Пять нерешенных проблем науки Артур Уиггинс Чарльз Уинн

АРТУРУИГГИНС, ЧАРЛЬЗУИНН

ПЯТЬ

НЕРЕШЕННЫХ

ПРОБЛЕМ

НАУКИ

Рисунки Сидни Харриса

Уиггинс А ._, Уинн Ч .

THE FIVE BIGGEST UNSOLVED PROBLEMS IN SCIENCE

ARTHUR W. WIGGINS CHARLES M. WYNN

With Cartoon Commentary by Sidney Harris

John Wiley & Sons, Inc.

Книга рассказывает о крупнейших проблемах астрономии, физики, химии, биологии и геологии, над которыми сейчас работают ученые. Авторы рассматривают открытия, приведшие к этим проблемам, знакомят с работой по их решению, обсуждают новые теории, в том числе теории струн, хаоса, генома человека и укладки белков.

Предисловие

Мы, люди, ютимся на обломке скалы под названием «планета», обращающейся вокруг ядерного реактора под названием «звезда», которая входит в огромное собрание звезд под названием «Галактика», а та в свою очередь — часть скоплений галактик, составляющих Вселенную. Наше состояние, именуемое нами жизнью, присуще множеству иных организмов на этой планете, но, похоже, мы одни обладаем орудием ума для постижения Вселенной и всего, чем она располагает. Свои усилия по выяснению природы Вселенной мы подводим под понятие науки. Такое понимание дается нелегко, и путь к нему долог. Однако успехи налицо.

Данная книга поведает читателю о крупнейших нерешенных проблемах науки, над которыми работают сегодня ученые. При всем изобилии экспериментальных данных их оказывается недостаточно, чтобы подтвердить ту или иную гипотезу. Мы рассмотрим события и открытия, приведшие к этим проблемам, а затем ознакомим вас с тем, как сегодня их пытаются решить ученые, находящиеся на переднем крае науки. Сидни Харрис, лучший американский иллюстратор научных изданий, оживит наши рассуждения присущим его рисункам юмором, не только поясняя затрагиваемые идеи, но и высвечивая их совершенно по-новому.

Мы обсуждаем здесь также нерешенные проблемы в основных отраслях естествознания, руководствуясь в своем выборе степенью их значимости, трудности, широты охвата и масштабом последствий. Наряду с ними мы включили в книгу краткий обзор и некоторых других проблем в каждой из затронутых отраслей знания, а также «Список идей», где читатель найдет дополнительные сведения о подоплеке некоторых нерешенных проблем. Наконец, мы привели «Источники для углубленного изучения», где перечислены информационные ресурсы, призванные помочь больше узнать о заинтересовавших вас предметах.

Особой благодарности заслуживают Кейт Бредфорд, старший редактор издательства Wiley , первый подавший мысль о такой книге, и наш литературный агент Луиза Кетц за ее неизменные слова поддержки.

Глава первая

Видение науки

Ведь человеку образованному свойственно добиваться точности для каждого рода [предметов][*]

в той степени, в какой это допускает природа предмета. Одинаково [нелепым] кажется и довольствоваться пространными рассуждениями математика, и требовать от ритора строгих доказательств.

Аристотель

Наука ≠ техника

Разве наука и техника не одно и то же? Нет, они различны.

Хотя техника, определяющая современную культуру, развивается благодаря постижению наукой Вселенной, техника и наука руководствуются разными побуждениями. Рассмотрим основные различия между наукой и техникой. Если занятия наукой вызваны желанием человека познать и понять Вселенную, то технические новшества — стремлением людей изменить условия своего существования, чтобы добыть себе пропитание, помочь другим, а нередко и совершить насилие ради личной выгоды.

Люди зачастую одновременно занимаются «чистой» и прикладной наукой, но в науке можно вести фундаментальные исследования без оглядки на конечный результат. Британский премьер-министр Уильям Гладстон заметил как-то Майклу Фарадею по поводу его основополагающих открытий, связавших воедино электричество и магнетизм: «Все это весьма занятно, но каков в этом прок?» Фарадей ответил: «Сэр, я не знаю, но однажды вы от этого выгадаете». Почти половину нынешнего богатства развитым странам принесла связь электричества с магнетизмом.

Прежде чем научные достижения станут достоянием техники, требуется принять во внимание дополнительные соображения: разработка какого устройства возможна, что допустимо построить (вопрос, по сути, относящийся к области этики). Этика же принадлежит к совершенно иной области умственной деятельности человека: гуманитарным наукам.

Основное различие между естествознанием и гуманитарными науками состоит в объективности. Естествознание стремится изучать поведение Вселенной по возможности объективно, тогда как перед гуманитарными науками такой цели или требования нет. Перефразируя слова ирландской писательницы XIX века Маргарет Волф Хангерфорд, можно сказать: «Красота [и истина, и справедливость, и благородство, и...] видится всеми по-разному».

Наука далеко не монолитна. Естественные науки заняты изучением как окружающей среды, так и самих людей, поскольку они функционально подобны иным формам жизни. А гуманитарные науки исследуют рациональное (эмоциональное) поведение людей и их установки, которые необходимы им для социального, политического и экономического взаимодействия. На рис. 1.1 графически представлены эти взаимосвязи.

Как бы ни способствовало такое стройное изложение пониманию существующих связей, действительность всегда оказывается значительно сложнее. Этика помогает определить, что исследовать, какие исследовательские методы, приемы использовать и какие эксперименты недопустимы ввиду таящейся в них угрозы благополучию людей. Политэкономия и политология также играют огромную роль, поскольку наука может изучать лишь то, что культура склонна поощрять как орудия производства, рабочую силу или что-то, политически приемлемое.

Механизм работы науки

Успех науки в изучении Вселенной складывается из наблюдений и выдвижения идей. Такого рода взаимообмен именуют научным методом (рис. 1.2).

В ходе наблюдения то или иное явление воспринимается органами чувств при помощи приборов или без них. Если в естествознании наблюдения ведутся за множеством подобных предметов (например, атомов углерода), то науки о человеке имеют дело с меньшим числом различных субъектов (например, людей, пусть даже однояйцевых близнецов).

После сбора данных наш ум, стремясь их упорядочить, начинает строить образы или объяснения. В этом и заключается работа человеческой мысли. Данный этап именуют этапом выдвижения гипотезы. Построение общей гипотезы на основе полученных наблюдений ведется посредством индуктивного умозаключения, которое содержит обобщение и поэтому считается самым ненадежным видом умозаключения. И как бы ни пытались искусственно строить выводы, в рамках научного метода подобного рода деятельность ограничена, поскольку на последующих этапах гипотеза сталкивается с действительностью.

Зачастую гипотеза целиком или отчасти формулируется на языке, отличающемся от обиходной речи, языке математики. Для приобретения математических навыков требуется приложить большие усилия, иначе несведущим в математике людям при объяснении научных гипотез понадобится перевод математических понятий на повседневный язык. К сожалению, при этом смысл гипотезы может существенно пострадать.

После построения гипотезу можно использовать для предсказания некоторых событий, которые должны произойти, если гипотеза верна. Такое предсказание выводится из гипотезы посредством дедуктивного умозаключения. Например, второй закон Ньютона гласит, что F = та. Если т равно 3 единицам массы, а а — 5 единицам ускорения, то F должна равняться 15 единицам силы. Выполнение математических расчетов на данном этапе могут взять на себя вычислительные машины, работающие на основе дедуктивного метода.

Следующий этап — проведение опыта, чтобы выяснить, подтверждается ли предсказание, сделанное на предыдущем этапе. Некоторые опыты провести довольно просто, но чаще — крайне затруднительно. Даже изготовив сложное и дорогостоящее научное оборудование для получения весьма ценных данных, нередко бывает нелегко найти деньги, а затем запастись терпением, необходимым для обработки и осмысления огромного массива этих данных. Естествознание обладает преимуществом: здесь можно обособить изучаемый предмет, тогда как наукам о человеке и обществе приходится иметь дело с многочисленными переменными, зависящими от различных взглядов (пристрастий) многих людей.

После завершения опытов их результаты сверяются с предсказанием. Поскольку гипотеза носит общий, а экспериментальные данные — частный характер, то результат, когда опыт согласуется с предсказанием, не доказывает гипотезу, а лишь подтверждает ее. Однако если исход опыта не согласуется с предсказанием, определенная сторона гипотезы оказывается ложной. Эта черта научного метода, именуемая фальсифицируемостью (опровергаемостью), накладывает на гипотезы определенное жесткое требование. Как выразился Альберт Эйнштейн, «никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию; но достаточно одного эксперимента, чтобы ее опровергнуть».

Оказавшуюся ложной гипотезу необходимо каким-то образом пересмотреть, т. е. слегка изменить, основательно переработать или же вовсе отбросить. Крайне трудно бывает решить, какие изменения здесь уместны. Пересмотренным гипотезам предстоит снова проделать тот же путь, и либо они устоят, либо от них откажутся в ходе дальнейших сопоставлений предсказания с опытом.

Другая сторона научного метода, не позволяющая сбиться с пути, — воспроизведение. Любой наблюдатель с соответствующей выучкой и подобающим оснащением должен суметь повторить опыты или предсказания и получить сравнимые результаты. Иначе говоря, науке свойственны постоянные перепроверки. Например, коллектив ученых из Национальной лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли[†] пытался получить новый химический элемент, обстреливая свинцовую мишень мощным лучом ионов криптона и затем изучая полученные вещества. В 1999 году ученые объявили о синтезе элемента с порядковым номером 118.

Синтез нового элемента — это всегда важное событие. В данном случае его синтез мог подтвердить бытовавшие представления о стабильности тяжелых элементов. Однако ученые других лабораторий Общества по изучению тяжелых ионов (Дармштадт, Германия), Большого государственного ускорителя тяжелых ионов Кайенского университета (Франция) и Лаборатория атомной физики Физико-химического института Рикэн (Япония) — не смогли повторить синтез элемента 118. Расширенный коллектив лаборатории в Беркли повторил опыт, но ему также не удалось воспроизвести полученные ранее результаты. В Беркли перепроверили исходные экспериментальные данные посредством программы с видоизмененным кодом и не сумели подтвердить наличия элемента 118. Пришлось отзывать свою заявку. Данный случай свидетельствует, что научный поиск бесконечен.

Порой наряду с опытами перепроверяются и гипотезы. В феврале 2001 года Брукхэйвенская национальная лаборатория в Нью-Йорке сообщила об опыте, в котором магнитный момент мюона (подобно электрону отрицательно заряженной частицы, но значительно более тяжелой) слегка превышает величину, предопределенную стандартной моделью физики элементарных частиц (подробнее об этой модели см. гл. 2). А поскольку предположения стандартной модели о многих иных свойствах частиц очень хорошо согласовывались с опытными данными, такое расхождение по поводу величины магнитного момента мюона разрушало основу стандартной модели.

Предсказание магнитного момента у мюона стало следствием сложных и долгих расчетов, независимо проведенных учеными в Японии и Нью-Йорке в 1995 году. В ноябре 2001 года эти расчеты повторили французские физики, которые обнаружили ошибочный отрицательный знак у одного из членов уравнения и разместили свои результаты в Интернете. В итоге Брукхэйвенская группа перепроверила собственные вычисления, признала ошибку и опубликовала исправленные результаты. В итоге удалось сократить расхождение между предсказанием и опытными данными. Стандартной модели вновь предстоит выдержать испытания, которые ей готовит непрекращающийся научный поиск.

Научный метод в действии

Рассмотрим шаг за шагом классический пример работы научного метода.

Наблюдение. Дж. Дж. Томсон, руководитель Кавендишской лаборатории (1884—1919) в Англии, изучал поведение светового луча в электронно-лучевой трубке (прообразе современной приемной телевизионной ЭЛТ). Поскольку луч: 1) отклонялся в сторону положительно заряженных электрических пластин и 2) при ударе о них вызывал вспышки света, выходило, что он состоял из отрицательно заряженных частиц — электронов, как назвал их ирландский физик XIX века Джордж Фицджеральд в своих замечаниях по поводу опыта Томсона. (Название электрон в качестве единицы электрического заряда предложил другой ирландский физик, Джордж Стони.)

Гипотеза. Поскольку атомы не обладают зарядом (нейтральны), а Томсон открыл внутри них отрицательно заряженные частицы, он заключил, что атом должен иметь и положительный заряд. В 1903 году Томсон создал теорию, согласно которой положительный заряд «размазан» по всему атому, а отрицательно заряженные электроны в виде вкраплений находятся посреди положительно заряженного вещества. Такая картина напоминала традиционное британское блюдо, поэтому получила название «томсоновская модель атома в виде пудинга с изюмом».

Предсказание. Эрнст Резерфорд был специалистом по положительно заряженным частицам, именуемым α- частицами. В начале XX века он предсказал, что обстрел этими частицами атомов, состоящих из редкого и «размазанного» положительного заряда, согласно томсоновской модели «пудинга с изюмом» будет напоминать броски бильярдными шарами в туман. Большая часть шаров пройдет напрямую, и лишь их толика отклонится на крайне малую величину.

Опыт. В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден стали обстреливать α-частицами тонкую золотую фольгу. Результаты оказались совершенно отличными от ожидаемых. Некоторые ос-частицы отклонялись на большие величины, а отдельные даже отскакивали обратно. Резерфорд заметил, что это «столь же неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил вас самих».

Повтор. На смену томсоновской модели атома пришла резерфордовская модель по образцу Солнечной системы, где положительный заряд был сосредоточен в сравнительно крошечном ядре посредине атома, а электроны (подобно планетам) обращались по круговым орбитам вокруг ядра (подобного Солнцу). В XX веке, после очередных предсказаний и опытов резерфордовскую модель атома в виде Солнечной системы сменили иные модели. Когда опытные данные не согласовывались с предсказаниями существовавшей гипотезы, приходилось пересматривать гипотезу.

Так толкование открытых Исааком Ньютоном законов механики и классических гипотез Джеймса Клерка Максвелла о природе электричества и магнетизма привело к заманчивому предположению об абсолютном характере пространства и времени. Теория относительности Эйнштейна заменила эти удобные абсолютные величины противоречащими интуиции и философски неблагонадежными относительными величинами. Основная причина, вынудившая признать существование относительности, заключалась в соответствии предсказаний данной теории опытным данным.

Несмотря на распространенность того или иного представления, известность сторонников какой-либо теории, непривлекательность новой теории, политические взгляды авторов идей или трудность их понимания, незыблемым остается одно: верховенство данных опыта.

Сложности

Представленный здесь научный метод — рациональная реконструкция функционирования науки в действительности. Подобная идеализация, естественно, отличается от происходящего на самом деле, например, при большом числе участников, когда этапы разделяются длительными промежутками времени. И все же у нас есть возможность многое увидеть.

Здесь необходимо учитывать ряд сложностей. Прежде всего, наука выдвигает несколько философских предположений, с которыми не согласны некоторые философы. Наука допускает существование объективной реальности, не зависящей от наблюдателя. Иначе без такой объективности одни и те же наблюдения и опыты, повторенные в различных лабораториях, могли бы разниться, и тогда исследователям невозможно было бы прийти к согласию. Далее, наука полагает, что Вселенной управляют некие незыблемые законы, и человек в состоянии постичь эти законы. Если управляющие Вселенной законы лишены определенности или мы не в состоянии постичь их, все усилия науки по выдвижению любых гипотез окажутся тщетными. Но поскольку наше понимание этих законов, похоже, углубляется, а основанные на них предсказания находят подтверждения в опытах, такие предположения выглядят вполне разумными.

Научные гипотезы строятся в связи с событиями, происходящими на протяжении длительного промежутка времени, в том числе с минувшими, которые нельзя проверить опытом. Обычно такую трудность обходят, выдвигая перекрестные гипотезы из различных отраслей знаний в поисках взаимного согласия. Например, оцениваемый в более чем 4 млрд. лет возраст Земли подтверждается астрономическими вычислениями содержания гелия в недрах Солнца, геологическими измерениями тектоники плит и биологическими наблюдениями за ростом коралловых отложений.

При объяснении определенного события — особенно при отсутствии опытных данных для некоторых явлений (например, о далеком прошлом, у которого не было летописцев, или о недоступных уголках Вселенной) — может выдвигаться сразу несколько гипотез. Щекотливое положение, когда много гипотез невозможно экспериментально подтвердить, разрешается на основе принципа научной бережливости [лат. Principium parsimoniae ], именуемого бритвой Оккама. Английский философ Уильям из Оккама [местечка в английском графстве Сэррей] (1285—1349) был францисканским монахом и часто в своих философских сочинениях пользовался средневековым правилом: «Сущностей не следует умножать без необходимости»[‡] .

Военные дали этому правилу более простое и непосредственное выражение — KISS: KeepItSimple, Stupid («He усложняй, болван»), или KeepItShortandSweet («Будь краток и мил»). В любом случае оно служит руководством при отсутствии опытных данных. Если есть несколько гипотез и невозможно провести опыты, которые бы позволили выбрать между ними, останавливаются на самой простой.

Опыт доказывает правильность такого подхода. Например, в 1971 году космический зонд Uhuru по измерению рентгеновского излучения неожиданно выявил мощный поток рентгеновских лучей со стороны созвездия Лебедя, обозначенный Лебедь Х-1. Видимого источника этого излучения, которое исходило как бы из пустоты близ звезды-сверхгиганта HDE 226868, удаленной от Земли на 8 тыс. световых лет, не наблюдалось. (Разъяснение обозначения HDE см.: Список идей, 14. Составление звездных каталогов.) Согласно одной гипотезе, всему виной был невидимый спутник звезды HDE 226868. Этот призрак притягивал массу, которую исторгала из себя HDE 226868. При втягивании этого вещества невидимым спутником его температура повышалась до такой степени, что спутник начинал излучать радиоволны. Другая гипотеза требовала по меньшей мере двух невидимых тел, взаимодействующих с HDE 226868, — невидимую из-за своей блеклости обычную звезду и вращающуюся нейтронную звезду (ядро звезды, которая после завершения отпущенного ей срока сжимается в состоящий из нейтронов шар), именуемую пульсаром. Эти три тела, расположенные определенным образом, и могли быть источниками наблюдавшегося радиоизлучения.

Удаленность Лебедя Х-1 не позволяет проводить непосредственную проверку, тем более что само это излучение происходило 8 тыс. лет назад. Тогда какая же из соперничающих гипотез справедлива? Согласно экспериментальным данным — обе. Но, пользуясь бритвой Оккама, мы видим, что лучше всего здесь подходит более простое объяснение, ограничивающееся одним небесным телом. Таким образом, Лебедь Х-1 стал первым зарегистрированным примером невидимого спутника, известного как черная дыра. Впоследствии при схожих обстоятельствах удалось обнаружить более 30 таких объектов.

Принцип «Бритва Оккама» вступает в действие лишь при отсутствии опытного подтверждения. Его задача — помочь выбрать простейшую гипотезу, согласующуюся с наблюдениями. Однако она не может исключить прочие гипотезы, подтверждаемые даже более сложными данными. Ведь она не способна заменить получаемое в опыте подтверждение. Естественно, бритва Оккама уступает обстоятельным опытным данным, но порой это единственное, что у нас есть.

Нерешенные проблемы

Теперь, уяснив, как наука вписывается в умственную деятельность человека и как она функционирует, можно видеть, что ее открытость позволяет различными путями идти к более полному постижению Вселенной. Возникают новые явления, по поводу которых гипотезы хранят молчание, и, чтобы нарушить его, выдвигаются новые гипотезы, полные свежих идей. На их основе уточняются предсказания. Создается новое экспериментальное оборудование. Вся эта деятельность приводит к появлению гипотез, более точно отражающих поведение Вселенной. И все это ради одной цели — понять Вселенную во всем ее многообразии.

Научные гипотезы можно рассматривать как ответы на вопросы об устройстве Вселенной. Наша же задача состоит в исследовании пяти крупнейших проблем, не решенных до настоящего времени. Под словом «крупнейшие» подразумеваются проблемы, имеющие далеко идущие последствия, самые важные для нашего дальнейшего понимания, или обладающие наиболее весомым прикладным значением. Мы ограничимся одной крупнейшей нерешенной проблемой, взятой из каждой пяти отраслей естествознания, и попытаемся описать, каким образом можно ускорить их решение. Конечно, науки о человеке и обществе, гуманитарные и прикладные, имеют свои нерешенные проблемы (например, природа сознания), но данный вопрос выходит за рамки этой книги.

