Органическая Вселенная

Неплохо было бы выяснить, где собственно проходит черта уникальности того явления, которое мы называем земной жизнью. Видимо, Вселенная в очень многих своих областях генерирует достаточное обилие основных атомов, необходимых для появления органических структур. Но вот насколько далеко по пути к этим структурам заходит молекулярная эволюция?

До сравнительно недавних пор считалось как-то само собой разумеющимся, что сколь-нибудь крупные молекулы могут образоваться лишь в планетных конденсациях. Поэтому планеты казались единственными подходящими кандидатами на роль хороших органохимических реакторов, а, следовательно, совершенно необходимым звеном в цепочке, ведущей к жизни.

Между тем еще в 1834 году шведский химик Йене Якоб Берцелиус (1779–1848) установил, что на метеоритах присутствуют органические вещества. Идея о том, что соответствующие молекулы могут образовываться в космическом пространстве, более столетия оттеснялась весьма простым соображением о заражении метеоритов органикой уже после попадания в земную атмосферу.

Ситуация стала резко меняться после того, как чистота опытов значительно возросла, и в связи с космогонической проблемой обострился интерес к метеоритному составу. Поскольку исходный материал протопланетных облаков земной группы, видимо, очень близок к углистым хондритам, а метеориты этого состава включают около 5 % по массе органических веществ[150], стало принципиально важно выяснить, насколько эти включения естественны. Пожалуй, решающим оказался анализ метеорита Мерчисон, упавшего в Австралии в 1969 году. На нем обнаружили 18 аминокислот, причем 12 из них не встречаются в белках, характерных для земной жизни. Этими 12 аминокислотами в пределах земной атмосферы метеорит Мерчисон заразиться не мог, что и заставило поверить в их космическое происхождение.

Понимание того, что Вселенная может быть в весьма высокой степени насыщена органикой, достигалось двумя путями. Знаменитые опыты Гарольда Юри и Стенли Миллера, проведенные в Чикагском университете в 1953 году, показали, что искровые разряды в атмосфере из водорода, аммиака, метана и водяного пара стимулируют образование ряда сложных молекул, включая строительные элементы белка — аминокислоты. В 60-70-х годах Е. Андерс, М. Стадьер и Р. Хаяцу, моделируя ситуацию протопланетного облака, обнаружили, что радикал СО в водородно-аммиачной атмосфере дает в присутствии железоникелевых, магнетитных и силикатных катализаторов нечто весьма похожее на метеоритную органику. Предварительный вывод из лабораторных экспериментов состоит в том, что, видимо, при достаточной концентрации стартовых соединений — простейших молекул, содержащих водородные, кислородные, азотные и углеродные атомы, — подвод энергии в форме ультрафиолетового излучения,? — лучей и даже более жесткой радиации обеспечивает заметный выход так называемых биологических мономеров — в первую очередь аминокислот и азотистых оснований. Это тот материал, из которого впоследствии могут полимеризоваться белки и нуклеиновые кислоты, соответственно.

Второй путь связан с прямыми астрономическими наблюдениями тех или иных спектральных линий конкретных космических молекул. Здесь удалось добиться весьма впечатляющих успехов. После регистрации в 1974 году радиолиний синильной кислоты (HCN) и метилциана (CH₃CN) в спектре кометы Когуотека метеориты перестали быть единственными вне-планетными носителями органики в Солнечной системе.

Но сложные молекулярные соединения нашлись и в, казалось бы, заведомо безжизненной межзвездной среде. Первым был обнаружен формальдегид (Н₂СО). Это произошло в 1969 году, а уже через год-другой высококачественные приемники миллиметрового излучения обеспечили целый поток открытий. Среди почти полусотни молекулярных соединений, наряду с 12 простейшими неорганическими молекулами и радикалами (H₂, Н₂О, NH₃, ОН, H₂S и т. д.), было обнаружено более 30 органических молекул. Среди них не только элементарные двух-трехатомные углеродосодержащие структуры, но и углеводороды, спирты, альдегиды, 3 кислоты (муравьиная, синильная и изоциановая), амиды кислот, амины, нитрилы и эфиры. Самая тяжелая из обнаруженных космоорганических молекул — цианоктатетраин (HC₈CN) включает 11 атомов.

