Пределы существования жизни

Проблема определения предельных значений для физических параметров, при которых еще возможно существование живой материи, непосредственно касается рассматриваемой в этом разделе проблемы — возможности выживания организмов в крайне неблагоприятных для этого условиях космического пространства или на ближайших к нам небесных телах (в частности, на планетах и ядрах комет). Прямое отношение поиск предельных параметров имеет к оценкам границ биосферы, а более косвенное — к вопросу о происхождении жизни на Земле.

Экстремальными случаями существования жизни люди интересовались с незапамятных времен, но особенно ученые ими заинтересовались в связи с биологическими экспериментами по поиску живых организмов на Марсе с помощью приборов посадочных модулей космических аппаратов «Викинг». Как известно, попытка обнаружить по крайней мере микроорганизмы на Марсе дала отрицательный результат, хотя и не зачеркнула полностью, по мнению некоторых ученых, возможность существования микроорганизмов в таких экстремальных условиях, которые характерны для Марса.

Последнее, в частности, подтверждается тем обстоятельством, что земные организмы (пока единственная форма жизни во Вселенной, известная нам) способны существовать в самом широком диапазоне физических, химических и физико-химических параметров. Причем известно, что простейшие представители жизни — микроорганизмы — занимают крайние границы существования жизни, или, как говорят биологи, экологические ниши.

В обзорной статье канадского микробиолога Д. Кушнера, опубликованной в сборнике «Кометы и происхождение жизни» (М., Мир, 1984), был подведен итог поискам экстремальных форм жизни по состоянию на середину 70-х годов. Ученый заключает, что микроорганизмы способны расти в самых различных экстремальных условиях: в жидкой воде вблизи температур замерзания и кипения воды, при больших вариациях концентрации водородных ионов в жидкой среде, при самой разнообразной концентрации солей, при интенсивном радиационном облучении (в ядерных реакторах) и т. д.

Д. Кушнер отмечает: «Если не считать утонченных приспособительных признаков, то основные механизмы жизненных процессов, протекающих в экстремальных условиях, по сути являются идентичными механизмам более «нормальной» жизни… Возможно, даже самые «экстремальные» микроорганизмы в принципе не так уж и отличаются от более «нормальных» форм жизни». Как впоследствии оказалось, Д. Кушнер, по-видимому, был недалек от истины. Но прежде чем перейти к научной сенсации, случившейся летом 1977 г., рассмотрим еще несколько результатов, полученных к середине 70-х годов.

В своей статье канадский ученый замечает, что самым жестким фактором, определяющим пределы роста микроорганизмов, является их потребность в жидкой воде. В связи с чем Д. Кушнер указывает, что нижняя температурная граница жизни опускается до 240 К (или даже более низких температур), поскольку точка замерзания насыщенных водных солевых растворов внутриклеточной воды находится гораздо ниже 0°С, или 273 К.

Однако непосредственно во льду рост микроорганизмов уже не происходит, хотя известна их способность сохранять потенцию к жизнедеятельности и к повторному росту после размораживания. Проведенные исследования указывают на возможность «оживления» микроорганизмов и других простейших после их кратковременного пребывания даже в жидком гелии, т. е. при температуре, близкой к абсолютному нулю. Микроорганизмы обнаруживаются в сухих и холодных долинах Антарктиды, где они обитают внутри камней и ими же питаются (так называемые литотрофные микроорганизмы).

Что же касается верхней температурной границы жизнедеятельности микроорганизмов, то она уже давно и уверенно принималась равной около 373 К (100°С), т. е. температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Во всяком случае, микроорганизмы были найдены в сухих и горячих южных пустынях, в стенках ядерных реакторов и т. д. Однако все эти представления изменились, когда в начале второй половины 70-х годов были открыты живые организмы, совершенно необычные для земных форм даже в экстремальных условиях. И это открытие было сделано не на далеком Марсе с помощью космических аппаратов «Викинг», а на нашей Земле.

