или по крайней мере неочевидно, какие из встречающихся на Земле органических молекул находятся здесь благодаря наличию жизни, а какие появились бы даже при ее отсутствии. Практически все окружающие нас органические молекулы имеют биологическое происхождение. Если мы хотим что-то узнать об органической химии на Земле до появления жизни, лучше поискать где-то в других местах.
Предположение о внеземной органической материи важно не только по этой причине, но и поскольку из него можно извлечь что-нибудь ценное, по крайней мере о вероятности внеземной жизни. Если больше нигде никаких признаков органических молекул не обнаружится или они окажутся крайне редки, можно прийти к выводу о чрезвычайной редкости внеземной жизни. Если же выяснится, что органики во Вселенной пруд пруди, то хотя бы эта предпосылка существования внеземной жизни будет выполнена. Так что это важный вопрос. С начала 1950-х гг. в его изучении сделаны значительные успехи, позволяющие нам если не прямо, то косвенно узнать что-то о своем происхождении.
В 1910 г. астроном Уильям Хёггинс напугал весь мир. Он-то просто занимался своим делом, астрономическими наблюдениями, но результаты его трудов (работа, о которой я говорю, велась в последней трети XIX в.) повергли в массовую панику Японию, Россию и немалую часть юга и среднего запада Соединенных Штатов. В Константинополе сотни тысяч людей вылезли на крыши в пижамах. Папа римский в своем послании осудил массовую истерию с запасанием кислородными баллонами в Риме. По всему миру шла волна самоубийств. И все из-за трудов Уильяма Хёггинса. Мало кто из ученых мог бы претендовать на подобный эффект, по крайней мере до изобретения ядерного оружия. Что же такое совершил Хёггинс? Дело в том, что он входил в число первых астрономов, занимавшихся спектральным анализом.
Илл. 20. Комета Махгольца
Раздутая атмосфера кометы — кома, вытягивается в противоположном Солнцу направлении, образуя разреженный хвост из пыли и ионизированного газа.
Перед нами кома кометы — облако пыли и газа, окружающее ледяное кометное ядро при вхождении во внутреннюю область Солнечной системы. С помощью спектроскопа Хёггинс раскладывал свет кометы на спектральные составляющие. Из того, какие частоты светового излучения оказываются преобладающими, можно сделать выводы о химическом составе кометы — к тому моменту, как Хёггинс переключился на них, спектральный анализ с успехом применялся к изучению небесных тел уже десятилетие или два. (Кроме прочего, Хёггинс сделал весомый вклад в изучение химического состава звезд.)
Спектрограммы взяты из публикации Хёггинса. На иллюстрациях представлены волновые диапазоны в видимой части спектра, воспринимаемые глазом. В самом низу — спектрограмма кометы 1868 г., названной кометой Брорзена. Над ней — развертка другой кометы 1868 г., Виннеке-2. А в самом верху — спектрограмма оливкового масла.
Как видим, у Виннеке-2 больше сходства с оливковым маслом, чем с кометой Брорзена. Однако из этого не следует, что оливковое масло содержится в оболочке комет. (Вот было бы открытие, если бы оно там обнаружилось!) Из этого следует другое: в спектре кометы, в спектре природного газа и в спектре испарений от нагретого оливкового масла присутствует некая молекулярная частица — диуглерод — или C2, образованная двумя атомами углерода. Это означает обнаружение органической молекулы, не самой известной на Земле в силу неустойчивости при столкновении с другими молекулами. Ей требуется что-то близкое к глубокому вакууму, который на поверхности Земли в естественных условиях не встречается. Тогда как в непосредственной близости к кометной коме образуется достаточно глубокий вакуум для сохранения целостности диуглерода — и вот она, первая обнаруженная нами внеземная органическая молекула. И, как выясняется, не самая нам знакомая.
Илл. 21. Оливковое масло и кометы
Английский астроном Уильям Хаггинс сравнивал спектрограммы паров оливкового масла и этилена со спектрограммами двух комет, которые он наблюдал в 1868 г. Он совершенно правильно установил, что в составе комет присутствуют углеродсодержащие вещества.
Илл. 22. Спектр кометы NEAT
Свет кометы NEAT (показана на обложке книги), разложенный на спектральные составляющие (внизу), в которых выявляются волны определенной длины, свидетельствующие о наличии тех или иных молекул (в середине).
На этой иллюстрации мы видим типичную современную спектральную развертку кометы, на которой тоже видны выдающиеся полосы C2 и других составляющих. Вот NH2— аминогруппа, образующаяся в результате распада аммиака NH3 и выступающая также определяющей молекулярной группой для аминокислот — структурного элемента белка. И вот здесь, в спектрограмме, мы видим тот самый молекулярный фрагмент, который поверг мир в панику. Это CN — молекула нитрила или цианида.
Одной крупинки цианистого калия на языке достаточно, чтобы убить человека. Так что обнаружение цианида в кометах пугало людей.
