Температура и давление

Температура и давление. Если предположение о том, что жизнь должна быть основана на химии углерода, правильно, то можно точно установить предельные условия для любой среды, способной поддерживать жизнь. Прежде всего температура не должна превышать предела стабильности органических молекул.

Определить предельную температуру нелегко, но не требуется точных цифр. Поскольку температурные эффекты и величина давления взаимозависимы, их следует рассматривать в совокупности. Приняв давление равным примерно 1 атм (как на поверхности Земли), можно оценить верхний температурный предел жизни, учитывая, что многие небольшие молекулы, из которых построена генетическая система, например аминокислоты, быстро разрушаются при температуре 200-300°С. Исходя из этого, можно заключить, что области с температурой выше 250°С необитаемы. (Из этого, однако, не следует, что жизнь определяется только аминокислотами; мы выбрали их лишь в качестве типичных представителей малых органических молекул.) Реальный температурный предел жизни почти наверняка должен быть ниже указанного, поскольку большие молекулы со сложной трехмерной структурой, в частности белки, построенные из аминокислот, как правило, более чувствительны к нагрева¬нию, чем небольшие молекулы.

Для жизни на поверхности Земли верхний температурный предел близок к 100°С, и некоторые виды бактерий при этих условиях могут выживать в горячих источниках.

Однако подавляющее большинство организмов при такой температуре гибнет. Может показаться странным, что верхний температурный предел жизни близок к точке кипения воды. Не обусловлено ли это совпадение именно тем обстоятельством, что жидкая вода не может существовать при температуре выше точки своего кипения (100°С на земной поверхности), а не какими-то особыми свойствами самой живой материи? Много лет назад Томас Д. Брок, специалист по термо¬фильным бактериям, высказал предположение, что жизнь может быть обнаружена везде, где существует жидкая вода, независимо от ее температуры.

Чтобы поднять точку кипе¬ния воды, нужно увеличить давление, как это происходит, например, в герметической кастрюле-скороварке.

Усиленный подогрев заставляет воду кипеть быстрее, не меняя ее темпе¬ратуры. Естественные условия, в которых жидкая вода су¬ществует при температуре выше ее обычной точки кипения, обнаружены в районах подводной геотермальной активнос¬ти, где перегретая вода изливается из земных недр под совместным действием атмосферного давления и давления слоя океанской воды. В 1982 г. К. О. Стеттер обнаружил на глубине до 10 м в зоне геотермальной активности бактерии, для которых оптимальная температура развития составляла 105°С. Так как давление под водой на глубине 10 м равняется 1 атм, общее давление на этой глубине достигало 2 атм. Температура кипения воды при таком давлении равна 121°С. Действительно, измерения показали, что температура воды в этом месте составляла 103°С. Следовательно, жизнь возмож¬на и при температурах выше нормальной точки кипения воды. Очевидно, бактерии, способные существовать при темпе¬ратурах около 100°С, обладают “секретом”, которого лише¬ны обычные организмы.

Поскольку эти термофильные фор¬мы при низких температурах растут плохо либо вообще не растут, справедливо считать, что и у обычных бактерий есть собственный “секрет”. Ключевым свойством, определяю¬щим возможность выживания при высоких температурах, является способность производить термостабильные клеточ¬ные компоненты, особенно белки, нуклеиновые кислоты и клеточные мембраны. У белков обычных организмов при температурах около 60°С происходят быстрые и необрати¬мые изменения структуры, или денатурация.

В качестве примера можно привести свертывание при варке альбумина куриного яйца (яичного “белка”). Белки бактерий, обита¬ющих в горячих источниках, не испытывают таких измене¬ний до температуры 90°С. Нуклеиновые кислоты также подвержены тепловой денатурации.

Молекула ДНК при этом разделяется на две составляющие ее нити. Обычно это происходит в интервале температур 85-100°С в зависимости от соотношения нуклеотидов в молекуле ДНК. При денатурации разрушается трехмерная структура бел¬ков (уникальная для каждого белка), которая необходима для выполнения таких его функций, как катализ.

