Аммиак легко представить себе фоном жизни… только не на Земле. Температура на Земле такова, что аммиак существует в природе в виде газа. При нашем атмосферном давлении он кипит при –33,4 градуса и замерзает при –77,7 градуса.
А на других планетах?
В 1935 году с помощью спектрального анализа было показано, что атмосфера Юпитера и в меньшей степени Сатурна насыщена аммиаком. Сразу высказали предположение, что Юпитер покрыт огромными океанами аммиака.
Разумеется, температура на Юпитере, по-видимому, не поднимается выше –100 градусов, и поэтому можно предположить, что аммиак на этой планете находится в твердом состоянии, а для равновесия в атмосфере есть пары аммиака. Очень жаль. Вот если бы Юпитер был поближе к Солнцу…
Но погодите! Ведь аммиак кипит при –33,4 градуса только при атмосферном давлении, существующем на Земле. Температура кипения повышается с повышением давления, и если плотность атмосферы Юпитера достаточно высока и границы ее достаточно обширны, то весьма возможно, что океаны аммиака там действительно существуют. (Есть и другие точки зрения — см. главу 16.)
Однако против всей концепции жизни на фоне аммиака можно выдвинуть то возражение, что составные части живых организмов нестойки и реагируют на все быстро, чутко и по-разному. Поэтому белки, столь характерные для «жизни в той ее форме, которая нам известна», очевидно, очень нестабильны. Небольшое повышение температуры — и они расщепляются.
С другой стороны, понижение температуры могло бы сделать белковые молекулы слишком стабильными. При температурах, близких к температуре замерзания воды, многие формы нетеплокровной жизни становятся поистине вялыми. Тогда каким образом поддерживалась бы жизнь в среде аммиака, при температуре на добрую сотню градусов ниже температуры замерзания воды, когда химические реакции протекают слишком медленно?
На это есть два ответа. Во-первых, что значит «слишком медленно»? Почему бы не существовать формам жизни, которые по сравнению с нами живут неторопливо? Как растения.
Второй, менее тривиальный ответ: белковые структуры в процессе эволюции жизни приспосабливаются к температуре среды. Если бы жизнь более миллиарда лет приспосабливалась к температурам жидкого аммиака, то создались бы, наверно, такие белковые структуры, для которых было бы невозможно даже самое кратковременное существование при температуре жидкой воды; в то же время они были бы весьма стабильны для нормального существования при температурах жидкого аммиака. Эти новые виды белковых структур при низких температурах были бы и достаточно стабильны и достаточно нестабильны, чтобы поддерживать быстро изменяющуюся «торопливую» форму жизни.
И не стоит печалиться из-за того, что невозможно представить себе эти структуры. Предположим, что мы постоянно живем при температуре, когда железо раскаляется почти докрасна (естественно, что химически мы тогда коренным образом отличались бы от того, что представляем собой ныне). Могли бы мы в таких условиях знать что-либо о белках земного типа? Удалось бы нам охлаждать сосуды до 25 градусов по Цельсию, создавать белки и изучать их? Могли бы мы когда-либо мечтать об этом до тех пор, пока не были бы открыты формы жизни с такими белками?
Ну, а кроме аммиака?
Самые распространенные элементы Вселенной — это водород, гелий, углерод, азот, кислород и неон. Мы вычеркиваем из списка гелий и неон, потому что они инертны и не участвуют в реакциях. Ввиду колоссального преобладания водорода во Вселенной углерод, азот и кислород образуют в основном соединения с водородом. Кислород с водородом дают воду (Н2О), а азот с водородом — аммиак (NH3). Их мы уже рассмотрели. Остается углерод, который, соединяясь с водородом, образует метан (СН4).
В атмосфере Юпитера и Сатурна наряду с аммиаком есть и метан, а на Уране и Нептуне, планетах еще более отдаленных, метан преобладает, так как аммиак там выморожен. Причина в том, что метан остается жидким при температурах более низких, чем для жидкого аммиака. На Земле он кипит при –161,6 градуса и замерзает при –182,6 градуса.
Может ли метан быть фоном для жизни, в которой исполнителями главных ролей были бы все те же нестабильные формы белков? Увы, здесь дело гораздо сложнее.
И аммиак и вода являются полярными соединениями; это означает, что электрические заряды в их молекулах распределяются несимметрично. А вот метан — это соединение неполярное, ибо электрические заряды распределяются в его молекуле симметрично.
Известно, что полярные жидкости способны растворять только полярные вещества, а неполярные жидкости растворяют только неполярные вещества.
Поэтому вода (которая полярна) растворяет соль и сахар (также полярные соединения), но не растворяет жиры и масла (неполярные соединения, называемые липидами). Отсюда возникла поговорка: «Масло и вода не смешиваются никогда».
С другой стороны, метан, неполярное соединение, растворяет липиды, но не растворяет ни сахара, ни соли.
