Поиски жизни в Солнечной системе - Н Хоровиц

При денатурации разрушается трехмерная структура бел ков (уникальная для каждого белка), которая необходима для выполнения таких его функций, как катализ. Эта струк тура поддерживается целым набором слабых химических связей, в результате действия которых линейная последова тельность аминокислот, формирующая первичную структу ру белковой молекулы, укладывается в особую, характерную для данного белка конформацию. Поддерживающие трех мерную структуру связи образуются между аминокислота ми, расположенными в различных частях белковой молеку лы. Мутации гена. в котором заложена информация о последовательности аминокислот, характерной для опреде ленного белка, могут привести к изменению в составе амино кислот, что в свою очередь часто сказывается на его термо стабильности. Это явление открывает возможности для эво

* Недавно появившееся сообщение о том, что обнаруженные в геотермальных источниках на дне Тихого океана бактерии (см. с. 75) могут развиваться при 250"С под давлением 265 атм, весьма сомни тельно и, вероятно, ошибочно.

71

люции термостабильных белков. Структура молекул, обеспе чивающая термостабильность нуклеиновых кислот и клеточ ных мембран бактерий, обитающих в горячих источниках, по-видимому, также генетически обусловлена.

Поскольку повышение давления препятствует кипению воды при нормальной точке кипения, оно может предотвра тить и некоторые повреждения биологических молекул, свя занные с воздействиями высокой температуры. Например, давление в несколько сотен атмосфер подавляет тепловую денатурацию белков. Это объясняется тем, что денатурация вызывает раскручивание спиральной структуры белковой молекулы, сопровождающееся увеличением объема. Препят ствуя увеличению объема, давление предотвращает денату рацию. При гораздо более высоких величинах давления, 5000 атм и более, оно само становится причиной денатурации. Механизм этого явления, которое предполагает компрес сионное разрушение белковой молекулы, пока не ясен. Воз действие очень высокого давления приводит также к повы шению термостабильности малых молекул, поскольку высо кое давление препятствует увеличению объема, обусловлен ному в этом случае разрывами химических связей. Напри мер, при атмосферном давлении мочевина быстро разруша ется при температуре 130 С, но стабильна, по крайней мере в течение часа, при 200 С и давлении 29 тыс. атм.

Молекулы, находящиеся в растворе, ведут себя совершен но иначе. Взаимодействуя с растворителем, они часто распа даются при высокой температуре. Общее название таких реакций-сольватация; если растворителем служит вода, то реакция называется гидролизом. (Реакции 1 и 2, приведенные на с. 63, являются типичными примерами гидролиза, если их проследить справа налево.) Реакция 1, представленная здесь в виде гидролиза (3), отражает тот факт, что в растворе аминокислоты находятся в виде электрически заряженных ионов.

Гидролиз-это основной процесс, вследствие которого в природе разрушаются белки, нуклеиновые кислоты и многие другие сложные биологические молекулы. Гидролиз проис ходит, например, в процессе пищеварения у животных, но он

осуществляется и вне живых систем, самопроизвольно, осо бенно при высоких температурах. Электрические поля, воз никающие при сольволитических реакциях, приводят к уменьшению объема раствора путем электрострикции, т.е. связывания соседних молекул растворителя. Поэтому сле дует ожидать, что высокое давление должно ускорять про цесс сольволиза, и опыты подтверждают это.

Поскольку мы полагаем, что жизненно важные процессы могут протекать только в растворах, отсюда следует, что высокое давление не может поднять верхний температурный предел жизни, по крайней мере в таких полярных раствори телях, как вода и аммиак. Температура около 100 С-вероят но, закономерный предел. Как мы увидим, это исключает из рассмотрения в качестве возможных мест обитания многие планеты Солнечной системы.