Все эти сложные соединения были найдены в газо-пылевых облаках, так или иначе связанных с процессом звездообразования. Это важнейшее обстоятельство указывает на то, что вступление в органическую фазу могло произойти задолго до завершения звездной и планетной конденсации. Разумеется, сформировавшаяся в относительно холодной среде достаточно сложная космическая органика могла частично или полностью погибнуть в результате разогрева. Но ее восстановление «своим ходом» в условиях обилия энергетических источников молодых планет или вследствие перезаражения метеоритами весьма вероятно. Во всяком случае, она присутствует в околозвездных газо-пылевых оболочках при температурах до 1000 К. В этом плане любопытно, что хотя бы часть органических полезных ископаемых может оказаться в некотором смысле старше Земли.

Пожалуй, самыми интересными объектами оказались так называемые черные или молекулярные облака. Во-первых, они являются самыми массивными из наблюдаемых галактических объектов (М ? 1000 М_€). Предполагают, что в них сосредоточено не менее 1 % массы Галактики. Во-вторых, они содержат практически все зарегистрированные типы космоорганических молекул. Концентрация таких молекул относительно всего состава черного облака достигает 10^-8-10^-7, то есть суммарная масса его органики (М ~ 10²⁸–10²⁹ г) превышает массу планеты типа Земля. А во всей Галактике черные облака могут содержать не менее 30М_€ органики. Если согласиться с довольно правдоподобной и общепринятой оценкой массы органики в Солнечной системе 10²³ г и смело предположить, что в среднем вблизи всех остальных 10¹¹ звезд Галактики ее примерно столько же, то получатся вполне сопоставимые результаты. Однако, скорее всего, перевес будет на стороне черных облаков.

Эта весьма эффектная, хотя и грубая оценка показывает, что органохимический спектр Вселенной вовсе не локализован по крайне малым окрестностям особо удачливых планет. В подходящих температурных условиях нет никаких препятствий для образования органических молекул в чрезвычайно разреженной (средняя концентрация 100-10000 атомов водорода в кубическом сантиметре) среде[151]. Однако плотность черных облаков, видимо, возрастает в их центральных областях, где и должны концентрироваться органические соединения. В формировании этих соединений важную каталитическую роль играют пылинки, на поверхности которых синтез органики должен идти особенно охотно.

Очень важна также радиационная защита, естественно выстраиваемая пылью внешних областей черного облака. Дело в том, что жесткое космическое излучение долгое время рассматривалось как решающий теоретический аргумент против сколь-нибудь заметного накопления органики в газо-пылевой среде. Видимо, черные облака успешно справляются с этой трудностью.

К сожалению, пока в них не обнаружено следов аминокислот, однако соответствующий синтез во внутренних областях вряд ли слишком маловероятен. Например, в Стрельце В2 есть метанимин (CH₂NH), и он мог бы синтезироваться с муравьиной кислотой (НСООН) в глицин — аминоуксусную кислоту. Но концентрация этой аминокислоты вдоль луча зрения может лежать ниже достигнутого порога регистрации. Вполне вероятен там и синтез некоторых азотистых оснований нуклеиновых кислот.

Хотя на метеоритах найдены ароматические полимеры (они-то и составляют до 90 % органики углистых хондритов), пока ничего нельзя сказать о полимеризации таких соединений, как нуклеиновые кислоты и белки.

Нетрудно, разумеется, придумать условия для преодоления этого барьера (локальные источники энергии, повышенная концентрация катализаторов и т. д.), и вряд ли эти условия будут слишком искусственны. Но вряд ли они будут сильно отличаться от тех условий, которые привели к появлению протобионтов в первый миллиард лет эволюции Земли. Отличия результатов синтеза могут заключаться в ином аминокислотном составе белков (не наши 20!) или несколько иной структуре ДНК, что, конечно, даст отличный от земного генетический код, и совсем уже труднопредсказуемые последствия для верхних ветвей эволюции. Любопытно было бы помечтать о разумных существах, способных развиться в столь необычных условиях.

Но это слишком далеко идущая экстраполяция. В своем научно-фантастическом романе «Черное облако» Фрэд Хойл выдвинул идею как раз такого рода, причем за много лет до открытия реальной органики в черных облаках.

Нас пока будут интересовать более ограниченные выводы.

Видимо, органические молекулы и биомономеры — довольно распространенное космическое явление. Можно полагать, что дальнейшие этапы усложнения структуры успешно протекают в более специфических и соответственно более редких условиях. По современным представлениям все этапы от формирования биополимеров до технически развитых цивилизаций в первую очередь связываются с наличием подходящей планеты.

Считая образцом такой планеты Землю, мы можем попытаться оценить распространенность подобных объектов в Галактике.