного отличается, например, по скорости? Тогда при уменьшении количества исходного материала для реакции («пищи») более успешно пойдут те разновидности реакций, которые быстрее. То есть размножаться будут те виды молекул автокатализатора, которые быстрее других видов «пожирают» дефицитный ресурс. А остальные вымрут от «бескормицы».
Вот вам отбор!
Первой открытой химиками автокаталитической реакцией стала так называемая реакция Бутлерова, которую, как видно из названия, открыл российский химик Бутлеров. Это случилось еще в середине позапрошлого века. Отличный бородатый парень Бутлеров пронаблюдал, как в водном растворе формальдегида при добавлении в него соединений кальция и при одновременном нагревании (накачке энергией) вдруг начинает идти мощная химическая эволюция — сразу несколько реакций с образованием сахаров. Причем продукты этих реакций служат катализаторами самих себя, то есть комплекс реакций идёт с ускорением.
Что такое сахара, вы, без сомнения, должны себе представлять. Привычный сахар, который на кухне наполняет сахарницу, на самом деле лишь один из множества веществ, объединенных общими химическими признаками и называемых сахарами, — точно так же, как живые особи разных видов по общим свойствам объединяются в биологический отряд или семейство. Если построить древо химической эволюции, то привычный нам свекольный сахар можно уподобить одному животному виду, а все сахара вообще назвать семейством сахаров. Тогда это семейство можно разделить на три рода — моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Приведем для примера несколько часто встречающихся видов сахаров. Научное название свекольного (или тростникового) сахара, который мы кладём в чай и с помощью которого варим варенье, — сахароза.
Запомните: в сахарнице — сахароза!
Кроме сахарозы существует глюкоза — более простой по конструкции сахар. Именно глюкоза растворена в крови и служит топливом для работы наших клеток.
Рис. 16. Вот как устроена самая мелкая частичка кондитерского сахара
Лактоза — молочный сахар.
Фруктоза — фруктовый сахар.
Мальтоза — сахар, который содержится в солоде, то есть пророщенном зерне.
Целлюлоза — это древесина.
Уловили закономерность? Сахара узнать просто: если в названии химического вещества есть «оза» — это сахар.
На свете огромное количество сахаров. Далеко не все из них сладкие — попробуйте пожевать древесину или вспомните вкус молока. Но некоторые сахара не только не сладкие, но ещё и смертельно ядовитые! И тут самое время вернуться к Бутлерову, который наблюдает, как в колбе с раствором творится что-то непонятное — формальдегид превращается в сложную смесь разных сахаров, эта смесь постепенно густеет и карамелизуется, застывая и каменея.
Почему биологи обратили внимание на реакцию Бутлерова? Потому что основными носителями биологической информации (то есть информации о жизни) служат уже известные нам молекулы ДНК и пока ещё неизвестные нам молекулы РНК — рибонуклеиновой кислоты. ДНК — это книга записей обо всех свойствах организма, архив. А РНК помогает считывать наследственную информацию из этого архива. Именно эти две молекулы умеют накапливать и передавать при копировании информацию в виде набора биологических «букв». Но почему они так называются — рибонуклеиновая кислота и дезоксирибонуклеиновая кислота? Корень «рибо-" в их названиях образовался от слова «рибоза».
Чувствуете, куда ветер дует? «Оза»! Да, рибоза, которая лежит в основе РНК и ДНК, — это сахар. А каким образом в химических реакциях могут образовываться, размножаться и отбираться сахара, мы уже знаем — из формальдегида в смеси с соединениями кальция. Формальдегида в природе полно, он даже в космосе найден! Да и с соединениями кальция проблем нет, они в земной коре повсюду.
В последнее время стало ясно, какие именно природные примеси помогают отбирать нужные сахара и выводить из реакции ядовитые, помогая выживать именно тем, из которых теперь устроена основа нашей жизни. Эти вещества-помощники называются силикатами, и они тоже очень распространены в природе. Более того, экспериментируя с реакцией Бутлерова, учёные уточнили, что добавлением самого обычного апатита (природного минерала) реакцию Бутлерова удаётся сместить к накоплению почти одной только рибозы!
Но мы помним, что каталитические реакции идут только в присутствии катализатора, в том числе и реакции автокаталитические. Откуда же взялась затравка для реакции — самая первая молекула автокатализатора? На это есть ответ — первичные простые сахара, с которых начинается «сахарная эволюция», могут образовываться в растворе формальдегида, облученном ультрафиолетом. А ультрафиолет в изобилии излучает Солнце.
Так что в условиях Земли жизни просто некуда было деваться, кроме как возникнуть!