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, несмотря на все это, нельзя сводить лишь к особенностям физико-химического характера ее основных составных элементов.
Развитие и эволюция биологических систем шли в основном по пути совершенствования форм взаимодействия между элементами. Жизнь неразрывно связана с существованием открытых систем, свойства которых во многом зависят от соотношения скоростей процессов обмена энергией и массой с окружающей средой. Исследование динамических свойств открытых систем методами математического моделирования позволило объяснить целый ряд их характерных черт.
При сохранении постоянных внешних условий в живой системе устанавливается колебательный режим, который наблюдается на разных уровнях биологической организации. Это свойство является важным признаком высокой степени организации системы, что, в свою очередь, можно рассматривать как необходимое условие жизни.
Важным аспектом проблемы внеземной жизни является необходимость внешнего притока энергии для ее развития. Солнечный свет, главным образом в ультрафиолетовой области спектра, играет существенную роль в процессах возникновения и развития жизни. Жизнедеятельность первичных живых систем во многом определяется фотохимическими реакциями входящих в их состав соединений.
Многие организмы, не имеющие прямого отношения к современному фотосинтезу, тем не менее, меняют свою активность при освещении. Так, явление фотореактивации клеток организмов видимым светом, 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 был не единственным источником энергии на ранних этапах эволюции органических соединений. Эту роль могла выполнять и химическая энергия, высвобождаемая, например, в реакциях окисления. Однако в целом жизнь для своего развития требует, очевидно, постоянного внешнего притока свободной энергии, источником которого для Земли является Солнце. Поэтому свет играет важную роль на всех этапах эволюции жизни, начиная с синтеза первичных живых систем и кончая современным фотосинтезом, обеспечивающим образование органических веществ на Земле. Итак, сделаем некоторые выводы.
• Основным свойством живой материи является ее существование в виде открытых самовоспроизводящихся систем, которые обладают структурами для сбора, хранения, передачи и использования информации.
• Углеродосодержащие органические соединения и вода как растворитель составляют химическую основу жизни.
• Необходимым условием жизни является утилизация энергии света, ибо прочие источники энергии обладают на несколько порядков меньшей мощностью.
• В живых системах протекают сопряженные химические процессы, в которых происходит передача энергии.
• В биологических системах могут преобладать асимметрические молекулы, осуществляющие оптическое вращение.
• Различные организмы, существующие на планете, должны обладать рядом сходных основных черт.
МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ВНЕЗЕМНОЙ ЖИЗНИ
Поиск микроорганизмов
Наиболее весомым доказательством присутствия жизни на планете будет, конечно, рост и развитие живых организмов. Поэтому когда сравниваются и оцениваются различные методы обнаружения жизни вне Земли, преимущество отдается тем из них, 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 приборов — «Гулливере» — предложено остроумное приспособление для взятия пробы для посева. По окружности прибора расположены 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 др.), 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 году.
Когда клетки микроорганизмов размножаются, интенсивность регистрируемых и передаваемых на Землю показателей непрерывно нарастает. Динамика этих процессов хорошо известна, а она — надежный критерий определения действительного роста и размножения клеток.
Наконец, на борту автоматической станции можно поместить два контейнера с питательной средой. И как только в них начнется 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, приближена к нулю, а за увеличение чувствительности приходится платить излишней громоздкостью.
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 необходимую информацию. Некоторые краски, соединяясь с органическими веществами, дают легко обнаруживаемые комплексы, поскольку обладают способностью к адсорбции волн строго определенной длины. Один из предложенных методов основан на применении масс-спектрометра, который устанавливает обмен изотопа кислорода 018, происходящий под влиянием ферментов микробов у таких соединений, как сульфаты, нитраты или фосфаты. Особенно хорошо и, главное, разнообразно применение люминесценции. Применение некоторых люминофоров дает свечение ДНК, содержащейся в клетках бактерий.
Следующий этап в исследованиях — применение портативного микроскопа, снабженного поисковым устройством, способным отыскивать в поле зрения отдельные клетки.
Специальные устройства будут передавать на Землю (в общем, этот принцип уже использовался на практике) видимые микроскопические картины. Здесь уместно отметить, что в задачи экзобиологии кроме обнаружения существующей теперь жизни входят также палеобиологические исследования.
Сложным вопросом в методическом отношении будет признание живыми тех форм, которые организованы более просто, чем микроорганизмы. Эти находки, вероятно, представят гораздо больший интерес для решения проблемы возникновения жизни, чем обнаружение таких относительно живых существ, как микроорганизмы.
Методов, позволяющих получать сведения о внеземной жизни, пока немного. Мы только приближаемся к такой возможности. И трудно будет переоценить значение данных, которые мы получим.
В заключение можно условно разделить все методы на три группы:
