Общие динамические свойства живых систем

В качестве исходных представлений при толковании экзобиологических экспериментов необходимо принимать во внимание динамические свойства живых систем. Развитие и эволюция биологических систем шли в основном по пути совершенствования форм взаимодействия между элементами и способов регуляции состояния системы в целом. Жизнь неразрывно связана с существованием открытых систем, свойства которых во многом зависят от соотношения скоростей процессов обмена энергией и массой с окружающей средой.

Результаты исследования динамических свойств открытых систем методами математического моделирования позволили объяснить целый ряд их характерных черт, в частности установление в системе при сохранении постоянных внешних условий стационарного колебательного режима, который наблюдается на разных уровнях биологической организации. Это свойство является важным признаком высокой степени организации системы, что в свою очередь можно рассматривать как необходимые условия жизни.

Роль света в поддержании жизни Важным аспектом проблемы внеземной жизни является необходимость внешнего притока энергии для ее развития. Солнечный свет, главным образом в ультрафиолетовой области спектра, играл существенную роль в процессах абиогенного синтеза необходимым притоком свободной энергии, но заключалось также и в фотохимическом ускорении дальнейших превращений. Жизнедеятельность первичных живых систем также могла во многом определяться фотохимическими реакциями входящих в их состав соединений. Многие организмы, не имеющие прямого отношения к современному фотосинтезу, тем не менее, изменяют свою активность при освещении. Так, явление фотореактивации клеток организмов видимым светом после поражающего действия ультрафиолетовых лучей, очевидно, является в эволюционном отношении древним процессом, возникшим в то время, когда первичные живые системы выработали механизмы защиты от деструктивного действия падавшего на Землю ультрафиолетового света.

Следует отметить, что свет мог и не являться единственным источником энергии на ранних этапах эволюции органических соединений. Эту роль могла выполнять и химическая энергия, освобождаемая, например, в реакциях конденсации в неорганический полифосфат или в реакциях окисления, впоследствии составивших энергетическую основу хемосинтеза. Однако в целом жизнь для своего возникновения и развития требует, очевидно, постоянного внешнего притока свободной энергии, роль которого на Земле и выполняет солнечный свет. Поэтому свет и играет важную роль на всех этапах эволюции жизни, начиная с абиотического синтеза первичных живых систем и кончая современным фотосинтезом, обеспечивающим образования органических веществ на Земле.

Очевидно, существование фотосинтеза в той или иной форме как процесса полезной утилизации энергии в биологических системах является важным критерием существования развитой жизни.

Можно заключить, что независимо от конкретной химической структуры фотосинтетического аппарата общим свойством фотобиологических процессов утилизации световой энергии является наличие такой последовательности реакций: поглощение света и возбуждение молекул пигментов; делокализация электрона (дырки); перенос электрона (дырки) по открытой цепи окислительно-восстановительных соединений; образование конечных продуктов с запасанием в них энергии света. Существование такой фотосинтетической цепи является общим для большинства фотобиологических процессов и может рассматриваться в качестве необходимого условия существования жизни.

Таким образом, можно выдвинуть общие принципы, которыми следует руководствоваться при определении критериев существования и поиска внеземной жизни:

• 1) Основным свойством живой материи является ее существование в виде открытых самовоспроизводящихся систем, которые обладают структурами для сбора, хранения, передачи и использования информации.
• 2) Углеродосодержащие органические соединения и вода как растворитель составляют химическую основу жизни.
• 3) Необходимым условием жизни является утилизация энергии света, ибо прочие источники энергии обладают на несколько порядков меньшей мощностью.
• 4) В живых системах протекают сопряженные химические процессы, в которых происходит передача энергии.
• 5) В биологических системах могут преобладать асимметрические молекулы, осуществляющие оптическое вращение.
• 6) Различные организмы, существующие на планете, должны обладать рядом сходных основных черт.