Атмосфера

Следующее условие, необходимое для обитаемости пла неты,-наличие атмосферы. Достаточно простые соединения легких элементов, которые, по нашим предположениям, составляют основы живой материи, как правило, летучи, т. е. в широком интервале температур находятся в газообразном состоянии. По-видимому, такие соединения обязательно вы рабатываются в процессах обмена веществ у живых организ мов, а также при тепловых и фотохимических воздействиях на мертвые организмы, которые сопровождаются выделе нием газов в атмосферу. Эти газы, наиболее простыми примерами которых на Земле являются диоксид углерода (углекислый газ), пары воды и кислород, в конце концов включаются в кругооборот веществ, который происходит в живой природе. Если бы земное тяготение не могло их удерживать, то они улетучились бы в космическое простран ство, наша планета со временем исчерпала свои "запасы" легких элементов и жизнь на ней прекратилась бы. Таким образом, если бы на каком-то космическом теле, гравита ционное поле которого недостаточно сильно, чтобы удержи вать атмосферу, возникла жизнь, она не могла бы долго существовать.

Высказывалось предположение, что жизнь может сущест вовать под поверхностью таких небесных тел, как Луна, которые имеют либо очень разреженную атмосферу, либо вообще лишены ее. Подобное предположение строится на том, что газы могут быть захвачены подповерхностным

слоем, который и становится естественной средой обитания живых организмов. Но поскольку любая среда обитания, возникшая под поверхностью планеты, лишена основного биологически важного источника энергии-Солнца, такое предположение лишь подменяет одну проблему другой. Жизнь нуждается в постоянном притоке как вещества, так и энергии, но если вещество участвует в кругообороте (этим обусловлена необходимость атмосферы), то энергия, соглас но фундаментальным законам термодинамики, ведет себя иначе. Биосфера способна функционировать, покуда снабжа ется энергией, хотя различные ее источники не равноценны. Например, Солнечная система очень богата тепловой энер гией-тепло вырабатывается в недрах многих планет, вклю чая Землю. Однако мы не знаем организмов, которые были бы способны использовать его как источник энергии для своих жизненных процессов. Чтобы использовать теплоту в качестве источника энергии, организм, вероятно, должен функционировать подобно тепловой машине, т. е. переносить теплоту из области высокой температуры (например, от цилиндра бензинового двигателя) в область низкой темпера туры (к радиатору). При таком процессе часть перенесенной теплоты переходит в работу. Но чтобы к. п. д. таких тепло вых машин был достаточно высоким, требуется высокая температура "нагревателя", а это немедленно создает огром ные трудности для живых систем, так как порождает мно жество дополнительных проблем.

Ни одной из этих проблем не создает солнечный свет. Солнце постоянный, фактически неисчерпаемый источник энергии, которая легко используется в химических процессах при любой температуре. Жизнь на нашей планете целиком зависит от солнечной энергии, поэтому естественно предпо ложить. что нигде в другом месте Солнечной системы жизнь нс могла бы развиваться без прямого или косвенного потреб ления энергии этого вида.

Не меняет существа дела и тот факт. что некоторые бактерии способны жить в темноте, используя для питания только неорганические вещества, а как единственный источ ник углерода-его диоксид. Такие организмы, называемые хемолитоавтотрофами (что в буквальном переводе значит: питающие себя неорганическими химическими веществами), получают энергию, необходимую для превращения диоксида углерода в органические вещества за счет окисления водоро да, серы или других неорганических веществ. Но эти источ ники энергии в отличие от Солнца истощаются и после

использования не могут восстанавливаться без участия сол нечной энергии. Так, водород, важный источник энергии для некоторых хемолитоавтотрофов, образуется в анаэробных условиях (например, в болотах, на дне озер или в желудоч но-кишечном тракте животных) путем разложения под действием бактерий растительно" о материала, который сам. конечно, образуется в процессе фотосинтеза. Хемолитоав тотрофы используют этот водород для получения из диокси да у1лерода метана и веществ, необходимых для жизне деятельности клетки. Метан поступает в атмосферу, где разлагается под действием солнечного света с образованием водорода и других продуктов. В атмосфере Земли водород содержится в концентрации 0,5 на миллион частей; почти весь он образовался из метана, выделяемого бактериями. Водород и метан выбрасываются в атмосферу также при извержениях вулканов, но в несравненно меньшем количест ве. Другой существенный источник атмосферного водоро да - верхние слои атмосферы, где под действием солнечною УФ-излучения пары воды разлагаются с высвобождением атомов водорода, которые улетучиваются в космическое пространство.