Поиск и исследование внеземных форм жизни

Определение жизни на других планетах, кроме Земли, является важной задачей для ученых, занимающихся вопросами возникновения и эволюции жизни. Наличие или отсутствие ее на планете оказывает существенное влияние на ее атмосферу и другие физические условия.

Исследования превращений в поверхностных слоях планет с учетом возможных результатов деятельности человека позволит уточнить наши представления о роли биологических процессов в прошлом и настоящем Земли.

С этой точки зрения результаты экзобиологических исследований могут быть полезными и в решении современных задач в области биологии.

Занос чужеродных форм жизни может также привести на Земле к самым неожиданным и трудно предугадываем последствиям.

Обнаружение жизни вне Земли, несомненно, имеет и большое значение для разработки фундаментальных проблем происхождения и сущности жизни.

Непосредственной целью предстоящих в ближайшем будущем экзобиологических экспериментов с помощью автоматических биологических лабораторий (АБЛ) является получение ответа на вопрос о наличии или отсутствии жизни (или ее признаков) на планете. Обнаружение внеземных форм жизни существенно усугубило бы наше понимание сущности жизненных процессов и явления жизни в целом. Отсутствие жизни на других планетах Солнечной системы, например, имело бы также большое значение, подчеркивая специфическую роль земных условий в процессах становления и эволюции живых форм.

Неясно, до какой степени внеземные формы могут быть сходными с нашими земными организмами по биохимическим основам их жизненных процессов.

При рассмотрении проблемы обнаружения внеземной жизни надо принимать во внимание разные этапы эволюции органического вещества и организмов, с которыми в принципе можно встретиться на других планетах. Например, в отношении Марса могут представиться различные возможности от обнаружения сложных органических соединений или продуктов абиогенного синтеза и до существования развитых форм жизни. На Марсе к настоящему времени закончилась только химическая эволюция, которая привела к абиогенному образованию (как это было в сове время на Земле) аминокислот, сахаров, жирных кислот, углеводов, возможно, белков, но жизнь как таковая на планете, видимо, отсутствует. Эти вещества в той или иной степени отличаются от аналогичных соединений, встречающихся на Земле.

Возможно, что на Марсе могут быть обнаружены: первичные протобиологические открытые системы, отделенные мембранами от окружающей среды (относительно простые примитивные формы жизни, аналогичные нашим микроорганизмам); более сложные формы, подобные нашим простым растениям и насекомым; следы существовавшей ранее или существующей и ныне жизни; остатки высокоразвитой жизни (цивилизации) и, наконец, можно констатировать полное отсутствие жизни на Марсе (более подробно проблема жизни на Марсе рассматривается выше).

В настоящей главе рассматриваются теоретические предпосылки, критерии существования жизни, предполагаемые методы обнаружения живых систем на других планетах.

Критерии существования и поиска живых систем

Наши представления о сущности жизни основаны на данных по исследованию жизненных явлений на Земле. В то же время решение проблемы поиска жизни на других планетах предполагает достоверную идентификацию жизненных явлений в условиях, существенно отличных от земных. Следовательно, теоретические методы и существующие приборы для обнаружения жизни должны основываться на системе научных критериев и признаков, присущих явлению жизни в целом.

Можно считать, что ряд фундаментальных свойств живых систем земного происхождения действительно имеет ряд общих свойств, и поэтому эти свойства, несомненно, должны характеризовать и внеземные организмы. Сюда можно отнести такие хорошо известные биологам и наиболее характерные признаки живого, как способность организмов реагировать на изменение внешних условий, метаболизм, рост, развитие, размножение организмов, наследственность и изменчивость, процесс эволюции.

Не будет сомнения в принадлежности к живым системам неизвестного объекта при обнаружении у него перечисленных признаков. Но реакция на внешнее раздражение присуща и неживым системам, изменяющим свое физическое и химическое состояние под влиянием внешних воздействий. Способность к росту свойственна кристаллам, а обмен энергией и веществом с внешней средой характерен для открытых химических систем. Поиски внеземной жизни должны поэтому основываться на применении совокупности разных критериев существования и методов обнаружения живых форм. Такой подход должен повысить вероятность и достоверность обнаружения инопланетной жизни.