Белки и нуклеиновые кислоты полярны и в метане не растворяются. Оказывается, очень трудно представить себе структуру, соответствующую нашим понятиям о том, какими должны быть белок и нуклеиновая кислота, чтобы они могли растворяться в метане.
Метан в качестве фона для жизни требует смены исполнителей главных ролей.
Для этого нам придется решить вопрос, какие именно свойства делают белки и нуклеиновые кислоты необходимыми для жизни.
Ну, во-первых, они построены из гигантских молекул, почти бесконечно разнообразных по своей структуре и потому обладающих способностью легко изменяться, — это необходимая основа для почти бесконечного разнообразия жизни.
А нет ли каких-либо других веществ со столь же большими и сложными, но неполярными молекулами, тоже способными растворяться в метане? Самыми распространенными неполярными соединениями, ассоциирующимися с жизнью, являются липиды; здесь возникает вопрос: а может быть, существуют липиды с гигантскими молекулами?
Это не просто предположение. Такие гигантские молекулы липидов существуют на самом деле. В частности, в ткани мозга есть гигантские липидные молекулы сложной структуры (их функции неизвестны). Очень распространены в природе так называемые липопротеиды; эти соединения состоят как из липидов, так и из белков, объединенных в единые гигантские молекулы. Пока что человек всего лишь чуть-чуть затронул поверхность химии липидов; по-видимому, возможности неполярной молекулы гораздо больше, чем мы представляли себе до последнего времени.
Вспомните также, что биохимическая эволюция жизни на Земле шла в основном в полярной водной среде. Если бы жизнь развивалась в такой неполярной среде, как метан, то под действием тех же эволюционных сил молекулы липидов изменялись бы, создавались бы сложные и хрупкие нестабильные формы молекул, способные в конце концов выполнять функции, которые в нашем представлении обычно связываются с белками и нуклеиновыми кислотами.
В поисках веществ, имеющих в жидком состоянии еще более низкую температуру, чем метан, мы столкнемся лишь с водородом, гелием и неоном. Если исключить гелий и неон, останется водород — самое распространенное вещество Вселенной. (Некоторые астрономы считают, что, возможно, 4/5 Юпитера — это водород, а остальное — в основном гелий… в таком случае мы можем распрощаться с океанами аммиака.)
Водород становится жидким при –253 градусах и замерзает при –259 градусах; никакое давление не может поднять его температуру кипения выше –240 градусов. Это всего на 20–30 градусов выше абсолютного нуля, и поэтому более холодного фона для жизни, чем водород, представить невозможно. Водород неполярен, так что снова исполнителем главной роли был бы какой-нибудь липид.
До сих пор мы говорили о планетах более «холодных», чем Земля. А как же обстоит дело с планетами более «горячими»?
Начнем с того, что с химической точки зрения одни планеты резко отличаются от других. В солнечной системе, как, очевидно, и во всей Вселенной, существует три типа планет.
На холодных планетах молекулярные движения замедленны, и поэтому в процессе образования планета может удержать даже водород и гелий (самые легкие, а следовательно, и самые подвижные из всех веществ). Так как все здесь состоит из водорода и гелия, планеты имеют большие размеры. Вот известные нам примеры: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
На «горячих» планетах, где молекулярное движение ускорено, водород и гелий улетают в пространство. Более сложных атомов — этих жалких примесей в могучем океане водорода и гелия — хватает лишь на образование маленьких планет. Из основных соединений водорода остается только вода. Температура ее кипения выше, чем у остальных участников трио метан — аммиак — вода. Кроме того, вода лучше всего подходит для образования прочных соединений с силикатами, из которых состоит твердая кора планеты.
Возникают такие миры, как Марс, Земля и Венера. Здесь аммиачная и метановая формы жизни невозможны. Во-первых, при температуре этих планет аммиак и метан существуют в газообразном состоянии. Во-вторых, даже если спустя много миллионов лет и наступит период полного обледенения (температура при этом упадет достаточно сильно, чтобы аммиак или метан стали жидкими), — все равно количество аммиака и метана будет недостаточным для поддержания аммиачной или метановой формы жизни на любой из этих планет.
А теперь представьте себе мир еще более теплый, чем наше умеренное трио планет, мир настолько горячий, что в нем нет даже воды. Пример — Меркурий. Это твердое каменное тело; если в нем и есть водород или соединения водорода, то их очень мало.
Неужели здесь вовсе немыслимы формы жизни, которые можно было бы связать с существующими химическими механизмами?
Не обязательно.
Есть неводородные жидкости с температурой кипения выше, чем у воды. В космическом масштабе наиболее распространенной жидкостью такого рода была бы сера — при давлении в одну атмосферу она плавится при 113 градусах и кипит при 445 градусах (именно такова температура на солнечной стороне Меркурия).