Методы обнаружения внеземной жизни Как уже говорилось, наиболее сильным доказательством присутствия жизни на планете будет, конечно, рост и развитие живых существ. Поэтому, когда сравниваются и оцениваются различные методы обнаружения жизни вне Земли, преимущество отдается тем методам, которые позволяют с достоверностью установить размножение клеток. А поскольку наиболее распространенными в природе являются микроорганизмы, при поиске жизни вне Земли прежде всего следует искать микроорганизмы. Микроорганизмы на других планетах могут находиться в грунте, почве или атмосфере, поэтому разрабатываются различные способы взятия проб для анализов.

В одном из таких приборов — «Гулливере» — предложено остроумное приспособление для взятия пробы для посева. По окружности прибора расположено три небольших цилиндрических снаряда, к каждому снаряду прикреплена липкая силиконовая нить. Взрыв пиропатронов отбрасывает снаряды на несколько метров от прибора. Затем силиконовая нить наматывается и, погружаясь при этом в питательную среду, заражает ее частицами прилипшего к ней грунта.

Размножение организмов в питательной среде может быть установлено с помощью различных автоматических устройств, одновременно регистрирующих нарастание мутности среды (нефелометрия), изменение реакции питательной среды (потенционометрия), нарастание давления в сосуде за счет выделяющегося газа (манометрия).

Очень изящный и точный способ основан на том, что в питательную среду добавляют органические вещества (углеводы, органические кислоты и другие), содержащие меченый углерод.

Размножающиеся микроорганизмы будут разлагать эти вещества, а количество выделившегося в виде углекислоты радиоактивного углерода определит миниатюрный счетчик, прикрепленный к прибору. Если питательная среда будет содержать различные вещества с меченым углеродом (например, глюкозу и белок), то по количеству выделившейся углекислоты можно составить ориентировочное представление о физиологии размножающихся микроорганизмов.

Чем больше разнообразных методов будет использовано для выявления обмена веществ у размножающихся микроорганизмов, тем больше шансов получить достоверные сведения, так как некоторые методы могут подвести, дать ошибочные данные.

Например, питательная среда может помутнеть и от попавшей в нее пыли (как, возможно, было с «Викингами» в 1976 г., см. ниже). Когда клетки микроорганизмов размножаются, интенсивность всех регистрируемых и передаваемых на Землю показателей непрерывно нарастает. Динамика всех этих процессов хорошо известна, а она надежный критерий действительного роста и размножения клеток. Наконец, на борту автоматической станции может быть два контейнера с питательной средой, и как только в них начинается нарастание изменений, в один из них автоматически будет добавлено сильнодействующее ядовитое вещество, полностью прекращающее рост. Продолжающееся изменение показателей в другом контейнере будет надежным доказательством биогенного Биогенез — образование органических соединений живыми организмами (там же, стр. 140) характера наблюдаемых процессов.

Необходимо также обратить внимание на то, что конструируемые приборы не должны быть чрезмерно чувствительными, так как перспектива «открыть» жизнь там, где ее реально нет, весьма неприятна.

С другой стороны, прибор не должен дать отрицательный ответ, если жизнь на исследуемой планете действительно существует. Именно поэтому надежность и чувствительность предполагаемой аппаратуры усиленно обсуждается и уже претворяется в жизнь.

Хотя размножение микроорганизмов и является единственным бесспорным признаком жизни, это не значит, что не существует иных приемов, позволяющих получить ценную информацию. Некоторые краски, соединяясь с органическими веществами, дают комплексы, легко обнаруживаемые, так как они обладают способностью к адсорбции Поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твёрдого тела или жидкости (там же, стр. 24) волн строго определенной длины. Один из предложенных методов основан на применении масс-спектрометра, который устанавливает обмен изотопа кислорода О18, происходящий под влиянием ферментов микробов у таких соединений, как сульфаты, нитраты или фосфаты. Особенно хорошо и, главное, разнообразно применение люминесценции. С ее помощью не только констатируют энзимотическую Энзимология — раздел биохимии, изучающий ферменты и катализируемые ими реакции (там же, стр. 1545) активность, но при применении некоторых люминофоров Люминофоры — органические и неорганические вещества, способные светиться под действием внешних факторов (там же, стр. 733) возможно свечение ДНК, содержащейся в клетках бактерий.

