Глава 4. Есть ли жизнь на других планетах?

Глава 4. Есть ли жизнь на других планетах?

Тем не менее большинство планет, несомненно, обитаемы, а необитаемые со временем будут населены.

Таким образом, я могу все изложенное выше выразить в следующем общем виде: вещество, из которого состоят обитатели различных планет, в том числе животные и растения из них, вообще должно быть тем легче и тоньше… чем дальше планеты отстоят от Солнца. Совершенство мыслящих существ, быстрота их представлений… становятся тем прекраснее и совершеннее, чем дальше от Солнца находится небесное тело, на котором они обитают.

Так как степень вероятия этой зависимости настолько велика, что она близка к полной достоверности, то перед нами открывается простор для любопытных предположений, основанных на сравнении свойств обитателей различных планет.

Иммануил Кант. "Всеобщая естественная история и теория неба" [II]

В XVII–XVIII вв. люди были убеждены, что планеты Солнечной системы обитаемы. Христиан Гюйгенс (1629–1695), которого по праву можно считать одним из основателей современной астрономии, полагал, что на Меркурии, Марсе, Юпитере и Сатурне есть поля, "согреваемые добрым теплом Солнца и орошаемые плодотворными росами и ливнями". В полях, думал Гюйгенс, обитают растения и животные. В противном случае эти планеты "были бы хуже нашей Земли", что он считал абсолютно неприемлемым. Такой довод, столь странно звучащий в наши дни, основывался на развитых Коперником представлениях об окружающем мире, согласно которым Земля не занимает особого места среди планет, и Гюйгенс разделял эти взгляды. По той же причине он полагал, что на планетах должны жить разумные существа, "возможно, не в точности такие люди, как мы сами, но живые существа или какие-то иные создания, наделенные разумом". Подобное заключение казалось Гюйгенсу настолько бесспорным, что он писал: "Если я ошибаюсь в этом, то уже и не знаю, когда могу доверять своему разуму, и мне остается довольствоваться ролью жалкого судьи при истинной оценке вещей".

Хотя Гюйгенс и заблуждался в данном вопросе (оказалось, что другие планеты все же намного "хуже" Земли, по крайней мере как место существования жизни), его репутация ученого от этого не пострадала. Его гений был всеобъемлющим, а открытия в области математики, механики, астрономии и оптики заложили основы современной науки. Для нас же урок заключается в том, что, когда речь идет о проблеме существования внеземной жизни, даже самые талантливые ученые могут идти по ложному пути.

Как можно судить по эпиграфу к настоящей главе, мало что изменилось в этих представлениях и столетие спустя. Иммануил Кант не только был убежден в том, что на планетах может и должна существовать жизнь, но и верил, что уровень организации их обитателей повышается по мере удаления планеты от Солнца.

Конечно, в XVII–XVIII вв. о планетах было известно немного, а о природе жизни еще меньше. Примерно в то же время, когда Гюйгенс обосновывал возможность существования внеземной жизни, Франческо Реди доказал, что животные не способны к самозарождению, и, таким образом, сделал еще один шаг к пониманию сущности жизни. Все это происходило задолго до того, как биологи и планетологи обрели способность реально оценивать пригодность планет для жизни. Как мы узнаем из этой и следующей глав, к 1975 г., времени полета космического аппарата "Викинг", из всех планет, известных Гюйгенсу и его современникам, только Марс продолжали считать возможным местом существования внеземной жизни.

Критерии обитаемости планет

Температура и давление

Если наше предположение о том, что жизнь должна быть основана на химии углерода, правильно, то можно точно установить предельные условия для любой среды, способной поддерживать жизнь. Прежде всего температура не должна превышать предела стабильности органических молекул. Определить предельную температуру нелегко, но для нашей цели не требуется точных цифр. Поскольку температурные эффекты и величина давления взаимозависимы, их следует рассматривать в совокупности. Приняв давление равным примерно 1 атм (как на поверхности Земли), можно оценить верхний температурный предел жизни, учитывая, что многие небольшие молекулы, из которых построена генетическая система, например аминокислоты, быстро разрушаются при температуре 200–300 °C. Исходя из этого, можно заключить. что области с температурой выше 25 °C необитаемы. (Из этого, однако, не следует, что жизнь определяется только аминокислотами, мы выбрали их лишь в качестве типичных представителей малых органических молекул.) Реальный температурный предел жизни почти наверняка должен быть ниже указанного, поскольку большие молекулы со сложной трехмерной структурой, в частности белки, построенные из аминокислот, как правило, более чувствительны к нагреванию, чем небольшие молекулы. Для жизни на поверхности Земли верхний температурный предел близок к 10 °C, и некоторые виды бактерий при этих условиях могут выживать в горячих источниках. Однако подавляющее большинство организмов при такой температуре гибнет.