Особенно когда выяснилось, что в 1910 г. Земле предстоит пройти через хвост кометы Галлея. Астрономы пытались всех успокоить, объясняя, что неизвестно, будет ли Земля все-таки проходить через хвост, а если даже будет, плотность молекул цианида настолько мала, что ничего страшного не случится. Но астрономам никто не верил.
Возможно, комета и зацепила Землю краем хвоста. Как бы то ни было, она прилетела и улетела, никто не погиб, и ни одной лишней молекулы цианида никто нигде на Земле не зафиксировал. Правда, как раз во время пришествия кометы скончался астроном Уильям Хёггинс, но вовсе не от отравления цианидом.
Если взглянуть на комету поближе, мы увидим небольшое ядро — твердое тело, которое и представляет собой комету до попадания в непосредственную близость к Солнцу. Ледяное ядро, как правило, насчитывает несколько километров в поперечнике, но с приближением к Солнцу оно дегазируется за счет испарения и образует кому и прелестный длинный хвост.
Вернемся к молекулам, о которых мы только что говорили, — CN, C2, C3, NH2. Какие у них исходные молекулы? Откуда они появились? Предтечи у них имеются. Мы видим лишь фрагменты, отсеченные от более крупной молекулы ультрафиолетовым солнечным излучением и солнечным ветром. Очевидно, что где-то существует хранилище гораздо более сложных молекул — органических молекул, составляющих кометное ядро, но нами пока не открытых.
Благодаря радиоастрономическим исследованиям удалось обнаружить HCN (цианистый водород) и CH3CN (ацетонитрил) по крайней мере в одной комете. Это интересные органические молекулы, которые могут быть причастны к возникновению жизни на Земле.
Илл. 23. Конец света
Рисунок Джерома Хилла, напечатанный 14 мая 1910 г. в еженедельнике Harper'sWeekly, передает настроение романтического фатализма по отношению к приближающейся комете Галлея, «заряженной цианидом».
Представьте себе, что составляющие воздуха, которым мы дышим, увеличили в размере, скажем, в 10 млн раз. Перед нами запляшут мириады молекул кислорода и азота с вкраплениями молекул водяного пара и углекислого газа.
Воздух, как известно, в основном состоит из кислорода и азота. Если же взять немного воздуха и начать его охлаждать, можно последовательно выделить из него в виде конденсата разные молекулы. Первой выделится вода, затем углекислый газ и гораздо позже, то есть при гораздо более низких температурах, кислород и азот.
Рассмотрим конденсацию молекулы воды. Конденсация не означает, что водяные молекулы сыплются из воздуха как попало. Они образуют аккуратную шестигранную кристаллическую решетку, выстраивающуюся во всю длину ледяного кристалла, снежинки или другого образования. Есть молекулы, которые выпадают конденсатом при более высоких температурах, как, например, кремнезем — диоксид кремния, который также образует кристаллическую решетку.
А теперь давайте вернемся к солнечной туманности, из которой, как уже говорилось раньше, почти наверняка сформировалась Солнечная система с протосолнцем в центре и понижением температуры по мере удаления от него. Попробуем представить ее как смесь в изобилии представленного в космосе сырья, в том числе воды (H2O, об избытке которой нам известно благодаря спектральному анализу астрономических объектов), метана (CH4— мы знаем, что его тоже много), кремнезема (SiO2 — тоже в изобилии, как нам известно). Из этой смеси на разном расстоянии от Солнца будут выпадать конденсатом разные вещества, поскольку у всех у них разное давление парообразования и разная точка плавления. И мы увидим (догадываетесь?), что вода конденсируется примерно там, где находится Земля, тогда как соли кремниевых кислот выпадают ближе к Солнцу, поэтому жидкие или газообразные силикаты в обычных условиях существования планет искать не стоит даже на орбите Меркурия. В свою очередь, метан будет конденсироваться где-нибудь в районе нынешней орбиты Сатурна. При этом метан — возможно, главная углеродсодержащая молекула во всем космосе, и из вышесказанного следует, что на ранних этапах формирования солнечной туманности метан должен был преимущественно конденсироваться во внешней части Солнечной системы, а не во внутренней. И если это общий принцип, то органической материи окажется больше во внешних космических пределах и гораздо меньше в наших краях.
Да, на Луне или на Меркурии метана маловато. Однако, начиная с орбиты Сатурна, мы будем обнаруживать не только признаки метана — в спектральном анализе Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна метана предостаточно, — но и убедительные свидетельства присутствия сложных органических молекул во внешней Солнечной системе.
Это фотография Япета, одного из спутников Сатурна. Затемненная область — это не тень. У этого спутника разительный контраст между полушариями: одно темное, другое ярко сияет. И в яркой зоне присутствует отчетливый спектральный признак водяного льда.
Ни «Вояджер-1», ни «Вояджер-2» не подлетали к Япету достаточно близко. Мы считаем, что это органическая материя. Она очень темная. В центре этой темной области альбедо — отражательная способность — составляет около 5%. Не стану утверждать наверняка, но думаю, что в помещении, где вы находитесь, нет ничего настолько темного — с альбедо в 5%. А еще эта материя красноватая. То есть