Вот отобранные нами в каждой из пяти отраслей естествознания крупнейшие нерешенные проблемы и то, чем мы руководствовались в своем выборе.

Физика. Связанные с движением свойства массы тела (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей многим, но не всем элементарным частицам Вселенной, нам не понятна. Крупнейшая нерешенная задача физики такова: почему одни частицы обладают массой [покоя], а другие — нет?

Химия. Изучение химических реакций живых и неживых тел ведется широко и весьма успешно. Крупнейшая нерешенная задача химии такова: какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?

Биология. Недавно удалось получить геном, или молекулярный чертеж, многих живых организмов. Геномы несут информацию об общих белках, или протеоме, живых организмов. Крупнейшая нерешенная задача биологии такова: каково строение и предназначение протеома?

Геология. Модель тектоники плит удовлетворительно описывает последствия взаимодействия верхних оболочек Земли. Но атмосферные явления, особенно тип погоды, похоже, не поддаются попыткам создать модели, ведущие к получению надежных прогнозов. Крупнейшая нерешенная задача геологии такова: возможен ли точный долговременный прогноз погоды?

Астрономия. Хотя многие стороны общего устройства Вселенной хорошо известны, в ее развитии еще много неясного. Недавнее открытие, что скорость расширения Вселенной возрастает, приводит к мысли, что она будет расширяться бесконечно. Крупнейшая нерешенная задача астрономии такова: почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?

Многие иные занимательные вопросы, связанные с этими задачами, будут возникать попутно, и некоторые из них сами могут в будущем стать крупнейшими. Об этом идет речь в заключительном разделе книги: «Список идей».

Уильям Гарвей, английский врач XVII века, определивший природу кровообращения, сказал: «Все, что мы знаем, бесконечно мало по сравнению с тем, что нам пока неведомо» [«Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», 1628]. И это верно, поскольку вопросы множатся быстрее, чем на них успевают ответить. По мере расширения освещаемого наукой пространства увеличивается и обступающий его мрак.

Глава вторая

Физика

Почему одни частицы обладают массой, а другие нет?

...очертанья грозные событий, Нам предстоящих...

У. Шекспир. Троил и Крессида

Пер. Т. Гнедич

Физика занимается изучением свойств покоящейся и движущейся материи и различных видов энергии. Связанные с движением свойства (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей большинству форм материи, непонятна. И действительно, происхождение массы — крупнейшая нерешенная задача физики.

Масса

Всем нам знакома масса. Это нечто само собой разумеющееся. Мы все обладаем той или иной массой. Масса — виновница того, что легче вытащить застрявший автомобиль, нежели детскую коляску. Благодаря массе сила тяготенияудерживает нас на Земле.

Только неясно происхождение массы. Многим, но не всем элементарным частицам Вселенной присуща масса [покоя]. Почему одни обладают ею, а другие — нет? Что «придает» массу тем или иным частицам? Почему масса частиц различается? Отсутствует ли что-то у безмассовых частиц помимо массы? Ответы на эти вопросы, возможно, находятся в так называемых хиггсовых полях, но прежде чем уяснить смысл неуловимых хиггсовых полей, необходимы кое-какие предварительные сведения.

Начнем с того, что масса тела связана с количеством содержащегося в нем вещества, а всем хорошо известно, что составляет вещество: это набор и сочетание атомов. Но что образует атомы? Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Электроны — элементарные частицы (не составные), чего нельзя сказать о протонах и нейтронах. Они образованы из кварков, и, похоже, именно кварки и электроны и есть истинно элементарные частицы.

Рис. 2.1. Кирпичики, составляющие материю

Прежде чем обратиться к непонятной природе массы, посмотрим, откуда появляются кварки (рис. 2.1). По мере ознакомления с другими элементарными частицами мы увидим, что более элементарными по сравнению с частицами оказываются поля, и изучим самую признанную в физике теорию поля, именуемую стандартной моделью. Затем рассмотрим недочеты стандартной модели: она не определяет источник массы и обходит стороной вопрос тяготения. Наконец, мы исследуем теории, выходящие за рамки стандартной модели, где мог бы быть решен вопрос о происхождении массы.

Более элементарные по сравнению с атоллами

Чтобы разобраться с кварками, следует обратиться к атомам. Изучение Эрнстом Резерфордом α-частиц привело в начале XX века к открытию ядра (см. гл. 1). Экспериментальные и теоретические изыскания физиков позволили продвинуться вглубь тех кирпичиков, что лежат в основе Вселенной. К 1920 году определились со строением атома, он оказался состоящим из ядра с положительно заряженными протонами и нейтральными нейтронами (хотя в опытах еще не было подтверждено существование нейтронов в то время), вокруг которого обращались электроны.

Целостность этой картины вскоре нарушилась. Для объяснения излучения света нагретыми телами немецкий физик Макс Планк в 1900 году выдвинул предположение, что световая энергия передается в виде порций, названных квантами, а не любым количеством, как думали ранее (вроде звеньев, а не сплошной ленты). По мнению Планка, это было всего лишь математической операцией, позволившей решить возникшие трудности. Однако в 1905 году Альберт Эйнштейн отнесся к идее Планка иначе. Он показал, что если свет действительно имеет квантовую природу, то этим объясняется загадка фотоэлектрического эффекта.

Фотоэлектрический эффект проявляется при падении света на металл, что вызывает выход электронов из металла. Однако испускание электронов прекращается при свете со слишком малой частотой независимо от мощности источника света. Эйнштейн заключил, что свет действует подобно частице, передавая свою энергию электрону и тем самым высвобождая его. Кроме того, отношение Планка, связывавшее энергию с частотой, объясняло отсутствие электронов при низкой частоте падающего света. Световым фотонам просто не хватало энергии для образования свободных электронов. Действия света больше напоминали поведение частицы, нежели волны.

Распространение представления о квантах на атомы в 1920-х годах привело к созданию квантово-механической модели атома. В данной теории электронам как частицам приписывались волновые свойства. Квантово-механические предсказания относительно цвета света, испускаемого возбужденными атомами, согласовывались с данными спектроскопии, так что теория выдержала опытную проверку. Теперь симметрия была полной. Свет мог проявляться в виде волны или частицы, а электрон (протон или нейтрон) — в виде частицы или волны, в зависимости от проводимых опытов.

Одним из следствий квантовой механики стал принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому существует предел произведения неопределенности положения частицы и неопределенности ее импульса и соответствующий предел произведения неопределенности энергии и неопределенности времени.

Принцип этот означает: чем точнее установлено местоположение электрона, тем менее точно можно узнать его импульс, и наоборот. Предел крайне мал, и его действие почти не отражается на измерениях объектов обычных размеров. Однако философские последствия велики: существует предел нашим знаниям. Многие ученые, включая Альберта Эйнштейна, не могли примириться с таким предположением. И все же оно следует из удостоверяемой гипотезы, которую приходится принять.

Далее, квантовую механику потребовалось объединить с другой революционной идеей начала XX века — специальной теорией относительности Эйнштейна. В 1928 году это сделал британский физик Поль Дирак. Его новая теория оказалась не только исчерпывающей, она приводила к любопытному следствию: предсказывала существование новой частицы, подобной электрону, но положительно заряженной, которая получила название антиэлектрона, или позитрона (положительного электрона).

Спасительные космические лучи

Мало предсказать существование новых частиц, нужно подтвердить это в опытах. А поскольку ни у кого не было свидетельств существования позитрона, оно представлялось сомнительным. В начале 1930-х годов американский физик Карл Андерсон привлек для изучения материи новое средство — космические лучи. Они состоят в основном из протонов, ос-частиц (связанные два протона и два нейтрона; одним словом, ядра гелия), или света различной частоты. Эти частицы обладают широким спектром энергии и бомбардируют Землю повсюду, падая на нее с частотой одна частица в секунду. Основной источник космических лучей — Солнце, однако наблюдаемые в космических лучах частицы с наиболее высокой энергией порождены более мощными процессами по сравнению с теми, что происходят на Солнце.

Космические лучи невидимы, и их воздействие на материю слишком мало, чтобы его заметить. Для обнаружения частиц Андерсон использовал два устройства: создающее сильное магнитное поле и конденсационную камеру Вильсона. Магнитное поле искривляло траекторию заряженных частиц внутри конденсационной камеры, содержащей насыщенный водяными парами чистый воздух. Частицы, пролетая через камеру, ионизировали молекулы воздуха, и те становились точками оседания паров, образуя в итоге капли воды. Эти капли позволяли наблюдать траектории частиц, подобно тому как земная атмосфера дает возможность увидеть след от высоко летящего самолета, хотя его самого и не видно.

Андерсон проводил опыты в Колорадо, где большая высота существенно уменьшала затеняющее действие земной атмосферы на падающие космические лучи. Один из его снимков запечатлел траекторию, отклонившуюся в противоположном от траектории электрона направлении. Это было свидетельством существования позитрона. Оказывается, почти всем частицам соответствуют античастицы, отличающиеся электрическим зарядом и иными, более тонкими свойствами (см.: Список идей, 1. Антивещество).

Так как в гипотезе Дирака предсказывалось существование позитрона, его обнаружение подтверждало истинность релятивистской квантовой механики (квантовая механика, видоизмененная с учетом специальной теории относительности). Однако другое открытие Андерсона оказалось более обескураживающим. Он обнаружил траектории двух новых частиц — мюонов, масса которых в 200 с лишним раз превышала массу электрона. Одна имела положительный заряд, а другая — отрицательный. Их существование и свойства приводили в замешательство, поскольку мюонам не находилось места в строении вещества. Недоумение физиков выразилось в ответе Нобелевского лауреата И. А. Раби, который, услышав об открытии мюона, спросил: «Кто их заказывал?»

Четыре силы

Словномало было хлопот с новыми частицами, в те же 1930-е годы были открыты еще и новые поля. К уже известному тяготению и электромагнетизму добавились силы ядерного взаимодействия, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, и силы слабого взаимодействия, вызывающие некоторые процессы радиоактивного распада. Любопытно, что слабое и сильное взаимодействия достигали своей максимальной силы на очень малом расстоянии, причем их сила падала до нуля, стоило частицам удалиться на расстояние, превышающее размеры ядра. Вот почему мы их не видим: они действуют на расстоянии, недоступном нашим органам чувств.

В 1930-е годы Энрико Ферми выдвинул теорию слабого взаимодействия, предсказавшую существование еще одной новой частицы. Эта электрически нейтральная частица нужна была для учета недостающей энергии в наблюдаемом [бета-]распаде. Ферми назвал ее нейтрино. Нейтрино оказалось чуть ли не частицей-призраком, столь редко взаимодействующей с обыкновенным веществом, что для остановки половины падающих нейтрино понадобилась бы свинцовая пластина толщиной в восемь световых лет (превышающей более чем в 2 раза расстояние от Солнца до ближайшей звезды). И все же нейтрино [точнее, антинейтрино] были обнаружены опытным путем американскими физиками Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном, но лишь в 1 953— 1956 годах. Это и требовалось физике — другая частица.

Осколки частиц, или Трудное разделение

Ученые отчаянно нуждались в аппаратуре для изучения этих новых частиц, но космические лучи оказались слишком уж ненадежными из-за столь широких перепадов их энергии, да и неизвестно было, откуда их ждать. В начале 1930-х годов появились новые устройства для систематических опытов — с использованием пучков частиц с заданной энергией. Устройства, названные ускорителями частиц, стали основным орудием физики высоких энергий, играя ту же роль, что микроскоп в биологии и телескоп в астрономии.

Были созданы два различных вида ускорителей: линейный и круговой, или циклотрон. В линейном ускорителе электроны ускоряются электрическим полем вдоль длинного вакуумного канала (модель Стэнфордского университета имеет протяженность 2 мили) и отклоняются магнитами для столкновения с мишенью. Датчики регистрировали продукты распада и синтеза при столкновении.

В циклотроне заряженные частицы ускоряются в зазоре между двумя половинами циклотрона (именуемыми дуантами — D-образными из-за своего вида), и их траектория искривляется магнитным полем внутри дуант. С увеличением энергии частицы двигаются по все большей дуге, и когда наконец достигают максимальной энергии, выводятся из циклотрона и направляются на мишень, где происходит столкновение, а разлетающиеся осколки регистрируются датчиками. (См.: Список идей, 2. Ускорители.) Изобретатель циклотрона Эрнест Лоренс трудился над созданием все больших циклотронов, которые называл протонными каруселями, но натолкнулся на препятствия, приведшие к остановке его карусели.

Вмешательство политики

1930-е годы принесли другое несчастье: Вторую мировую войну.

Помимо сокращения отпускаемых на исследования средств военные нужды отвлекли огромное множество физиков, вынудив их с 1941 года заниматься Манхэттенским проектом. Изначально целью этого проекта было изучение энергии, высвобождаемой при расщеплении ядер тяжелых металлов вроде урана, чтобы определить, можно ли использовать эту энергию для создания оружия и в случае утвердительного ответа сделать это раньше немецких физиков, которые, как считалось, работали над схожим замыслом. (Пьеса «Копенгаген» Майкла Фрайна повествует о планах немцев и союзников по созданию атомной бомбы на примере взаимоотношений физиков Нильса Бора и Вернера Гейзенберга.)

Задача физики состояла в постижении устройства ядра, техники — в претворении этого знания во взрывное устройство. Об этической стороне дела задумались после победы над немцами, хотя те не занимались созданием атомной бомбы. После капитуляции Германии в мае 1945 года некоторые физики в Соединенных Штатах Америки вышли из Манхэттенского проекта. Оставшиеся создали атомную и водородную бомбы, последствия чего мы ощущаем до сих пор.

Физика возвращается к повседневным заботам

После окончания войны погоня за новыми частицами возобновилась, и ведущая роль здесь отводилась ускорителю. Частицы сталкивали с мишенью, после чего тщательно изучали получавшиеся осколки. При относительно малых энергиях, доступных в ту пору, протоны застревали в больших ядрах, образовывая короткоживущие более крупные ядра. Некоторые из этих ядер были радиоактивными и распадались на ядра поменьше и другие частицы. Получавшиеся более крупные ядра пополняли Периодическую таблицу, к радости химиков, а физики оставались без новых частиц.

Тем временем строились все более крупные циклотроны, получавшие частицы со все большей энергией. Ввиду эквивалентности массы и энергии (согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс² ) столкновения при больших энергиях позволяли получать более тяжелые частицы. И вскоре физиков, работавших на ускорителе, ждал успех.

Снимки из камеры Вильсона указали на следы, или треки, невиданных прежде частиц: заряженных пионов (π⁺ , π^- ), или пи-мезонов, и каонов (К⁺ , К^- ), или К-мезонов, нейтральных пиона и каонов, лямбда-частицы, сигма-частицы и пр. И хотя частицы были нестабильны, распадались вскоре на более привычные частицы, все это свидетельствовало о том, что материя таит в себе еще много неожиданного.

Гонка за частицами ширилась. Число циклотронов росло, а их устройство совершенствовалось. В приборе, именуемом синхротроном, ускоряющее поле синхронизировалось для обеспечения постоянного радиуса траектории у пучка частиц. На смену камере Вильсона пришла пузырьковая камера, где образование пузырьков в перегретом жидком водороде позволяло видеть следы частиц. Все это походило на исследование разметанного взрывом стога сена в поисках короткоживущих иголок. Так, одному аспиранту для диссертации пришлось изучить 240 тыс. снимков из пузырьковой камеры.

Итогом всех этих усилий стал настоящий бум частиц: их было найдено свыше ста. Нобелевский лауреат Энрико Ферми заметил своему студенту Леону Ледерману (впоследствии тоже Нобелевскому лауреату): «Молодой человек, если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником».

Появление кварков

Разросшееся скопище частиц создало в физике положение, сходное с тем, что переживала химия до появления Периодической таблицы Менделеева в 1869 году. В их основе должно лежать нечто общее, только вот что? Физики, исходя из теоретических соображений, пытались по-разному группировать частицы в поисках некоего порядка. Тяжелые и средние по массе частицы были названы адронами, а в дальнейшем их разбили на барионы и мезоны. Все адроныучаствовали в сильном взаимодействии. Менее тяжелые частицы, названные лептонами, участвовали в электромагнитном и слабом взаимодействии. Но подобно тому как электроны, протоны и нейтроны нужны были для объяснения природы объявившегося скопища частиц, чтобы объяснить природу всех этих частиц, требовалось нечто более основательное.

В 1964 году американские физики Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили новый подход. Все адроны, оказывается, состоят из трех более мелких частиц и соответствующих им античастиц. Гелл-Ман назвал эти новые элементарные частицы кварками, заимствовав название из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где герою в снах часто слышались слова о таинственных трех кварках. Эти (первые) три кварка, получившие названия верхний (и — от англ. up), нижний ( d — down) и странный ( s — strange), обладают дробным электрическим зарядом +² /₃ , —¹ /₃ и —¹ /₃ соответственно, а у их антикварков эти заряды противоположны.

Согласно данной модели протоны и нейтроны составлены из трех кварков: uud и udd соответственно, тогда как обширная группа вновь открытых мезонов состоит из пары кварк—антикварк. Например, отрицательный пион представляет собой сочетание нижнего кварка и верхнего антикварка. Кварки предлагались в качестве рабочей гипотезы, и, хотя они позволяли решить вопрос с упорядочиванием обширного собрания частиц с математической точки зрения, их существование не внушало доверия из-за отсутствия опытных данных.

В опытах протоны с нейтронами представляли собой размытые кусочки вещества, подобные атому согласно томсоновой модели «пудинга с изюмом». Однако эти частицы были значительно меньше атома, так что их нельзя было прощупать, обстреливая альфа-частицами, как проделал Резерфорд с атомами. Альфа-частицы были слишком крупными, и выведать что-либо с их помощью оказывалось невозможным.

Коллектив ученых Стэнфордского отделения Массачусетского технологического института на линейном ускорителе занимался изучением ядра, обстреливая электронами водород и дейтерий (тяжелый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один нейтрон). Они измеряли угол и энергию рассеяния электронов после столкновения. При малых энергиях электронов рассеянные протоны с нейтронами вели себя как «однородные» частицы, слегка отклоняя электроны. Но в случае с электронными пучками большой энергии отдельные электроны теряли значительную часть своей начальной энергии, рассеиваясь на большие углы. Американские физики Ричард Фейнман и Джеймс Бьёркен, как и Резерфорд в работе по выявлению строения ядра с помощью альфа-частиц, истолковали данные по рассеянию электронов как свидетельство составного устройства протонов и нейтронов, а именно: в виде предсказанных ранее кварков. Теперь приходилось считаться с гипотезой существования кварков.

Теория наносит ответный удар: объединение

Физикивсегда стремились упрощать возникающие вопросы сочетанием различных теорий. На исходе XIX века Джеймс Клерк Максвелл осознал, что электричество и магнетизм выражают собой две стороны одного и того же явления, и это позволило объединить их, а само явление получило название электромагнетизма. В 1950-е годы американские физики Ричард Фейнман, Джулиус Швингер и японский физик Томонага Синъитиро соединили теорию электромагнетизма с квантовой механикой, создав квантовую электродинамику (КЭД). Согласно этой теории электроны взаимодействуют посредством обмена световыми фотонами. Сами фотоны наблюдать невозможно, поскольку электроны испускают и поглощают их в пределах, подпадающих под действие принципа неопределенности Гейзенберга. Из-за своейненаблюдаемости они получили название виртуальных фотонов.

Когда в конце 1960-х опытным путем удалось выявить кварки, была выдвинута другая модель объединения, включающая два из четырех взаимодействий. Стив Вайнберг и Шелдон Глэшоу в Америке и пакистанский физик Абдус Салам в Триесте (Италия) независимо друг от друга выдвинули теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в одно, электрослабое взаимодействие. Помимо объяснения уже наблюдавшихся явлений в более общей связи эта новая теория добавляла к списку имеющихся частиц предсказываемые новые: нейтральную, слабо взаимодействующую (ныне именуемую Z ⁰ ), W ⁺ , W ^- и тяжелую частицу, названную хиггсовой (подробнее см. далее).