Может показаться странным, что верхний температурный предел жизни близок к точке кипения воды. Не обусловлено ли это совпадение именно тем обстоятельством, что жидкая вода не может существовать при температуре выше точки своего кипения (10 °C на земной поверхности), а не какими- то особыми свойствами самой живой материи?

Много лет назад Томас Д. Брок, специалист по термофильным бактериям, высказал предположение, что жизнь может быть обнаружена везде, где существует жидкая вода, независимо от ее температуры. Чтобы поднять точку кипения воды, нужно увеличить давление, как это происходит, например, в герметической кастрюле-скороварке. Усиленный подогрев заставляет воду кипеть быстрее, не меняя ее температуры. Естественные условия, в которых жидкая вода существует при температуре выше ее обычной точки кипения, обнаружены в районах подводной геотермальной активности, где перегретая вода изливается из земных недр под совместным действием атмосферного давления и давления слоя океанской воды. В 1982 г. К. О. Стеттер обнаружил на глубине до 10 м в зоне геотермальной активности бактерии, для которых оптимальная температура развития составляла 105 °C. Так как давление под водой на глубине 10 м равняется 1 атм, общее давление на этой глубине достигало 2 атм. Температура кипения воды при таком давлении равна 121 °C.

Действительно, измерения показали, что температура воды в этом месте составляла 103 °C. Следовательно, жизнь возможна и при температурах выше нормальной точки кипения воды[11].

Очевидно, бактерии, способные существовать при температурах около 10 °C, обладают "секретом", которого лишены обычные организмы. Поскольку эти термофильные формы при низких температурах растут плохо либо вообще не растут, справедливо считать, что и у обычных бактерий есть собственный "секрет". Ключевым свойством, определяющим возможность выживания при высоких температурах, является способность производить термостабильные клеточные компоненты, особенно белки, нуклеиновые кислоты и клеточные мембраны. У белков обычных организмов при температурах около 6 °C происходят быстрые и необратимые изменения структуры, или денатурация. В качестве примера можно привести свертывание при варке альбумина куриного яйца (яичного "белка"). Белки бактерий, обитающих в горячих источниках, не испытывают таких изменений до температуры 9 °C. Нуклеиновые кислоты также подвержены тепловой денатурации. Молекула ДНК при этом разделяется на две составляющие ее нити. Обычно это происходит в интервале температур 85- 100 °C в зависимости от соотношения нуклеотидов в молекуле ДНК.

При денатурации разрушается трехмерная структура белков (уникальная для каждого белка), которая необходима для выполнения таких его функций, как катализ. Эта структура поддерживается целым набором слабых химических связей, в результате действия которых линейная последовательность аминокислот, формирующая первичную структуру белковой молекулы, укладывается в особую, характерную для данного белка конформацию. Поддерживающие трехмерную структуру связи образуются между аминокислотами, расположенными в различных частях белковой молекулы. Мутации гена, в котором заложена информация о последовательности аминокислот, характерной для определенного белка, могут привести к изменению в составе аминокислот, что в свою очередь часто сказывается на его термостабильности. Это явление открывает возможности для эволюции термостабильных белков. Структура молекул, обеспечивающая термостабильность нуклеиновых кислот и клеточных мембран бактерий, обитающих в горячих источниках, по-видимому, также генетически обусловлена.

Поскольку повышение давления препятствует кипению воды при нормальной точке кипения, оно может предотвратить и некоторые повреждения биологических молекул, связанные 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. Препятствуя увеличению объема, давление предотвращает денатурацию. При гораздо более высоких величинах давления, 5000 атм и более, оно само становится причиной денатурации. Механизм этого явления, которое предполагает компрессионное разрушение белковой молекулы, пока не ясен. Воздействие очень высокого давления приводит также к повышению термостабильности малых молекул, поскольку высокое давление препятствует увеличению объема, обусловленному в этом случае разрывами химических связей. Например, при атмосферном давлении мочевина быстро разрушается при температуре 13 °C, но стабильна, по крайней мере в течение часа, при 20 °C и давлении 29 тыс. атм.

Молекулы, находящиеся в растворе, ведут себя совершенно иначе. Взаимодействуя с растворителем, они часто распадаются 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 происходит, например, в процессе пищеварения у животных, но он осуществляется и вне живых систем, самопроизвольно, особенно при высоких температурах. Электрические поля, возникающие при сольволитических реакциях, приводят к уменьшению объема раствора путем электрострикции, т. е. связывания соседних молекул растворителя. Поэтому следует ожидать, что высокое давление должно ускорять процесс 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 10 °C — вероятно, закономерный предел. Как мы увидим, это исключает из рассмотрения в качестве возможных мест обитания многие планеты Солнечной системы.