Летом 1977 г., погрузившись на специальной океанографической подводной лодке «Алвин» в зону разломов земной коры на дне Тихого океана недалеко от Галапагосских островов на глубину около 3000 м, американские ученые обнаружили бьющие из дна источники очень горячей воды (с температурой 730 — 750 К, или, около 360 — 380°С), так называемые гидротермы. Ученые: назвали открытые ими источники «Черные курильщики», видимо, из -за цвета воды, изливающейся из океанского дна.

Существование таких источников сильно перегретой жидкой воды ничего экстраординарного собой не представляет, поскольку вода при таких температурах и должна находиться в жидком состоянии под действием огромных гидростатических давлений, в 300 раз превышающих нормальное атмосферное давление. Самым интересным было то, что в районах выхода столь перегретой жидкости обнаружились пышные оазисы жизни.

Научный мир отреагировал на это открытие самым естественным образом — почти никто в него не поверил. И тогда в район гидротермов отправилась еще одна экспедиция, оснащенная на сей раз более совершенным оборудованием, предназначенным для взятия и транспортировки на поверхность океана в неповрежденном состоянии геологических и биологических проб (от бактерий и взвесей до различных животных и рыб). Эту экспедицию 1979 г. возглавили крупнейшие специалисты из американских университетов и институтов.

Проведенные исследования подтвердили главное — вблизи гидротермов в самом деле кишит жизнь, по крайней мере внешне во многом необычная: крупные моллюски, крабы, двухметровые черви (без рта и пищеварительного тракта). Однако подлинной сенсацией стало обнаружение бактерий, живущих при температурах выше около 570 К (около 300°С). Впоследствии эти бактерии проявляли все признаки активной жизнедеятельности (росли, размножались) уже в лабораторных автоклавах при столь же высоких температурах и давлениях, как и на дне океана у гидротермов. Причем уже при температуре около 355 К (около 80°С) их рост полностью прекращался, так как, по-видимому, им было «холодно».

Обнаружение функционирующих столь высокотемпературных бактерий на чрезвычайных глубинах океана, куда практически не проникают лучи света, потрясло основы биологии. Ведь подавляющее число форм жизни (за исключением хемосинтезирующих бактерий) было обязано своим существованием Солнцу. А кроме того, для всех наземных форм жизни белок (это химическая основа жизни) сворачивается при температуре до 100°С. Оба этих положения опровергались сделанным открытием.

Через некоторое время столь же необычные экосистемы на дне океана, что и у Галапагосских островов, были обнаружены вблизи берегов Мексики, у островов Пасхи и в других местах. И это позволило советским ученым Т. А. Айзатуллину, В. Л. Лебедеву и К. М. Хайлову предположить, что все эти оазисы жизни на дне океана являются не исключением, а скорее, правилом, выявленным на практике¹ (здесь можно вспомнить и высказывание Д. Кушнера, процитированное ранее). По мнению этих ученых, должна существовать непрерывная цепочка жизни в местах разломов на океанском дне.

Естественно, в связи с обнаружением оазисов жизни на дне океана было выдвинуто немало гипотез, порою весьма экзотических. Например, появилось много гипотез о том, что происхождение жизни на Земле происходило в подобных гидротермах на дне древнего океана. Более того, было даже предположено, что в гидротермах на дне современного океана жизнь зарождается и в настоящее время. В качестве аргумента в пользу этой гипотезы указ ывался следующий факт: концентрация микроорганизмов в морской воде возрастает по мере увеличения глубины погружения.

Иную точку зрения, во многом поддерживаемую большинством ученых, высказал английский биолог Н. Пири, некогда работавший со знаменитым Дж. Холдейном (теория происхождения жизни Опарина-Холдейна). Н. Пири считает, что жизнь появилась вначале вблизи поверхности Земли, и только впоследствии в ходе весьма длительной эволюции одна из ее ветвей достигла дна океана.

Однако не будем более отвлекаться и вернемся к теме нашей брошюры — космическому вакууму. Условия: космического вакуума также являются экстремальными для жизнедеятельности

микроорганизмов. И если жизнь была обнаружена в неожиданных экстремальных температурных условиях, то почему она не может существовать в экстремальных условиях высокого вакуума?