В 1973 году была предложена еще одна теория: квантовая теория сильного взаимодействия, которую выдвинули Марри Гелл-Ман и немецкий физик Харальд Фритцш. Получившая название квантовой хромодинамики, эта теория походила на КЭД: и в той и в другой теории основные частицы, кварки, взаимодействовали в процессе обмена виртуальными (в пределах действия принципа неопределенности) частицами, именуемыми глюонами. А поскольку никто не видел глюона, требовалось подтверждение существования еще одной частицы.

Стандартная модель

К середине 1970-х все теоретические и опытные наработки слились в единую теорию, названную стандартной моделью. В ее основе лежат математические выкладки, не являющиеся предметом настоящей книги, так что не следует забывать, что модель опирается на мощный математический аппарат.

Основой стандартной модели стало представление, что кирпичиками Вселенной выступают поля, а не частицы. Первоначально поля понадобились для решения проблемы дальнодействия. Каким образом одно тело способно воздействовать на другое, если оба они находятся на некотором расстоянии друг от друга и между ними нет ничего материального? Ньютон ответил, что они воздействуют друг на друга посредством некой силы.

Для уяснения понятия поля нам следует пойти еще дальше в своих отвлеченных рассуждениях. Удалим одно тело. Теперь представим оставшееся, способное воздействовать на любое проходящее рядом тело. Это воздействие и составляет поле, проявляемое данным телом. При таком подходе поле есть возможность проявления силы. Например, поле тяготения часто изображается в виде стрелок, обращенных в сторону массы, как на рис. 2.2. Это вовсе не физические линии или стрелки в пространстве, а лишь указание на то, что любое, помещенное в любую точку тело будет ощущать действие некой силы в направлении, указанном стрелками.

Сходным образом линии электрического поля окружают заряд, а линии магнитного поля — магниты. Поскольку железные опилки обладают ярко выраженными магнитными свойствами, на помещаемых в учебниках картинках видно, как эти опилки распределяются вокруг полюсов магнита и делают как бы зримым само магнитное поле.

Вначале полю отводилось место сугубо понятийного средства, но ныне оно играет ключевую роль в физике. Согласно стандартной модели:

—исходными кирпичиками Вселенной являются поля,

—крошечные сгустки энергии (кварки или лептоны) проявляются при перенесении квантовых законов на поля,

—частицы взаимодействуют между собой посредством обмена другими сгустками энергии (бозонами), которые невозможно наблюдать ввиду ограничений, накладываемых принципом неопределенности.

Рис 2.2. Изображение силы тяготения

Итак, классическая картина дальнодействующих сил между частицами сменилась взаимодействием, обменом виртуальными сгустками энергии (прежде волнами) между квантованными жгутами энергии поля (прежде частицами). Здесь наблюдается полный разрыв с прежними представлениями.

Стандартная модель включает два вида взаимодействия: сильное и электрослабое.

1. Сильное взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются кварками. Сегодня известно шесть кварков, (и связанных с ними антикварков), входящих в три семейства [или поколения], как показано на рис. 2.3. Вот их названия:

семейство 1: верхний и нижний;

семейство 2: очарованный и странный;

семейство 3: верхний и нижний.

Кварки взаимодействуют друг с другом через сильное взаимодействие, обмениваясь виртуальными частицами, именуемыми глюонами.

2. Электрослабое взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются лептонами. Существует шесть лептонов (и связанных с ними антилептонов), входящих в три семейства, как показано на рис. 2.4.

Вот их названия:

семейство 1: электрон и электронное нейтрино;

семейство 2: мюон и мюонное нейтрино;

семейство 3: тау и тау-нейтрино.

Лептоны взаимодействуют, обмениваясь виртуальными частицами: фотоном, двумя W-бозонами и одним Z-бозоном.

На обобщенном рис. 2.5 представлены основные элементарные частицы и переносчики их взаимодействий.

В табл. 1 перечислены частицы с их спином, зарядом и массой. Поражает огромный разброс масс — но об этом речь пойдет далее.

Согласно стандартной модели здесь прослеживается механизм функционирования атома. Протоны и нейтроны удерживает в ядре обмен виртуальными глюонами между составляющими эти частицы кварками.

Рис. 2.5. Основные частицы

Связь электронов с протонами в ядре обеспечивается обменом виртуальными фотонами. Заметим, что три семейства кварков в точности соотносятся с тремя семействами лептонов. Вот только неизвестно, почему их ровно три. Первое семейство кварков и лептонов стабильно и составляет всю материю вокруг нас. Другие два семейства нестабильны, распадаясь через короткое время на более устойчивых собратьев. Если же говорить о возможности существования большего числа семейств кварков и лептонов, имеется два экспериментальных подтверждения, что таких семейств три. Одно подтверждение получено в 1998 году на усилителе при распаде нейтрального лямбда-гиперона [лямбда-ноль-гиперона] с образованием нейтрино, а другое — из астрономических наблюдений (подробнее см. след. параграф).

Все перечисленные частицы, за исключением глюона и фотона, обладают массой. Нулевая масса фотона обусловливает большую дальность электромагнитного взаимодействия, поскольку его переносчик может перемещаться со скоростью света. Слабое взаимодействие имеет значительно более короткий радиус действия ввиду большой массы его переносчиков, что не позволяет им двигаться столь же быстро, как фотоны. Все кварки и лептоны подчиняются ряду статистических правил, установленных Ферми и Дираком, и обобщенно именуются фермионами. Переносчики взаимодействия подчиняются другому ряду правил, выдвинутых индийским физиком Шатьендранатом Бозе и Эйнштейном, и называются бозонами. (См.: Список идей, 3. Фермионы и бозоны.)

Таблица 1 Основные частицы и их массы

* Масса дается в единицах энергии, ГВт, равных миллиардам электрон-вольт согласно эйнштейновской формуле эквивалентности массы и энергии, Е = тс² .

Проверка стандартной модели

Стандартная модель впервые предложена в 1974 году. В ту пору еще не было открыто семь предсказанных ею частиц. В последующие 20 лет благодаря проведению опытов на более мощных ускорителях все они были открыты, за исключением бозона Хиггса.

Помимо наблюдений самих частиц опытным путем проверялись многие свойства частиц, предсказанные стандартной моделью. В результате выяснилось, что предсказанные и экспериментально полученные данные прекрасно согласовывались друг с другом. Примером может служить лэмбовский сдвиг. В 1947 году американский физик Уиллис Лэмб измерил частотный сдвиг в излучении, поглощаемом или испускаемом при переходе атома водорода из одного энергетического состояния в другое с вырожденными энергетическими уровнями. Значительно позже стандартная модель дала для частоты излучаемого при этом переходе света величину 1057,860+/-0,009 МГц, тогда как измеренное Лэмбом значение равнялось 1057,65 +/--0,009 МГц. Обе величины различаются всего на '/_{100 000} . С учетом погрешности оказалось, что предсказанное и полученное значения фактически совпали. Такое удивительное соответствие теории эксперимента наблюдалось во многих случаях, что служило еще большим подтверждением верности данной модели.

Поиск более тяжелых частиц требовал и более мощных ускорителей, а по экономическим соображениям физика нуждалась не в столь затратном средстве изысканий. Подобно Карлу Андерсону, воспользовавшемуся природными космическими лучами в качестве источника частиц высокой энергии, физики принялись за поиски природных явлений с участием частиц, предсказанных стандартной моделью. Единственный период, когда могли существовать такие частицы, приходился на первые мгновения «большого взрыва», когда вещество и энергия заполняли Вселенную. В первые моменты вспышки после «большого взрыва» ощущались невиданный жар и плотность. Наличествовали все семейства элементарных частиц, так что первые мгновения «большого взрыва» были как бы огромной лабораторией для проверки стандартной модели. И несмотря на недоступность того события, можно делать предсказания о существующих ныне условиях и сравнивать их с опытными данными.

Астрофизик Дэвид Шрамм часто повторял слова советского физика Якова Зельдовича: «Вселенная — ускоритель для бедных. Эксперименты не нуждаются в финансировании, от нас требуется лишь сбор опытных данных и верное их толкование». Например, если существует четыре семейства элементарных частиц, количество гелия, образованного в первые минуты после «большого взрыва», должно составлять свыше 26% [вещества] нынешней Вселенной. Три же семейства элементарных частиц привели бы к созданию лишь 25% гелия. А поскольку выявлено именно такое количество гелия, ограничение стандартной модели тремя семействами кварков и лептонов находит тем самым убедительное опытное подтверждение.

Совместная работа физиков высоких энергий и астрофизиков в изучении первых мгновений после «большого взрыва» приводит к многим полезным результатам. Например, сочетая по-разному три фундаментальных физических постоянных (постоянную Планка, скорость света и постоянную тяготения), мы получаем минимальные значения таких основополагающих величин, как время, масса и энергия. Они называются планковскими масштабами (или размерностями):

время: 10^-43 с, длина: 10^-35 м, энергия: 10 ⁹ Дж.

Если энергию Планка сосредоточить в объеме куба со стороной, равной длине Планка, то эквивалентная масса (Е = т c ² ) в этом крохотном пространстве была бы столь плотной, что свет не мог бы его покинуть, оказавшись отрезанным от остальной Вселенной, — черная дыра. Таким образом, расстояния меньше планковской длины теряют смысл, так что ниже этого уровня пространство и время предстают «квантовой пеной», где уже не действуют никакие физические законы.

Исходя из планковских масштабов, можно представить возможную картину начала Вселенной. Субмикроскопическая квантовая флуктуация проходит стадию раздувания с очень быстрым расширением, когда по мере падения температуры происходит «вымораживание» четырех основных взаимодействий, подобно тому, как жидкая вода превращается в лед. Если взаимодействие с полями Хиггса определяет массу частиц, эта величина может принимать совершенно случайное значение, в зависимости от того, как идет остывание. При таком повороте событий возможно возникновение различных вселенных со слегка различающимися значениями масс элементарных частиц.

Теневая сторона стандартной модели

По поводу стандартной модели существует ряд возражений. Первое — математическое. При решении уравнений стандартной модели, касающихся свойств частиц, часто используется математический прием, основанный на теории возмущений. Значение некой величины определяется исходя из требуемой точности включением все большего числа членов рядов разложения по степеням некой величины, именуемой параметром. При малом параметре последовательные члены ряда уменьшаются по величине, так что для получения нужной точности можно ограничиться небольшим их числом. Но поскольку не все параметры оказываются малыми, некоторые вычисления требуют многих членов ряда. К тому же при расчетах в рамках стандартной модели зачастую появляются бесконечные величины. Для борьбы с этими расходимостями привлекают математический прием, именуемый перенормировкой. Перенормировка включает вычитание одного бесконечного ряда разложения из другого, чтобы оставить те члены, которые согласуются с известным значением.

Многие ученые критикуют стандартную модель за подобные математические изъяны, называя ее неизящной. Возможно, недовольство физиков связано с философским допущением, согласно которому Вселенная познаваема, и наше знание о ней должно быть математически простым, изящным и завершенным. Разумеется, эта критика не влияет на удивительно полную согласованость предсказания и опытных данных, как и не мешает стандартной модели объяснять многие явления во Вселенной. Однако чувство неудовлетворенности заставляет ученых создавать более совершенную теорию.

На более высоком научном уровне у стандартной модели в самой ее основе проявляется изъян, связанный с нарушением симметрии электрослабого взаимодействия. Фотон, безмассовый бозон, служит переносчиком электромагнитной части электрослабого взаимодействия. Для сохранения симметрии переносчиком слабого взаимодействия здесь должен выступать также безмассовый бозон, чего на самом деле нет. Переносчиками слабого взаимодействия выступают два W - и один Z-бозон, обладающие значительной массой, превышающей массу большинства кварков. Симметрия оказывается нарушенной, и стандартная модель не в состоянии это объяснить.

Самая серьезная критика стандартной модели касается тяготения и происхождения массы. Стандартная модель не учитывает тяготения и требует, чтобы масса, заряд и некоторые другие свойства частиц измерялись опытным путем для последующей постановки в уравнения. Любой теории, готовящейся сменить стандартную модель, придется считаться с этой критикой, к тому же ни в чем не уступить стандартной модели там, где ее предсказания столь прекрасно согласуются с действительностью.

Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса

В 1964 году шотландский физик Питер Хиггси другие, исходя из чисто математических соображений, допустили существование вездесущего поля, позже названного полем Хиггса. Все взаимодействующие с полем Хиггса частицы приобретают вследствие этого массу. Иначе говоря, всякая масса порождена взаимодействием.

Механизм обретения массы схож с прохождением строя солдат через разлитую на земле патоку. Они становятся тяжелее вследствие прилипания патоки при ходьбе. Другим примером может служить вечеринка, где гости разбрелись по комнате. При появлении важного лица ближайшие соседи обступают его, увеличивая тем самым его эффективную [т. е. большую, чем реальная] массу. Чем значительнее лицо, тем больше народу обступает его, а значит, растет и его масса.

Согласно данной теории частицы по-разному сцепляются с полем Хиггса, что приводит к большим массам у W - и Z-бозонов и к отсутствию массы у фотона и глюона. Если механизм Хиггса действительно ответственен за массу у элементарных частиц, он хотя бы отчасти дает ответ на вопрос, откуда появляется масса.

Но как определить, действительно ли существует поле Хиггса или это просто математический прием? Надо поступить следующим образом. Достаточно крепкий удар вроде удара частиц с очень высокой энергией по космической патоке, именуемой полем Хиггса, вызовет дрожание этой патоки. Колебания же самого поля можно зарегистрировать, поскольку должна появиться частица Хиггса, переносчик хиггсова поля, подобно тому как фотон служит переносчиком электромагнитного поля.

В самой простой теории лишь одна частица Хиггса является носителем хиггсова взаимодействия. Более сложные теории содержат многочисленные частицы Хиггса, в числе которых самая легкая. И, возможно, эта частица доступна современным ускорителям.

В течение нескольких лет Европейская организация по ядерным исследованиям в Женеве — ЦЕРН (Швейцария) занималась поисками хиггсовой частицы на ускорителе со встречными электрон-позитронными пучками (LEP). При 115 ГэВ (см. табл. 2 для масс частиц) было зарегистрировано интересующее явление [т. е. хиггсова частица], но для подтверждения необходимы также дополнительные данные, чтобы исключить влияние фона. В 2001 году ЦЕРН закрыл ускоритель для создания более мощного устройства с тем же тоннелем [27-километровым накопительным кольцом]. Новый ускоритель — Большой ускоритель со встречными протон-протонными пучками (LHC) по плану вступит в строй в 2005 году и благодаря своей мощи (8000 ГэВ в пучке) станет более эффективным средством исследования. С марта 2001 года Национальная лаборатория высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (FNAL) в Батавии (штат Иллинойс) ведет поиски частицы Хиггса на своем ускорителе Tevatron (1000 ГэВ в пучке), но события, связанные с существованием такой частицы, были столь нечасты, что, похоже, уйдет много времени для сбора статистически значимых данных. [Сеанс набора данных продлится пять лет.] Сверхпроводящий сверхускоритель на встречных пучках (SSC), проект которого одобрен президентом Бушем в 1987 году, своей главной целью ставил поиск частицы Хиггса, и обладал бы достаточной мощью (20 000 ГэВ в пучке) для решения подобной задачи, но его строительство было прекращено по решению сената США в 1993 году [несмотря на уже израсходованные 2 млн долларов].

В случае если найдется частица Хиггса и ее масса окажется в пределах досягаемости нынешних ускорителей, можно расширить стандартную модель, чтобы она включила вытекающие из этого следствия. Данный шаг, конечно же, не решит вопроса о происхождении массы или всех трудностей стандартной модели, но послужит все же неким началом.

Если частица Хиггса отыщется и ее масса выйдет за предсказанные пределы, стандартная модель рухнет, поскольку ее прогнозы прежде были безупречными. В таком случае потребуется существенный пересмотр или даже замена стандартной модели.

Если будет найдено множество частиц Хиггса, помимо стандартной модели потребуются новые теории.

Если не отыщется ни одной частицы Хиггса, это тоже повлечет за собой необходимость замены стандартной модели. Подобные теории обсуждаются в следующем разделе.

Итак, обнаружение частицы Хиггса или хотя бы установление нижней границы ее массы оказывается ключевым для понимания причины разнобоя в определении массы частиц. Однако некоторые ученые полагают, что поля Хиггса — лишь временная мера, не решающая вопроса о происхождении массы. Частица Хиггса для них — своего рода долгий ящик неведения, куда откладываются основополагающие трудности стандартной модели.

Стандартная модель недоучитывает тяготения — и это другая сторона нерешенного вопроса с массой. Прямым ответом здесь послужило бы создание квантовой теории тяготения (гравитации). Лучшей теорией тяготения считается общая теория относительности Эйнштейна, и почему бы в таком случае просто не приложить квантовые законы к общей теории относительности? Потому что сделать это нелегко. Обобщенная теория относительности является классической в отношении связи геометрии Вселенной как гладкого на больших масштабах четырехмерного многообразия с массой. Она хорошо работает при больших расстояниях, но на расстояниях между частицами меньше 1 мм никаких опытов не проводилось. Это означает, что сила тяготения попросту экстраполируется в микромир. Вместе с тем стандартная модель проводит квантование полей в виде дискретных частиц и имеет дело с крайне малыми масштабами. Поэтому, когда ученые пытаются провести квантование для общей теории относительности, теория дает бесконечные значения для явно конечных величин.

Другая трудность вызвана крайней слабостью тяготения по сравнению с другими силами. Чтобы быть на равных с сильным и электрослабым взаимодействием, тяготение должно иметь сравнимую силу. Это так называемая проблема иерархии взаимодействий. Огромный энергетический разрыв существует между энергиями, для которых применима стандартная модель, и энергией, при которой наиболее слабо выраженное тяготение становится сравнимым по величине с сильным и электрослабым взаимодействиями. Неизвестно, чем вызван такой огромный разрыв.

Нужна новая физика

Как видим, опытное подтверждение существует лишь для стандартной модели. Однако своей проверки ждут многие теории. Вот некоторые из них.

Теории великого объединения (ТВО) и теории всего сушего (ТВС). Названия лишь вводят в заблуждение, поскольку предлагают больше, чем могут дать. В действительности они лишь указывают на объединение известных взаимодействий в рамках одной, всеобъемлющей теории. ТВО объединяют электрослабое и сильное взаимодействие. Более амбициозные ТВО «замахиваются» не только на сильное и электрослабое взаимодействия, но и на гравитационное. Даже если такая теория будет создана, это вряд ли ознаменует конец науки, которая полна иных, требующих ответа вопросов.

М-теория. Физик из Принстона Эдуард Виттен говорит, что «М означает "магический" или "мембрана", как кому нравится». Некоторые прежние теории оказываются частным случаем этой общей теории — так называемые теории струн, суперструн и бран. Вместо того чтобы рассматривать кварки и лептоны в виде точечных (одномерных) частиц, данная теория предлагает считать их двухмерными (струнами) или даже многомерными (мембранами, сокращенно бранами). Эти родственные теории объединяют все силы, включая тяготение, и не содержат никаких бесконечностей, требующих перенормировки, как в случае со стандартной моделью. Но раз они требуют числа размерностей больше четырех (сейчас в ходу 10, 11 и 26 размерностей), дополнительные размерности могут представать полностью свернутыми или по своей малости недоступными современным измерительным приборам либо огромными, чуть ли не бесконечными. Согласно одной из таких теорий все размерности Вселенной вначале были одинаковой величины, но затем разделились и изменяли свою величину по мере расширения и охлаждения Вселенной. Трудность в выборе какой-либо теории данного рода обусловлена тем, что наш опыт или интуиция неприменимы к размерностям, выходящим за рамки четырехмерного мира, в котором мы живем.

Суперсимметрия (СУСИ). В случае замены фермионов на бозоны и наоборот описывающие основные взаимодействия уравнения должны оставаться истинными. Данная теория предсказывает существование гораздо более тяжелых суперпартнеров для всех частиц. Если такие суперпартнеры существуют, у одного или нескольких из них масса может оказаться довольно малой для обнаружения при поисках бозона Хиггса. Суперсимметричные партнеры могли бы также объяснить существование темной материи (см. гл. 6). (Суперпартнеров обозначают прибавлением приставки «с» к названиям фермионов, т. е. суперпартнер электрона именовался бы сэлектроном, протона — спротоном и т. д. Суффикс «ино» присоединяется к названиям суперпартнеров у бозонов, т. е. суперпартнер фотона именовался бы фотино, W ^- - бозона — вино и т. д.)