Атмосфера

Следующее условие, необходимое для обитаемости планеты, — 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 организмов, а также при тепловых и фотохимических воздействиях на мертвые организмы, которые сопровождаются выделением 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 пространство, наша планета со временем исчерпала свои "запасы" легких элементов и жизнь на ней прекратилась бы. Таким образом, если бы на каком-то космическом теле, гравитационное поле которого недостаточно сильно, чтобы удерживать атмосферу, возникла жизнь, она не могла бы долго существовать.

Высказывалось предположение, что жизнь может существовать 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, согласно фундаментальным законам термодинамики, ведет себя иначе. Биосфера способна функционировать, покуда снабжается энергией, хотя различные ее источники не равноценны. Например, Солнечная система очень богата тепловой энергией — тепло вырабатывается в недрах многих планет, включая 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 температуры (к радиатору). При таком процессе часть перенесенной теплоты переходит в работу. Но чтобы к.п.д. таких тепловых машин был достаточно высоким, требуется высокая температура "нагревателя", а это немедленно создает огромные трудности для живых систем, так как порождает множество 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 предположить, что нигде в другом месте Солнечной системы жизнь не могла бы развиваться без прямого или косвенного потребления 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 источник 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 водорода, серы или других неорганических веществ. Но эти источники энергии в отличие от Солнца истощаются и после использования не могут восстанавливаться без участия солнечной энергии. Так, водород, важный источник энергии для некоторых хемолитоавтотрофов, образуется в анаэробных условиях (например, в болотах, на дне озер или в желудочно- кишечном тракте животных) путем разложения под действием бактерий растительного материала, который сам, конечно, образуется в процессе фотосинтеза. Хемолитоавтотрофы используют этот водород для получения из диоксида углерода метана и веществ, необходимых для жизнедеятельности 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 количестве. Другой существенный источник атмосферного водорода — верхние слои атмосферы, где под действием солнечного УФ-излучения пары воды разлагаются с высвобождением атомов водорода, которые улетучиваются в космическое пространство.

Многочисленным популяциям различных животных — рыб, морских моллюсков, мидий, гигантских червей и т. д., которые, как было установлено, и обитают вблизи горячих источников, обнаруженных на глубине 2500 м в Тихом океане, иногда приписывают способность существовать независимо от солнечной энергии. Известно несколько таких зон: одна рядом с Галапагосским архипелагом, другая — на расстоянии примерно 21 к северо-западу, у берегов Мексики. В глубине океана запасы пищи заведомо скудны, и открытие в 1977 г. первой такой популяции немедленно поставило вопрос об источнике их питания. Одна возможность, по-видимому, заключается в использовании органического вещества, скапливающегося на дне океана, отбросов, образовавшихся в результате биологической активности в поверхностном слое; они переносятся в районы геотермальной активности горизонтальными течениями, возникающими вследствие вертикальных выбросов горячей воды. Движение вверх перегретой воды и вызывает образование придонных горизонтальных холодных течений, направленных к месту выброса. Предполагается, что таким путем здесь и скапливаются органические останки.

Другой источник питательных веществ стал известен после того, как выяснилось, что в воде термальных источников содержится сероводород (H₂S). Не исключено, что хемолитоавтотрофные бактерии находятся у начала цепи питания. Как показали дальнейшие исследования, хемолитоавтотрофы действительно являются главным источником органического вещества в экосистеме термальных источников. Бактерии, о которых идет речь, осуществляют следующую реакцию:

где СН₂О означает углевод или вообще любое вещество клетки.

Поскольку "топливом" для этих глубоководных сообществ служит образовавшийся в глубинах Земли сероводород, их обычно рассматривают как живые системы, способные обходиться без солнечной энергии. Однако это не совсем верно, так как кислород, используемый ими для окисления "топлива", является продуктом фотохимических превращений. На Земле имеются только два значительных источника свободного кислорода, и оба они связаны с активностью Солнца. Главный из них — это фотосинтез, протекающий в зеленых растениях (а также в некоторых бактериях):

где С₆Н₁₂O₆ — углевод глюкоза. Другим, менее существенным источником свободного кислорода является фотолиз паров воды в верхних слоях атмосферы. Если бы в геотермальном источнике удалось обнаружить микроорганизм, использующий для жизни только газы, образующиеся в глубинах Земли, то это означало бы, что открыт тип метаболизма, абсолютно не зависящий от солнечной энергии.

Следует помнить, что океан играет важную роль в жизни описанной глубоководной экосистемы, поскольку он создает окружающую среду для организмов из термальных источников, без которой они не могли бы существовать. Океан обеспечивает их не только кислородом, но и всеми нужными питательными веществами, за исключением сероводорода. Он удаляет отходы. И он же позволяет этим организмам переселяться в новые районы, что необходимо для их выживания, поскольку источники недолговечны — согласно оценкам, время их жизни не превышает 10 лет. Расстояние между отдельными термальными источниками в одном районе океана составляет 5-10 км.