Эта струк¬тура поддерживается целым набором слабых химических связей, в результате действия которых линейная последова¬тельность аминокислот, формирующая первичную структу¬ру белковой молекулы, укладывается в особую, характерную для данного белка конформацию. Поддерживающие трех¬мерную структуру связи образуются между аминокислота¬ми, расположенными в различных частях белковой молеку¬лы. Мутации гена, в котором заложена информация о последовательности аминокислот, характерной для опреде¬ленного белка, могут привести к изменению в составе амино¬кислот, что в свою очередь часто сказывается на его термо¬стабильности. Это явление открывает возможности для эволюции термостабильных белков.

Структура молекул, обеспе¬чивающая термостабильность нуклеиновых кислот и клеточ¬ных мембран бактерий, обитающих в горячих источниках, по-видимому, также генетически обусловлена.

Поскольку повышение давления препятствует кипению воды при нормальной точке кипения, оно может предотвра¬тить и некоторые повреждения биологических молекул, свя¬занные с воздействиями высокой температуры. Например, давление в несколько сотен атмосфер подавляет тепловую денатурацию белков. Это объясняется тем, что денатурация вызывает раскручивание спиральной структуры белковой молекулы, сопровождающееся увеличением объема. Препят¬ствуя увеличению объема, давление предотвращает денату¬рацию.

При гораздо более высоких величинах давления, 5000 атм и более, оно само становится причиной денатурации. Механизм этого явления, которое предполагает компрес¬сионное разрушение белковой молекулы, пока не ясен. Воз¬действие очень высокого давления приводит также к повы¬шению термостабильности малых молекул, поскольку высо¬кое давление препятствует увеличению объема, обусловлен¬ному в этом случае разрывами химических связей. Напри¬мер, при атмосферном давлении мочевина быстро разруша¬ется при температуре 130°С, но стабильна, по крайней мере в течение часа, при 200°С и давлении 29 тыс. атм. Молекулы, находящиеся в растворе, ведут себя совершен¬но иначе. Взаимодействуя с растворителем, они часто распа¬даются при высокой температуре.

Общее название таких реакций - сольватация; если растворителем служит вода, то реакция называется гидролизом. Гидролиз-это основной процесс, вследствие которого в природе разрушаются белки, нуклеиновые кислоты и многие другие сложные биологические молекулы.

Гидролиз проис¬ходит, например, в процессе пищеварения у животных, но он осуществляется и вне живых систем, самопроизвольно, осо¬бенно при высоких температурах. Электрические поля, воз¬никающие при сольволитических реакциях, приводят к уменьшению объема раствора путем электрострикции, т.е. связывания соседних молекул растворителя. Поэтому сле¬дует ожидать, что высокое давление должно ускорять про¬цесс сольволиза, и опыты подтверждают это. Поскольку мы полагаем, что жизненно важные процессы могут протекать только в растворах, отсюда следует, что высокое давление не может поднять верхний температурный предел жизни, по крайней мере в таких полярных раствори¬телях, как вода и аммиак.

Температура около 100°С-вероят¬но, закономерный предел. Как мы увидим, это исключает из рассмотрения в качестве возможных мест обитания многие планеты Солнечной системы. 2. Атмосфера Следующее условие, необходимое для обитаемости пла¬неты наличие атмосферы. Достаточно простые соединения легких элементов, которые, по нашим предположениям, составляют основы живой материи, как правило, летучи, т. е. в широком интервале температур находятся в газообразном состоянии. По-видимому, такие соединения обязательно вы¬рабатываются в процессах обмена веществ у живых организ¬мов, а также при тепловых и фотохимических воздействиях на мертвые организмы, которые сопровождаются выделе¬нием газов в атмосферу.

Эти газы, наиболее простыми примерами которых на Земле являются диоксид углерода (углекислый газ), пары воды и кислород, в конце концов включаются в кругооборот веществ, который происходит в живой природе. Если бы земное тяготение не могло их удерживать, то они улетучились бы в космическое простран¬ство, наша планета со временем исчерпала свои “запасы” легких элементов и жизнь на ней прекратилась бы. Таким образом, если бы на каком-то космическом теле, гравита¬ционное поле которого недостаточно сильно, чтобы удержи¬вать атмосферу, возникла жизнь, она не могла бы долго существовать.