Техницвет. Данная теория [сильного взаимодействия] рассматривает кварки и лептоны состоящими из более мелких частиц. Поскольку она предсказывает существование новых частиц, допускается опытная проверка.

Твисторов теория. Посредством [трехмерного] комплексного представления [вещественного] четырехмерного пространства — времени [Минковского] переформулируются положения стандартной модели и общей теории относительности. (Комплексное число задается выражением

а + ib , где i — квадратный корень из — 1, а а и b — действительные числа. [Твисторы же — прямые во вспомогательном комплексном трехмерном проективном пространстве, соответствующие точкам четырехмерного вещественного пространства—времени Минковского. Понятие твистора введено Роджером Пенроузом в конце 1960-х годов.]) Значение комплексных чисел в реальном мире неясно: их нельзяиспользовать для счета или измерения любых реальных величин.

Чтобы не оказаться на свалке отвергнутых теорий, любая научная гипотеза должна делать предсказания, подкрепляемые опытными данными. Одни новые теории слишком умозрительны для получения предсказаний, доступных проверке; другие очень сложны для расчетов; третьи включают величины, слишком далекие от нашей повседневной действительности, чтобы можно было накладывать на них ограничения на основе наших опыта и интуиции. Для получения экспериментального подтверждения существования некоторых предсказанных очень тяжелых частиц требуется ускоритель величиной с Солнечную систему.

Принцип соответствия Нильса Бора, выдвинутый в 1920-е годы, гласит, что квантовая механика должна согласовываться с классической физикой в случаях, когда классическая теория доказала свою истинность. Если следовать этому правилу в данном случае, всякая новая теория должна сводиться к стандартной модели в условиях, когда опытные данные подтвердили ее верность. Нужно время, чтобы появилась такая теория.

Необходим новый язык?

Умозрительность положений стандартной модели и возможных ее преемниц не должна вводить в заблуждение. Язык, на котором описывается стандартная модель, является математическим, а такой язык сам может оказаться неполным. Не исключено, что потребуются новые математические понятия. Для объяснения движения Ньютон создал дифференциальное исчисление, имеющее дело с плавно изменяющимися функциями и малыми числами. Нам известно, что Вселенной присущи разрывные функции и большие числа, однако многие уравнения по-прежнему выражаются понятиями дифференциального исчисления. (В гл. 5, о прогнозе погоды, мы столкнемся с теми же трудностями.) Многие теории, ставящие целью смену стандартной модели, включают математические понятия на более глубоком по сравнению с дифференциальным исчислением уровне, привлекая такие понятия, как группы, кольца, идеалы и топологические структуры. Составление описывающих поведение Вселенной уравнений — не то же, что решение этих уравнений в физически точных и осмысленных выражениях.

Решение головоломки: как, кто, где и когда?

Как. По сути, мы до сих пор не знаем, как исходные кирпичики Вселенной обрели свою массу, и у нас даже нет уверенности, что мы установили все эти кирпичики. И все же мы располагаем теоретическими и опытными возможностями для углубления своего понимания.

Кто. На теоретическом фронте плодотворно трудятся многие ученые, совершая постоянные прорывы. Можно назвать лишь некоторых: Эдуард Виттен, Фрэнк Вилчек, Митио Каку, Майкл Джеймс Дафф, Роджер Пенроуз, Гордон Кейн и Ли Смолин.

Где и когда. Экспериментальный поиск частицы Хиггса идет в Лаборатории им. Ферми и продолжится в ЦЕРНе в 2005 году. Возможно, затем появятся новые сооружения.

Чтобы быть в курсе происходящего, отправляйтесь к ссылкам раздела «Источники для углубленного изучения». Будущие открытия обещают быть интересными, познавательными и, вполне возможно, неожиданными.

Глава третья

Химия

Какого рода химические реакции

подтолкнули атомы к образованию

первых живых существ?

Сущий вздор — рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи.

Из письма Ч. Дарвина Дж. Д. Хукеру

29 марта 1863 г.

Химия занята изучением строения веществ и происходящих с ними превращений. Химия живых и неживых существ изучалась довольно широко, а вот химический переход от безжизненных веществ к той сложной системе взаимодействующих молекул, где отражаются все отправления, именуемые нами жизнью, остается крупнейшей нерешенной проблемой химии.

Первичный бульон

Требуемый состав. В требуемом количестве. Перемешанный при требуемой температуре. За требуемое время. В зависимости от состава, количества, температуры и времени можно получить рецепт приготовления овсянки или праздничного пирога. Либо описание первичного бульона, заправленного теми или иными органическими молекулами. Сочетаясь, эти первичные молекулы образуют более крупные самовоспроизводящиеся (реплицирующие) молекулы из белков и нуклеиновых кислот. Появление этих более крупных самовоспроизводящихся молекул в итоге приводит к образованию генетического кода, что равносильно созданию самой жизни.

В данной главе рассказывается о стыке химической, или добиологической, эволюции с биологической; о составе, количестве, температуре, времени и последовательности реакций, происходивших в переходный период — между 4,5 и 3,8 млрд. лет, и затрагивается вопрос, как безжизненная планета породила первую форму жизни.

Становление химических систем

Как бы то ни было, кварки и лептоны обрели массу, и «большой взрыв» свершился. По мере расширения и охлаждения Вселенной кварки, объединяясь, породили протоны и нейтроны, а ядерный синтез — ядра гелия, составившие 25% вещества Вселенной. Остальное вещество находилось в виде протонов. С течением времени под действием силы тяготения стали скапливаться огромные газовые облака, образуя галактики и звезды. В сердцевине этих звезд образовывались атомные ядра тяжелее ядер гелия. По завершении отпущенного им срока эти звезды взрывались, извергая множество ядер в межзвездное вещество, где большая их часть притягивала к себе электроны, образуя ту форму материи, которая известна нам ныне — атомы. Прошло еще время, и некоторые атомы оказались в составе огромных облаков, именуемых туманностями, которые срастались под действием тяготения, образуя как звезды, так и менее крупные тела, включая нашу планету.

У атомов появились общие электроны, что привело к образованию молекул. Вопросы, касающиеся объединения атомов, их количества, скорости объединения (реакции), величины поглощаемой или выделяемой при этом энергии, находятся в ведении отрасли знания, именуемой химией. Химические изменения изображаются в виде уравнений.

Хотя химии и удалось разрешить много тайн вокруг атомных и молекулярных соединений, главная головоломка ей так и не поддалась: какого рода химические реакции подтолкнули атомы на раннем этапе развития Земли к образованию сложной системы взаимодействующих молекул, где отражаются все отправления, именуемые нами жизнью?

Один атом, углерод, дает возможность понять сложность живых существ. От распределения электронов в углероде за висит образование четырех ковалентных связей в виде общих пар электронов [с другими атомами]. Это могут быть одиночные, двойные или даже тройные связи. К тому же атомы углерода легко соединяются между собой. Такая гибкость в выборе связей позволяет молекулам принимать различные формы — от самых простых до крайне сложных.

Занимающаяся изучением углеродных соединений отрасль получила название органической химии из-за господствовавшего прежде мнения, что лишь живые (органические) системы способны порождать подобные молекулы. Но теперь мы знаем, что такие соединения могут создаваться и искусственно. Молекулы на основе углерода изначально могли быть относительно простыми, но способность углерода к связыванию позволяла им становиться все более сложными, что в итоге привело к сложной системе, именуемой нами жизнью. Данный процесс можно изобразить в виде химического уравнения, где стрелки показывают последовательность химических реакций:

Предположения о происхождении жизни

Мы определили вопрос происхождения жизни как химическую головоломку, но вполне возможно, это не единственный подход. Выдвигалось много иных идей, отвечавших на вопрос, как появилась жизнь на Земле. Многие из них не были связаны с химией. Мы начнем с изучения некоторых представлений о возникновении жизни на Земле. Затем посмотрим, насколько химикам удалось продвинуться в этом вопросе. И напоследок уясним, почему же химия все еще считает вопрос о происхождении жизни нерешенным.

Гипотеза 1. Сверхъестественное происхождение жизни. До того как начались планомерные химические изыскания или выработался требующий экспериментальных подтверждений научный метод, на Западе это было широко распространенное мнение. Жизнь принесли на Землю сверхъестественные, или божественные, силы. Данное представление известно как креационизм.

Перед представлениями, объясняющими возникновение жизни действием сверхъестественных, или божественных, сил, стоит неодолимое препятствие: смешивание религии с наукой. Религиозные представления основаны на вере, то есть субъективны, тогда как наука зиждется на объективных свидетельствах. Формально эти два подхода столь различны, что их идеи не поддаются сравнению. Но ведь мы все — люди и обязаны сравнивать.

Вопрос о возникновении жизни особенно труден. Именно из-за давности ее появления, что исключает изучение каких-либо прямых свидетельств. Эта ситуация подобна игре в гольф. Игрок выполняет удар, не видя лунки, а когда подходит, оказывается, что мяч лежит в ямке. Попадание мячом в лунку одним ударом? Возможно. Игрок не в силах обратить время вспять и выяснить, угодил ли мяч туда сам— или же ему посодействовал некий шутник.

Если придерживаться научного подхода, вспомним пример из гл. 1 относительно источника сильного радиоизлучения, обнаруженного спутником Uhuru в 1971 году близ звезды HDE 226868. Ввиду удаленности HDE 226868 от нас на 8 тыс. световых лет невозможны прямые измерения. Но тогда откуда нам известно, что рентгеновские лучи указывают на присутствие черной дыры, а не сигналов от внеземной цивилизации? Если эти два объяснения рассматривать как соперничающие гипотезы, в отсутствие опытных данных следует прибегнуть к бритве Оккама. Гипотеза о черной дыре проще, она привлекает лишь известные физические законы и поэтому более предпочтительна. Дальнейшее обнаружение иных сходных источников радиоизлучения подкрепляет сделанный выбор.

Итак, наука принципиально исключает вмешательство Бога в возникновение жизни не только из-за отсутствия свидетельств, но и потому, что Бог Своей внеприродной сущностью нарушает принцип бритвы Оккама. Многие ученые веруют в Бога, но, вступая в чертоги науки, они должны жить по ее законам. Впрочем, если удастся обнаружить жизнь еще где-то во Вселенной, это, несомненно, самым причудливым образом отразится и на религиозных верованиях, и на науке. (См.: Список идей, 4: Внеземная жизнь.)

Гипотеза 2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение сложных форм жизни. Издавна люди наблюдали лягушат среди гниющих бревен, крыс в сточных водах и отбросах, личинок на залежалом мясе. В 1620 году Ян Баптист ван Гельмонт, нидерландский естествоиспытатель (и алхимик), предложил такой рецепт изготовления мышей:

Положи в горшок зерна, заткни его грязной рубашкой и жди. Что случится? Через двадцать один день появятся мыши: они зародятся из испарений слежавшегося зерна и грязной рубашки. Поразительно, что появляются мыши обоего пола, кои совершенно схожи с рожденными естественным путем особями... Еще более поразительно, что получаются не детеныши, а взрослые мыши [«Imagofermentiimpragnatmassamsemine» («Образ закваски оплодотворяет глыбу семенем»): 20-й трактат в изданном посмертно в 1648 г. сыном Франциском Меркурием ван Гельмонтом собрании сочинений под названием Onus medicines , id est initia Physicce inaudita , progressus medicince novus , in morborum ultionem ad vitam longam ].

Гипотезу о возникновении сложных многоклеточных живых существ непосредственно из неживого вещества часто именуют гипотезой самозарождения, хотя некоторые остряки величают ее «лягушки из чушки». Но повременим с осмеянием представлений четырехсотлетней давности, представив, сколь наивными окажутся наши взгляды спустя четыре века.

После научной революции, когда опыт стал окончательной проверкой истинности гипотез, соотечественник Галилея и его преемник при дворе Медичи во Флоренции решил испытать теорию самозарождения. В 1668 году Франческо Реди провел опыт, помещая мясо в различные сосуды. Одни сосуды были открыты, сообщаясь с воздухом, другие — полностью запечатаны, а третьи покрыты кисеей со столь мелкой сеткой, что внутрь проходил один воздух. Мухи, жужжа, кружились над каждым сосудом, но поскольку личинки появились лишь в открытых сосудах (куда могли залетать и откладывать яйца мухи), это доказывало, что личинки появляются от мух, а не из воздуха. К тому же яйца были найдены на самой кисее. Можно было бы ожидать, что опыты Реди полностью изобличили теорию самозарождения. Но тем не менее многие продолжали верить в нее. От старых представлений отказываются с превеликим трудом. Даже Реди продолжал верить, что самозарождение может происходить при иных обстоятельствах.

Вскоре после опытов Реди был изобретено новое мощное исследовательское орудие, микроскоп, вызывавший смешанные чувства. Он не только оказался крайне полезным для биологических наблюдений, но и укрепил веру в самозарождение, поскольку явленные им взору «животинки», казалось, возникали сами по себе.

В начале 1860-х годов Луи Пастер принял участие в споре по поводу самопроизвольного зарождения. Мнения высказывались диаметрально противоположные. Член Французской академии наук Ф. А. Пуше опубликовал материалы с результатами опытов, где заявлял, что может продемонстрировать самозарождение. Пастер указал на некоторые изъяны в избранных Пуше способах, и тогда тот обратился к Французской академии с предложением назначить премию тому, кто сможет доказать или опровергнуть самозарождение. Друзья Пастера отговаривали его от участия в конкурсе, полагая, что он устраивался с целью посрамления ученого. Но благодаря своим прежним опытам с брожением Пастер чувствовал себя вполне подготовленным.

Он провел ряд опытов, завершившихся помещением обеспложенного мясного навара в колбы, у которых горлышко было вытянуто в длинную трубочку, изогнутую на манер шеи лебедя. Благодаря такому изгибу воздух проходил в колбу, а микроорганизмы застревали в горлышке. Навар оставался стерильным, что указывало на отсутствие самозарождения микроорганизмов. Пастер сказал:

«Господа, я мог бы указать на эту жидкость [в колбе со стерильной питательной средой на столе перед ним] и сказать вам, что взял сию каплю воды из необозримого мироздания, и взял ее, полную плодоносного студня. И вот я жду, наблюдаю и прошу, умоляю ее приступить к началу творения! Но она глуха, глуха уже несколько лет с начала опытов. А все потому, что я удалил от нее то единственное, что не в состоянии сотворить человек, я удалил от нее зародыши, кои витают в воздухе, я удалил от нее жизнь, ибо жизнь и есть зародыш, а зародыш — жизнь. Никогда прежде учение о самозарождении не получало смертельного удара, подобного тому, что нанес ей сей простой опыт.

Итак, нет более никаких известных обстоятельств, кои могли бы подтвердить, что микроскопические существа появляются на свет без зародышей, без подобных оным родителей. Те, кто утверждает это, введены в заблуждение ложными представлениями, неверно поставленными опытами, ошибками, коих они либо не замечали, либо не могли избежать» [ Des generations spontanees . Conferencefaiteaux «soireesscientifiquesdelaSorbonne», le 7 avril 1864: Revue des cours scientifiques de la France et de Vetranger , I, 23 avril 1864, p. 257-265 (О самопроизвольном зарождении: Доклад, прочитанный на «научных вечерах» Сорбонны, 7 апр. 1864.)].

Пастер завоевал премию, но его блестящий опыт так и не похоронил теории самозарождения, которая то и дело давала о себе знать. Подобно нынешним городским мифам она обрела собственную жизнь. С научной точки зрения в опытах Пастера смущало только одно. Ведь если каждый живой организм происходит от предшествующих живых организмов, то каким образом появился первый живой организм?

Гипотеза 3. Возникновение жизни извне. Анаксагор, живший в 500—428 годах до н. э. греческий мыслитель, рассуждал о «семенах вещей», которые наличествуют во всех организмах. Его философия истолковывается как исток представления о панспермии, в соответствии с которой жизнь на планеты пришла извне. В 1871 году шотландский физик Вильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин, обнаруживший углерод в метеоритах [выступая в Эдинбурге перед Британским обществом содействия науке], сказал:

— При столкновении двух огромных масс в пространстве значительная их часть расплавится. Однако вполне верно и то, что во многих случаях большая часть обломков разлетится во все стороны, множество из них испытают разрушительное воздействие не больше того, что придется вынести отдельным частям скалы при оползне или пороховом взрыве. Если время столкновения нашей Земли с другим, соизмеримым с ней телом придется на пору, когда она подобно нынешней будет покрыта растительностью, то множество больших и малых осколков с семенами и живыми растениями и животными рассеется во Вселенной. Посему и согласно нашему убеждению, что с незапамятных времен существует множество обитаемых миров помимо нашего, нам следует считать крайне вероятным наличие бесчисленного множества движущихся во Вселенной метеоритных камней с семенами. Если бы в данный миг наша Земля была безжизненной, один такой камень мог бы по названным нами по недомыслию естественным причинам дать начало обильной растительности.

Немецкий физик Герман фон Гельмгольц согласился с подобными соображениями, заявив [в лекциях, прочитанных весной того же года в Гейдельберге и Кельне]:

«Мне кажется, что если все наши попытки создать организмы из безжизненного вещества терпят неудачу, то является вполне научным способом рассуждения задать себе вопрос: да возникла ли вообще когда-нибудь жизнь, не так ли она стара, как и материя, и не переносятся ли все зародыши с одного небесного тела на другое, развиваясь всюду, где они находят для себя благоприятную почву» [Предисловие к книге «HandbuchdertheoretischenPhysikvonW. ThomsonundP. G. Tait»[§] (Руководство по теоретической физике В. Томсона и П. Г. Тэта / Авториз. пер. с нем. Брауншвейг, 1874. Т. 1. Ч. 2. С. XI)].

Сколь бы любопытными ни были эти соображения и какими бы маститыми учеными они ни выдвигались, это не гипотезы, которые позволяли бы делать предсказания и допускали бы опытную проверку, поэтому они и остались невостребованными по меньшей мере в смысле научного подхода.

В 1907 году шведский химик Сванте Аррениус, удостоенный Нобелевской премии за теорию электрической диссоциации, написал популярную книгу Varldarnas utveckling [Образование миров. Одесса: Mathesis, 1908]. Аррениус полагал, что жизнь где-то зарождается, пробивается сквозь атмосферу других планет и странствует по Вселенной в виде спор, подталкиваемая давлением света от находящейся в центре этой планетарной системы звезды. Как гипотеза данная идея предсказывает, что споры при движении к Земле в состоянии перенести ультрафиолетовое излучение Солнца. В ряде опытов споры помещали в условия, близкие к космическим, которые они не смогли вынести. Тем самым теория Аррениуса умерла [для науки], но [продолжала] служить источником научно-фантастических рассказов.

Одно из главных возражений против панспермии таково: она не отвечает на вопрос, как впервые возникла жизнь, просто отодвигая его в иное, менее доступное место. Современные вариации на тему панспермии будут рассмотрены в данной главе.

Гипотеза 4. Самопроизвольное зарождение жизни на самой Земле. В 1920-е годы в атмосфере Юпитера и других газообразных планет-гигантов обнаружили метан (СН₄ ). Русский биохимик Александр Опарин предположил, что на ранней стадии развития Земли наряду с аммиаком (NH₃ ), водородом (Н₂ ) и водой (Н₂ О) присутствовал метан. Вероятно, это было сырье, необходимое для начала жизни, поскольку там содержались основополагающие элементы живых организмов: углерод, кислород, водород и азот. В 1924 году Опарин выпускает брошюру о происхождении жизни, где говорится:

«Поначалу наблюдались простые растворы органических веществ, чье поведение определялось свойствами входящих в их состав атомов и расположением самих атомов внутри молекул. Но постепенно вследствие роста и усложнения молекул появились новые свойства, и среди более простых органических химических связей утвердился новый коллоидно-химический порядок. Эти обновленные свойства определялись пространственным расположением и взаимными связями между молекулами. Но даже такое состояние органической материи еще не могло породить первых живых существ. Для этого коллоидальные системы в ходе своего развития должны были приобрести свойства более высокого порядка, который позволил бы перейти к следующей, более сложной ступени в устройстве материи. Здесь уже заявляет о себе биологическая упорядоченность. Опережение в росте, борьба за выживание и, наконец, естественный отбор установили такой вид устроения материи, который присущ всему живому теперь».