Растворитель

В настоящее время принято считать, что необходимым условием жизни является также наличие растворителя того или иного типа. Многие химические реакции, протекающие в живых системах, без растворителя были бы невозможны. На Земле таким биологическим растворителем служит вода. Она представляет собой главную составляющую живых клеток и одно из самых распространенных на земной поверхности соединений. Ввиду того что образующие воду химические элементы широко распространены в космическом пространстве, вода, несомненно, — одно из наиболее часто встречающихся соединений во Вселенной. Но, несмотря на такое изобилие воды повсюду, Земля — единственная планета в Солнечной системе, имеющая на своей поверхности океан: это важный факт, к которому мы вернемся позже.

Вода обладает рядом особых и неожиданных свойств, благодаря которым она может служить биологическим растворителем — естественной средой обитания живых организмов. Этими свойствами определяется ее главная роль в стабилизации температуры Земли. К числу таких свойств относятся: высокие температуры плавления (таяния) и кипения: высокая теплоемкость; широкий диапазон температур, в пределах которого вода остается в жидком состоянии; большая диэлектрическая постоянная (что очень важно для растворителя); способность расширяться вблизи точки замерзания. Всестороннее развитие эти вопросы получили, в частности, в трудах Л.Дж. Гендерсона (1878–1942), профессора химии Гарвардского университета.

Современные исследования показали, что столь необычные свойства воды обусловлены способностью ее молекул образовывать водородные связи между собой и с другими молекулами, содержащими атомы кислорода или азота. В действительности жидкая вода состоит из агрегатов, в которых отдельные молекулы соединены вместе водородными связями. По этой причине при обсуждении вопроса о том, какие неводные растворители могли бы использоваться живыми системами в других мирах, особое внимание уделяется аммиаку (NH₃), который также образует водородные связи и по многим свойствам сходен с водой. Называются и другие вещества, способные к образованию водородных связей, в частности фтористоводородная кислота (HF) и цианистый водород (HCN). Однако последние два соединения — маловероятные кандидаты на эту роль. Фтор относится к редким элементам: на один атом фтора в наблюдаемой Вселенной приходится 10000 атомов кислорода, так что трудно представить на любой планете условия, которые благоприятствовали бы образованию океана, состоящего из HF, а не из Н₂О. Что касается цианистого водорода (HCN), составляющие его элементы в космическом пространстве встречаются в изобилии, но это соединение термодинамически недостаточно устойчиво. Поэтому маловероятно, чтобы оно могло в больших количествах когда-либо накапливаться на какой-то планете, хотя, как мы говорили раньше, HCN представляет собой важное (хотя и временное) промежуточное звено в предбиологическом синтезе органических веществ.

Аммиак состоит из довольно распространенных элементов и, хотя он менее стабилен, чем вода, все же достаточно устойчив, чтобы его можно было рассматривать как возможный биологический растворитель. При давлении в 1 атм он находится в жидком состоянии в интервале температур -78 —33 °C. Этот интервал (45°) намного уже соответствующего интервала для воды (100 °C), но он охватывает ту область температурной шкалы, где вода не может функционировать как растворитель. Рассматривая аммиак, Гендерсон указывал, что это единственное из известных соединений, которое как биологический растворитель приближается по своим свойствам к воде. Но в конце концов ученый отказался от своего утверждения по следующим причинам. Во-первых, аммиак не может накопиться в достаточном количестве на поверхности какой-либо планеты; во-вторых, в отличие от воды он не расширяется при температуре, близкой к точке замерзания (вследствие чего вся его масса может целиком остаться в твердом, замороженном состоянии), и наконец, выбор его как растворителя исключает выгоды от использования кислорода в качестве биологического реагента. Гендерсон не высказал определенного мнения о причинах, которые помешали бы аммиаку накапливаться на поверхности планет, но тем не менее он оказался прав. Аммиак разрушается УФ-излучением Солнца легче, чем вода, т. е. его молекулы расщепляются под воздействием излучения большей длины волны, несущего меньше энергии, которое широко представлено в солнечном спектре. Образующийся в этой реакции водород улетучивается с планет (за исключением самых больших) в космическое пространство, а азот остается. Вода также разрушается в атмосфере под действием солнечного излучения, но только гораздо более коротковолнового, чем то, которое разрушает аммиак, а выделяющиеся при этом кислород (О₂) и озон (О₃) образуют экран, очень эффективно защищающий Землю от убийственного УФ-излучения. Таким образом происходит самоограничение фотодеструкции атмосферных паров воды. В случае аммиака подобное явление не наблюдается.

Эти рассуждения неприменимы к планетам типа Юпитера. Поскольку водород в изобилии присутствует в атмосфере этой планеты, являясь ее постоянной составляющей, разумно предполагать наличие там аммиака. Эти предположения подтверждены спектроскопическими исследованиями Юпитера и Сатурна. Вряд ли на этих планетах имеется жидкий аммиак, но существование аммиачных облаков, состоящих из замерзших кристаллов, вполне возможно.

