ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЕ, СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЮ ЖИЗНИ НА ПЛАНЕТАХ, ПОДОБНЫХ ЗЕМЛЕ

В марте 2009 г. на орбиту спутника Земли выведен аппарат «Кер1ег» (США), предназначенный для поиска экзопланет, обладающих комфортными для возникновения жизни условиями. «Комфортность» физических условий понимается применительно именно к нашей, амино-нуклеино-кислотной форме жизни. В качестве вероятной среды обитания приняты гипотетические планеты, аналогичные группе Земли. Планеты-гиганты (газо-жидкой природы), если не принимать всерьез некоторые фантастические гипотезы, требованиям земной биосферы не удовлетворяют. Однако таким требованиям могут отвечать спутники планет-гигантов.

В литературе обычно приводятся следующие ограничения: с одной стороны, существование жидкой воды, с другой — конденсация углекислого газа (что в подавляющем большинстве случаев не позволяет развиться парниковому эффекту). С учетом последнего, такая зона охватывает интервал планетных орбит от уровня «саморазгоняющегося» парникового эффекта (для Солнечной системы это случай Венеры), до, примерно, орбиты Марса. Оба ограничения, по существу, температурные. Коагуляция белков происходит при температурах >65 °С; следовательно в комфортных зонах температурный интервал должен быть 273<Т<340 К.

Можно напомнить, что в моих работах (Ксанфомалити, 1995, 2008; Ksanfomality, 2002) были сформулированы наиболее очевидные факторы, ограничивающие возникновение, существование и эволюцию жизни на планетах земного типа. Масса планеты или спутника накладывает дополнительные ограничения при переходе к многоклеточным формам. Это ограничения энергетического характера, зависящие от уровня гравитации. Энергетически выгодны небольшие размеры организмов, так как их энерговооруженность обратно пропорциональна примерно квадрату характерных линейных размеров. С другой стороны, достаточно сложные животные не могут быть маленькими. Но слишком крупные виды вынуждены существовать в эволюционном тупике, образуемом положительной обратной связью энергетика-масса-пища. Ограничения очевидны, и о них природа ясно говорит зоологией: животных, больших, чем синие киты и гигантские рептилии, на Земле не было.

Уровень гравитации планеты должен быть умеренным, а период вращения не слишком длительным; слишком долгая ночь приведет к глубокому падению температуры окружающей среды. По тем же причинам эксцентриситет орбиты должен быть умеренным, а наклон экватора к плоскости орбиты не слишком большим.

Эволюция жизни земного типа требует, чтобы атмосфера планеты обладала способностью отфильтровывать внешнюю жесткую радиацию. Вместе с тем, атмосфера должна пропускать к поверхности фотоны с энергией Е = 1-3 эВ, а плотность лучистой энергии должна быть достаточной, например, для поддержания фотосинтеза. Для поддержания жизни земного типа, планета, наряду с притоком лучистой энергии, должна обладать наличием других (химических) источников энергии, например, окислительной среды и окисляемых материалов.

Если исходить из гипотезы возникновения жизни в водоемах, необходимы открытые водные пространства и наличие континентов или крупных островов. В атмосфере должен присутствовать водяной пар.

Для развития жизни земного типа планета должна обладать достаточно близким и массивным спутником, который вызывает приливы и побуждает морские организмы осваивать сушу.

Планета должна обладать вулканизмом и/или тектоникой плит. В районах активного вулканизма значительно увеличивается концентрация в водных растворах веществ, необходимых для существования жизни.

История планеты должна включать эпохи интенсивного выпадения крупных метеоритов или другие космические катастрофы, которые стимулируют обновление видов и появление среди них наиболее приспособленных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Планета Земля представляет собой уникальное сочетание физических свойств, необходимых для возникновения, существования и эволюции жизни. Возможно ли подобное сочетание на планетных системах других звезд — станет ясным не раньше, чем планеты земной группы будут там реально обнаружены. Перечисленные выше требования образуют странный многомерный лабиринт, причем лишь узкие интервалы многих параметров и их сочетания могут обеспечить условия, необходимые для возникновения амино-нуклеино-кислотной формы жизни и ее эволюции в разумные формы. Анализ условий на других телах Солнечной системы показывает, что Земля действительно обладает свойствами, не повторяющимися ни на одной из других планет земной группы.

Самым действенным двигателем интернет торговли праву считается контекстная реклама, благодаря которой о предлагаемой вашим предприятием продукции узнают тысячи потенциальных покупателей. Более подробно о плюсах и минусах контекстной рекламы Вы сможете узнать, посетив сайт компании AD|LABS-Украина, который находится по адресу adlabs.com.ua.

Подледный океан Европы

Говорить о возможности существования каких-то форм жизни можно только в подледном океане Европы. Ледяная кора спутника, по разным гипотезам, может быть толщиной минимум 1 км, максимум — до дна. Несмотря на популярность всех трех моделей строения Европы (относительно тонкая, 10-30 км, ледяная оболочка; частично промерзший вглубь океан; и полностью промерзшая среда; рис. 12), модель с относительно тонкой ледяной оболочкой представляется наиболее реалистичной. Она объясняет и фрагментированные ледяные поля, и трещины, и рассеяние мощного притока энергии, возникающей в приливных взаимодействиях системы спутников Европа-Ио и Европа-Юпитер. Если глубина океана 50-60 км, давление на дне должно быть 600 кг/см².

Сильным аргументом в пользу существования океана говорит и необычное магнитное поле Европы. Напряженность поля Европы имеет переменный характер, причем магнитные полюса расположены вблизи экватора спутника и постоянно перемещаются, а изменения напряженности и ориентации магнитного поля синхронизированы с прохождением Европы через магнитное поле Юпитера (Kivelson, 1995). Это можно объяснить лишь наличием токопроводящей жидкости под поверхностью спутника: его движение в сильном магнитном поле Юпитера вызывает электрические токи в соленом океане Европы, что и создает необычное магнитное поле спутника. Если бы поле было связано с ядром спутника, оно было бы стабильным и имело бы меньшую напряженность.

Существование подповерхностного океана подтверждается также структурой крупномасштабных трещин глубиной около 1 км, имеющих глобальную протяженность. Было показано (Schenk et al., 2008), что трещины глубиной от 300 м до 1.5 км возникли при перемещении (повороте) полюсов спутника примерно на 80°, причем ледяная оболочка двигалась независимо от ядра.

Достаточно высокая температура в глубоких слоях Европы объясняется рассеянием приливной энергии в орбитальной соизмеримости со спутником Ио, и в меньшей степени -приливным воздействием Юпитера. Приливное рассеяние-мощный источник энергии; основная ее часть рассеивается в Ио, но и на Европу приходится ее существенная часть. Полный период Т повторения приливных эффектов определяется известным соотношением 1/Т_(1о)— 1/Т_(E), и составляет, благодаря соизмеримостям, почти точно орбитальный период Европы. Кроме приливных эффектов определенный вклад энергии создает процесс серпентинизации, химическое связывание воды с горными породами в верхнем слое ядра спутника. Серпентинизация увеличивает объем горных пород и выделяет тепло. Наконец, какое-то рассеяние энергии происходит и в упоминавшихся выше магнитных взаимодействиях. Во всяком случае, Европа располагает достаточными источниками энергии, чтобы поддерживать хотя бы часть своих запасов воды в жидком состоянии, подобно тому, как это происходит на других ледяных спутниках (McKay, Matson, 2008).

Рис. 12. Существующие модели строения Европы.

По составу воды ее выходы на поверхность из трещин и разломов неоднородны. По данным спектроскопии, окрашенные участки поверхности предположительно включают примеси серной кислоты, а также других сернистых и железистых веществ. Спектральный анализ линейных образований и пятен на поверхности показал наличие в них солей, в частности, сульфата магния, который содержится и в земных океанах. Обнаружены также следы перекиси водорода и сильных кислот. Таким образом, массы воды, проникающие на поверхность из разломов, неоднородны по составу. Не исключено, что подледный океан не имеет глобальной протяженности.

Возможная обитаемость подледного океана Европы

В подледном океане Европы, куда не попадает солнечный свет, где невозможен фотосинтез и отсутствует кислород, может существовать микрофлора. На Земле можно найти примеры таких экзотических экосистем. Роль гидротермальных глубоководных источников в возникновении жизни можно отнести и к Европе, где также могут присутствовать глубоководные гидротермальные источники. В гипотезе о происхождении жизни в районах глубоководных термальных источников жизнь на Земле возникла, когда химически обогащенные жидкости какими-то механизмами апвеллинга стали подниматься с нижних морских этажей. Химическую энергию могли доставлять реакции восстанавливающих газов, например, водорода или сульфида водорода, которые выделялись из придонных источников, в контакте с подходящим окислителем, например, углекислым газом.

Гипотетический океан Европы должен близко напоминать условия жизни в глубинах земных океанов, где населенность различными видами живых существ очень высока. В земных океанах их концентрация наблюдается у гидротермальных придонных океанических источников, от которых поднимается обогащенная растворенными минеральными солями горячая вода. В такой среде обитает не только микрофлора, но и достаточно крупные животные.

На Земле найдены три экосистемы, на аналогах которых могла бы базироваться жизнь на спутнике Юпитера Европе. Две системы основаны на метаногенезисе и принадлежат к древней группе бактерий Archaea, которые живут в бескислородных условиях. В глубоко залегающих вулканических породах в районе р. Колумбия (район водопадов Айдахо-Фолс) существуют две такие экосистемы, которые получают энергию от химических реакций в различных горных породах. Третья экосистема существует за счет энергии, возникающей при радиоактивном распаде горных пород. Она была найдена глубоко под поверхностью в шахтах Южной Африки, на глубине 3 км под поверхностью Земли в зоне разлома (Lin et al., 2006). Микроорганизмы здесь живут без света, без кислорода и без исходных органических веществ.

Перечисленными примерами, конечно, не исчерпываются возможности существования форм жизни на Европе. Теорий возникновения жизни на Земле много, но ни одна не объясняет, как воспроизвести зарождение земной жизни в лаборатории и насколько уместно распространять их на Европу, хотя теория «первичного бульона» и теория гидротермальных придонных океанических источников наиболее близки к тому, что нам известно о Европе.

Начиная с античности, у исследователей нет идеи, более популярной, чем поиск жизни в других мирах. Когда развитие технологии позволило осуществить полеты к другим планетам, поиск жизни (или следов жизни) на них стал рабочим разделом национальных научных программ космических исследований. В планах космических агентств уже появляются проекты исследований Европы, рассчитанные на следующее десятилетие XXI в. Исследователям предстоит преодолеть серьезные технические трудности, такие как необходимость проникнуть сквозь многокилометровую толщу льда, при температуре 80 К обладающего прочностью гранита, выполнить исследования и прислать на Землю их результаты. Многие задачи миссии к Европе сегодня кажутся практически невыполнимыми. Но работа уже ведется.

Европейское и Российское космические агентства наметили экспедицию из нескольких космических аппаратов к Юпитеру и Европе. Европейский проект намечает выведение на орбиты Юпитера и Европы двух космических аппаратов, а российский проект предполагает включение в экспедицию еще одного, спускаемого аппарата для посадки в одном из разломов на поверхности Европы. После посадки аппарат начнет поиск следов жизни в колонке полуметрового слоя льда. Проект получил название «Лаплас». Предполагается, что он войдет в программу Европейского космического агентства на период с 2015 по 2025 гг.

ЕВРОПА

Четыре планеты-гиганта Солнечной системы окружены многочисленными спутниками. Число зарегистрированных спутников превышает 100, но если рассматривать относительно крупные тела, диаметром более 1000 км, то их всего 14. Все они обладают внешними ледяными оболочками разной протяженности. Равновесные температуры на их орбитах настолько низки, а запасы тепла так ограничены, что их глубокие слои должны были перейти в твердую фазу в пределах менее 1 млрд. лет их существования. Однако имеются убедительные свидетельства того, что под ледяной оболочкой у многих из них сохраняется океан в жидкой форме. Необходимым для этого источником тепла является рассеяние энергии в приливных взаимодействиях.

Физические характеристики Европы

Второй галилеев спутник Юпитера Европа по диаметру вдвое меньше Марса, а по массе менее 1 % массы Земли (масса Марса 11 % массы Земли). Основные физические данные Европы: средняя плотность 2.97 гхсм’³, радиус тела 1569 км, масса 4.87х10²⁵ г, ускорение свободного падения 132 см/с², температура поверхности 69-100 К, альбедо поверхности 0.7-0.9, имеются следы атмосферы с плотностью <10^-9 г·см³. Период обращения вокруг Юпитера 3.551 сут., орбитальный радиус 670 900 км. Спутник находится в поясе наиболее интенсивной радиации. Вращение синхронное (Европа всегда повернута к Юпитеру одной стороной). Спутники Ио, Европа и Ганимед находятся в орбитальном резонансе — их орбитальные периоды соотносятся как 1:2:4.

Европа относится к ледяным спутникам. Предполагается, что под ледяной оболочкой, «корой», толщиной 10-30 км находится глобальный океан глубиной не менее 100 км. На его дне залегают горные породы, а в центре, возможно, находится небольшое металлическое ядро (Ксанфомалити, 1997). У Европы имеется магнитное поле необычной структуры.

Поверхность Европы покрыта сетью пересекающихся линий, представляющих собой разломы и трещины ледяной оболочки и застывшую жидкую среду, выходившую сквозь них на поверхность. Система трещин и ледяных полей (рис. 11) очень напоминает структуру ледяных полей Северного Ледовитого океана. Поверхность Европы относительно ровная, с небольшими холмами и длинными грядами и долинами. Хотя предполагается, что поверхность Европы претерпевает постоянные изменения, но сравнение космических снимков не выявило каких-либо изменений. По оценкам, возраст поверхности не превышает 30 млн. лет. Таким образом, Европа обладает высокой геологической активностью.

Рис. 11. Поверхность Европы покрыта бесчисленными разломами и трещинами в ледяной оболочке, возникающими под действием приливных сил.

Присутствие кислорода в следах атмосферы объясняется фотодиссоциацией медленно испаряющегося льда и быстрой диссипацией водорода.

Находящиеся в вашем подчинении сотрудники отлынивают от работы, занимаются непонятно чем на рабочем месте и тратят корпоративные средства на телефонные разговоры, значит пришло время установить lync server, при помощи которого Вы легко сможете наладить и упорядочить рабочий процесс и создать корпоративную сеть связи, что позволит избежать дополнительных затрат.

1.3. Узкие овраги на марсианских склонах

Перемещение больших масс грунта — по-видимому, тонких фракций песка по склону, происходящее в современную эпоху — доказывает и прекрасно иллюстрирует рис. 8, где в нижней части снимка видны размытые валы осыпавшегося материала. Ширина участка на снимке около 3 км. Валы сыпучего материала огибают остатки прежнего рельефа, оставляя обнаженный склон. Такие же осыпи можно видеть и в других районах Марса; они известны со времен миссии «Viking» (1976 г.).

Рис. 7. Термодинамические условия существования льда, пара и воды на Марсе. Кружок в центре соответствует давлению 6.1 мб. Условия существования воды в жидком виде на поверхности Марса отражает небольшая центральная часть диаграммы с горизонтальной штриховкой. Структура диаграммы, соотношение шкал давления/глубины и среднегодовые температуры для широт 30° и 70° по: (Stewart, Nimmo, 2002).

Рис. 8. Осыпи грунта и нитевидные овраги (показаны стрелками) на склоне кратера на Марсе (424°S, 158.2°W). Овраги похожи на следы земных горных рек, но в отличие от земных оврагов, они не расширяются, а сужаются вниз по склону (MGS МОС Release No. МОС2-320, NASA/JPL/MSSS).

Но наряду с осыпями сыпучего материала, на рис. 8 можно видеть не отмечавшиеся прежде (из-за недостаточного разрешения) образования. Это тонкие нитевидные километровые овраги или борозды, спускающиеся по склону (показаны стрелками на рис. 8). Их ширина в узкой части составляет всего десятки и единицы метров. Овраги очень похожи на промоины земных горных рек или ручьев, но в отличие от земных оврагов, они не расширяются, а сужаются вниз по склону. Поэтому они не могли возникнуть под действием камнепада или крупномасштабного селя. Тем более они не могли образоваться под действием пылевых оползней, которые засыпают все овраги. Зато именно жидкие потоки (воды или какой-то другой жидкости) легко могли бы образовать такие промоины. В работах (Maiin, Carr, 1999; Malin, Edgett, 2000) указывается именно на источники грунтовой воды как среды, формирующей овраги, промоины и другие образования такого рода на Марсе. По их данным, узкие овраги или протоки достаточно часто встречаются в полосе широт 30°N-70°S. Они морфологически подобны склоновым руслам земных рек и не перекрываются более поздними образованиями (такими как песчаные дюны). Ширина (и, вероятно, глубина) оврагов близка к 10-20 м, а протяженность составляет от нескольких сотен метров до километров (Malin, Edgett, 2000). Авторы еще одной работы на ту же тему (Palermo et al., 2001) обработали сотни снимков камеры МОС и также получили доказательства современных следов грунтовых вод. Их источники, согласно обеим работам (Malin, Edgett, 2000; Palermo et al., 2001), находятся на крутых склонах долин и кратеров, на глубине 150-500 м под уровнем окружающей поверхности. Но по данным второй работы (Palermo et al., 2001) широта районов, где в основном сосредоточены источники, лежит в пределах от 30°S до 30°N.