Высказывалось предположение, что жизнь может сущест¬вовать под поверхностью таких небесных тел, как Луна, которые имеют либо очень разреженную атмосферу, либо вообще лишены ее. Подобное предположение строится на том, что газы могут быть захвачены подповерхностным слоем, который и становится естественной средой обитания живых организмов.

Но поскольку любая среда обитания, возникшая под поверхностью планеты, лишена основного биологически важного источника энергии-Солнца, такое предположение лишь подменяет одну проблему другой. Жизнь нуждается в постоянном притоке как вещества, так и энергии, но если вещество участвует в кругообороте (этим обусловлена необходимость атмосферы), то энергия, соглас¬но фундаментальным законам термодинамики, ведет себя иначе.

Биосфера способна функционировать, покуда снабжа¬ется энергией, хотя различные ее источники не равноценны. Например, Солнечная система очень богата тепловой энер¬гией-тепло вырабатывается в недрах многих планет, вклю¬чая Землю. Однако мы не знаем организмов, которые были бы способны использовать его как источник энергии для своих жизненных процессов.

Чтобы использовать теплоту в качестве источника энергии, организм, вероятно, должен функционировать подобно тепловой машине, т. е. переносить теплоту из области высокой температуры (например, от цилиндра бензинового двигателя) в область низкой темпера¬туры (к радиатору). При таком процессе часть перенесенной теплоты переходит в работу. Но чтобы к. п. д. таких тепло¬вых машин был достаточно высоким, требуется высокая температура “нагревателя”, а это немедленно создает огром¬ные трудности для живых систем, так как порождает мно¬жество дополнительных проблем.

Ни одной из этих проблем не создает солнечный свет. Солнце-постоянный, фактически неисчерпаемый источник энергии, которая легко используется в химических процессах при любой температуре. Жизнь на нашей планете целиком зависит от солнечной энергии, поэтому естественно предпо¬ложить, что нигде в другом месте Солнечной системы жизнь не могла бы развиваться без прямого или косвенного потреб¬ления энергии этого вида. Не меняет существа дела и тот факт, что некоторые бактерии способны жить в темноте, используя для питания только неорганические вещества, а как единственный источ¬ник углерода-его диоксид.

Такие организмы, называемые хемолитоавтотрофами (что в буквальном переводе значит: питающие себя неорганическими химическими веществами), получают энергию, необходимую для превращения диоксида углерода в органические вещества за счет окисления водоро¬да, серы или других неорганических веществ.

Но эти источ¬ники энергии в отличие от Солнца истощаются и после использования не могут восстанавливаться без участия сол¬нечной энергии. Так, водород, важный источник энергии для некоторых хемолитоавтотрофов, образуется в анаэробных условиях (например, в болотах, на дне озер или в желудоч-но-кишечном тракте животных) путем разложения под действием бактерий растительного материала, который сам, конечно, образуется в процессе фотосинтеза.

Хемолитоав-тотрофы используют этот водород для получения из диокси¬да углерода метана и веществ, необходимых для жизне¬деятельности клетки. Метан поступает в атмосферу, где разлагается под действием солнечного света с образованием водорода и других продуктов. В атмосфере Земли водород содержится в концентрации 0,5 на миллион частей; почти весь он образовался из метана, выделяемого бактериями.

Водород и метан выбрасываются в атмосферу также при извержениях вулканов, но в несравненно меньшем количест¬ве. Другой существенный источник атмосферного водоро¬да-верхние слои атмосферы, где под действием солнечного УФ-излучения пары воды разлагаются с высвобождением атомов водорода, которые улетучиваются в космическое пространство. Многочисленным популяцим различных животных-рыб, морских моллюсков, мидий, гигантских червей и т. д кото¬рые, как было установлено, и обитают вблизи горячих источников, обнаруженных на глубине 2500 м в Тихом океа¬не, иногда приписывают способность существовать незави¬симо от солнечной энергии.