Следующий этап в исследованиях — применение портативного микроскопа, снабженного поисковым устройством, способным отыскивать в поле зрения отдельные клетки.

Обсуждается также возможность использования электронного микроскопа для изучения структурных элементов микробной клетки, не видимых в оптический микроскоп. Применение электронного микроскопа в сочетании с портативностью может чрезвычайно расширить возможности морфологических Морфология — наука о форме и строении организмов (там же, стр. 832) исследований, что, как мы знаем из современной биологии, особенно важно для изучения внутренней молекулярной структуры составных элементов живого. Важной электронной особенностью является возможность сочетания ее с телевизионной техникой, поскольку они имеют общие элементы (источник электронов, электромагнитные фокусирующие линзы, видиконы Видикон — передающая телевизионная трубка, с электропроводящей мишенью из фоторезистора (там же, стр. 219)).

Специальные устройства будут передавать на Землю (в общем, этот принцип уже использовался на практике) видимые микроскопические картины. Здесь уместно отметить, что в задачи экзобиологии входит обнаружение не только существующей теперь жизни, но также палеобиологические Палеобиологические — древне биологические (там же, стр. 955) исследования. АБЛ см. стр. 3 должна уметь обнаружить возможные следы бывшей жизни. В методическом отношении эта задача будет облегчена применением микроскопов с различным увеличением.

Самым сложным вопросом в методическом отношении будет возможность существования форм жизни, более просто организованных, чем микроорганизмы. Действительно, эти находки, вероятно, представят гораздо больший интерес для решения проблемы возникновения жизни, чем обнаружение таких относительно живых существ, как микроорганизмы.

В методическом отношении экзобиология находится в более трудном положении (несмотря на небольшой опыт запусков АБЛ), чем другие дисциплины, изучающие планеты с других точек зрения. Эти дисциплины имеют возможность изучать планеты на расстоянии с помощью различных физических методов и получать очень ценную информацию о свойствах планет.

До сих пор мало методов, позволяющих аналогичным образом получить сведения о внеземной жизни. Для этого АБЛ должна находиться на поверхности планеты. Мы приближаемся к такой возможности. И трудно будет переоценить значение тех данных, которые мы тогда получим.

Таким образом, можно условно разделить все методы на три группы:

• 1) Дистанционные методы наблюдения определяют общую обстановку на планете с точки зрения наличия признаков жизни. Дистанционные методы связаны с использованием техники и приборов, расположенных как на Земле, так и на космических кораблях и искусственных спутниках планеты.
• 2) Аналогичные методы призваны произвести непосредственный физико-химический анализ свойств грунта и атмосферы на планете при посадке АБЛ. Применение аналитических методов должно дать ответ на вопрос о принципиальной возможности существование жизни.
• 3) Функциональные методы предназначаются для непосредственного обнаружения и изучения основных признаков живого в исследуемом образце. С их помощью предполагается ответить на вопрос о наличии роста и размножения, метаболизма, способности к усвоению питательных веществ и других характерных признаков жизни.

АБЛ для экзобиологических исследований Хотя о пилотируемых полетах на другую планету в данное время вопрос не стоит (где человек уже вплотную визуально смог бы провести исследования), АБЛ вполне (хотя и не полностью) могут уже заменить человека сегодня: рассмотренные методы обнаружения жизни вполне осуществимы в настоящее время с технической точки зрения. Именно с их помощью можно рассчитывать не только на обнаружение инопланетных живых форм, но и на получение их определенных характеристик.

Однако очевидно, что в отдельности ни одни из предложенных методов обнаружения не дает данных, допускающих однозначную трактовку с точки зрения наличия жизни.

Это отличается от методических экспериментов, предназначенных для измерения тех или иных физических параметров других небесных тел или межпланетного пространства.