Опарин обнаружил, что белки, находящиеся в растворенном состоянии, могут слипаться, образуя сгустки. Такие сгустки он назвал коацерватами и заявил, что они способны на метаболизм. Из-за революции в России работы Опарина были неизвестны на Западе до конца 1930-х годов.

Встатье 1929 года «Происхождениежизни» [«The Origin of Life», Rationalist Annual. Vol. P. 148; Происхождение жизни // Планета Земля. М., 1961. С. 315-334] Дж. Б. С. Холдейн, британский биохимик, строит догадки о происхождении жизни на Земле. Приводя недавние опыты о влиянии ультрафиолетового излучения на химические реакции, Холдейн предположил, что ультрафиолетовое излучение своим воздействием на первичную атмосферу Земли в виде двуокиси углерода (СО₂ ), паров воды (Н₂ О) и аммиака (NH₃ ) могло вызвать к жизни органические соединения, которые собирались в океане, достигнув в итоге «состояния горячего разбавленного бульона». Последующий химический синтез породил первичные организмы, питавшиеся окружающими их органическими веществами. Холдейн особо сосредоточил внимание на воспроизведении, полагая, что первичные организмы походили на простые вирусы, или вироиды. Круг интересов Холдейна был весьма широк, а его рационалистические взгляды — хорошо известны. В конце жизни кто-то спросил Холдейна, что он в своем длительном изучении природы подразумевал под ее творцом.

Холдейн задумался: возможно, около 350 тыс. видов жуков, составляющих более половины всех насекомых, а затем ответил: «Создатель, если он есть, питает необыкновенную слабость к жукам» [приводится в сообщении о прочитанном Холдейном 7 апреля 1951 года Докладе: Journal of ' the British Interplanetary Society . 1951. Vol. 10].

Так как Опарин и Ходдейн независимо друг от друга пришли к сходным выводам, их гипотезы часто представляют вместе в виде теории Опарина—Холдейна. При всем сходстве выводов Опарин прежде всего подчеркивает метаболизм, тогда как Ходдейн — воспроизведение. Это расхождение разбивает сторонников теории происхождения жизни на два лагеря.

После выдвижения гипотезы остается ждать появления доступного проверке предсказания и проведения соответствующих опытов. В 1952 году Стэнли Миллер (аспирант Нобелевского лауреата Гарольда Клейтона Ури в Чикагском университете) проделал новаторский опыт по проверке теории Опарина—Холдейна. Предполагаемые составляющие первичной атмосферы Земли — вода, водород, аммиак и метан — после обеспложивания вводились в соответствующий прибор, где подвергались электрическим разрядам, имитирующим молнии (рис. 3.1).

Через несколько дней после эксперимента Миллер обнаружил в воде простые органические молекулы (табл. 2), среди которых были аминокислоты, кирпичики живых организмов (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Из всего многообразия аминокислот в природе встречается лишь около 100 таких кислот, 20 из которых обнаружены в живых организмах. Четыре кислоты получены в миллеровском приборе. Большое количество этих простых, но примечательных органических молекул возникло всего за несколько дней.

Данные результаты подтвердили теорию Опарина—Холдейна. Конечно, полностью сформировавшиеся живые организмы получены не были. Хотя произведенные прибором Миллера молекулы представляли собой лишь простые составные части необходимых для обеспечения жизни молекул, само их образование в течение нескольких дней существенно укрепляло позиции данной теории.

Опытное подтверждение теории Опарина—Холдейна о происхождении жизни носило все же отрывочный характер, поскольку подробности биохимии жизни еще не были раскрыты.

Рис. 3.1. Прибор, использованный Миллером для воспроизведения условий, существовавших на первобытной Земле (из кн.: Raven P. H., Johnson G. В. Biology. 6thedition. N.Y., 2002 [Кемп П., Арме К. Введение в биологию / Пер. с англ. Л. Александрова и др. / Под ред. Ю. Полянского. М.: Мир, 1988. С. 339]

В последующий год все круто изменилось: в Кембридже Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик установили исходное строение молекулы, отвечающей за наследственность, дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. После того как молекулярные биологи приступили к упорядочиванию запутанных отношений между ДНК, РНК (рибонуклеиновой кислотой), белками и прочими молекулами, обеспечивающими деятельность живых организмов, стали известны дополнительные сведения о молекулярных взаимодействиях. Как говорится, бес прячется в подробностях.

Таблица 2 Молекулы, образованные в ходе опыта Миллера

Теория Опарина—Холдейна о происхождении жизни не содержала подробного списка химических реакций по зарождению жизни, поскольку на ту пору эти молекулы не были известны. Далее дается описание нынешнего понимания молекулярной основы жизнедеятельности организмов. Постараемся выяснить, что же могло послужить первой, простейшей формой жизни. Затем рассмотрим условия на Земле во время ее формирования и проследим, как химические реакции могли превратить простые молекулы в виде смеси в тот молекулярный механизм, что управляет ходом жизни. Потом мы рассмотрим некоторые иные трудности, делающие вопрос происхождения жизни одной из основных нерешенных проблем. Наконец, мы исследуем немногие пути, способные привести к ее разгадке.

Нынешняя жизнь: клеточные структуры

Ныне жизнь предстает крайне сложным явлением. Учитывая миллионы видов (где 350 тыс. приходится лишь на жуков) трудно рассчитывать на сохранение простейшей формы жизни, которую можно было бы исследовать. Ее нет. После 4 млрд. лет мутаций, воспроизведения, борьбы за пищу и изменений окружающей среды вряд ли стоит удивляться, что первой предполагаемой формы жизни давно не существует.

В сущности, что же такое жизнь? В 1947 году неугомонный британский генетик Дж. Б. С. Ходдейн сказал: «Я не собираюсь отвечать на этот вопрос». После борьбы с промежуточными формами вроде вирусов, вироидов и вирионов биология двинулась дальше в поисках четкого определения жизни.

Живые организмы порой описывались в соответствии с присущими им отправлениями (функциями):

Метаболизм: поглощение энергии, ее усвоение и вывод отходов.

Рост и восстановление: достижение нужных размеров и устранение неполадок.

Ответ на раздражители: выполнение действий в соответствии с внешними событиями.

Воспроизводство: создание себе подобного организма.

Современная биология избрала более простой путь: любое живое существо — клеточное. Отдельный организм может быть одноклеточным или состоять из множества взаимодействующих специализированных клеток, но в основе всех организмов лежит клетка. Далее, каждая клетка обладает мембранной оболочкой для обособления ее от остального мира. Внутри этой мембраны содержится полный набор команд по работе и воспроизведению клетки. Эти команды записаны в виде кода в дезоксирибонуклеиновой кислоте — ДНК.

Долгое время считалось, что существует лишь два вида клеток — эукариоты и прокариоты (рис. 3.2). Они разнятся размещением команд (эукариоты имеют ядро, а у прокариот оно отсутствует) и воспроизведением (эукариоты размножаются путем деления клеток, именуемого митозом; прокариоты — простым разрывом клеток). Недавно выяснилось, что существует еще одна разновидность клеток, названных археями. Анатомически археи сходны с прокариотами — у них нет ядра, но археи обладают, помимо таких же, как у эукариот, лишь им присущими генами.

ДНК содержится в одной хромосоме; отсутствует ядро

ДНК содержится во многих хромосомах внутри ядра

Рис. 3.2. Прокариотная и эукариотная клетки

ДНК архей содержится в простой кольцевой молекуле, а не в нескольких скрученных молекулах, где хранится ДНК эукариот. Большинству архей присущ метаболизм без участия кислорода (анаэробные археи), а некоторые (именуемые экстремофилами) обитают в условиях, при которых не выжили бы иные организмы. Гипертермофилы, обитающие в воде с температурой выше точки кипения (100°С), были обнаружены в горячих источниках Йеллоустонского национального парка, а также близ глубоководных термальных отдушин, именуемых «черными курильщиками» (о них рассказ впереди). Другие живут в холодной, соленой или кислотной среде вроде пресноводных озер под антарктическим льдом, соленых озер и отработанной угольной породы. С конца 1970-х это крайне захватывающая область исследования.

Археи считаются самыми древними клетками, предшествующими и прокариотам, и эукариотам. Поэтому археи по своему виду находятся ближе к самой ранней форме жизни по сравнению с другими клетками. Отсутствие ядра и болеепростая ДНК делают архею возможным соискателем на близкое родство с первичным простым организмом.

Отправления клетки

Теперь рассмотрим отправления клетки на молекулярном уровне. Ее генетическая информация содержится в молекуле ДНК (рис. 3.3). ДНК представляет собой сравнительно попарно нуклеотидов. Звено между этими нуклеотидами соединяет пары азотистых оснований, которые связываются заданным образом: аденин (А) — лишь с тимином (Т), а гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Это так называемые пары оснований Уотсона—Крика. Остальные нуклеотиды приходятся на долю Сахаров (дезоксирибозы), связанных с фосфорной кислотой, образуя остов спирали (рис. 3.4). (На изображениях молекул при отсутствии на углах кольца наименований атомов подразумевается атом углерода.)

Рис. 3.3. Структура молекулы ДНК (по кн.: Raven Р. //., Johnson G. В. Biology)

длинную двойную спиральную молекулу, состоящую из соединенных

Молекула ДНК строит молекулы РНК (матричной — мРНК, транспортной — тРНК и рибосомной — рРНК), представляющих собой одинарные спиральные цепочки нуклеотидов. Нуклеотиды РНК имеют то же строение, что и ДНК, только место тимина (Т) занимает урацил (У) (рис. 3.5).

Рис. 3.4. Строение нуклеотидов (из кн.: Raven P. H., Johnson G. В. Biology)

Двухцепочечная ДНК слишком велика, чтобы пройти сквозь отверстия в мембране ядра у эукариот, тогда как одноцепочечная и более короткая матричная РНК свободно туда проходит.

Рис. 3.5. Молекулы ДНК и РНК (из кн.: Raven P. H., Johnson G. В. Biology)

Прокариоты не сталкиваются с подобной трудностью, так как их ДНК не заключена в ядре. ДНК реплицируется (удваивается) расщеплением связей посередине с последующим восстановлением комплиментарных половин самой молекулы посредством спаривания соответствующих азотистых оснований Уотсона—Крика. Расщепление и восстановление требуют участия ферментов (о которых речь впереди). РНК, переписанная с ДНК, затем строит белки, состоящие из длинной цепочки аминокислот (рис. 3.6):

Белки обеспечивают отправления клетки, запуская определенные химические реакции внутри клетки: реакции, строящие требуемые части клетки, переваривающие пищу, запасающие энергию и обеспечивающие иные «работы по хозяйству» (впрочем, подробности функционирования системы «ДНК > РНК >белки» еще не полностью выяснены, особенно белков и их упаковки, составляя крупнейшую нерешенную проблему биологии; см. гл. 4).

Для уяснения работы белковых ферментов, ускоряющих течение лишь определенных химических реакций, рассмотрим, как человеческий организм получает энергию: в процессе окисления Сахаров и жиров. Такое же окисление происходит во внешнем мире. Доводилось ли вам видеть горение сахара-сырца или быть свидетелями воспламенения жира? Оба процесса требуют очень высокой температуры, а ведь внутри человеческого тела поддерживается температура всего 37°С, при которой происходит окисление. Собираемые РНК белки позволяют химическим реакциям протекать при значительно меньшей температуре, хотя их самих реакция не затрагивает, так что они не расходуются. Обычно подобные молекулы именуют катализаторами.

В случае с биологическими молекулами катализаторами выступают ферменты (энзимы). Часто ферменты временно связывают сложные молекулы. Замедляя движение этих молекул, ферменты дают им возможность соединяться с другими сложными молекулами. Такое соединение схоже с действием ключа в замочной скважине. Каждый, возвращаясь поздно ночью домой, может удостовериться, что значительно проще попасть ключом в замочную скважину, если замок неподвижен. Катализатор тоже механически скрепляет или распускает связи между молекулами, затем их отпускает. Каталитический дожигатель выхлопных газов в автомобиле служит примером небиологического катализатора. Разделенные частицы платины, палладия или родия расщепляют окиси азота, высвобождая кислород и азот, соединяют угарный газ с кислородом для получения углекислого газа либо расщепляют несгоревшие углеводороды до двуокиси углерода и воды. Катализаторы в некотором смысле схожи с организаторами боев боксеров, хотя сами в поединках не участвуют (вспомним знаменитого агента, организовавшего бои Мухаммеда Али с Джорджем Форманом и Джо Фрэзером, матчи Лео Спинкса, Майка Тайсона и Дона Кинга).

Рис. 3.6. Белковые молекулы и их строение (из кн.: Raven P . H ., Johnson G . В. Biology)

Как показывают приведенные изображения молекул, они довольно длинные и сложные, хотя собираются из более простых единиц. ДНК и РНК представляют собой сочетание нуклеотидов, каждый из которых состоит из фосфата, сахара (рибозы или дезоксирибозы [той же рибозы, но без одного атома кислорода, когда гидроксильная группа ОН при одном из атомов углерода заменена на атом водорода Н] и азотистых оснований. Белки — длинные цепочки из аминокислот. Каждая такая цепочка именуется полимером. Подобно тому как садовая ограда принимает различные очертания в зависимости от величины и вида камней, из которых она возводится, так и длинные молекулы всевозможного вида могут собираться из небольших, скрепляющихся между собой молекул. Единичные молекулы называются мономерами, а сборку больших молекул из маленьких именуют полимеризацией.

Одна из реакций полимеризации — конденсация, при которой два мономера связываются, вызывая «выпадение» молекулы воды, образуя так называемый димер (двухчастный). Три связанных мономера именуют тримером, четыре — тетрамером и т. д. Обычно при соединении двух мономеров образовавшуюся молекулу называют полимером (многочастной). Примером небиологической реакции полимеризации, сопровождающейся конденсацией, может служить схватывание бетона. Силикатные мономеры образуют полимеры, избыток воды испаряется, а смесь гравия с песком заключается внутрь полимерной массы. В итоге получается очень прочное соединение.

Итак, ДНК содержит чертежи всех белков, включая ферменты, а РНК собирает ферменты, часть которых ускоряет репликацию ДНК. Ферменты невозможно собрать без чертежей от ДНК, а ДНК не в состоянии самовоспроизводиться без ферментов. Звучит подозрительно, напоминая пресловутый вопрос: что было раньше — курица или яйцо?

Выход из этого затруднения предложил биохимик Лесли Оргел в 1960-е годы. РНК несла достаточное количество генетической информации, но если бы она еще могла выступать в роли ферментного катализатора, то была бы способна решать задачи и ДНК, и белков. В таком случае исходной молекулой были бы не ДНК или белки, а РНК. Кроме того, молекулы РНК легче синтезировать по сравнению с ДНК, и ДНК вполне могла бы развиться из РНК.

На протяжении 1970-х годов в роли ферментов учеными отмечались одни белки. Но в начале 1980-х молекулярные биологи Томас Чек и Сидни Олтмен независимо друг от друга обнаружили, что и РНК может выступать в качестве катализатора. Теперь известно около ста ферментативных РНК, именуемых рибозимами.

Это открытие пролило свет на вопрос о происхождении жизни. В статье 1986 года молекулярный биолог из Гарварда Уолтер Гилберт ввел в оборот понятие РНК-мир. Он писал:

«Первую стадию эволюции затем продолжают молекулы РНК своей каталитической деятельностью, необходимой для собственной сборки из нуклеотидного бульона. Молекулы РНК развиваются в способные к самоудвоению формы, используя рекомбинацию и мутацию для освоения новых ниш... Потом они обретают всю совокупность ферментативной деятельности. На следующей стадии молекулы РНК начинают синтезировать белки, сначала создавая адаптирующие молекулы РНК, способные связывать активированные аминокислоты, а затем выстраивая их согласно матрице РНК с использованием других молекул РНК вроде ядра РНК рибосомы. Этот процесс привел бы к созданию первых белков, которые оказываются лучшими ферментами, нежели их собратья из РНК... Эти белковые ферменты... складываются из минимальных составляющих структуры».

У гипотезы РНК-мира есть альтернативы, самая известная из них — выдвинутая биохимиком Сидни Фоксом о первичности белка и гипотеза «глиняного мира» химика А. Г. Кэрнса-Смита.

Эти теории привлекли меньше внимания исследователей, и их обсуждение отложим до той поры, пока не изучим лучше мир РНК.

Предсолнце

Начнем свое путешествие к истокам жизни, отправившись в то время, когда стали образовываться основные кирпичики жизни — атомы. Итак, чтобы увидеть, каким образом Земля получила атомы, особенно атомы углерода, обратим время вспять.

Очень давно, где-то в нашей галактике Млечный Путь была некая звезда, назовем ее Предсолнцем. Предсолнце образовалось при уплотнении под действием тяготения большого водородно-гелиевого облака межзвездного пространства. Подобно большинству звезд, Предсолнце состояло из сердцевины [ядра], где тяготение сближало протоны до такой степени, что происходил ядерный синтез, и газовой атмосферы, которая нагревалась под действием испускаемой сердцевиной энергии. На первой ступени жизни Предсолнца в его сердцевине происходило слияние водородных ядер (протонов) с образованием ядер гелия (именуемых альфа-частицами). Атмосфера ярко светилась под действием выделяемой из недр Предсолнца энергии.

Со временем водород в сердцевине частично выгорел. Отсутствие топлива привело к сжатию сердцевины и повышению ее температуры, что вызвало расширение атмосферы и ее красное свечение. Между тем сжавшаяся сердцевина нагрелась до такой степени, что началось слияние трех ядер гелия с образованием ядра углерода, и эта переработка гелия в углерод получила название тройного альфа-процесса, или тройной гелиевой реакции. Ввиду большой массы Предсолнце обладает большой силой тяготения, так что гелий быстро выгорает. Сердцевина опять сжимается, температура ее повышается, и в итоге новые реакции синтеза порождают элементы тяжелее углерода. Слияние ядер происходит послойно, так что сердцевина крупной звезды напоминает луковицу, где каждому слою соответствует своя реакция синтеза. Атмосфера расширяется и сжимается слегка, не поспевая, однако, за изменениями в сердцевине. Сердцевина старается предотвратить вызванное тяготением сокращение, и таким образом синтезируются все более тяжелые ядра. Когда начинается образование ядер железа, синтез подходит к концу. Образование ядер железа оказывается не столь энергетически выгодным, и синтез более тяжелых ядер идет на спад. Неотвратимо приближающийся коллапс сердцевины Предсолнца представляет собой удивительное зрелище. Предсолнце взрывается, выбрасывая некоторую часть своей сердцевины и всю атмосферу в межзвездное пространство (о том, что происходит с оставшейся сердцевиной, см. в гл. 6).

Вещество, состоящее из 70% водорода, 28% гелия и 2% более тяжелых элементов, разлетается с огромной скоростью. Замедляя свое движение под действием сил тяготения, исторгнутое Предсолнцем вещество наполняет межзвездное пространство более тяжелыми ядрами.

История жизни Предсолнца позволяет объяснить происхождение тяжелых ядер в нашей Солнечной системе и на Земле, но остается прояснить еще один вопрос. Крупные звезды по астрономическим меркам имеют непродолжительный срок жизни — от миллионов до сотен миллионов лет. Так что до образования нашей Солнечной системы могли существовать тысячи Предсолнц. Получается, что в газово-пылевом облаке, уплотнившемся под действием притяжения и давшем нам начало, возможно, присутствовали ядра, образованные предшествующими звездами.

Наше Солнце

Начало жизненного цикла нашего Солнца такое же, как и у Предсолнца, за исключением того, что Солнце не столь массивно. Малые звезды живут дольше, поскольку их меньшая масса препятствует столь быстрому процессу слияния ядер. Поэтому нашему Солнцу отпущен больший срок и уготована не столь ужасная кончина. Но нас прежде всего интересует Земля. Образование Земли протекало сходным со звездами образом, но на Земле вследствие значительно меньшей массы у слипшихсячастиц слияния ядер не происходило. Слипшиеся частицы сталкивались и скучивались, так что более плотное вещество оседало в сердцевине (ядре), а менее плотное поднималось на поверхность планеты.