Известно несколько таких зон: одна рядом с Галапагосским архипелагом, другая-на рас¬стоянии примерно 21° к северо-западу, у берегов Мекси¬ки. В глубине океана запасы пищи заведомо скудны, и открытие в 1977 г. первой такой популяции немедленно поставило вопрос об источнике их питания. Одна возмож¬ность, по-видимому, заключается в использовании органи¬ческого вещества, скапливающегося на дне океана отбро¬сов, образовавшихся в результате биологической активности в поверхностном слое; они переносятся в районы геотер-мальной активности горизонтальными течениями, возника¬ющими вследствие вертикальных выбросов горячей воды. Движение вверх перегретой воды и вызывает образование придонных горизонтальных холодных течений, направлен¬ных к месту выброса.

Предполагается, что таким путем здесь и скапливаются органические останки. Другой источник питательных веществ стал известен после того, как выяснилось, что в воде термальных источников содержится сероводород (H^S). He исключено, что хемо-литоавтотрофные бактерии находятся у начала цепи пита¬ния. Как показали дальнейшие исследования, хемолитоав-тотрофы действительно являются главным источником орга¬нического вещества в экосистеме термальных источников.

Поскольку “топливом” для этих глубоководных сооб¬ществ служит образовавшийся в глубинах Земли сероводо¬род, их обычно рассматривают как живые системы, способ¬ные обходиться без солнечной энергии.

Однако это не совсем верно, так как кислород, используемый ими для окисления “топлива”, является продуктом фотохимических превраще¬ний. На Земле имеются только два значительных источника свободного кислорода, и оба они связаны с активностью Солнца. Океан играет важную роль в жизни глубоководной экосистемы, поскольку он создает окружающую среду для организмов из термальных источ¬ников, без которой они не могли бы существовать.

Океан обеспечивает их не только кислородом, но и всеми нужными питательными веществами, за исключением сероводорода. Он удаляет отходы. И он же позволяет этим организмам переселяться в новые районы, что необходимо для их выжи¬вания, поскольку источники недолговечны - согласно оцен¬кам, время их жизни не превышает 10 лет. Расстояние между отдельными термальными источниками в одном районе океана составляет 5-10 км. 3. Растворитель В настоящее время принято считать, что необходимым условием жизни является также наличие растворителя того или иного типа. Многие химические реакции, протекающие в живых системах, без растворителя были бы невозможны.

На Земле таким биологическим растворителем служит вода. Она представляет собой главную составляющую живых клеток и одно из самых распространенных на земной поверх¬ности соединений. Ввиду того что образующие воду хими¬ческие элементы широко распространены в космическом пространстве, вода, несомненно одно из наиболее часто встречающихся соединений во Вселенной.

Но, несмотря на такое изобилие воды повсюду. Земля - единственная планета в Солнечной системе, имеющая на своей поверхности океан; это важный факт, к которому мы вернемся позже. Вода обладает рядом особых и неожиданных свойств, благодаря которым она может служить биологическим растворителем-естественной средой обитания живых орга¬низмов. Этими свойствами определяется ее главная роль в стабилизации температуры Земли. К числу таких свойств относятся: высокие температуры плавления (таяния) и кипе¬ния; высокая теплоемкость; широкий диапазон температур, в пределах которого вода остается в жидком состоянии; боль¬шая диэлектрическая постоянная (что очень важно для раст¬ворителя); способность расширяться вблизи точки замерза¬ния. Всестороннее развитие эти вопросы получили, в част¬ности, в трудах Л.Дж. Гендерсона (1878-1942), профессора химии Гарвардского университета.

Современные исследования показали, что столь необыч¬ные свойства воды обусловлены способностью ее молекул образовывать водородные связи между собой и с другими молекулами, содержащими атомы кислорода или азота. В действительности жидкая вода состоит из агрегатов, в кото¬рых отдельные молекулы соединены вместе водородными связями.

По этой причине при обсуждении вопроса о том, какие неводные растворители могли бы использоваться жи¬выми системами в других мирах, особое внимание уделяется аммиаку (МНз), который также образует водородные связи и по многим свойствам сходен с водой.

Называются и другие вещества, способные к образованию водородных связей, в частности фтористоводородная кислота (HF) и цианистый водород (HCN). Однако последние два соединения-малове¬роятные кандидаты на эту роль. Фтор относится к редким элементам: на один атом фтора в наблюдаемой Вселенной приходится 10000 атомов кислорода, так что трудно пред¬ставить на любой планете условия, которые благоприятство¬вали бы образованию океана, состоящего из HF, а не из НдО. Что касается цианистого водорода (HCN), составля¬ющие его элементы в космическом пространстве встречают¬ся в изобилии, но это соединение термодинамически недоста¬точно устойчиво.