Рассматривая вопрос о воде в широком плане, мы не вправе априори утверждать или отрицать, что вода как биологический растворитель может быть заменена другими соединениями. При обсуждении этой проблемы нередко проявляется склонность к ее упрощению, поскольку, как правило, учитываются лишь физические свойства альтернативных растворителей. При этом приуменьшается или совсем игнорируется то обстоятельство, которое отмечал еще Гендерсон, а именно: вода служит не только растворителем, но и активным участником биохимических реакций. Элементы, из которых состоит вода, "встраиваются" в вещества живых организмов путем гидролиза или фотосинтеза у зеленых растений (см. реакцию 4). Химическая структура живого вещества, основанного на другом растворителе, как и вся биологическая среда, обязательно должны быть иными. Другими словами, замена растворителя неизбежно влечет за собой чрезвычайно глубокие последствия. Никто всерьез не пытался их себе представить. Подобная попытка вряд ли разумна, ибо она представляет собой ни больше ни меньше, как проект нового мира, а это занятие весьма сомнительное. Пока мы не в состоянии ответить даже на вопрос о возможности жизни без воды, и едва ли что-нибудь узнаем об этом, пока не обнаружим пример безводной жизни.

Итак, поскольку вода — единственное из известных нам соединений, способное действовать в качестве биологического растворителя, мы будем придерживаться взгляда, что именно на этом растворителе, по-видимому, основаны любые формы внеземной жизни, за исключением тех случаев, когда на изучаемой планете имеется другая жидкость, способная выполнять эту роль.

Мир без воздуха

Таким образом, мы приходим к выводу, что жизнь не может существовать ни на Луне, ни на большинстве спутников других планет Солнечной системы, ни на Меркурии, ни на астероидах, так как ни один из этих объектов не способен удержать значительную атмосферу. (Астероиды представляют собой множество маленьких тел — самое большое из которых имеет в диаметре около 1000 км, — вращающихся по орбитам вокруг Солнца; они образуют так называемый пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Пояс астероидов и "поставляет" многие из метеоритов, бомбардирующих Землю.)

Однако в начале 1960-х годов некоторые научные консультанты НАСА[12] не были убеждены в том, что Луна безжизненна. Полагая, что "вредные чужеродные организмы" могут находиться под лунной поверхностью, они убедили руководителей полетов в необходимости подвергнуть карантину вернувшихся из лунной экспедиции астронавтов, космический корабль и образцы грунта. Столкнувшись с противоречивыми мнениями по этому вопросу, НАСА заняло если не наиболее разумную, то во всяком случае безопасную позицию, приняв специальные меры для защиты Земли от того, что стали в дальнейшем называть "обратным загрязнением". К числу таких мер относилось создание Лаборатории по приему лунного грунта в Хьюстоне, куда доставлялись лунные образцы. Астронавты, вернувшиеся с Луны, подвергались трехнедельному карантину в целях предотвращения возможного занесения на Землю неизвестной инфекции. Кое-кто счел эти меры необходимыми и отвечающими здравому смыслу, другие восприняли это как комедию.

По мере приближения запуска корабля "Аполлон-11", который должен был впервые высадить на поверхность Луны человека, стали высказываться сомнения в необходимости карантина, поскольку он ложился дополнительным бременем на плечи астронавтов, которым и без того пришлось немало вынести. Публичное признание того, что карантинные меры могут быть ослаблены, вызвало дискуссию в масштабе всей страны. Газета "Нью-Йорк тайме", например, заняла негативную позицию, заявив на своих страницах 18 мая 1969 г., что ослабление карантина может привести к "непредсказуемым, но, вполне вероятно, гибельным последствиям". Такие специалисты, как Эдвард Андерс из Чикагского университета и Филипп Эйбельсон, редактор журнала Science, отвечая газете, указывали, что непростерилизованный материал с Луны, выброшенный в космическое пространство при ударах метеоритов о ее поверхность, попадал на Землю в течение миллиардов лет и миллионы тонн его накопились здесь. Андерс даже высказал намерение съесть пробу нестерилизованной лунной пыли, чтобы доказать ее безвредность. Джошуа Ледерберг из Станфордского университета писал, что если бы кто-нибудь из ответственных научных консультантов верил в возможность такого риска, НАСА получило бы приказ отменить программу полетов с человеком на борту. В общем, НАСА твердо придерживалось карантинных процедур только в нескольких первых полетах кораблей "Аполлона", но в дальнейшем от них отказалось.