Частицы газа и пыли сталкивались друг с другом, объединялись в ходе так называемого сращения и в итоге образовали горячую первобытную землю. Сросшиеся массы, именуемые планетезималями, продолжали падать на поверхность молодой Земли. Возможно, одна крупная планетезималь по касательной столкнулась с Землей, выбив из нее вещество, давшее начало Луне, а также заставив ее вращаться. Наконец, новоиспеченное Солнце «вымело» большую часть осколков за пределы Солнечной системы. Пространство, занимаемое внутренними планетами, оказалось на редкость чистым, за исключением случайных столкновений с грязными осколками льда, появляющимися при сближении с тяжелыми внешними планетами. Эти осколки льда мы сегодня называем кометами. Их хвост состоит большей частью из паров воды и углекислого газа, поскольку под действием солнечных лучей лед напрямую переходит в газообразное состояние.

Появление РНК

Поверхность вновь образовавшейся планеты Земля была каменистой и горячей. На нее продолжали обрушиваться планетезимали и хвосты комет, оставляя смешанные с углеродом пары воды и углекислый газ. По мере охлаждения Земли происходила конденсация воды, вместе с водой от кометных хвостов образовавшей океаны. Газовая атмосфера, похоже, состояла из газов, выделяемых при извержении вулканов: водяных паров (Н₂ О), углекислого газа (СО₂ ), аммиака (NH₃ ), метана (СН₄ ) и небольшого количества оставшегося водорода (Н₂ ), не утраченного Землей ввиду присущей ей слабой силы тяготения. Свободного кислорода (О₂ ), по сути, не было, так как даже имевшиеся крохи вследствие химических реакций оказались в связанном состоянии.

При таком развитии событий на Земле могли начаться химические реакции. Чтобы заложить основы жизни, эти реакции должны были проходить беспрепятственно в тогдашних условиях, с достаточной силой и устойчивостью. Начиная с простых молекул и доходя до РНК, мы изучим каждую реакцию, наблюдая, где и как они могли произойти и какое положительное или отрицательное воздействие оказывала на них окружающая среда. Что касается времени, все реакции должны были начаться в конце периода падения потоков планетезималей, а завершиться до того, как были образованы древнейшие окаменелости. Мы получаем промежуток в 100-500 млн лет, или около 10¹⁶ с.

На рис. 3.7 приведены химические реакции, которые должны были породить РНК.

1. Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют аминокислоты— предшественниц азотистых оснований. Опыт 1953 года Стэнли Миллера благодаря случайным реакциям дал множество органических молекул, некоторыеИз них представляли аминокислоты — предшественницы азотистых оснований. Проводились сходные опыты с использованием различных веществ и ультрафиолетового излучения вместо электрических разрядов.

Рис. 3.7. Химические реакции, ведущие к образованию РНК

Но результаты выходили одинаковые: в различных количествах получались все 20 аминокислот, присутствующих в живых организмах (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Такой процесс мог начаться в атмосфере, а затем перейти в толщу океана. Или же он начался глубоко под водой в океане близ гидротермальных отдушин («черных курильщиков»), где высокая температура давала энергию и ускоряла химические реакции. Но поскольку жизни еще не было, молекулы могли собираться в толще океана без поглощения их организмами-санитарами, как происходило бы сегодня.

2. Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют рибозу. Хотя реакция возникла, полная цепочка реакций, приводящая к образованию рибозы в качестве основного продукта, еще не наблюдалась. В реакциях, где рибоза являлась побочным продуктом, выход большей частью был слишком мал, чтобы иметь устойчивые реакции для получения достаточного для начала жизни количества молекул. Возможно, ученые не выявили требуемых реакций для образования нужной рибозы, или же тогда присутствовали уникальные неорганические либо органические катализаторы. Вместо того чтобы следовать подходу Миллера и продолжать «варить» простые молекулы все дольше и дольше, ученые перескочили через этот этап и приступили к соединению промежуточных молекул, чтобы увидеть, как мог протекать дальнейший процесс.

3. Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют фосфорную кислоту. Это простая неорганическая реакция, совершаемая атомами фосфора, которые получаются при выветривании скальных пород.

4. Азотистые основания и рибоза при химическом взаимодействии образуют нуклеозиды. Ученые достигли некоторых успехов в проведении данных реакций, но сам синтез оказался неэффективным без использования ферментов, чтобы катализировать данный процесс.

5.Нуклеозиды и фосфаты при химическом взаимодействии образуют нуклеотиды. Одни нуклеотиды получаются достаточно легко, другие — крайне трудно. Камнем преткновения к тому же служит образование большого количества нуклеотидов. Одни наличествуют в организмах, другие отсутствуют и, что может помешать репликации РНК, поскольку они не будут соединяться с встречающимися в природе нуклеотидами. Опять же тогда могли присутствовать неорганические или органические катализаторы, содействующие протеканию такой реакции. Катализаторы могли возникнуть на Земле или быть занесены хвостами комет либо метеоритами. Природа самих катализаторов пока неизвестна (более подробно см. далее). Не исключается протекание в ту пору неферментативных реакций, но ученые их еще не выявили.

6. Нуклеотидные мономеры, полимеризуясь, образуют нуклеотидные полимеры— РНК. Полимеризация может оказаться затруднительной в изобилующей водой среде. Бульон мог оказаться слишком разбавленным; вероятно, он должен быть более густым — наподобие каши или даже теста для пиццы. Полимеризация посредством конденсации могла происходить в мелком пруду, на песчаном берегу или на глинистом взморье. Длинные органические молекулы могли не вынести сильного ультрафиолетового излучения, что предполагает наличие некоторого укрытия, чтобы состоялась полимеризация. Вполне вероятно, что молекулы паров воды в верхних слоях атмосферы разлагались под действием солнечных лучей в ходе так называемой фотодиссоциации, порождая водород и кислород. Водород, преодолев силу притяжения, покидал Землю, а кислород превращался в первый озоновый (О₃ ) слой Земли, укрыв ее поверхность от ультрафиолетовых лучей. Находясь слишком высоко в атмосфере, кислород не мог мешать течению ведущих к зарождению жизни химических реакций на земной поверхности, а задержка ультрафиолетовых лучей обезопасила органические молекулы от распада (продолжалось становление атмосферы, процессы внутри которой породили проблему погоды, которая обсуждается в гл. 5).

Другое возможное развитие событий связано с самовоспроизводящейся молекулой, которая предшествовала РНК. Предполагаемая молекула-предтеча синтезировалась легче РНК, имея при этом сходное с ней строение. На ее роль претендуют два «соискателя».

1. ТНК (треозонуклеиновая кислота), состоящая из содержащих четыре атома углерода [с двумя центральными гидроксильными группами с трансизомерией[**] ) моносахаридов (треоза), а не пять (рибоза), которые образуют остов РНК. Синтез ТНК [не встречается в природе] в добиологическом мире происходил бы легче по сравнению с РНК, поскольку ТНК требует идентичных остатков с двумя атомами углерода, а не с двумя и тремя, как у [содержащей пять атомов углерода] рибозы. Полимеры ТНК образуют двойную спираль подобно ДНК и совместимы с ДНК и РНК (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Моносахариды с углеродной цепью из четырех (треоза) и из пяти (рибоза) атомов

2. ПНК (пептиднуклеиновая кислота), остов которой образован не сахарами, а полимерами аминокислоты Г^(2-аминоэтил)-глицин. Эта молекула образует двойную спираль, ее составляющие легко синтезируются устойчивыми реакциями простых молекул, и она легко полимеризуется.

Был ли у РНК самовоспроизводящийся предшественник, неясно. Ну а мы тем временем продолжим.

РНК-мир

С появлением РНК механизм образования первой клетки проясняется. РНК-миру для его становления остается пройти пять этапов.

1. Этап репликации (самовоспроизведения).

A. Нить РНК создает свою комплиментарную нить (Ц-Г, А-У) притягиванием друг к другу спариваемых оснований аминокислот. Возможно образование любых сочетаний, однако неустойчивые сочетания не смогут удержаться вместе, как это происходит с парами оснований Уотсона—Крика (АУ, ГЦ), которые и берут верх.

Б. Комплиментарная нить РНК отделяется от исходной нити.

B. Комплиментарная нить создает свою собственную комплиментарную нить, совпадающую с исходной РНК.

Г. Молекулярные комплиментарные нити разделяются, образуя копию исходной молекулы РНК и комплиментарную молекулу РНК, которые в свою очередь могут теперь строить очередные копии по тому же образцу.

Воспроизведение всех этих этапов в лабораторных условиях пока не увенчалось успехом. Возможно, протеканию этих реакций способствовали катализаторы. Здесь могли участвовать неорганические катализаторы в виде заряженных [кристаллов] глины, притягивая молекулы и удерживая их в нужном для реакции положении. Другой вариант связан с возможностью проведения необходимых репликаций обладающими ферментной активностью молекулами РНК — рибозимами. Здесь могли присутствовать и органические катализаторы, которые пока не выявлены. Другая трудность связана с право- и левовращающимися спиральными молекулами РНК и ДНК, о чем речь пойдет в следующей главке. Возможность дарвиновской эволюции на молекулярном уровне наличествует на всех этапах развития РНК-го мира. Изменение происходит при репликации, как следствие случайной природы самого процесса. Полученные молекулы начинают бороться за аминокислоты, и преуспевшие в этом завладеют большинством аминокислот, став преобладающими. Заметим, сколь схоже такое развитие событий с ходом классической дарвиновской эволюции с ее изменением, конкуренцией, подкреплением и распространением на уровне организмов.

2. Направляемый РНК белковый синтез. РНК, синтезирующие белковые молекулы, должны пользоваться даруемыми дарвиновской теорией выгодами, вероятно, через некую косвенную обратную связь, пока еще не выявленную.

3. Разделение на клеточные скопления. Должно начаться образование мембран из сложных белков или жирных липидных молекул, ведущее к отделению множеств РНК друг от друга. Это вызовет усиление конкуренции между ними и белковыми молекулами, прежде чем они подойдут к этапу становления клетки. Эти клеточные скопления именуют протоклетками.

4. Сцепление белков и РНК. Предположив разделение этих первых РНК на гены, каждый из которых синтезирует один белок, получим, что они должны состоять из 70-90 нуклеотидов. Для сравнения: ген современного человека включает несколько тысяч нуклеотидов. Первичный белок (в действительности остаток аминокислоты, именуемый пептидом), вероятно, состоял из 20—30 нуклеотидов. Согласно теоретическим выкладкам минимальное число генов должно равняться 256, и тогда первая клеточная РНК состояла примерно из 20 тыс. нуклеотидов.

5. Сохранение информации в ДНК и образование белковых ферментов-катализаторов. РНК вполне способна хранить генетическую информацию, но двойная спираль ДНК лучше приспособлена к более надежному ее хранению по сравнению с одной спиралью РНК. Развивая мысль о сборке рибонуклеиновой кислотой множества молекул в качестве хранителей информации и ферментов, получаем, что с эволюционной точки зрения обеспечивающая более надежное хранение генетической информации ДНК сменит в этой роли РНК. Далее, белковые ферменты оказываются более действенными как катализаторы по сравнению с РНК и поэтому белки приходят на их место. Таким образом, молекулы РНК ограничиваются транскрипцией [мРНК], транспортировкой [тРНК] и катализом [рРНК], так как остальные их обязанности взяли на себя молекулы, справляющиеся с ними гораздо лучше. Дарвин был бы доволен. Как только протоклетке удается обрести способность к метаболизму и воспроизведению, она становится полноценной клеткой. Начало жизни положено.

Альтернативы РНК-миру

Есть иные варианты с участием РНК, включая «первичность белков» и «глиняный мир».

Первичность белков. Сидни Фокс в 1977 году показал, что отдельные смеси аминокислот при нагревании без воды полимеризуются, образуя протеиноиды (короткие полипептидные цепи с некоторыми каталитическими свойствами). Если затем опустить протеиноиды в воду, они образуют мембрану и начинают походить на клетки. Такие клеткообразные структуры Фокс назвал микросферами. Внутри микросфер белки предположительно катализировали образование РНК и ДНК.

Глиняный мир. Согласно этой гипотезе радиоактивность обеспечивала аминокислоты энергией для полимеризации на глиняной подложке, содержащей железо и цинк, которые служили неорганическими катализаторами для образования и белков и РНК. Такой подход в 1982 году предложил Кэрнс-Смит.

Научное сообщество пока не балует эти гипотезы вниманием, но все может измениться, если обнаружится какое-нибудь веское доказательство в пользу одной из них.

Сложности

Оказывается, происхождение жизни — весьма сложный процесс. Многие вопросы пока остаются без ответа. Это касается состава и соотношения исходного сырья, роли температуры, количества наличествующей воды, отсутствия или присутствия катализаторов, органической или неорганической их природы, их источника, течения химических реакций и т.

Непреодолимая трудность состоит в невозможности обратить время вспять, чтобы проверить те или иные детали.

Возможно, от отчаяния некоторые идут напролом в поисках более простых ответов, рассматривая, например, процесс статистически и оценивая общую вероятность событий. Предлагались многие такие оценки, о них весьма ярко выразился астроном Фред Хойл, сказав, что вероятность зарождения жизни из простых молекул сродни «сборке "Бо-инга-747" ураганом, пронесшимся над мусорной свалкой». Сборка сложного технического изделия из простого сырья больше смахивает на «лягушек из чушек», чем на описанный выше многоступенчатый процесс. Кроме того, сам процесс далеко не случаен. Катализаторы ускоряют реакции, а дарвиновская система изменения, конкуренции, подкрепления и распространения «удачливых» молекул делает химические процессы значительно более действенными, нежели случайный ход событий. Скорее нужна многократная подгонка частей и сохранение того, что станет походить на «Боинг-747». Посредством такого рода обратной связи можно в итоге собрать самолет.

Другая трудность — наличие право- и левовращающих молекул. Способность углерода образовывать четыре связи позволяет ему создавать трехмерные тетраэдрические структуры. Так, один атом углерода, даже связанный с одинаковыми атомами, может образовывать две совершенно разные молекулы, именуемые стереоизомерами (рис. 3.9). Эти молекулы являются зеркальными отображениями друг друга, однако из-за своего трехмерного строения они не взаимозаменяемы. Это известно любому, кто пытался надеть левую перчатку на правую руку.

Рис. 3.9. Хиральные стереоизомеры

Подобная «закрученность» молекул именуется хиральностью. Поскольку молекулы из-за их малости невозможно увидеть, для определения хиральности сквозь раствор с молекулами пропускают поляризованный свет, отмечая вращение плоскости поляризации света. Молекулы, вращающие свет влево, обозначают буквой L, вправо — буквой D. Для более сложных молекул используется и более сложная система обозначений. Смесь L- и D-форм одного и того же стереоизомера называется рацемической. То, что стереоизомеры существуют в виде рацемических соединений (рацематов), представляло бы сугубо научный интерес, если бы не крайняя чувствительность биологических систем к хиральности. Например, L-форма молекулы кетона, именуемая карвоном, пахнет тмином, тогда как D-форма той же молекулы — мятой.

Еще важнее, что молекулы в живых системах сохраняют свою хиральность. Белки содержат лишь D-, а не L-caxapa. Данное обстоятельство, возможно, указывает на то, что все добиологические химические процессы имеют один источник. Недавние опыты, однако, показывают, что пептиды одинаковой закрученности (гомохиральные) реплицируются охотней, нежели рацематы (гетерохиральные) и даже подавляют находящуюся в меньшинстве у таких соединений хиральность. Возможно, из-за этого преобладают L-аминокислоты и D-caxapa, которым удалось подавить своих собратьев в ходе последующих репликаций.

Другая сложность: возвращение панспермии. В 1960-е годы американский астроном Карл Саган переосмыслил представления Аррениуса, установив те условия, при которых маленькие частицы вроде спор могли преодолевать космическое пространство. Оказывается, что не Земля, а спутники внешних планет (например, обладающий атмосферой Тритон у Нептуна или имеющая скрытую в недрах воду Европа у Юпитера) — наилучшее место в Солнечной системе для выживания подобных спор. Это не приближает к разгадке тайны происхождения жизни на Земле, но побуждает исследовать космос.

Следующее предложение внес в те же 1960-е годы британо-американский астроном Томас Голд. Если некая развитая цивилизация исследовала нашу планету в далеком прошлом и оставила следы своего пребывания, там могла быть жизнь, что повлияло на развитие жизни на Земле. Эта теория пикника чужеземцев не имеет никакой предсказательной силы, но она повлияла на представления о наших путешествиях к другим планетам.

Британские астрономы сэр Фред Хойл и Н. Чандра Викрамасингх приступили к изучению спектра космической пыли в 1978 году. Они пришли к убеждению, что полученные ими крайне сложные спектры совпадают со спектрами высушенных бактерий. По их мнению, бактерии живут на частицах пыли в огромных газово-пылевых облаках среди космического пространства. При сжатии подобного облака, приводящем к созданию Солнечной системы, крупицы пыли становятся ядрами комет и выпадают вместе с бактериями на образовывающиеся планеты. Местонахождение и развитие первых бактерий не проясняется, однако эта теория отводит больше времени для появления первой клетки, чем отпускаемые на добиологические химические процессы гипотезой Опарина—Холдейна несколько сотен миллионов лет.

Другие ученые нашли подтверждение некоторым сторонам теории Хойла—Викрамасингха. Свыше 130 различных молекул удалось выявить по линиям поглощения в спектре звезд при прохождении их лучей сквозь пылевые облака. В пылевых облаках присутствовали молекулы сахара, винилового спирта и других биологически значимых веществ. Механизм образования таких сложных молекул в облаках крайне малой плотности совершенно не ясен. Если крупица пыли внутри облака выступает в качестве катализатора, удерживая более простые молекулы, пока они не образуют более длинных молекул, токаким образом последние избегают их хватки? Столкновения с другими частицами, достаточные для распускания больших молекул, смогли бы разорвать и связь катализатора с молекулой. Над этой загадкой придется поломать голову.

Метеориты тоже содержат значительное количество органических молекул. Например, в них было найдено свыше 70 различных аминокислот, восемь из которых относятся к 20 аминокислотам, входящим в состав белков. Найденный в Мерчисоне (Австралия) в 1969 году метеорит содержал много сложных органических молекул. Его аминокислоты относились преимущественно к L-типу, присутствующему в биологических системах Земли.

Ширится изучение комет и межпланетной пыли. В 1999 году НАСА запустила космический корабль Stardust , который возьмет пробы содержимого хвоста кометы Wild-2 и межпланетной пыли и доставит их на Землю в 2006 году. Любопытны предварительные результаты, согласно которым Stardust уже наблюдал частицы с молекулярной массой 2000 единиц. И хотя с определением их состава придется ждать до 2006 года, несомненна их углеродная основа и то, что они в 10 раз крупнее известных молекул.

Мог ли некий внеземной фермент катализировать отдельные ключевые реакции в добиологическом бульоне? Подождем, что за космическую пыль преподнесет нам Stardust .

Решение головоломки: как, кто и почему?

Как. Рассмотрим с позиции научного метода две основные, допускающие проверку гипотезы о происхождении жизни на Земле.

Гипотеза 1

Панспермия Хойла—Викрамасингха

Предсказание: если бактерии обитают на ядрах комет, то жизнь или по меньшей мере сложные органические молекулы могут существовать и в других местах.

Опыт: экспедиции на Марс и спутники внешних планет или, возможно, космический корабль Stardust прояснят положение дел. Если не отыщется следов жизни, гипотезу придется дополнить или отвергнуть. В противном случае... Если калифорнийский проект по поиску внеземного разума получит сигнал от разумных форм жизни, то вопрос происхождения этих форм жизни приобретет большое значение (см.: Список идей, 4. Внеземная жизнь).

Гипотеза 2

Молекулярное самопроизвольное зарождение жизни, по Опарину—Холдейну. Как видно из нашего обсуждения, данная гипотеза страдает незавершенностью. Требуется уточнить многие частные вопросы.

Предсказание: при уточнении частных вопросов необходимо определиться с рядом устойчивых реакций, которые можно было бы воспроизвести в лабораторных условиях.

Опыт: ученые ждут предсказаний от теории, чтобы проверить их опытным путем.