Рис. 9. Склон кратера с протоками на Марсе (39°S, I66°W). В правой нижней части снимка бассейн шириной около 600 м (MGS МОС Release No. МОС2-320, NASA/JPL/MSSS)

На рис. 9 представлен другой район с подобными оврагами. Их ширина от единиц метров до 10-20 м. Они также не расширяются, а сужаются вниз по склону. На первый взгляд, это кажется парадоксальным, если овраг образован потоком. Но можно предложить простое объяснение: если грунтовая вода действительно образовала ключ и поток вышел на склон и устремился вниз, то в условиях Марса масштаб развивающейся промоины будет зависеть, прежде всего, от температуры поверхности и температуры потока.

Описываемые Э. Палермо и др. (Palermo et al., 2001) объекты обнаружены, в основном, в полосе широт ± 20-30°. Если температура поверхностного слоя составляет типичные для экваториальной зоны Марса 240-260 К или ниже, поток, спускаясь по склону, должен постепенно впитываться в сухой морозный грунт и замерзать. Образуется ложе канала из промерзшего грунта, по которому поток устремляется дальше, впитываясь, наращивая промерзшее ложе и охлаждаясь. Поэтому, в отличие от земных склоновых рек, потоки на Марсе сужаются, спускаясь по склону. При переходе воды с температурой 0 °С в фазу льда выделяется почти 80 ккал/кг. Теплоемкость грунта близка к 0.2, поэтому промерзшее ложе потока может получиться достаточно толстым, если ключ существует достаточно долго. Как ведет себя грунт Марса при увлажнении и сколько при этом поглощается тепла, точно не известно, но баланс отдаваемого тепла должен включать текущие теплопотери в образующемся ледяном ложе канала и более медленные процессы излучения и отдачи тепла в атмосферу. Температура истекающей воды также неизвестна, но она не может быть высокой, и, как показано выше, энтальпия воды не играет существенной роли.

Часто утверждается, что жидкая вода на поверхности Марса немедленно испаряется. Это недоразумение. Роль испарения пренебрежимо мала и ее нетрудно оценить. Пусть давление р в данном районе составляет 8 мб, а температура кипения Т(р) = 4 °С, согласно рис. 7. При температуре T_L потока, например, 10 °С, истекающая вода должна кипеть, с уменьшением ее энтальпии. Какая-то доля потока будет потеряна при испарении с понижением его температуры до Т_s(р) = 4 °С (или до 0 °С при давлении 6.1 мб) и с прекращением кипения. Поскольку теплота парообразования составляет q = 539 ккал/кг, а теплоемкость с_aq = 1 ккал/(кг °С),

N =[T_L-T_s(p)]c_aq/q_v.

Роль испарения в этом примере сведется к тому, что потерянная часть N составит 1.1 %. Таким образом, сколько-нибудь значительная часть истекающей воды испариться не может.

Рис. 9 представляет склон кратера, богатого склоновыми протоками. В нижней части снимка находится изрезанной формы бассейн. Внешняя граница бассейна выделяется светлой окантовкой. Вероятно, это ледяная кромка. Поверхность бассейна, по сравнению с примыкающей поверхностью, гладкая; возможно, это лед. В верхней (по снимку) части бассейна видны два-три следа, соответствующие многократному понижению уровня поверхности. Сток воды через края бассейна образовал второй, внешний контур (в нижней части снимка). Два таких же, но меньших по размерам контура можно видеть в левой части снимка. Источников жидкой фазы, пополняющих бассейн, на снимке видно несколько. Вероятно, главный источник находится справа над бассейном. Это вытянутое образование с шестью на-правлеными вниз отростками. По-видимому, вода стекает вдоль отростков. Более мелкие структуры того же вида видны слева над бассейном и, вероятно, связаны с наиболее широким протоком вдоль склона. Форма промоин на рис. 9, соответствующая крутому склону, указывает, что поток должен нести с собой значительное количество грунта. Горизонтальная ось снимка около 1500 м. Размер бассейна около 600 и, а площадь около 0.3 км².

Рис. 10. Протяженность следа потока на склоне Марса (см. рис. 9) достигает 6 км. Для земных грунтов потемнение соответствует увлажнению. Предположительно, темный след относится к более позднему источнику (MGS МОС M0807686b. NASA/JPL/MSSS).

Никакие песчаные запруды на Марсе не смогли бы удержать большие массы воды, даже с учетом втрое более низкой силы тяжести на планете. Но если грунт очень холодный, поступающая вода, впитываясь в морозный грунт, могла бы быстро создать чаши изо льда и промерзшего грунта, обладающие определенной прочностью. По существу, это тот же предложенный выше механизм, который объясняет сужение протоков вдоль склона.

Возраст образований на рис. 9 не может быть большим. Вполне вероятно, что комплекс источников и бассейн действуют в наши дни. На это указывает чистая (без отложений пыли), насколько можно судить по снимку, кромка бассейна, примыкающий к нему второй контур и четкие нитевидные протоки на склонах. В ряде случаев наблюдаются следы потоков, уходящие на несколько километров, а также повторно появляющиеся свежие следы, пересекающие прежние истечения (рис. 10). Подобных образований найдено много (Ксанфомалити, 2003). Жидкая вода локально появляется во многих точках планеты, спорадически или даже периодически, хотя в целом бюджет жидкой воды на Марсе весьма ограничен.

1.4. Поиск следов жизни на Марсе: заключение

Итак, длительные поиски обитаемости Марса положительных результатов пока не дали. На какой-то стадии исследований утверждалось, что важным шагом было бы обнаружение на Марсе воды в жидкой фазе. Но и после этого задача осталась столь же далекой от разрешения, а никаких следов жизни найти не удается.

Это следует считать удивительным, так как в последние десятилетия было доказано, что планеты постоянно обмениваются осколочным материалом (Melosh, 1984), образующимся при ударах крупных метеоритов. Результаты поиска следов жизни в марсианских SNC метеоритах широко известны (McKay et al., 1996). Материал с поверхности Земли в эпоху интенсивной метеоритной бомбардировки также выбрасывался в космос в виде вторичных метеоритов и нес в себе элементы земной биосферы. Поэтому метеориты, подобные марсианским SNC, попадали не только с Марса на Землю, но и с Земли на Марс. Если учесть, что присутствие микроорганизмов на земных образцах неизбежно, а на Марсе следы их не находят, уместен вопрос: не обладает ли Земля каким-то исключительным свойством, которое нас окружает, но которого мы не замечаем?

Вода в жидкой фазе на поверхности Марса

После первых измерений с аппаратов «Viking» возникла и стала быстро развиваться идея о том, что водные запасы Марса сконцентрированы в подпочвенной мерзлоте (и полярных шапках) планеты (Soderblom, Wenner, 1978; Carr, 1979, 1981, 1996; Squires et al., 1992; Clifford, 1993). Часто утверждается, что жидкая вода, необходимая для жизни и метаболизма, не может существовать на поверхности Марса и никогда там не появляется (Hecht, Vasavada, 2006). Присутствие жидкой воды на поверхности многие авторы считают исключенным не только из-за низких средних температур на Марсе (Т≈220 К), но и по причинам, определяемым термодинамическими свойствами системы [лед-вода-водяной пар]: при давлении 6.1 мб и ниже, вода кипит при любой температуре, допускающей ее жидкое состояние. Разумеется, парциальное давление водяного пара (p_aq = n_aq кТ), из-за малого отношения смеси, составляет ничтожную долю давления атмосферы Марса, состоящей почти полностью из углекислого газа. Сама величина 6.1 мб, принятая для «средней» поверхности планеты, соответствует тройной точке диаграммы состояния воды [лед-вода-водяной пар] при 0.01 °С, и была выбрана как удобная абстракция для среднего давления у референтной эквипотенциальной поверхности.

Данная тема активно обсуждалась в печати. Мной указывалось (Ксанфомалити, 2003): реальные значения давления атмосферы у поверхности Марса, с его большими перепадами высот z, лежат в широких пределах, как это следует из барометрической формулы:

где H(z) — шкала высот атмосферы, H(z) = kT/mg (здесь к — постоянная Больцмана, m — средняя молекулярная масса и g — ускорение свободного падения на уровне 6.1 мб). Из формулы следует, что давление составляет 0.6 мб на вершинах неактивных вулканов области Фарсида (высота до z=24 км относительно уровня 6.1 мб), 9 мб в глубоких частях каньона Кондор (z=- 4 км) и 10 мб на дне впадины Эллада. Таким образом, своеобразный «запрет по давлению», т. е. широко распространенное мнение о том, что вода вообще не может существовать в жидком виде на поверхности Марса, неверен. Запрет не носит абсолютного характера, поэтому определенные образования на поверхности планеты могут иметь природу, связанную с водой. (Другое дело, что бюджет жидкой воды на Марсе весьма ограничен). На рис. 7 показаны области существования льда, пара и воды на Марсе. Небольшая центральная часть диаграммы с горизонтальной штриховкой указывает на зону возможного существования воды в жидком виде на поверхности Марса.

На сайте www.nafutbolke.com Вы найдете яркие и креативные футболки с прикольными рисунками, которые не позволят Вам слиться с серой толпой унылых обывателей.