Многое показывает, что единственным подходом в проведении экзобиологических исследований является создание АБЛ, в которой отдельные методы по обнаружению жизни могли бы быть конструктивно объединены, а их применение регламентировано единой программой функционирования АБЛ.

В настоящее время технически неосуществимо создание таких АБЛ, в которых были бы представлены все известные методы обнаружения.

Поэтому в зависимости от конкретных целей, сроков запуска и времени жизни космических станций на поверхности планеты конструкции АБЛ имеют различный приборный состав.

Пока еще биологические лаборатории предназначены для ответа на основной вопрос о самом существовании жизни, и поэтому все предлагаемые проекты АБЛ имеют целый ряд общих черт. В конструктивном отношении АБЛ должна иметь собственное заборное устройство или обеспечиваться образцами за счет заборного устройства, общего для всей космической станции, частью которой является АБЛ. После забора образца он поступает в дозатор распределитель, а затем в инкубационное отделение, где при определенной температуре и освещении происходит выращивание микрофлоры и обогащение материала образца. Эти процессы можно вести в различных режимах, начиная от полного сохранения первоначальных планетных условий и кончая созданием температуры, давления и влажности, близких к земным В связи с этим в конструкции АБЛ предусматривается существование систем, наполняющих емкости под определенным давлением, систему вакуумных клапанов для отделения АБЛ от наружной атмосферы после забора пробы.

Необходимым элементом является и устройство для поддержания определенной температуры, как в блоке выращивания микроорганизмов, так и непосредственно в измерительной ячейке, где производится снятие оптических параметров образца.

Через определенный промежутки времени, по мере развития микрофлоры, материал образца в твердом и растворенном виде анализируется с помощью функциональных, а также некоторых аналитических методов. При этом предполагается, что информация о наличии на планете общих предпосылок для существования жизни (температура, состав атмосферы, присутствие органических веществ) должна быть получена с помощью дистанционных и аналитических методов.

Трудно переоценить тот вклад, который будет сделан в случае обнаружения инопланетных форм жизни. Однако отсутствие жизни на планетах Солнечной системы не исключает развития экзобиологии как науки, так как не является препятствием на пути дальнейшего совершенствования методов автоматического обнаружения и снятия характеристик живых систем.

Результаты этой области, являющейся частью биологического приборостроения, несомненно, найдут широкое применение, как в современной биологической науке, так и в других областях человеческой деятельности, не говоря уже о задачах освоения космического пространства и необходимости в связи с этим автоматического контроля за состоянием живых систем в этих условиях.

Практический обзор поиска и исследований внеземных форм жизни В предыдущих главах рассмотрены теоретические аспекты проблемы поиска и исследований внеземных форм жизни, теперь рассмотрим практическое решение этого вопроса. Хотя с момента полета первого человека в космос не прошло и 35 лет, но у ученых появилось столько новой информации о телах Солнечной системы, сколько ее не было за века исследований до этого, причем во много раз больше. Поток такой информации связан с наличием у современной науки таких помощников, как АБЛ (о них говорилось выше). Именно они своей работой на данный момент смогли заменить человека при исследовании планет Солнечной системы, где могла бы быть жизнь.

Нельзя забывать того, что если существующая где-то живая материя имеет иную качественную и структурную химическую организацию и, следовательно, в процессах питания, дыхания и выделения участвуют совершенно другие вещества, положительный ответ автоматических аппаратов, работающих по программе земных критериев, вообще не может быть получен.

Для решения задач обнаружения жизни вне Земли нужна правильная постановка вопросов (с учетом выше сказанного), которые можно разбить на три большие группы:

• 1) Обнаружение на планетах химических соединений, подобных аминокислотам и белкам, которые обычно связываются с жизнью на Земле.
• 2) Обнаружение признаков обмена веществ — поглощаются ли питательные вещества земного типа внеземными формами.
• 3) Обнаружение форм жизни, подобных земным животным, отпечатков жизненных форм в виде ископаемых или признаков цивилизации.