Образцы грунта, доставленные с Луны экипажами кораблей "Аполлон", изучались более тщательно и разносторонне, большим числом специалистов разного профиля и при более высоком уровне организации научных исследований, чем какой-либо другой материал в прошлом. Для выяснения наличия в образцах живых организмов было проведено множество тестов, и все они дали отрицательные результаты. Тем же завершились попытки обнаружить в привезенных образцах грунта микроископаемые (микрофоссилии). По данным химического анализа, концентрация углерода в лунном грунте составляла 100–200 частей на миллион, причем главным образом он был обнаружен в составе неорганических соединений (например, карбидов). Есть основания полагать, что наличие углерода на лунной поверхности обусловлено действием "солнечного ветра" — потока высокоэнергетических заряженных частиц, испускаемых солнечной короной. Некоторые простые органические соединения были обнаружены в лунных образцах в ничтожно малых (следовых) количествах (порядка нескольких частей на миллион). Разумеется, предполагалось, что на Луне может присутствовать органическое вещество, занесенное метеоритами, но нельзя с уверенностью сказать, имеют ли обнаруженные "следы" органики метеоритное происхождение или они появились в результате загрязнения, вызванного ракетными выхлопами либо прикосновением рук человека уже на Земле. Поскольку невозможно с достаточной достоверностью говорить о наличии органического вещества метеоритов, можно предполагать, что органические соединения на поверхности Луны разрушены. В любом случае нет сомнений, что Луна безжизненна и, вероятно, всегда была такой.

За исключением Титана (спутника Сатурна) и, возможно, Тритона (спутника Нептуна), все спутники планет в Солнечной системе похожи на Луну в том отношении, что у них нет сколько-нибудь плотной атмосферы. Представляют интерес Ганимед и Каллисто — два спутника Юпитера, по размерам близкие к планете Меркурий, так как их низкая плотность (см. табл. 4) заставляет думать о наличии на них большого количества воды. Современные модели предполагают, что оба спутника, возможно, имеют под поверхностью океаны, а какая-то часть воды на поверхности находится в виде твердого как камень льда, при температуре -10 °C.

Теперь обратимся к объектам Солнечной системы, массы которых (а в ряде случаев и низкие температуры) достаточны, чтобы удержать атмосферу.

Таблица 4. Планеты и основные спутники Солнечной системы

Венера

Венера — ближайшая к Земле планета Солнечной системы, которая также наиболее сходна с ней по массе, размерам и плотности (табл. 4). Еще в XVIII в. было установлено, что она имеет атмосферу. Однако сплошной, сильно отражающий солнечный свет облачный покров Венеры делает ее поверхность невидимой с Земли. Этим же объясняется большая яркость Венеры (это третий по яркости объект на нашем небе), которая издавна привлекала к ней внимание наблюдателей (фото 2). Первоначально предполагалось, что облака на Венере, как и на Земле, состоят из водяных паров и, следовательно, на поверхности планеты имеется изобилие воды. Некоторые ученые представляли Венеру как планету, покрытую громадным болотом, над которым постоянно поднимаются испарения, другие предполагали, что всю ее поверхность занимает гигантский океан. В любом случае казалось, что там великолепные условия для существования жизни.

Фото 2. Изображение Венеры в УФ-диапазоне спектра, полученное космическим аппаратом "Маринер-10", позволяет выявить структуру облачного слоя. Голубой цвет создан искусственно. (НАСА и Лаборатория реактивного движения.)

Спектроскопические результаты, полученные в 1930-х годах, показали наличие в атмосфере Венеры значительного количества диоксида углерода и полное отсутствие паров воды. Однако возможность обнаружения водяных паров выше верхней границы облачного покрова выглядела сомнительной даже при наличии океана на поверхности; поэтому представление о влажной Венере не было отброшено. Высказывались и другие предположения о характере облачного покрова: от неорганической пыли до углеводородного смога. Только в 1973 г. несколько исследователей независимо друг от друга пришли к выводу, что свойства облаков Венеры лучше всего объясняются, если предположить, что они состоят из мельчайших капель концентрированной (70–80 %) серной кислоты; теперь это представление общепринято. Тем временем исследования с применением современных радио- астрономических методов и с помощью автоматических межпланетных космических аппаратов показали, что средняя температура поверхности Венеры достигает примерно 45 °C, атмосфера под облачным покровом почти целиком (на 96 %) состоит из углекислого газа, а давление у поверхности составляет 90 атм. При такой температуре на поверхности Венеры жидкая вода существовать не может.