ОТ МАРСА К ЕВРОПЕ: ПОИСК БИОСФЕРЫ НА СПУТНИКАХ ПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ    

© 2009 г. Л.В. Ксанфомалити

Институт космических исследований РАИ ksanf@iki.rssi.ru

Почти 50 лет длятся исследования планеты Марс с помощью космических аппаратов. К главным задачам исследований относится поиск признаков возможного существования на планете жизни. В предлагаемой статье рассматриваются некоторые результаты экспедиций к Марсу и научные задачи будущих исследований Европы, одного из четырех галилеевых спутников Юпитера, возможная обитаемость которой также обсуждается в новых проектах. Физические условия на Марсе и Европе сравниваются с условиями на Земле.

1. МАРС

Среди кандидатов на обитаемость планет земной группы на первом месте всегда оставался Марс, благодаря некоторому сходству физических условий и относительной близости планеты к Земле. Марс — удобный объект для астрономических наблюдений, при которых легко различаются крупные детали его поверхности. Так, существование полярных шапок Марса отмечал еще В. Гершель в XVI11 в. В конце XIX в. П. Ловелл сообщил о своем открытии «каналов» на Марсе и вероятном существовании обитателей планеты, что вызвало небывалый интерес общественности. В 1897 г. в русском переводе вышла книга французского популяризатора науки К. Фламмариона «Живописная астрономия». В главе, посвященной планете Марс, говорилось: «Человеческий мир Марса, вероятно, значительно опередил нас во всем и достиг большого совершенства… они построили города и научились всяким искусствам». Работы Ловелла немало способствовали огромному интересу публики к Марсу. Вскоре было показано, что результаты Ловелла связаны с оптической иллюзией. Но, несмотря на это, гипотеза обитаемости Марса сохранилась надолго.

1.1. Результаты экспериментов на Марсе

В последней трети XX в. и в первом десятилетии XXI в. к Марсу были отправлены многочисленные экспедиции автоматов, главной задачей которых был поиск признаков жизни. Сегодня, спустя 44 года после первых снимков Марса, сделанных с космического аппарата, единственным полученным ответом остается «признаков жизни не обнаружено», хотя оптимисты продолжают предлагать все новые места и новые методы поисков. Сами методы становятся более изощренными и вместо поиска жизни обращаются к поиску следов жизни, возможно, давно исчезнувшей. Отметим наиболее существенные результаты проведенных экспериментов.

Два аппарата «Викинг» («Viking». США), опустившиеся на поверхность Марса в 1976 г.. доставили туда великолепные биохимические лаборатории, ориентированные на поиск признаков метаболизма микроорганизмов, подобных земным. Несмотря на то, что жизнь амино-нуклеино-кислотного (земного) типа в экспериментах на «Викингах» на Марсе найти не удалось (Klein et al., 1992), полученные результаты стали основой для последующих миссий. Эксперименты в биолабораториях аппаратов «Викинг», направленные на поиск микроорганизмов на Марсе, должны были ответить на три вопроса:

1. Есть ли процессы усвоения углекислого газа на свету (фотосинтез);

2. Обнаруживается ли метаболизм микроорганизмов (обмен веществ);

3. Происходит ли газообмен с атмосферой.

Вероятность обнаружения микроорганизмов, аналогичных земным, оценивалась в 40 %. Результаты были неоднозначными и, скорее всего, отражали сложный химизм грунта Марса, активируемого солнечной ультрафиолетовой радиацией. Только эксперимент с меченым газообменом дал результаты, которые можно было бы считать частично положительными. При первом обогащении грунта водой и питательным веществами с меченым углеродом ¹⁴С было зарегистрировано выделение меченого углекислого газа ¹⁴СО₂. Но при новом эксперименте эффект не повторился. Более однозначными и решающими оказались результаты пиролитического эксперимента, где проба грунта постепенно разогревалась до высокой температуры, а отходившие газовые продукты анализировались масс-спектрометром и газовым хроматографом. Любая известная форма жизни (или ее следы) при пиролизе выделяет органические летучие вещества. Исследовались образцы, взятые с глубины грунта от 4 до 6 см. Чувствительность приборов к органическим составляющим достигала 10^-10. Для сравнения с экспериментом, авторы указывали, что при анализе 0.1 г антарктического (земного) грунта обнаруживалось более 20 органических соединений.

Рис. 1. Поверхность Марса в районе долины Арес.

Рис. 2. В миссии «Mars Exploration Rover» самоходные аппараты искали следы древних водоемов на поверхности Марса. Кратер Бигль на пути аппарата «Opportunity».

Однако никаких органических соединений в эксперименте обнаружено не было. В целом, по итогам трех экспериментов по метаболизму и эксперимента по пиролизу результаты поиска микроорганизмов были признаны отрицательными.

Позже в литературе высказывалась мысль, что этот отрицательный результат нельзя относить ко всей планете, что он может быть локальным. Г. Левин, один из авторов экспериментов на «Викингах», полагал, что его результаты все же говорят в пользу жизни на Марсе (Kein et al., 1976). Однако эти результаты широко обсуждались специалистами, которые считают, что суперокислители, содержащиеся в грунте Марса, могли дать такой эффект без метаболизма каких-либо микроорганизмов.

Давление углекислотной атмосферы Марса у поверхности примерно в 150 раз меньше земного. Такая атмосфера и отсутствие магнитного поля не в состоянии защитить поверхность планеты от радиации. Несильное магнитное поле Марса исчезло около 4 млрд. лет назад. Расчеты показывают, что радиация проникает в грунт и стерилизует его на большую глубину, вплоть до нескольких метров.

С другой стороны, если бы на Марсе жизнь однажды все же возникла, уничтожить ее было бы очень непросто. Жизнь не только приспосабливается к окружающей среде, но и приспосабливает ее к себе. Поэтому многие высказывают мнение, что возникшая когда-то жизнь на Марсе могла бы исчезнуть лишь под действием каких-то совершенно катастрофических обстоятельств. Поэтому, если бы она сейчас существовала, ее было бы трудно не обнаружить.

Дальнейшие эксперименты, проведенные в последние десятилетия, были не столь прямолинейными и касались, главным образом, физико-химических свойств грунта. В 1997 г. в районе долины Арес совершил посадку аппарат «Pathfinder», включавший подвижный модуль, который мог передвигаться по поверхности, удаляясь примерно на 10 м от посадочного аппарата.

Рис. 3. Мелкие глобулы (конкреции) образовались в соленой воде древнего водоема на Марсе. Район посадки аппарата «Opportunity».

Выбор места посадки был связан с тем, что поиск следов жизни целесообразно вести в районах, где присутствуют следы потоков воды. Долина Арес была широкой рекой или водоемом около 2 млрд. лет назад. Современный вид поверхности в месте посадки показан на рис. I. Песок, пыль и камни разных размеров повторяют вид поверхности в районах посадки «Викингов», но крупномасштабные детали указывают на следы мощных потоков и даже острова, существовавшие в ту эпоху. Аппарат исследовал химический состав камней. Никаких выводов о существовании древних форм жизни сделано не было (Lakdawalla, 2008).

После аппаратов «Викинг» прямых поисков жизни больше не проводилось. Миссия НАСА в 2004 г. «Mars Exploration Rovers» была посвящена другой проблеме: существовали ли обширные водоемы или океаны на поверхности Марс в далеком прошлом. Многие специалисты считали, что сами очертания рельефа ясно указывают на древние берега таких океанов, но другие предлагали иные объяснения, как ветровую эрозию или что-либо другое. В ходе миссии были обнаружены овраги со следами недавних потоков (Malin, Edgett, 2000). Два самоходных аппарата (ровера), названные «Opportunity» и «Spirit», опустились на поверхность Марса и начали длительную работу в 2004 г., путешествуя на значительные расстояния и передавая изображения поверхности (рис. 2) и сведения о проведенных исследованиях (Kerr, 2006). Роверы проработали уже 5 лет; они представили, в частности, достаточно убедительные доказательства того, что в ранние эпохи своей истории на Марсе действительно существовали обширные водоемы. Аппараты нашли минерал гематит, который формируется в присутствии воды. Поверхность в районе работы «Opportunity» включает множество мелких круглых зерен (глобул) размерами менее сантиметра (рис. 3), которые напоминают конкреции на дне земных океанов и однозначно указывают на некогда существовавший здесь большой водоем или даже океан. При необходимости аппараты могли специальным инструментом срезать участок камня (круг на рис. 3) и провести его химический анализ.

Подробное исследование свойств грунта показало, что вода в древних водоемах содержала много растворенных солей. Было высказано предположение, что, как было установлено ровером «Opportunity», высокие концентрации растворенных веществ во влажной среде раннего Марса, вероятно, исключали возникновение и эволюцию любых микроорганизмов. Как известно, высокая концентрация растворенных солей может использоваться как консервант.