О химической основе жизни

Исследования последних лет показали возможность синтеза разнообразных биологически важных веществ из простых исходных соединений типа аммиака, метана, паров воды, входивших в состав первичной атмосферы Земли.

В лабораторных условиях в качестве необходимой для такого синтеза энергии используется ионизирующая радиация, электрические разряды, ультрафиолетовый свет. Таким путем были получены аминокислоты, органические кислоты, сахара, нуклеотиды, нуклеозидфоссфаты, липиды, вещества порфириновой природы и целый ряд других. По-видимому, можно считать установленным, что большинство характерных для жизни молекул произошло на Земле абиогенным путем и, что еще важнее, их синтез может происходить и сейчас в условиях других планет без участия живых систем.

Следовательно, само наличие сложных органических веществ на других планетах не может служить достаточным признаком наличия жизни. Примером в этом отношении могут быть углеродистые хондриты метеоритного происхождения, в которых содержится до 5-7% органического вещества (более подробно о хондритах ниже).

Наиболее характерная черта химического состава живых систем земного происхождения заключается в том, что все они включают углерод. Этот элемент образует молекулярные цепочки, на основе которых построены все главные биоорганические соединения, и прежде всего белки и нуклеиновые кислоты, а биологическим растворителем служит вода. Таким образом, единственная известная нам жизнь, ее основа углеродоорганическая белково - нуклеиновая - водная. В литературе обсуждается вопрос о возможности построения живых систем на другой органической основе, когда, например, вместо углерода в скелет органических молекул включается кремний, а роль воды как биологического растворителя выполняет аммиак. Такого рода теоретическую возможность практически было бы очень трудно учесть при выборе методов обнаружения и конструирования соответствующей аппаратуры, поскольку наши научные представления о жизни основаны только на изучении свойств земных организмов.

Роль и значение воды в жизнедеятельности организмов также широко обсуждается в связи с возможной заменой аммиаком или другими жидкостями, кипящими при низких температурах (сероводород, фтористый водород). Действительно, вода обладает рядом свойств, обеспечивающих ее роль в качестве биологического растворителя. Сюда относятся амфотерный характер воды и ее способность к самодиссоциации на катион Н+ и анион ОН-, высокий дипольный момент и диэлектрическая постоянная, малая вязкость, высокие удельная теплоемкость и скрытая теплота превращения, предохраняющие организмы от быстрых изменений температуры. Кроме того, роль воды в биологических системах включает факторы стабилизации макромолекул, которые обеспечиваются общими структурными особенностями воды.

В целом можно считать, что углеродоорганическая - водная химическая основа жизни является общим признаком живых систем.

Характерным признаком структурной организации живых систем является одновременное включение в их состав, помимо основных химических элементов С, Н, О, N, целого ряда других, и прежде всего серы и фосфора. Это свойство может рассматриваться в качестве необходимого признака существования живой материи. Специфичность живой материи, не смотря на все это, нельзя сводить лишь к особенностям физико - химического характера ее основных составных элементов - структурных единиц живого, имеющих абиогенное происхождение.

Общие динамические свойства живых систем

В качестве исходных представлений при интерпретации экзобиологических экспериментов необходимо принимать во внимание динамические свойства живых систем. Развитие и эволюция биологических систем шли в основном по пути совершенствование форм взаимодействия между элементами и способов регуляции состояния системы в целом. Жизнь неразрывно связана с существование 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.

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 взятие 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 меченный углерод.

Размножающиеся микроорганизмы будут разлагать эти вещества, а количество выделившегося в виде углекислоты радиоактивного углерода определит миниатюрный счетчик, прикрепленный к прибору. Если питательная среды будет содержать различные вещества с меченным 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. выше). 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 характера наблюдаемых процессов.

Конструируемые приборы не должны быть чрезмерно чувствительными, так как перспективы “открыть” жизнь там, где ее нет весьма неприятна.

С другой стороны, прибор не должен дать отрицательный ответ, если жизнь действительно существует на исследуемой планете. 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 адсобции 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 энзиматическую активность, но при применении некоторых люминофоров 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 портативным может чрезвычайно расширить возможности морфологических 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).

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 исследования. АБЛ 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.

В заключение 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 у 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 интерпретацию 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 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, 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.

***