Высокая температура Венеры обусловлена так называемым парниковым эффектом: солнечный свет, достигая поверхности, нагревает грунт и вновь излучается в виде тепла, но из-за непрозрачности атмосферы для инфракрасного (теплового) излучения тепло не может рассеиваться в космическое пространство. По некоторым соображениям, Венера могла когда-то иметь океан, который в дальнейшем испарился при разогревании планеты. Под действием солнечного ультрафиолета водяные пары в основном разрушились, водород улетучился, а оставшийся кислород окислил углерод и серу на поверхности до диоксида углерода (углекислого газа) и оксидов серы. По-видимому, то же самое случилось бы и на Земле, если бы она находилась так же близко к Солнцу, как Венера. Тот же сценарий позволяет объяснить, почему диоксид углерода на Венере находится в атмосфере, тогда как на Земле он существует главным образом в виде карбонатов, составляющих горные породы. На нашей планете диоксид углерода растворяется в океанах, осаждаясь затем в виде карбонатных минералов кальцита (известняка) и доломита; на Венере же, где океанов нет, он остается в атмосфере. Подсчитано, что если бы весь углерод на поверхности Земли и в ее коре превратился в диоксид углерода, масса этого газа оказалась бы близкой к той, которая обнаружена на Венере.

Хотя в далеком прошлом условия на Венере могли быть более благоприятными для жизни, чем сейчас, совершенно очевидно, что существование жизни там невозможно уже в течение длительного времени.

Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, часто называемые планетами-гигантами, намного больше Земли (см. табл. 4). Среди этих гигантов Юпитер и Сатурн являются супергигантами: на них приходится свыше 90 % общей массы планет Солнечной системы. Низкая плотность этих четырех небесных тел означает, что они состоят главным образом из газов и льда, а поскольку водород и гелий не в состоянии преодолеть действие их гравитационных полей, предполагается, что по своему элементному составу они должны быть больше похожи на Солнце (см. табл. 3), чем на планеты земной группы. Наблюдения Юпитера и Сатурна, проведенные с Земли и с космических аппаратов "Пионер" и "Вояджер", показали, что обе планеты действительно состоят преимущественно из водорода и гелия. Вследствие большой удаленности Уран и Нептун изучены слабо, но водород и водород- содержащий газ метан (СН₃) были обнаружены в их атмосферах с помощью спектрометрических наблюдений с Земли. Предполагается, что в их атмосферах может присутствовать и гелий, но пока его не удается обнаружить из-за отсутствия спектрометров нужной чувствительности. По этой причине сведения, изложенные в этой главе, относятся в основном к Юпитеру и Сатурну.

Многое из того, что известно о структуре планет-гигантов, основано на теоретических моделях, которые благодаря простому составу планет можно рассчитать достаточно точно. Результаты, полученные на основе моделей, говорят о том, что в центре как Юпитера, так и Сатурна находится твердое ядро (более крупное, чем земное), давление в котором достигает миллионов атмосфер, а температура 12000- 2500 °C. Такие высокие значения температуры соответствуют результатам наблюдений: они свидетельствуют, что обе планеты излучают примерно вдвое больше тепла, чем получают от Солнца. Тепло поступает к поверхности планет из внутренних областей. Поэтому температура уменьшается с удалением от ядра. У верхней границы облачного покрова, видимой "поверхности" планеты, температуры составляют -150 и -18 °C соответственно на Юпитере и Сатурне. Окружающая центральное ядро зона представляет собой толстый слой, состоящий преимущественно из металлического водорода — особой электропроводящей формы, которая образуется при очень высоких давлениях. Далее следует слой молекулярного водорода в смеси с гелием и небольшими количествами других газов. Около верхней границы водородно- гелиевой оболочки лежат слои облаков, состав которых определяется локальными значениями температуры и давления. Облака, состоящие из кристаллов водного льда, а местами, возможно, из капелек жидкой воды, образуются там, где температура приближается к 0 С. Несколько выше находятся облака гидросульфида аммония, а над ними (при температурах около -115 С) — облака, состоящие из аммиачного льда.

Структура описанной модели предполагает, что по составу Юпитер и Сатурн близки к Солнцу: содержание водорода как по объему, так и по молекулярному составу атмосферы достигает 90 % и выше. По всей видимости, в атмосферах такого типа углерод, кислород и азот присутствуют почти исключительно в составе метана, воды и аммиака соответственно. Эти газы, как и водород, были обнаружены на Юпитере, причем все, за исключением воды, в количествах, характерных для атмосфер типа солнечной. При изучении спектров атмосфер вода не обнаруживается в достаточных концентрациях — возможно, потому, что ее пары конденсируются в сравнительно глубоких атмосферных слоях. Кроме этих газов в атмосфере Юпитера зарегистрированы оксид углерода и следы простых органических молекул: этана (С₂Н₆), ацетилена (С₂Н₂) и цианистого водорода (HCN). Причина яркой окраски облаков Юпитера — красной, желтой, голубой, коричневой — пока до конца не выяснена, но как теоретические, так и лабораторные исследования приводят к заключению, что за это ответственны сера, ее соединения и, возможно, красный фосфор.