Аппарат «Phoenix» (США, 2008 г.) проводил исследования в полярном районе Марса. Исследовался реголит на небольшой глубине, в частности, исследовались типы и концентрация антиоксидантов. Километровые слои льда воды и пыли образуют северную полярную шапку Марса (рис. 4), на границе которой опустился аппарат. В отличие от южной полярной шапки, примесей льда СО, здесь практически нет. При посадке аппарата струя газа из тормозного двигателя сдула тонкий слой пыли. Под ним находилась значительная масса льда. В числе экспериментов было микроскопирование, но подробности исследований не сообщались. Было установлено содержание в грунте перхлоратов, которые, наряду с высокой соленостью влаги в грунте, также могут быть серьезной помехой для возникновения и развития жизни (Johnson, 2008).

Считается, что возникновение земной жизни связано с обширными водоемами. Орбитальный аппарат «Mars Express» Европейского космического агентства вышел на орбиту спутника Марса в 2003 г. Спутник оснащен камерами высокого разрешения, что позволяет видеть на поверхности образования 10-метровых размеров. В частности, камеры даже зарегистрировали положение на Марсе аппаратов, доставленных туда в прошлые годы.

Аппаратом «Mars Express» проводилось минералогическое картирование значительной части планеты (Fletcher, 2008), и, при существенном разнообразии минерального состава, карбонаты (соли угольной кислоты), широко распространенные на Земле, все же найдены не были. Это важный результат, поскольку на нашей планете именно в их залежах сосредоточено основное количество углерода. Более того, аппарат «Mars Express» не подтверждает больших запасов углекислого газа (например, в конденсированном виде), достаточных для существенных изменений массы атмосферы планеты, и соответственно, преобразования климата планеты благодаря парниковому эффекту.

Рис. 4. Северная полярная шапка Марса образована толстыми слоями льда воды и пыли. Аппарат «Phoenix» исследовал физико-химические свойства грунта в полярном районе.

Рис. 5. Аппарат «Mars Express» передал изображение обширной равнины, которая могла быть ледяной поверхностью древнего океана. Пыль, покрывающая всю поверхность планеты, придает ей типичный красноватый цвет.

Этот результат остается в противоречии с постоянно упоминаемой в литературе гипотезе о теплой эпохе раннего Марса, когда возникновение жизни, как предполагается, было возможно.

Астрогеология подразделяет историю Марса на три эпохи: нойскую, гесперийскую и амазонскую, продолжающуюся в наши дни. Нойская соответствует насыщенному рельефу (пик образования 3.8-3.9 млрд. лет назад, тяжелая метеоритная бомбардировка, 700 млн. лет после образования Марса и вообще всей Солнечной системы). Гесперийская эпоха характеризуется невысокой плотностью метеоритной бомбардировки. Ее завершение очень осторожно можно датировать 2-3 млрд. лет назад. Амазонская эпоха — это низкая плотность метеоритных кратеров, разительные отличия южного и северного полушарий и формирование современного климата Марса (Head et al., 1999).

На одном из снимков аппарата «Mars Express» видна обширная гладкая равнина с немногочисленными метеоритными кратерами (рис. 5), что указывает на сравнительно позднее ее появление. Верхний окрашенный слой это, конечно, пыль. Но под ней просматриваются плоские блоки протяженностью в десятки и даже в сотню километров. Из сравнения с видом ледовых полей Арктики авторы сделали вывод, что это — поверхность замерзшего моря или небольшого океана, возникших, все же, в эпоху более мягкого климата Марса, вероятно, в начале амазонской эпохи. Если эти результаты подтвердятся, а условия для возникновения жизни на Марсе действительно существовали, то именно такие водоемы могли быть обитаемыми, хотя бы на уровне микроорганизмов.

Обнаруженное аппаратом «Mars Express» ничтожное количество метана в атмосфере Марса (около 10 ppb) могло бы свидетельствовать о наличии жизни на планете. Дело в том, что метан в атмосфере непрерывно разрушается за счет фотодиссоциации. Поэтому его запасы в марсианской атмосфере должны непрерывно пополняться, либо в результате жизнедеятельности микроорганизмов, либо в процессах геологической активности, например, в реакциях серпентинизации.

Для поддержания концентрации 10 ppb в атмосфере на Марсе должен присутствовать источник мощностью около 3*10^x г метана в год. Таким источником могла бы быть тектоническая деятельность, остаточный вулканизм, геотермальная активность.

Рис. 6. Странные отверстия площадью в тысячи квадратных метров обнаружены на древних вулканических склонах Марса в районе Фарсида.

Как известно, большая масса земных микроорганизмов обитает в глубоких слоях грунта. Высказывалось предположение, что такой же может быть среда обитания жизни на Марсе. В этой связи большой интерес вызвало открытие в 2006-2007 гг. странных образований на склонах древних вулканических конусов в районе Фарсида. Район Фарсида, характеризующийся огромной массой вулканических выбросов, возник, по-видимому, в амазонскую эпоху. Высота вулканических конусов превышает 20 км. На их склонах обнаружены загадочные отверстия (рис. 6) диаметром несколько сотен метров, неустановленной глубины. Тепловое излучение из отверстий (исходящее, по-видимому, от их дна) соответствует усредненному суточному излучению окружающей поверхности. Появившиеся в околонаучной литературе сообщения о «теплой среде» на дне полостей и их возможной связи с обитаемостью Марса были вскоре опровергнуты. Происхождение полостей остается неизвестным. Не исключено, что это результат вытаивания или испарения грунтовых льдов.

Дискуссия

по пленарному докладу А.С. Спирина «ДРЕВНИЙ МИР РНК»

Председательствующий А.Ю. Розанов

А.Д. Альтштейн: Как Вы решаете проблему хиральности?

А.С.С.: Не решаю. Обратите внимание, я не рассматриваю вопрос абиогенного синтеза мономеров, а хиральность — это проблема того времени. Хиральность относится к мономерам, к полимерам она имеет отношение уже с точки зрения закрученности спирали вправо или влево.

И.Л. Доврецов: Гипотеза «пересыхающих луж» — эти условия могли перемежаться с другими, где все бурлило и кипело.

А.С.С.: Важно, чтобы в каждой «луже» происходили циклы.

Н.Л. Доврецов: Может рассматриваться подземное происхождение жизни или на дне океана (черные курильщики).

А.С.С.: Мне больше всего нравятся промежуточные варианты. В любом случае, поверхность имеет одно колоссальное преимущество — разнос материала. Инновации в одной «луже» быстро становятся достоянием другой «лужи». Молекулы при высыхании еще и в атмосфере переносятся. Но в принципе, возможны некие подземные инкубаторы, с более стабильной температурой, отсутствием смены дня и ночи.

Г.А. Заварзин: У меня экологические замечания. Я боюсь, что Александр Сергеевич не делает различий между лужей и прудом. Пруд образуется за счет латерального переноса влаги, а лужа имеет дождевое происхождение, в результате в луже всегда создаются ультрапресные омбротрофные условия, где соответствующих ионных условий быть не может. Альтернативой для Вас является почвенный раствор, который как раз составляет переменную влажность и высыхание. Слово «почвы» я использую в смысле «soil».

А.С.С.: Дело в том, что для того, чтобы происходил SELEX, ионные условия не столь уж критичны. По отношению к ионным условиям РНК довольно нетребовательна, была бы матрица, это ведь не микроорганизмы. Да, рН должен быть 7, плюс-минус 0.2-0.3. Ионы же. особенно анионы, не так важны, а общая ионная сила может быть от 0.01 до 0.5.

Г.А. Заварзин: Когда Вы говорите, что нужна высокая скорость размножения рибозимов, я в этом не уверен и думаю, что, может быть, выживание важнее скорости размножения.

А.С.С.: Я сказал не о скорости размножения, я сказал о скорости эволюции. А скорость эволюции зависит от количества циклов.

М.Я. Маров: Мое замечание касается известного геохимического и связанного с ним водного парадокса. Расцвет мира РНК происходит сразу после завершения максимальной фазы бомбардировки Земли и других планет земной группы. Уже в протопланетном диске, в горячей зоне формирования этих планет при температуре 800-1000 К, с неизбежностью возникает сильное фракционирование летучих и обеднение летучими, включая вероятный дефицит воды. Соответственно, возникает парадокс происхождения земной атмосферы и гидросферы. В Институте Келдыша нами была развита концепция возможного притока значительного объема летучих за счет миграции ледяных тел типа комет из внешних областей Солнечной системы, прежде всего, из пояса Койпера. Компьютерное моделирование показало, что количество воды, которое может быть приобретено за счет этого механизма, соизмеримо с объемом земной гидросферы, или даже немного превышает его. Практически те же оценки получаются для Венеры и Марса. Поэтому мне очень симпатично Ваше предположение о том, что должен быть какой-то внешний источник, который мог компенсировать дефицит летучих. Получается вполне естественное объяснение — существовал некий привнесенный извне водный резервуар, который был составляющим элементом гетерогенной аккреции Земли на завершающей стадии аккумуляции и, возможно, ее предбиологической эволюции.