Хотя жизнь теоретически возможна на любой из планет, на их спутниках и на астероидах, наши возможности контактного исследования, то есть посылки аппаратуры, пока ограничены Луной, Марсом и Венерой.

Луна Большинство ученых считают Луну абсолютно «мертвой» (отсутствие атмосферы, различные излучения, не встречающие препятствия на пути к поверхности, большие перепады температуры и т. д.). Однако некоторые формы могут жить в тени кратеров, особенно если, как показывают последние наблюдения и исследования, там все еще протекает вулканическая деятельность с выделением тепла, газов и водяных паров. Вполне возможно, что, если жизни на Луне нет, то она может быть уже заражена, при несоблюдении карантина (хотя есть данные, показывающие обратное), земной жизнью после прилунения на ней космических аппаратов и кораблей и, возможно, метеоритами, если они могут явиться переносчиками жизни.

Венера Венера также, по-видимому, безжизненна. Но по другим причинам. Согласно измерениям, температуры на поверхности Венеры слишком высоки для жизни земного типа, а ее атмосфера также негостеприимна. Учеными обсуждалось немало идей на эту тему. Авторы работ по данной теме касались возможности существования биологически активных форм, как на поверхности, так и в облаках.

В отношении поверхности можно утверждать, что большинство органических молекул, входящих в состав биологических структур, испаряются при температурах, намного меньших 5000С, а протеины изменяют свои естественные свойства. К тому же на поверхности нет жидкой воды. Поэтому земные формы жизни, по-видимому, можно исключить. Довольно нереальными представляются другие возможности, включающие своего рода «биологические холодильники» или структуры на основе кремнийорганических соединений (как уже упоминалось выше).

Значительно более благоприятным представляются условия в облаках, соответствующие земным на уровне около 50 — 55 км над поверхностью Венеры, за исключением преобладающего содержания СО2 и практического отсутствия О2.

Тем не менее в облаках имеются условия для образования фотоавтотроф Фотоавтотрофы — организмы, синтезирующие из неорганических веществ все необходимые для жизни органические вещества, используя энергию света и фотосинтеза (Советский энциклопедический словарь, Москва «Советская Энциклопедия» 1985 г., стр. 17). Однако в условиях атмосферы существенная трудность связана с удержанием таких организмов вблизи уровня с благоприятными условиями, так чтобы они «не увлекались» в нижележащую горячую атмосферу.

Чтобы обойти эту трудность, учёные Моровиц и Салан выдвинули предположение о венерианских организмах в форме изопикнических С равной плотностью (гр. pyknos плотный) баллонов (фотосинтетических), заполняемых фотосинтетическим водородом.

Это все пока только гипотезы, едва ли они могут рассматриваться как с точки зрения возникновения жизни в облаках, так и своего рода «остатков» биологических форм, некогда существовавших на планете. Конечно, это не исключает того, что в определенный период своей истории Венера обладала значительно более благоприятными условиями, пригодными для проявления биологической активности.

Спецификой эволюции, особенностями теплообмена, природой облаков, характером поверхности далеко не исчерпываются проблемы Венеры, продолжающей, несмотря на огромные успехи, достигнутые за последние годы, в ее изучении, по праву сохранять за собой название планеты загадок.

Раскрытие этих загадок, несомненно, обогатит как планетологию, так и другие науки новыми фундаментальными открытиями. Мощность газовой оболочки, своеобразный тепловой режим, необычность собственного вращения и другие особенности резко выделяют Венеру из семьи планет Солнечной системы. Что породило такие необычные условия? Является ли атмосфера Венеры «первичной», свойственной молодой планете, или такие условия возникли позже, в результате необратимых геохимических процессов, обусловленных близостью Венеры к Солнцу, — эти вопросы заслуживают самого пристального внимания и требуют всесторонних дальнейших исследований, вплоть до пилотируемого полета к столь интересной планете.