Наличие в верхних слоях атмосферы Юпитера паров воды и простых органических соединений, а также вероятность образования облаков, состоящих из капелек жидкой воды в более глубоких слоях, позволяет говорить о возможности химической эволюции на планете. На первый взгляд кажется, что в восстановительной атмосфере Юпитера следует ожидать присутствия сложных органических соединений, подобных тем, которые образуются в экспериментах, моделирующих добиологические условия на примитивной Земле (см. гл. 3), а возможно, даже характерных для этой планеты форм жизни. Действительно, еще до того, как в атмосфере Юпитера были обнаружены пары воды и органические молекулы, Карл Саган высказал предположение, что "из всех планет Солнечной системы Юпитер априори представляет наибольший интерес с точки зрения биологии".

Однако реальные условия на Юпитере не оправдали этих надежд.

Атмосфера Юпитера не способствует образованию сложных органических соединений по ряду причин. Во-первых, при высоких температурах и давлениях, характерных в основном для очень сильно восстановленной среды этой планеты, водород разрушает органические молекулы, превращая их в метан, аммиак и воду. Как указывал много лет назад Юри, умеренно восстановленные, т. е. частично окисленные, газовые смеси более благоприятны для осуществления важнейших органических синтезов, чем сильно восстановленные. Например, синтез глицина, самой простой аминокислоты, не может протекать самопроизвольно в газовой смеси, состоящей из воды, метана и аммиака, присутствующих в атмосфере Юпитера. Он невозможен без поступления свободной энергии (6). С другой стороны, без доступа энергии синтез может происходить в не столь сильно восстановленной газовой смеси, состоящей из окиси углерода, аммиака и водорода (7):

При наличии свободного водорода, что характерно для атмосфер планет, подобных Юпитеру, в соответствии с уравнением (6) реакция может идти справа налево, что означает, что глицин будет самопроизвольно превращаться в метан, воду и аммиак. Пока не было поставлено экспериментов с реальными газовыми смесями, которые позволили бы выяснить, сколько различных реакций органического синтеза может протекать в атмосфере Юпитера. Подобные эксперименты трудновыполнимы, поскольку требуют очень высоких концентраций водорода и гелия. Однако уменьшение концентрации одного из компонентов (в некоторых публикациях о результатах экспериментов по синтезу органических веществ в газовых смесях, имитирующих атмосферу Юпитера, сообщается о том, что водород вообще не использовался) ставит под сомнение ценность полученных результатов.

Юпитер и другие планеты-гиганты не имеют подходящих поверхностей, на которых могли бы накапливаться и взаимодействовать образовавшиеся в атмосфере органические продукты, а это важный фактор, который необходимо учитывать, рассматривая возможность химической эволюции. Следовательно, эволюция должна происходить в атмосфере, предположительно в облаках паров воды. Но атмосфера Юпитера не является стабильной средой, как, например, океаны на Земле. Она больше напоминает гигантскую печь, где вертикальные потоки постоянно перемещают горячие газы из нижних (внутренних) областей к периферии: там эти газы отдают свое тепло в космическое пространство, в то время как охлажденные газы перемещаются вниз, в более глубокие слои, где снова нагреваются. Наблюдаемая в облаках Юпитера турбулентность является признаком подобной конвекции (см. фото 3). Насколько интенсивно может протекать химическая эволюция в таких условиях, когда органические молекулы, образовавшиеся под действием солнечного света в верхних слоях атмосферы, перемещаются в более горячие области, где разрушаются? По-видимому, практически незаметно. Как показывают расчеты, перемещение газов, находящихся в атмосфере на уровне слоя водяных облаков, в область, где температура 20 °C, — дело нескольких дней. Следовательно, спустя короткое время органические соединения начнут разрушаться, а выделившиеся при этом углерод, азот и кислород вновь превратятся в метан, аммиак и воду.

Даже со скидкой на неточность в вычислениях ясно, что условия в атмосфере Юпитера не благоприятны для химической эволюции. Кроме того, Юпитер представляет собой не только "печь", но и, как мы видели, реакционный сосуд, а это исключает всякую возможность стабилизации органических молекул высоким давлением при тепловом воздействии. Таким образом, следует заключить, что время жизни органических соединений на Юпитере слишком мало, чтобы стал возможным какой-либо сложный органический синтез. Подобные рассуждения применимы и к Сатурну (см. фото 4); вероятно, они справедливы и для Нептуна. Уран пока представляет собой загадку, но есть все основания предполагать, что он обитаем не более, чем другие планеты-гиганты.

Титан, Тритон и Плутон

Титан, самый большой спутник Сатурна, — единственный спутник в Солнечной системе, имеющий, как известно, плотную атмосферу. Полет автоматической станции "Вояджер-1", приблизившейся в 1980 г. на расстояние около 5000 км к поверхности Титана и передавшей на Землю большое количество данных о химических и физических условиях на этом необычном космическом теле величиной с планету Меркурий, положил конец многочисленным домыслам. (Полная сводка данных и результатов исследований этого спутника многими учеными содержится в статьях Стоуна и Майнера, а также Поллака [15, 19].).