СВ. Рожнов: Все-таки, мир РНК был миром живых существ или миром, обогащенным особым типом химических соединений?

А.С.С.: А Вы можете дать мне определение жизни?

А.Ю. Розанов (председательствующий): Нет, этим сейчас не нужно заниматься…

А.С.С: Но задан вопрос, ответ на который зависит от этого определения,

СВ. Рожнов: Можно подойти с другой точки зрения. Когда появилась эукариотная биосфера, она не заместила собой прокариотную, а наложилась на нее. А прокариотная биосфера еще раньше наложилась на мир РНК?

A. С.С.: Наложилась полностью. Мир РНК живет в нас, он стал внутриклеточным. Подавляющая часть разновидностей РНК — некодирующие, с неизвестными нам функциями. Теперь мир РНК действительно в тепличной обстановке существует в каждой нашей клетке.

B. PI. Снытников: Вы сказали, что для того, чтобы провести синтезы, не нужно много времени, все это проходит в течение суток. И все-таки Вы затребовали 100 миллионов лет на эти синтезы. Как соотносятся скорость этих реакций и эти 100 миллионов лет?

А.С.С.: Для того, чтобы перейти от колонии РНК к клетке, нужно очень много чего еще сделать, проэволюционировать. РНК копируется быстро — из одной молекулы за один час создается 10¹² копий. Но нужно сформировать структуры, мембрану — нужна клетка. Четыре миллиарда лет назад мы встречаем уже бактериальные клетки.

А.Ю. Розанов: А какая разница — 100 лет или 100 миллионов лет?

А.С.С: 100 лет недостаточно.

Н.Л. Доврецов: Чтобы создать мембрану, нужны миллионы лет.

А.Ю. Розанов: Но какой-нибудь критерий измерения времени можно предложить?

Н.Л. Доврецов: Можно только сказать, что многократно больше, чем первичный синтез и отбор.

А.Б. Макалкин: Увеличение амплитуды колебаний температуры замедлит процесс синтеза? Почему интервал от 20 до 40 °С, а не от 0 до 50?

А.С.С: При 50 °С сильно (на порядок) увеличивается скорость деградации полирибонуклеотидов. При низких температурах реакции сильно замедлятся. При 20 °С замораживается плавление спиралей РНК.

Л.В. Ксанфомалити: Следует ли думать что-нибудь о другой, неуглеродной форме жизни?

А.С.С: Раньше этот вопрос много обсуждался, в основном по поводу кремния. Но пока мы ничего об этом не знаем, как можно это обсуждать. Есть факт — углеродная жизнь. Если найдется другая форма, будем спекулировать.

АД. Альтштейн: С моей точки зрения, мир РНК никогда не существовал, это идея, ведущая в тупик. Самый главный момент в происхождении жизни — это не образование различных олигонуклеотидов и полинуклеотидов, самое главное, чтобы образовался ген — кодирующий, самовоспроизводящийся и способный эволюционировать. Такой ген — это один полинуклеотид с одной полимеразой, которая должна быть процессивной. Сейчас показано экспериментами по РНКзимам, что действительно возникают полимеразы, но все они дистрибутивные, это значит, что для того, чтобы они осуществили синтезы, их должно быть сразу много, а это утопия. Одна молекула процессивной полимеразы, если она возникла с кодирующей се матрицей, будет эту матрицу размножать, и такая система — один ген, одна полимераза — это и будет первое живое существо, способное к самовоспроизведению и эволюции. Так вот, по тем моделям, которые предлагает гипотеза мира РНК, возникновение такой системы невозможно. Короткие (до ста нуклеотидов) молекулы РНК не могут быть процессивными полимеразами. Нет ни одного примера процессивной полимеразы на основе чистой РНК. Рибосома, которая является фактически процессивной полимеразой (она полимеризует аминокислоты), состоит из РНК и белков. Не исключено, что большие молекулы РНК (сотни нуклеотидов) могут свернуться так, что будут двигаться по матрице, синтезируя комплементарную нить. Но это значит, что сразу должен образоваться длинный ген и длинная полимераза. А здесь вступает в действие другой запрет — хиральность. До ста нуклеотидов еще можно как-то проскочить, какие-то редкие молекулы могут образоваться, можно найти какой-нибудь механизм. Но при образовании молекул из сотен или тысяч нуклеотидов невозможно преодолеть правило хиральности (стереохимическую ингибицию синтеза полинуклеотида). Таким образом, этот первый организм, состоящий из гена и полимеразы, не мог возникнуть на основе модели мира РНК. Мы имеем здесь ситуацию, похожую на ту, которая была с теорией Опарина. Она была очень важной, на ее основе возник очень большой экспериментальный материал, она принесла много знаний, но она не могла в принципе объяснить происхождение жизни, так как не учитывала гены. Гипотеза мира РНК также дала очень много, особенно в изучении рибозимов, она учитывает необходимость объяснить возникновение генов, но не может объяснить происхождение первого гена, а значит — первого живого организма. Сообщество полинуклеотидов, необходимое для возникновения первого живого организма по гипотезе мира РНК — это совершенно неправдоподобная идея. Без процессивных полимераз оно возникнуть не могло. Следует также отметить, что гипотеза мира РНК не дает правдоподобного объяснения переходу от РНКовых организмов к ДНК-РНК-белковым клеткам. Не объясняется возникновение генетического кода и трансляции даже на уровне правдоподобной гипотезы. Поэтому гипотеза мира РНК не может приблизить нас к пониманию механизма происхождения жизни. Я думаю, что рибозимы возникли на ранних этапах эволюции, но уже после возникновения протоклеток. Первичными же ферментами были белки, а первые организмы имели нуклео-протеидную природу.

А.С. Спирин: Думаю, что Вы не совсем правы, так как до сих пор все, кто работает с рибозимами, пытались получить лишь каталитическую активность. Однако, когда мы имеем дело с рибосомой или с полимеразой, надо по-другому ставить эксперименты. Надо, чтобы полимераза была полимеразой, то есть обладала не только каталитической активностью, но и активностью конвейерной молекулярной машины, как, впрочем, и в случае с рибосомой. Действительно ли нужны длинные молекулы — не знаю, никто этого не проверял. Для рибозимов минимальные размеры находятся в пределах ста нуклеотидов. Сейчас исследователи приходят к тому, что рибосома — это машина конвейерного типа, и именно поэтому она должна быть по крайней мере двух- трехкомпонентной. При этом вся структура и все функции рибосомы основываются на ее молекулах высокополимерной РНК, а рибосомные белки играют лишь сугубо подсобную роль. Думаю, что если начать ставить направленные эксперименты по созданию или поиску молекулярных машин на основе РНК, то надо делать двух- или трехкомпонентные рибозимы, а какой там минимальный размер, я не знаю, но не думаю, что РНК-машина должна обязательно состоять из длинных полимеров. Стонуклеотидный полинуклеотид уже способен складываться в третичную структуру, образовывать аптамеры, проявлять каталитическую активность. Почему же машинной функции у него не может быть? Молекулярная машина — это довольно простая вещь, главное, чтобы она могла существовать в двух альтернативных конформационных состояниях. Одно конформационное состояние требует лиганда, скажем, это закрытое, сомкнутое состояние; когда лиганд разрушается или изменяется химически, возникает второе — открытое, разомкнутое состояние. Что такое потребление ГТФ или АТФ в молекулярных машинах? Это связывание лиганда, но так как он ГТФ или АТФ, он легко распадается с выделением большого количества свободной энергии, возникает новое состояние. И вот идет такая конформационная пульсация, обеспечивающая конвейерную работу макромолекулы. Кстати, существуют такие минимальные машины в виде трехдоменпых молекул белка (например, фактор элонгации Ти). То же самое может быть достигнуто в случае РНК. Я не думаю, что это должна быть длинная молекула. Надо попробовать сделать машину, а объединение молекулярной машины с каталитической активностью — это и сеть уже подобие процессивной полимеразы или рибосомы. Давайте делать. Пока не было попыток сделать — это не значит, что сделать невозможно. Можно нарисовать гипотетическую схему, как перейти от мира РНК к синтезу белков. Я делал доклад в Московском университете — «Происхождение рибосом»… Там я основывался на идее о самосборке относительно коротких РНК, с тем чтобы создать из молекул конвейерную (процессивную) молекулярную машину, одновременно обладающую и каталитической активностью. Разные блоки как субъединицы — тоже вероятный путь усложнения структуры на пути возникновения жизни, это еще один способ компартментализации и агрегации, которая дает новое, эволюционно выигрышное качество.

АД. Алыпштейп: Но как быть с хиральностью?

А.С. Спирин: Хиральность создается мономерами. Их синтез происходит на более ранней стадии.

А.Д. Алыпштейп: Но если у вас несколько сотен нуклеотидов, как они получились одной хиральности из рацемической смеси, это невозможно!