Кто. Кто, в частности, мог бы помочь в завершении гипотезы и проведении трудных лабораторных опытов? Вот неполный список соискателей: Сидни Олтмен, Дэвид Бар-тел, Рональд Брикер, Андре Брок, А. Грэм Кэрнс-Смит, Томас Чек, Кристиан де Дюв, Манфред Эйген, Эндрю Эллингтон, Альберт Эшенмозер, Джеймс Феррис, Айрис Фрай из Израиля, Уолтер Гилберт, Норман Гарольд Горовиц, Уэнди Джонсон, Стюарт Кауффман, Ноам Лахав из Израиля, Барри Эдуард Хауорт Маден из Великобритании, Петер Эйгил Нильсен из Дании, Харри Ноллер, Лесли Оргел, Норман Пейс, Курош Салехи-Аштиани, Эёрш Сатмари из Венгрии, Питер Унрау, Чарльз Уилсон и Арт Цауг. Или же это будет кто-то из малоизвестного учреждения вроде Швейцарского патентного бюро, обладающий острым зрением, чтобы охватить взором не только общую картину, но и необходимые для ее понимания подробности.

Почему. Почему ученые берутся за такие большие и запретные темы, как происхождение жизни? Многими движет любопытство, но в этом деле есть и одно притягательное для всех обстоятельство. Фонд Origin - of - Life Foundation выплатит вознаграждение тому, кто предложит «наиболее приемлемый механизм самопроизвольного возникновения в природе генетических команд, достаточных для зарождения жизни». Награда — 1,35 млн. долларов — лакомый кусочек. За подробностями обращайтесь на узел Всемирной Паутины www . us . net / life .

В 1862 году Луи Пастер принял вызов вопреки советам друзей. Он решил головоломку и за свои труды удостоился премии Французской академии наук. Чего нам недостает, так это Пастера XXI века.

Глава четвертая

Биология

Каково строение и предназначение протеома?

Что такое жизнь? Вспышка светляка в ночи. Дыхание бизона в зимнюю пору. Короткая тень, пробежавшая по траве И потерявшаяся среди заката.

Предсмертные слова Вороньей Лапы,

вождя племени сиксика [††]

Но каким бы ни был переход Земли от безжизненной к обитаемой планете, он проложил путь к становлению планеты, полной разнообразных форм жизни. Биология занимается изучением этих самых форм жизни и процессов, обеспечивающих их жизнедеятельность. До недавнего времени крупнейшей нерешенной задачей биологии оставалось прочтение молекулярного чертежа, генома, отдельных форм жизни.

Теперь, после расшифровки генома человека и иных форм жизни, задача такова: выяснить, как белковые молекулы, собранные в соответствии с содержащимися в геномах указаниями, участвуют в устроении и жизнедеятельности организмов? Как эти белковые молекулы обеспечивают невероятно сложное молекулярное взаимодействие, именуемое жизнью?

E . coli

Быстро ешь, быстро расти, быстро размножайся, быстро реагируй... Для клеток спешка — образ жизни.

Каким-то образом молекулы осуществляют все эти жизненно важные отправления клетки. Согласно основам молекулярной биологии сообщение от ДНК переписывается (транскрибируется) в виде РНК, которая затем передает (транслирует) сообщение белкам, длинным цепочкам полимеров с различными боковыми группами, протянувшимися вереницей вдоль повторяющегося остова. Эти белки в свою очередь обеспечивают налаженную работу клетки.

Операционная система жизни превосходит любую версию Windows. Крошечная молекулярная установка жизни решает свои задачи надежно в различных условиях работы и с малыми сбоями. Хотя биология достигла многого в понимании функционирования форм жизни, детали операционной системы жизни столь сложны, что составляют крупнейшую нерешенную проблему биологии.

Чтобы получить представление о природе данной проблемы, рассмотрим некоторые сложности в действиях молекул при отправлении сравнительно простым организмом одной жизненно важной надобности — метаболического разложения молекулы сахара. Данный процесс впервые изучили в 1960-е годы французские ученые Жак Моно, Франсуа Жакоб и Андре Львов. Начнем изыскания с крошечной бактерии, обитающей (обычно вполне мирно) в толстой (ободочной) кишке многих животных и человека. Ее имя Escherichia coli (кишечная палочка) — Е. coli . Это один из излюбленных объектов исследования у биологов, и поэтому он хорошо изучен.

Одна разновидность К-12 вполне безобидна и часто используется в лабораторной работе. Ее полная ДНК (геном) описана и содержит 4 639 221 пару оснований. Из ДНК палочки К-12 транскрибируются 89 РНК, которые в свою очередь строят 4288 различных белков. Обходясь простым (единичным) сахаром, глюкозой и несколькими неорганическими ионами, молекулярный механизм этого выносливого организма способен синтезировать любую органическую молекулу, необходимую для метаболизма, роста, восприятия и воспроизводства. Благодаря своей приспособляемости это крошечное существо выращивается в богатой глюкозой среде в биологических лабораториях по всему миру.

Опероны Е. coli

Молекулярная подвижность Е. coli зависит от оперонов — генетических единиц, расположенных на молекуле ДНК, хромосоме, и состоящих из кластера генов с соответствующими функциями. Один из оперонов называется lac -опероном ввиду ключевой роли в метаболизме молочного сахара (лактозы). Lac - оперон содержит три гена, отвечающих за выработку трех белков, импортирующих лактозу в клетку и расщепляющих ее на глюкозу и другой сахар, галактозу.

Рассмотрим, как lac-оперон участвует в метаболическом процессе при добавлении лактозы в обычно богатую глюкозой питательную среду. Лактоза, молочный сахар, сложнее глюкозы и состоит из глюкозы с галактозой, образующих одну молекулу, дисахарид (рис. 4.1). После добавления лактозы к среде с присутствием Е. coli происходит то, что описывалось выше. Е. coli переваривает глюкозу, оставляя в неприкосновенности лактозу. Но при нехватке глюкозы в ход идет и она.

Рис. 4.1. Молекулы глюкозы и лактозы

Крайне любопытно поведение при этом Е. coli . На время все замирает. Е. coli не влияет на лактозу, другие метаболические реакции идут на убыль, и клетка перестает делиться. Настают трудные времена для Е. coli . Но вскоре начинает действовать лактоза, затем Е. coli . Изучение химических процессов клетки выявляет три новых белка, которых не было,

пока хватало глюкозы. Эти белки состоят из [галакзид-]пермеазы, препровождающей молекулы лактозы через мембрану клетки, где они перевариваются; бета-галактозидазы, расщепляющей лактозу на глюкозу и галактозу; и [тиога-лактизид-]трансацетилазы, чья роль еще полностью не выяснена.

Оперон ДНК — РНК — белки

Представляется, что присутствие лактозы в клетке служит пусковым механизмом, приводящим в действие транскрипцию РНК, которая производит эти три белковых фермента. На самом же деле все обстоит значительно сложнее. Сигнал к производству различных белковых ферментов задается одновременно наличием лактозы и отсутствием глюкозы. Рассмотрим этот процесс на молекулярном уровне, чтобы выяснить его механизм.

ДНК порой представляют в виде обособленной молекулы, надежно защищенной благодаря своему крепкому сложению, хранящей жизненно важную для клетки информацию. Но это далеко не так. В действительности ДНК постоянно прощупывают, крутят, тормошат, раскрывают различные белковые ферменты. Такая деятельность заставляет эту информационную магистраль изрядно выкладываться.

Все эти действия обусловлены обликом ДНК и распределением электрического заряда. Двойная спираль имеет бороздки, маленькую и большую, а все нуклеотидные основания обладают только им присущим распределением электрического заряда (см.: Список идей, 6. Сборка модели ДНК, где рассказывается, как собирать часть ДНК из набора конструктора). Некоторые белки имеют размер и очертание, приходящиеся «впору» этим бороздкам. Благодаря распределению электрического заряда у белков и ДНК они могут плотно прилегать друг к другу. Однако притяжение не столь сильно, как ковалентные связи внутри каждой молекулы. Такое вкладывание одной молекулы в другую называют связыванием.

В зависимости от формы и распределения заряда белки присоединяются в соответствующих местах вдоль ДНК. Ввиду теплового движения молекул белки постоянно связываются и отделяются.

Соответствие сложных молекулярных очертаний часто представляется аналогичным ключу и замку. Лишь немногие очертания в достаточной степени соответствуют друг другу для соединения молекул. Белки тоже могут связываться с другими белками, образуя новую единицу под названием комплекс. Обычно комплекс приобретает иные по сравнению с исходной молекулой очертание и распределение заряда. Такую перемену, играющую главную роль в сборке белка, поскольку меняются «ключи» и «замки», именуют конформационным изменением.

РНК собирается с помощью белкового фермента (полимеразы), который прикрепляется к связывающей стороне ДНК, распускает двойную спираль посередине подобно «змейке» и переписывает (транскрибирует) порядок парных оснований ДНК на молекулу РНК. Затем РНК покидает ДНК и переносит (транслирует) порядок парных нуклеотидных оснований, собирая белок на молекулярном устройстве под названием рибосома. Каждая группа из трех нуклеотидных оснований, именуемая кодоном (см.: Список идей, 7. Кодоны), определяет, какую аминокислоту добавить к белку. Полимераза РНК связывается с ДНК лишь в тех местах, где приходится впору. Это прилаживание определяется не только очертанием молекулы полимеразы, но и наличием места связывания у ДНК, которое в свою очередь зависит от изгибов ДНК.

Для получения полной картины метаболического процесса на основе лактозы недостает трех молекул. Прежде всего это белок-активатор катаболизма (БАК-белок). В обычном состоянии строение БАК-белка не позволяет ему соединяться с ДНК. БАК-белок содержит место для связывания с другой молекулой, циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). Молекула цАМФ вырабатывается в среде, где отсутствует глюкоза. Если цАМФ связан с БАК-белком, БАК-белок претерпевает конформационное изменение, позволяющее ему присоединяться к ДНК. В свою очередь, связывание комплекса БАК-белок/цАМФ с ДНК Е. со li заставляет ДНК сгибаться, как показано на рис. 4.2.

На заключительном этапе требуется наличие другого белка, действующего в качестве репрессора. В данном случае он называется l ас -репрессором. Эта молекула обычно входит в бороздку ДНК в том месте, где нужно помешать закрепиться полимеразе РНК, переписывающей информацию ДНК на белки, которые усваивают лактозу.

Если лактоза не соединена с lac -репрессором, репрессор точно входит в бороздку ДНК в нужном месте, препятствуя выполнению полимеразой РНК возложенной на нее задачи перезаписи (транскрипции). Если лактоза соединена с lac - репрессором, это вызовет в репрессоре конформационные изменения, так что он уже не будет подходить бороздке ДНК Е. со li и не будет мешать полимеразе ДНК выполнять транскрипцию. Рассмотрим, как эти молекулы сотрудничают, определяя наблюдаемую линию поведения Е. coli .

Рис. 4.2. Связь цАМФ с БАК-белком, а БАК-белка — с ДНК (из кн.: Raven P. H., Johnson G. В. Biology)

В исходных условиях имеется глюкоза и отсутствует лактоза. При наличии глюкозы цАМФ не вырабатывается, а значит, не образовывается комплекс БАК-белок/цАМФ, не сгибается ДНК и полимераза РНК не переписывает белки для усвоения лактозы. Помимо этого, репрессор находится на ДНК, препятствуя соединению полимеразы РНК с ДНК в этом месте. Получается двойная блокировка перезаписи (рис. 4.3а).

В смешанной среде с глюкозой и лактозой присутствие глюкозы препятствует образованию комплекса БАК-белок/ цАМФ, так что ДНК не изгибалась, а полимераза РНК не занималась перезаписью. Даже если присутствие лактозы вынудит репрессор покинуть бороздку ДНК, полного связывания полимеразы РНК не произойдет. Она покидает ДНК, так и не прикрепившись ни к одному из участков lac - оперона.

Рис . 4.3. Lac-penpeccop (изкн.: Raven P. H., Johnson G. В . Biology)

В отсутствие глюкозы и лактозы появляется комплекс БАК-белок/цАМФ, изгибается ДНК в ожидании РНК, но при этом наличествует и репрессор. С точки зрения Е. coli отсутствие пищи означает предстоящий голод. Но мы видим, насколько она готова к возможному повороту событий. Если появится глюкоза, она не станет расходовать энергию на выработку белковых ферментов, а сразу приступит к усваиванию глюкозы. Если же появится лактоза, изогнувшаяся ДНК уже готова к сборке нужной РНК, стоит лишь лактозе соединиться с репрессором, который тотчас покидает ДНК (рис. 4.36).

В отсутствие глюкозы и при наличии лактозы происходит следующее. Недостаток глюкозы приводит к образованию комплекса БАК-белок/цАМФ, который соединяется с ДНК, вынуждая ее изгибаться. Это дает возможность полимеразе РНК отыскать свое место прикрепления. Присутствие лактозы приводит к ее связыванию с la с -репрессором и отсоединению репрессора от ДНК, так что уже вся полимераза РНК может присоединиться к ДНК и собрать три белка для усвоения лактозы (рис. 4.3в).

Подобное положение дел сходно с ситуацией с дверью, снабженной ручкой и засовом. Ручка действует подобно активатору, а запор выступает в роли репрессора. В таблице действие системы «ручка—засов» сравнивается с механизмом «активатор—репрессор».

Эта сложная система управления схожа со старым устройством Руба Голдберга[‡‡] , где целая цепь сложных событий служит для достижения некой простой цели (рис. 4.4). И все же почему при всей затратности данного механизма Е. coli не вырабатывает постоянно все нужные ферменты, чтобы усваивать любой поступающий к ней сахар? Возможно, некогда такая бактерия и существовала.

Но появившаяся в ходе мутаций Е. coli с ее lac -опероном благодаря значительно большему по сравнению со своей старшей родственницей коэффициенту полезного действия вытеснила ее. Наглядный пример классического естественного отбора.

Белковые ферменты собираются практически одновременно с перезаписью РНК, когда РНК все еще прикреплена к длинной кольцевой молекуле ДНК. Поскольку Е. coli относится к прокариотным клеткам, у нее нет тормозящих ход метаболизма ядра или ядерной мембраны, так что усвоение лактозы начинается очень скоро. Е. coli прекрасно живет и на лактозе, и на глюкозе.

Рис. 4.4. Действие lac-оперона на молекулярном уровне (из кн.: Raven P. H., Johnson G. В. Biology)

Е. coli и другие организмы

Е. coli — одно из наиболее изученных живых существ; исследователи выявили примерно две трети функций ее генов. Механизм задействования lac -оперона составляет лишь малую часть молекулярных отправлений Е. coli . Возможно, вас удивит, почему столь много внимания уделяется этой крохотной бактерии, настолько маленькой, что 50 таких созданий уместится на кончике человеческого волоса.

Все дело в том, что значительно проще проводить биологические исследования без привлечения людей, к тому же при этом не возникают этические вопросы. Простые организмы проще и быстрее выращивать, и это относится к проведению самих опытов. По размерам Е. coli — весьма подходящий объект для исследований, к тому же она поразительно быстро размножается: делится каждые 20 минут. При достаточном количестве воды, глюкозы (или лактозы) и места за десять часов из одной Е. coli можно получить свыше 1 млрд. клеток. Если другие штаммы Е. coli опасны для здоровья, то разновидность К-12 вполне безобидна, так что нет нужды предпринимать серьезные меры предосторожности.

Вот уже свыше 70 лет Е. coli выступает рабочей лошадкой биохимии, генетики и биологии развития. Сходство ее молекулярного процессинга с происходящим в других организмах даже привело к использованию ее в качестве фабрики по производству инсулина для больных диабетом. Жак Моно, выдающийся французский ученый и Нобелевский лауреат 1965 года, однажды заметил: «Что верно для Е. coli , верно и для слона».

Изучаются и другие прокариоты, вроде Mycoplasma genitalium [возбудителя мочеполового микоплазмоза], самого крохотного самостоятельного живого организма, в составе ДНК которого 580 тыс. пар азотистых оснований и 517 генов, и Haemophilus influenzae [палочки Пфайфера, возбудителя пневмонии и гнойного менингита], в составе ДНК которого 1 830 137 пар азотистых оснований и 1743 гена. Но относительная простота прокариотной ДНК в связи с ее величиной и кольцевидностью ограничивает ее применение к более сложным организмам.

От прокариот к эукариоталл

Жизньу прокариот хлопотная. Эти проворные маленькие существа должны обладать отменной реакцией. Как только появляется пища, они должны ее переварить, чтобы успеть вырасти. Система управления наподобие lac-оперона хорошо приспособлена к быстрым действиям, когда нужно установить требуемый уровень ферментов в соответствии с быстро меняющейся средой.

Положение с эукариотами совершенно иное. Большинство многоклеточных организмов развивалось таким образом, что их внутренние клетки оказались отрезанными от меняющейся внешней среды. Стабильная внутренняя обстановка — гомеостаз — необходима для надежной работы многоклеточных организмов. В итоге генные механизмы управления у эукариот оказались в большей степени рассчитаны на регуляцию организма в целом.

Например, некоторые гены активируются лишь однажды и вызывают необратимые действия по сравнению с полностью обратимым механизмом lac -оперона. У многих животных неспециализированные, так называемые стволовые клетки развиваются очень рано, еще у зародыша. Они превращаются в специализированные клетки, вроде клеток мозга или ногтей, следуя определенному генетическому образцу, который может в итоге привести даже к смерти клетки. Такая специализация клеток порождает все большее число ДНК, РНК и белковых ферментов, так что эукариоты могут совмещать в своем метаболизме тонкие взаимодействия между этими молекулами.

Модельные организмы

Излюбленный объект исследования среди эукариот — Sacchammyces accharomyces cerevisae ( S . cerevisae ), больше известный как пивные дрожжи. Пожалуй, это более всего изученный на молекулярном и клеточном уровнях эукариотный организм. S . cerevisae представляет собой всего лишь одноклеточный грибок, но многие процессы в его клеточном ядре сходны с теми же процессами у млекопитающих. Действительно, исследование дрожжей помогло выявить многие молекулы и химические реакции, задействованные в процессах, ход которых нарушается при раке. S . cerevisae устроены сложнее бактерии, чье ДНК, содержащее около 12 млн нуклеотидных пар азотистых основания, имеет 6 тыс. генов. И Е. coli , и S . cerevisae считаются модельными организмами, которые должны:

1) быстро развиваться, имея короткий срок жизни;

2) обладать малыми размерами, будучи взрослыми;

3) быть всегда под рукой;

4) быть простыми в обращении;

5) выполнять свои биологические функции сходным с более сложными организмами, вроде человека, образом.

Усердно изучаются и другие модельные организмы. Caenorhabditis elegans — прозрачный круглый червь, вырастающий в длину не более 1 мм, вполовину величины вот этого знака ~. С. elegans достигает взрослого состояния за три дня, живет в почве по всему свету и питается микробами вроде тех, что обитают в перегное. Этот маленький червь представляет собой многоклеточную (959 клеток) эукариоту с 19 099 генами в состоящей из 97 млн пар азотистых оснований ДНК. Он развивается из одной клетки в организм с нервной системой и «мозгом». С. elegans способен к обучению, вырабатывает яйцеклетки и сперматозоиды, постепенно стареет и умирает. Сидни Бреннер, молекулярный биолог из Великобритании, говорит, что С. elegans оправдывает свое название, ибо на самом деле «фотогеничен», как видно на рис. 4.5. Бреннер, Джон Салстон и Роберт Хорвиц разделили Нобелевскую премию 2002 года по физиологии и медицине как раз за работу с червем С. elegans .

Другой модельный организм, Drosophila melanogaster , знаком многим из нас. В 1906 году гарвардский профессор эмбриологии Уильям Эрнест Касл привлек к участию в одном проекте аспиранта [Крейга Вудворта].

Рис. 4.5. С. elegans

Он попросил его не убирать несколько перезрелых виноградин, а затем посмотреть, что получится. Получились D . melanogaster — плодовые мушки — организм, изучаемый ныне в лабораториях по всему миру. Благодаря своим идеальным свойствам модельного организма плодовые мушки широко используются в исследованиях по генетике и биологии развития.

Жизненный цикл плодовой мушки составляет 16 дней, а новое поколение она дает каждые 12 часов. Эти существа плодовиты, непритязательны и, по словам генетика из Беркли Герри Рубин, имеют столь много общего с человеком, что их называют крохотными людьми с крыльями. Дрозофила располагает 13 600 генами на ДНК из 165 млн нуклеотидных пар азотистых оснований. Весь этот молекулярный аппарат умещается в тельце длиной 3 мм, величиной примерно с букву V в имени Venter (о самом Вентере чуть позже).