Поэтому маловероятно, чтобы оно могло в больших количествах когда-либо накапливаться на какой-то планете, хотя, как мы говорили раньше, HCN представляет собой важное (хотя и временное) промежуточное звено в предбиологическом синтезе органических веществ. Аммиак состоит из довольно распространенных элемен¬тов и, хотя он менее стабилен, чем вода, все же достаточно устойчив, чтобы его можно было рассматривать как возмож¬ный биологический растворитель.

При давлении в 1 атм он находится в жидком состоянии в интервале температур — 78 — — 33°С. Этот интервал (45°) намного уже соответству¬ющего интервала для воды (100°С), но он охватывает ту область температурной шкалы, где вода не может функцио¬нировать как растворитель. Рассматривая аммиак, Гендер-сон указывал, что это единственное из известных соединений, которое как биологический растворитель приближается по своим свойствам к воде. Но в конце концов ученый отказался от своего утверждения по следующим причинам.

Во-первых, аммиак не может накопиться в достаточном количестве на поверхности какой-либо планеты; во-вторых, в отличие от воды он не расширяется при температуре, близкой к точке замерзания (вследствие чего вся его масса может целиком остаться в твердом, замороженном состоянии), и наконец, выбор его как растворителя исключает выгоды от использо¬вания кислорода в качестве биологического реагента. Ген-дерсон не высказал определенного мнения о причинах, кото¬рые помешали бы аммиаку накапливаться на поверхности планет, но тем не менее он оказался прав. Аммиак разруша¬ется УФ-излучением Солнца легче, чем вода, т. е. его молеку¬лы расщепляются под воздействием излучения большей длины волны, несущего меньше энергии, которое широко представлено в солнечном спектре.

Образующийся в этой реакции водород улетучивается с планет (за исключением самых больших) в космическое пространство, а азот остает¬ся. Вода также разрушается в атмосфере под действием солнечного излучения, но только гораздо более коротковол¬нового, чем то, которое разрушает аммиак, а выделяющиеся при этом кислород (О2) и озон (Оз) образуют экран, очень эффективно защищающий Землю от убийственного УФ-из-лучения.

Таким образом происходит самоограничение фото¬деструкции атмосферных паров воды. В случае аммиака подобное явление не наблюдается. Эти рассуждения неприменимы к планетам типа Юпите¬ра. Поскольку водород в изобилии присутствует в атмосфере этой планеты, являясь ее постоянной составляющей, разумно предполагать наличие там аммиака.

Эти предположения подтверждены спектроскопическими исследованиями Юпи¬тера и Сатурна. Вряд ли на этих планетах имеется жидкий аммиак, но существование аммиачных облаков, состоящих из замерзших кристаллов, вполне возможно. Рассматривая вопрос о воде в широком плане, мы не вправе априори утверждать или отрицать, что вода как биологический растворитель может быть заменена другими соединениями.

При обсуждении этой проблемы нередко проявляется склонность к ее упрощению, поскольку, как правило, учитываются лишь физические свойства альтерна¬тивных растворителей. При этом приуменьшается или сов¬сем игнорируется то обстоятельство, которое отмечал еще Гендерсон, а именно: вода служит не только растворителем, но и активным участником биохимических реакций. Элемен¬ты, из которых состоит вода, “встраиваются” в вещества живых организмов путем гидролиза или фотосинтеза у зеленых растений (см. реакцию 4). Химическая структура живого вещества, основанного на другом растворителе, как и вся биологическая среда, обязательно должны быть иными.

Другими словами, замена растворителя неизбежно влечет за собой чрезвычайно глубокие последствия. Никто всерьез не пытался их себе представить. Подобная попытка вряд ли разумна, ибо она представляет собой ни больше ни меньше, как проект нового мира, а это занятие весьма сомнительное.

Пока мы не в состоянии ответить даже на вопрос о возмож¬ности жизни без воды, и едва ли что-нибудь узнаем об этом, пока не обнаружим пример безводной жизни. VI.