А.С. Спирин: Они уже в растворе были одной хиральности. Абиогенный синтез уже произошел. Есть данные, что на некоторых глинах 80 процентов нуклеотидов образуются одной хиральности, то ли левых, то ли правых. Это меня устраивает. Проблема хиральности решается до появления мира РНК. Я очень благодарен Альтштейну, потому что он обострил идею молекулярной машины, до сих пор все говорили только о каталитических активностях. Да, для того чтобы перейти в настоящее живое существо, в мир РНК, необходимо еще создать молекулярную машину. А о них почти не говорили.

Самой мощной на сегодняшний день приставкой является детище компании Sony, получившие название PlayStation 3. Она способна выдавать невероятную по детализации картинку, что, наряду с огромным количеством эксклюзивных игр, делает ее еще и самой популярной в мире.

Если Вы примкнуть к огромной армии хардкорных геймеров, отдающих свое предпочтение PS3, то советую Вам не тратить понапрасну свое время, забивая в поисковую строку Гугла запрос “sony playstation 3 купить”, который лишь приведет Вас на незаслуживающие доверия сайты, а сразу же перейти по адресу playstation3.oneplay.ru, где Вы сможете быстро и без переплат приобрести эту игровую приставку.

ЭВОЛЮЦИЯ ДРЕВНЕГО МИРА РНК ПУТЕМ «СИСТЕМАТИЧЕСКОГО ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОГО ОБОГАЩЕНИЯ» (SELEX)

В 1990 г. одновременно тремя группами ученых в США (Tuerk, Gold, 1990; Ellington, Szostak, 1990; Robertson, Joyce, 1990) была опубликована методология бесклеточной селекции или бесклеточной эволюции в пробирке молекул некодирующих РНК, позволившая быстро получать в лаборатории нужные синтетические функционально активные РНК, специфически взаимодействующие с определенными лигандами (аптамеры) или катализирующие определенные химические реакции (искусственные рибозимы), а также совершенствовать функции таких РНК. Оказалось, что эта методология может указать тот путь, которым, возможно, шла естественная эволюция древнего мира РНК. Суть методологии «эволюции в пробирке» состоит в многократном чередовании стадий селекции и амплификации РНК («Systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment)), SELEX). После того как в лаборатории А.Б. Четверина была экспериментально показана возможность существования, роста и амплификации молекул РНК в форме колоний на влажных твердых средах, можно было предположить, что подобное чередование процессов селекции и амплификации могло иметь место на первобытной Земле (Спирин, 2005). Действительно, важным свойством молекулярных колоний РНК является то, что они не имеют никакой ограничивающей их оболочки, удерживающей молекулы внутри компартмента: молекулы РНК удерживаются вместе только благодаря их локализации на твердой поверхности в отсутствие перемешивания и конвекции, типичных для жидкой среды. Это — временное состояние, и любое затопление должно приводить к растворению колоний и перемешиванию всех РНК в общей луже.

Исходя из вышесказанного, можно предложить следующий сценарий «естественного первобытного SELEX’a». (1) Когда функционально различные молекулы РНК, включая РНК-реплицирующий рибозим, оказываются в одной луже, вся популяция РНК количественно увеличивается, а благодаря реакциям спонтанной трансэстерификации (реакция Четвери-на) и ошибкам репликации увеличивается и разнообразие молекул.

Рис. 7. Сценарий возникновения и эволюции мира РНК (Спирин, 2005).

(2) Когда лужа подсыхает, молекулы РНК оказываются на влажной поверхности глины или другого минерального субстрата, и при наличии в данном месте молекулы РНК-реплицирующего рибозима и нескольких других молекул РНК, обеспечивающих связывание нужных веществ и катализ нужных реакций, образуется и растет смешанная колония РНК; наиболее успешные колонии (т. е. колонии с наиболее активными и лучше всего дополняющими друг друга молекулами РНК) растут быстрее других. (3) Последующее затопление подсушенного водоема или его части растворяет колонии, и в общем водоеме опять начинается общая амплификация, но уже в популяции, обогащенной «хорошими», т.е. активными и функционально дополняющими друг друга молекулами. Таким путем чередующиеся затопления и подсушивания РНК-содержащих водоемов (луж) обеспечивают систематическое обогащение популяции РНК функционально лучшими молекулами («систематическая эволюция путем экспоненциального обогащения»). Именно таким путем и мог развиваться и эволюционировать древний мир РНК. Две ипостаси этого мира РНК сосуществовали на Земле и переходили друг в друга: коммунальные сообщества размножающихся и разнообразящихся индивидуальных молекул РНК, растворенных в водной среде луж, где реализовался принцип «от каждого по способностям, каждому по потребностям», и конкурирующих особей в виде смешанных колоний РНК, временно существующих и растущих на влажных поверхностях. Общая гипотетическая картина существования и эволюции древнего мира РНК дана на рис. 7.

Таким образом, циклы амплификации-селекции вышеописанного типа могли быть основной формой существования эволюционирующего древнего мира РНК на первобытной Земле. Эволюционный процесс должен был быть исключительно быстрым благодаря трем обстоятельствам. Во-первых, непрерывные спонтанные рекомбинации и перестройки молекул РНК, а также низкая точность примитивных механизмов репликации, обеспечивали широчайшее поле вариантов для отбора. Во-вторых, свободный латеральный перенос и обмен молекулами РНК между колониями через воду и атмосферу делал любые полезные инновации достоянием всех и позволял колониям быстро совершенствоваться в течение короткого времени их существования. В-третьих, экспоненциальное обогащение всей популяции «лучшими» молекулами РНК в циклах амплификации-селекции создавало мощный эволюционный двигатель для всего коммунального мира РНК в целом.

В свое время К. Вуз (Woesc, 1998) выдвинул концепцию «Универсального Предшественника» живых существ на Земле. Он предположил, что предшественники современных организмов — «прогеноты» — представляли собой примитивные особи, лишенные полноценной внешней мембраны или любого другого барьера, который бы препятствовал свободному обмену генетического материала между ними. Они характеризовались высоким уровнем мутаций (ошибок репликации) из-за примитивности и несовершенства механизмов репликации генетического материала и интенсивным латеральным обменом генами и продуктами, когда любые продукты и инновации одних становились достоянием всех. Тем самым они существовали как коммуна, и этот коммунальный мир отличался очень высокой скоростью эволюции. Именно этот коммунальный мир «прогенотов», без строго очерченных индивидуальностей, Вуз предложил считать универсальным предшественником всех живых организмов на Земле. В результате эволюционного распада этого единого коммунального мира обособились три главные линии клеточных живых существ — бактерии (эубактерии), археи (архебактерии) и эуакарии (эукариоты), — обладающие одинаковым генетическим кодом — кодом своего универсального предшественника. В настоящее время, в свете всех данных и представлений о мире РНК, представляется возможным передать роль Универсального Предшественника коммунальному сообществу колоний-ансамблей РНК, временно существующих на твердых или гелеобразных поверхностях первобытной Земли, не ограниченных физически никакими мембранами и фазовыми разделами и потому свободно обменивающихся как генетическим материалом, так и продуктами катализируемых реакций, а затем растворяющихся в общей коммуне и заново собирающихся в новых комбинациях молекул. Как уже указывалось выше, такая коммуна должна была очень быстро эволюционировать. Во всяком случае, если мир РНК возник и эволюционировал в клеточные формы жизни на Земле, то весь путь эволюции до индивидуальных организмов с клеточной структурой, ДНК и современным аппаратом белкового синтеза должен был быть пройден менее чем за полмиллиарда лет, — во временной промежуток между возникновением планеты Земля 4.6 млрд. лет назад и появлением на Земле первых клеточных организмов современного типа 3.8-3.9 млрд. лет назад.

Конечно, вполне вероятной альтернативой этому сценарию может быть космическое происхождение жизни на Земле: примитивные клеточные формы жизни — скорее всего бактерии и/или археи — были занесены на Землю из ближнего или далекого космоса, возможно, как раз в период интенсивной метеоритной бомбардировки между 4.6 и 4 млрд. лет назад, а в дальнейшем на Земле происходила лишь их эволюция в высокоразвитые многоклеточные организмы. В последнее время именно эта точка зрения приобретает все больше сторонников, так как само возникновение и существование безбелкового мира РНК на первобытной Земле сталкивается со многими, не разрешимыми пока, проблемами (Спирин, 2007). Тем не менее, это не снимает принципиального вопроса о возникновении клеточной формы жизни из мира РНК, а лишь переносит его на другие космические объекты.

Лучшим подарком для вашей возлюбленной станет lacoste сумка! Однако, существует большая вероятность того, что вместо изысканного кожаного изделия вы преподнесете в подарок подделку и, как результат, получите вместо желанного поцелуя звонкую пощечину. Чтобы исключить всякую вероятность подобного развития событий, я настоятельно советую Вам приобрести сумку Лакост в проверенном временем интернет-магазине ShopTop, который Вы найдете по адресу www.shoptop.su.

КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ КАК УСЛОВИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ

Возникновение и существование мира РНК на Земле естественно требовало жидкой водной среды с нейтральной рН и растворенными солями одновалентных металлов (в первую очередь К^— и Na^—) и Mg^2-. Скорее всего это были мелкие водоемы и лужи («Дарвиновские пруды»), где могли концентрироваться абиогенно возникающие органические вещества; океанские просторы вовсе не годились для этого. (Впрочем, как полагает большинство геологов и палеонтологов, в то время океаны на Земле, по-видимому, еще и не существовали). Присутствие РНК-репликазной активности в водной среде РН К-содержащей лужи или пруда давало в результате эффект амплификации всех олиго- и полирибонуклеотидов этого водоема, т.е. рост общей популяции молекул РНК. Однако, на этом этапе еще не могло быть никакого отбора «лучших» и, стало быть, никакой биологической эволюции.

Дело в том, что в таком случае эффективный РНК-реплицирующий рибозим, присутствующий в луже, одинаково хорошо должен был амплифицировать как редкие молекулы РНК, обладающие какими-либо полезными для популяции свойствами (например, адсорбция из среды или катализ синтеза нужных веществ), так и основную массу неактивных, балластных молекул РНК. Чтобы естественный отбор начал работать, необходима была какая-то форма компартментализации, обособления отдельных ансамблей РНК, в которых рибозимы и их продукты удерживались бы вместе. Только тогда естественный отбор мог отличить те РНК, чей продукт лучше, и те ансамбли, чьи РНК функционально лучше дополняют друг друга. Лучшие обособленные ансамбли РНК — первозданные особи — должны расти быстрее других, перерастать других, тем самым обеспечивая отбор лучших.

По-видимому, впервые идея «обособления от окружающей среды» как предпосылки для того, чтобы воспроизводящаяся система макромолекул могла эволюционировать, была выдвинута А.И. Опариным (1924). В качестве наиболее примитивного способа первичной компартментализации, который мог бы осуществляться в присутствии абиогенно возникающих полипептидов и белков, он предложил коацервацию — образование капелек концентрированного золя в разбавленной среде с растворенными макромолекулами. Это было логично в рамках гипотезы Опарина о начале жизни на основе абиогенного синтеза белка (хотя в конце концов ученый мир пришел к пониманию того, что на основе белков без нуклеиновых кислот невозможно создать самовоспроизводящуюся систему). Однако, согласно гипотезе о древнем мире РНК, этот мир был «однополимерным», и по причине отсутствия полипептидов, полисахаридов и других полимеров, способных к коацервации, да еще и в достаточно больших концентрациях, компартментализация ансамблей РНК в виде коацерватных капель кажется маловероятной. Тем не менее, для того чтобы каждый ансамбль РНК мог существовать как система, наследовать приобретенные признаки, полезные для всей системы, и эволюционировать, его РНК-реплицирующий рибозим, лиганд-связывющие РНК, нуклсотид-синтсзирующис рибозимы и продукты синтезов должны быть, очевидно, как-то связаны, объединены в пространстве. Поэтому в большинстве теорий происхождения жизни возникновение каких-то примитивных ограничивающих мембран или хотя бы поверхностей раздела фаз постулируется необходимым условием начала эволюции, в том числе эволюции ансамблей РНК. И в этом состоит одна из основных трудностей таких теорий.

Возможна, однако, и очевидная альтернатива обособлению за счет мембран или поверхностям раздела фаз. Как уже указывалось выше, А.Б. Четвериным с сотрудниками была экспериментально показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других влажных твердых средах, если на этих средах им предоставлены условия для репликации (рис. 6). Смешанные колонии РНК на твердых или полутвердых поверхностях, без каких-то ни было мембран, и могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции (репликацию молекул РНК всего ансамбля), а другие формировали структуры, необходимые для успешного существования (например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды) или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК (Спирин, 2003). Такая бесклеточная ситуация создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своими молекулами — своим генетическим материалом. Легкое распространение молекул РНК через среду, в том числе атмосферную, также было продемонстрировано в прямых экспериментах (Chetverin ct al., 1991).

Эта альтернатива представляется вероятной потому, что образование колоний РНК легко себе представить как естественное следствие подсыхания лужи, населенной молекулами РНК: на влажной поверхности глины, в тех местах, где оказывался РНК-реплицирующий рибозим, молекулы РН К, осевшие на поверхность, должны были амплифицироваться и образовывать колонии при условии, что необходимые органические вещества (предшественники пуринов, пиримидинов, рибозы и т. д.) и высокоэнергетические фосфаты присутствовали на той же поверхности. Таким путем могли образовываться смешанные колонии РНК с различными функциональными активностями. Такой ансамбль молекул РНК в виде растущей смешанной колонии мог быть успешным в своем существовании и росте, если он включал в себя (1) лигапд-связывающис РНК для избирательной адсорбции и аккумуляции необходимых веществ из окружающей среды, (2) набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза нуклеотидов и их активированных (фосфорилированных) производных, и (3) рибозим, катализирующий комплементарную репликацию всех РНК колонии.

Наиболее серьезным следствием компартментализации РНК в форме смешанных колоний было появление механизма естественного отбора: колонии, содержащие РНК, более активные и более подходящие друг другу (функционально дополняющие друг друга) могли расти быстрее, становиться больше и тем самым «перерастать» другие колонии, вытеснять их. Таким образом, образование компартментализованпых ансамблей функционально дополняющих друг друга РНК в качестве особей, способных расти и конкурировать друг с другом, представляется вероятным без окружающих их мембран или оболочек другого типа, и даже без четкой границы раздела.

Приехали в Киев, но совершенно позабыли составить план знакомства с этим славным городом? Вряд ли Вас смогут заинтересовать музеи, выставки и т.п. заведения, прославляющие богатую и разнообразную культурную жизнь города, поэтому давайте перейдем к самому главному вопросу: “Какие пивные достопримечательности Киева стоит посетить в первую очередь?”. Ответ Вы найдете на www.beerplace.com.ua, являющимся, по мнению большинства истинных любителей пенного напитка, сайтом №1 о пабах, барах и пивных ресторанах.

Мультифункциональность РНК

Основные типы функциональной активности молекул РНК в живой природе:

(1) Кодирующая функция:

программирование белкового синтеза линейными последовательностями полирибонуклеотидов.

(2) Репликативная функция:

репликация генетического материала через комплементарные последовательности полинуклеотидов.

(3) Структурообразующая функция (формирование трехмерных структур):

самосворачивание линейных полирибонуклеотидов в уникальные компактные конформации.

(4) Функция специфического узнавания лигандов:

специфические пространственные взаимодействия с другими макромолекулами и малыми лигандами.

(5) Каталитическая функция:

специфический катализ химических реакций рибозимами.

Все теории происхождения жизни вынуждены были исходить из первичности белков как макромолекул, абсолютно необходимых для возникновения биохимического метаболизма. Открытие каталитической функции РНК в американских лабораториях Т. Чека и С. Алтмана (Kruger et al., 1982; Guerrier-Takada et al., 1983) перевернуло все прежние представления об исключительной роли белков не только в возникновении жизни, но и в понимании самого явления жизни. По аналогии с белками-ферментами — энзимами — каталитические РНК были названы рибозимами. По-видимому, почти все рибозимы, естественно существующие в живой природе в клетках современных организмов, так или иначе участвуют в процессах, связанных с превращениями полинуклеотидных цепей самих РНК. Однако оказалось возможным создавать и искусственные рибозимы с более широким спектром катализируемых реакций (Cech, Golden, 1999). Кроме того, как выясняется из всей совокупности данных по структуре рибосом и особенностей катализируемой рибосомой реакции образования пептидных связей в процессе биосинтеза белка, каталитический центр этой реакции (пептидил-трансферазный центр рибосомы) формируется определенным доменом большой рибосомной РНК, без участия рибосомных белков, т. е. имеет рибозимную природу (Nissen et al., 2000).

Итак, именно после открытия каталитической функции РНК поменялась парадигма, и взоры биохимиков и молекулярных биологов обратились к РНК как самому «самодостаточному» биополимеру. В самом деле, молекулы РНК оказались способны делать все то, что делают белки — складываться в специфические структуры и определять формообразование биологических частиц, с большой точностью узнавать другие макромолекулы и малые лиганды и взаимодействовать с ними, наконец, осуществлять катализ ковалентных превращений узнаваемых молекул (рис. 5). Таким образом, РНК является уникальным биополимером, которому свойственны как функции ДНК, так и функции белков. Конечно, белки делают все это более эффективно и разносторонне, чем РНК. Но зато белки в принципе «не умеют» самовоспроизводиться — не существует никаких собственных белковых механизмов для воспроизведения их структуры, кроме как через РНК. В то же время РНК содержит все необходимые структурные предпосылки для точного воспроизведения ее собственной структуры (см. выше).