Mus mesculus (мышь), давний любимец медиков, занимающихся изучением болезней и лекарств, тоже соответствует всем требованиям, предъявляемым к модельным организмам. К тому же геном мыши весьма схож с геномом человека.

Генетические сравнительные исследования уже многое прояснили в отношении строения и функционирования человеческого тела. Дальнейшие исследования принесут дополнительные сведения.

Другие создания, вроде полосатой перцины, иглобрюха [родственного горчице сорняка из семейства крестоцветных], резушки Таля ( Arabidopsis thaliana ) и палочки Пфайфера ( Haemophilus influenzae ), выступают в роли модельных организмов и изучены в разной степени. Модельные организмы и приспособления, требуемые для их изучения, вызывают в памяти ситуации из классической описательной биологии с образами бесчисленных исследователей, склонившихся над микроскопом или щурящихся сквозь стекла очков во время поездок по экзотическим местам, где можно увидеть организмы в их естественной среде обитания (вспомним Чарльза Дарвина на Галапагосских островах).

Физика — биология — химия

Несмотря на значимость модельных организмов для биологов, поле деятельности современной биологии значительно расширилось во многом благодаря нахлынувшим туда представителям других отраслей знаний, чья деятельность преобразила сам подход к изучению биологии.

Чтобы понять, как произошло это преображение, взглянем иначе и шире на центральное учение молекулярной биологии. Описательная биология сосредоточивалась на видимых признаках, но находила мало объяснений, связанных с этими признаками молекулярных механизмов. Затем пришел черед химии, занимавшейся химическими реакциями внутри живых существ, прояснявшими биологические процессы. Но главная трудность состояла в том, что управляющие живыми системами молекулы были слишком малы, чтобы их можно было для разглядывать в микроскоп.

Следующими нахлынули физики, посредством рентгеновской кристаллографии выявившие двойную спираль ДНК (вспомним биолога Джеймса Уотсона и физика Фрэнсиса Крика, воспользовавшихся данными рентгеновского кристаллографа Розалинды Франклин). Итак, хорошие вести заключались в создании представления об общем строении ДНК, а плохие — в невозможности разглядеть подробности ее строения из-за малых размеров. ДНК содержит такое огромное количество парных оснований нуклеотидов, что их определение и выписывание оказалось сложной задачей.

Рис. 4.6. Общая картина биологии

Итак, положение биологии в 1980-е годы было следующим: молекулярная биология сосредоточилась на работе с крайне малыми объектами; классическая описательная биология ограничилась наблюдением той части биосферы, которая была доступна зрению, пусть и сквозь окуляр микроскопа. Многие детали на стыке микро- и макроскопических областей биологии оказались совершенно необъяснимыми (рис. 4.6).

Переход от большого масштаба к малому происходил медленно. Изучение молекул с химической точки зрения кое-что проясняло, но продвижение шло черепашьим шагом, а черепаха, увы, не модельный организм.

В середине 1980-х годов некоторых биологов осенило: почему бы не изучить весь состав ДНК живого организма, так называемый геном? Более того, посредством отдельных модельных организмов прийти к конечной цели — геному человека. Это привело к очередному наплыву в биологию приборостроителей, программистов, предпринимателей и появлению одного неуемного исследователя — Дж. Крейга Вентера.

Составление карты генома человека. Великие задачи требуют величественных орудий

Прежде чем описывать все перипетии, увенчавшиеся в итоге составлением карты генома модельных организмов и человека, вникнем в подробности того, как устанавливается последовательность оснований плотно упакованной молекулы ДНК. Оказывается, геном человека состоит из 3 млрд. парных оснований нуклеотидов. Если считать их по одному в секунду, на это уйдет почти 100 лет. Очевидно, для их определения потребовался более быстрый способ, для чего понадобилось усовершенствовать несколько методов.

Электрофорез. В 1937 году шведский биохимик Арне Тиселиус (Тизелиус) разработал метод разделения заряженных частиц во взвеси на основе их массы и заряда (рис. 4.7). Заряженная частица в электрическом поле под действием его силы ускоренно движется в сторону противоположно заряженного электрода. Погруженная в среду (гель) частица тормозится под действием силы трения. При равенстве электрической силы и силы трения частица движется с постоянной скоростью, именуемой конечной.

Рис. 4.7. Установка для электрофореза

Данный подход знаком парашютистам, которые благодаря уравновешиванию их веса с силой трения опускаются на землю с постоянной, а не с возрастающей скоростью.

Для выделения частиц в геле Тиселиус применил красители. Данный подход он впервые опробовал при разделении белков в растворе — а в 1948 году был удостоен за свою работу Нобелевской премии по химии. С тех пор его метод использовался в опытах с множеством частиц при движении в различных средах. А для их выделения существуют несколько различных приемов.

Рестрикционные ферменты. Создание рестрикционных ферментов началось весьма необычно: в опытах с бактериофагами. Бактериофаги (или фаги) представляют собой вирусы, атакующие клетки бактерий, внедряя свои ДНК в клетку-хозяина, который затем плодит данный вирус. Фагов независимо друг от друга открыли в 1917 году бактериологи Фредерик Туорт из Великобритании и Феликс д'Эрелль из Франции. Опыты на бактериофагах получали все больший размах благодаря их возможности убивать опасные для человека бактерии. Однако интерес к ним упал после открытия пенициллина и других химических антибиотиков.

Бактериофаги столь многочисленны (по оценкам, их количество составляет 10³⁰ ), что их общая биомасса значительно превышает общий вес населения Земли. Они почти целиком состоят из белков и ДНК (рис. 4.8). Будучи вирусами, они не могут жить без хозяина. Ввиду простоты своего устройства они оказываются идеальными испытуемыми для получения сведений о жизнедеятельности и их самих, и их хозяев.

Хвостовые нити Рис. 4.8. Бактериофаг

Хамилтон Смит, микробиолог из университета Джонса Хопкинса[§§] в конце 1960-х работал с Haemophilus influenzae Rd и фагом Р22. Случайно бактерии и фаги стали выращивать вместе. Смит заметил, как активность ДНК у фага все время падала, что указывало на расщепление ДНК фага чем-то внутри бактерии. Смит со своими сотрудниками выделил и очистил ответственный за расщепление фермент и установил его механизм: белковый фермент внутри Н. influenzae расщепляет ДНК фага, выявляя определенную цепь из шести парных оснований и расщепляя ДНК — неизменно в одном и том же месте и одним и тем же способом.

Такой фермент получил название рестрикционного. Помимо этого фермента Н. influenzae Rd располагает еще одним ферментом, метилазой, защищающей ДНК бактерии от подобной участи. Фермент метилаза присоединяет метиловую группу к нуклеотидным основаниям цитозина или аденина в ДНК бактерии. Метилирование настолько изменяет молекулу ДНК, чтобы рестрикционный фермент все еще мог распознать место своего подсоединения, не вмешиваясь при этом в обычный ход воспроизводства или метаболизма самой бактерии.

С тех пор удалось открыть тысячи ферментов, расщепляющих ДНК на определенных участках. Отрыты были и ферменты, скрепляющие вместе куски ДНК. В итоге всех этих открытий молекулярные биологи располагают ныне набором белковых ферментов, позволяющих им разрезать или склеивать ДНК в заданных местах.

Сенгеровский метод обрыва цепи [замещающим нуклеотид ] дидезокси[рибонуклеозидтрифосфатом] для секвениро вания ДНК. В 1977 году биохимик из Великобритании Фред Сенгер разработал способ расщепления ДНК на участки, соответствующие любой длине исходной ДНК. Этот метод использовал замещающую нуклеотид молекулу. Заместитель не образует связи со следующим нуклеотидом в последовательности, необходимой для создания всей ДНК, так что цепь обрывается на нем.

Приведем пример. На рис. 4.9 верхняя молекула имеет атом кислорода, связанный с атомом водорода в положении 3' (атомы углерода в кольце нумеруются цифрами 1', 2', 3', 4' и 5'), тогда как у атома водорода в положении 4' атом кислорода отсутствует (отсюда приставка дезокси-). У нижней молекулы атом водорода отсутствует на позициях 3' и 4', поэтому ее название начинается с приставки дидезокси-. Из-за такой разницы в строении, когда при сборке молекулы ДНК в нее встраивается дидезоксидное основание, она уже не связывается с другим нуклеотидным основанием (в позиции 5'), и цепь ДНК обрывается в этом месте.

Рис. 4.9. Дезокситимидинтрифосфат (дТТФ) и дидезокситимидинтрифосфат (ддТТФ)

То же происходит с другими основаниями ДНК (аденином, гуанином и цитозином). В итоге можно получать ДНК различной длины (на изображениях молекул пустые углы на кольцах соответствуют атомам углерода).

Сенгеровский метод обрыва цепи дидезоксидными основаниями для секвенирования ДНК начинается с того, что посредством рестрикционных ферментов расщепляют подвергаемую секвенированию ДНК на меньшие участки, а ДНК нагревают до полного разделения обеих ее нитей. Затем к этим однонитевым участкам ДНК добавляют трифосфаты с дидезоксидным основанием, после чего вводится белковый фермент ДНК полимераза, который приступает ксборке копий исходнойДНК. Из-за дидезоксидных оснований собранные молекулы представляют собой не копии исходной ДНК, а смесь из полученных прежде участков ДНК. Предварительно дидезоксидные основания помечаются (маркируются) либо радиоактивным изотопом фосфора, либо чувствительным к ультрафиолетовому свету красителем, так что конец каждой оборванной цепи становится видимым.

Затем эту смесь цепей ДНК помещают в лунки пластины геля и дают электрическое напряжение. Более короткие участки испытывают меньшее сопротивление среды (обычно желе из водоросли агароза, схожее с желатином «Джелло»[***] вещество, с той лишь разницей, что молекулы там образуют дополнительные связи, делая гель прочным) и поэтому движутся быстрее. Часто в качестве образца в одну из лунок помещают цепи известной длины. После достижения наиболее короткими цепями края пластины геля напряжение снимают. По радиоактивным или флуоресцентным маркерам определяют нуклеотидное основание в конце каждой молекулярной цепи. Поскольку электрофорез распределяет молекулы в соответствии с возрастанием длины цепи, при просмотре виден порядок расположения парных оснований нуклеотидов в исходной ДНК.

Данный метод широко применялся до середины 1980-х годов, и работа над диссертацией у многих аспирантов заканчивались участием в многолетнем проекте по секвенированию определенной части ДНК одного из модельных организмов. Приходилось брать пробы у организма, очищать, смешивать с химическими реактивами, выращивать, помещать в гель и проводить исследование, после чего собирать и толковать данные. Работа была тяжелой и продвигалась медленно. Обычно в ходе написания диссертации удавалось выстроить участок в 40 тыс. парных оснований ДНК.

Секвенирование генома человека

Озвучивая мнения многих влиятельных биологов, в номере Science за 7 марта 1986 года Ренато Дульбекко, глава Института биологических исследований им. Солка[†††] , призвал к претворению в жизнь грандиозной программы по расшифровке генома человека. Он доказывал, что столь огромные усилия необходимы для понимания роли генов в развитии рака. Некоторые биологи, вроде Уолтера Гилберта (известного гипотезой РНК-мира), с радостью восприняли это предложение. Гилберт сказал: «Полный геном человека — Грааль генетики человека» (подробнее об этом сравнении далее).

Другие выразили озабоченность, что подобный гигантский проект исказит биологию до неузнаваемости. Расшифровка 3 млрд. пар азотистых оснований с помощью имеющихся на тот час средств потребует 15-летней непрерывной работы 10 тыс. аспирантов и обойдется примерно в 3 млрд. долларов. При таких затратах человеческих и денежных ресурсов ничего не останется на все остальные биологические проекты.

Луч надежды блеснул с появлением автоматизированных устройств секвенирования. Центр исследования человеческого генома [ныне Национальный институт генома человека], подразделение [сети институтов, объединенных общим названием] Национального института здоровья (НИЗ), официально приступил к работе в октябре 1990 года под руководством Джеймса Уотсона — да, самого Джеймса Уотсона. Данный проект задумывался как международный: большинство работ поручалось различным государственным лабораториям и университетам в США, и около трети приходилось на долю Великобритании, Франции, Германии и Японии.

Все усилия были сосредоточены на создании устройств автоматизированного секвенирования, что привело к наплыву в биологию приборостроителей. В конце 1986 года биохимик, доктор медицины Лерой Худ и биохимик-технолог Майкл Ханкапиллер создали компанию Applied Biosystems Inc . (ABI) и разработали устройство, способное секвенировать в день 12 тыс. парных оснований нуклеотидов. В начале 1987 года лаборатория молекулярной биологии, возглавляемая Дж. Крейгом Вентером, испытала секвенатор ABI 375ASequencer вместе с рабочей станцией по катализу АВ1 800 Catalyst для приготовления проб. Лаборатория Вентера занималась секвенированием двух участков, которые, как считалось, содержали гены, ответственные за крайне важныенаследственные заболевания. Несмотря на отменную работу самих устройств, гены, поиском которых занимался Вентер, найдены не были. К тому же программное обеспечение выявило значительное число ошибочных результатов, так что многое пришлось сверять вручную.

Вентеру слишком уж не терпелось пролистать длинные последовательности из генетических букв в поисках немногих нужных генов или участков генома, где закодированы белки. И его осенило, как нарастить усилия. Чтобы отыскать активные гены в определенной клетке, он сначала извлекал из клетки РНК. Раз РНК строится прежде всего на основе ДНК, она содержит последовательность парных оснований нуклеотидов, относящуюся к активным частям (генам) исходной ДНК. Затем исследователи преобразовывали РНК в более устойчивую ДНК (именуемую комплиментарной ДНК — кДНК) и для хранения присоединяли ее к хромосоме какой-нибудь бактерии, используя прием резания и склеивания с помощью рестрикционных ферментов. Комплиментарной ДНК пользуются в биологических лабораториях по всему миру, так что недостатка в ней нет. Следующий шаг связан с секвенированием кДНК и сравнением ее с другими секвенированными генами. Данный подход, названный экспрессируемыми ярлыками[‡‡‡] , был не нов для Вентера. О нем впервые написал химик-биолог Пол Шиммел в 1983 году, а известный генетик Сидни Бреннер и другие ученые широко использовали в конце 1980-х. Но благодаря АВ1 Sequencer и электронно-вычислительным рабочим станциям по возможностям секвенирования лаборатории Вентера не было равных.

В июне 1991 года Вентер написал, что при секвенировании посредством экспрессируемых ярлыков он определил около 330 активных генов в человеческом мозге. Одним словом, Вентер определил и расшифровал более 10% известных миру человеческих генов — и все это за несколько месяцев. Со свойственной ему прямотой Вентер заявил, что «усовершенствования в технике секвенирования ДНК теперь сделали, по существу, доступным полное обследование хромосомного набора организма по экспрессируемому гену».

Следующая статья Вентера, опубликованная в журнале Nature , еще больше подогрела недовольство некоторых биологов. В этой статье он сообщал об очередных 2375 человеческих генах, выявленных в мозге, что в 2 раза превышало число генов, расшифрованных к тому времени остальным научным сообществом. Ученые опасались, что секвенирование кДНК начнут финансировать вентеровским методом экспрессируемых ярлыков как более дешевой альтернативы расшифровке всего человеческого генома. Данный подход избегал бы искусных приемов экспрессии генов вроде lac-оператора, поскольку места соединения активаторов и репрессоров не будут секвенироваться.

Угроза патентования

Причиной дополнительных беспокойств стало патентование метода экспрессируемых ярлыков. Служба передачи технологии НИЗ подала заявку на патентование первых 330 генов еще до первой публикации Вентера в Science и присовокупила к патентованию еще 2421 ген до появления статьи в Nature . Поднялся шум, не утихающий доныне. Французский министр по науке Юбер Курьян сказал, что «нельзя предоставлять патент на то, что является нашим общим достоянием». Джеймс Уотсон, глава международного консорциума Human Genome Project , заявил, что метод экспрессируемых ярлыков «доступен обезьянам».

Однако глава НИЗ Бернадин Хили посчитала, что патентная заявка была законной, и отмела обвинения ученых, представив их «бурей в стакане воды». Она наказала Уотсону не нападать на Вентера публично и попросила Вентера советоваться с ней по поводу исследований генома человека. Уотсон уволился в апреле 1992 года, заявив о «непримиримости» своей позиции. Тем временем Вентер попросил 10 млн долларов для расширения своей работы по секвенированию, но ему было решительно отказано на основе данного его же коллегами в НИЗ заключения. Вентер уволился из НИЗ в июле 1992 года и основал Институт исследований генома (TIGR). Начав с 30 секвенаторов ABI 373A, 17 рабочих станций ABICatalist и ЭВМ SPARCenter 2000 фирмы Sun , оснащенной соответствующими программными средствами базы данных, Вентер начал наращивать секвенирование на основе «экспрессируемых ярлыков» последовательности генов у модельных организмов. При стоимости одного устройства 100 тыс. долларов для финансирования такого предприятия нужны были толстосумы.

Финансирование обеспечил наплыв в биологию предпринимателей, Уоллис Стайнберг, глава компании Health Care Investition Corporation , и изобретатель зубной щетки Рич вложили в проект 70 млн долларов. Таким образом, Вентер мог спокойно претворять в жизнь свои идеи. Была создана как дочернее предприятие компания Human Genome Sciences (HGS) для коммерческого использования результатов исследований генома человека. Вентер был доволен и заявил: «Каждый ученый мечтает о благодетеле, согласившемся вложить средства в его идеи, чаяния и способности». Единственное условие — предоставление полученных данных в распоряжение компании на 6—12 месяцев, прежде чем их можно будет обнародовать. Его научные коллеги восторгались значительно меньше. Некоторые даже окрестили его Дартом Вентером [намекая на Дарта Вейдера из фильма «Звездные войны», рыцаря, переметнувшегося на сторону зла].

Тем временем НИЗ назначил нового руководителя Центра по исследованию генома человека. Известный генетик из Мичиганского университета Фрэнсис Коллинз стал вторым руководителем центра. В ходе работы этот финансируемый государством консорциум обнародовал ряд выдающихся результатов. В 1996 году усилиями более чем сотни лабораторий Европы, США, Канады и Японии удалось завершить составление генома пивных дрожжей. Этот эукариотный одноклеточный организм содержит в своей ДНК 6 тыс. генов, собранных из 12 млн пар оснований нуклеотидов. К середине отпущенного на проект генома человека срока было расшифровано менее 3% генома, а затраты консорциума уже превысили оговоренные суммы. Коллинз призвал к ускорению работ и выдвижению свежих идей, но это мало помогло делу.

Секвенирование дроблением

Когда международный консорциум пытался ускорить свою работу, лаборатория Вентера TIGR решила прибегнуть к новой тактике: секвенированию дроблением. Сотрудник Университета Джонса Хопкинса и Нобелевский лауреат Хамилтон Смит, открывший 20 лет назад рестрикционные ферменты (рестриктазы), выдвинул поразительную идею: сначала ультразвуком посечь ДНК на тысячи кусочков произвольной величины, а затем на устройствах-роботах ABI произвести отдельно секвенирование всех кусочков. Заложить полученные данные в ЭВМ, и пусть специальные программы отыскивают перекрывающиеся участки, чтобы тем самым можно было «сшить» математически кусочки, создавая одну непрерывную ДНК. Данный прием оказался результативным при моделировании, и Вентер не побоялся рискнуть. TIGR расшифровала весь геном бактерии Haemophilus influenzae за 13 месяцев, затратив в два раза меньше средств по сравнению с проектом генома человека. Вскоре TIGR завершила составление последовательности нуклеотидов Mycoplasma genitalium , мельчайшего из известных самостоятельных живых организмов, а также генома нескольких архей. После предоставления для всеобщего пользования своих ценных сведений Вентер вырос в глазах своих ученых собратьев.

Метод секвенирования дроблением работал в ситуациях с бактериями, но оказался не слишком скор, чтобы можно было вовремя завершить проект генома человека. В конце 1997 года отношения между лабораторией Вентера TIGR и ее дочерним предприятием HGS полностью расстроились. Несмотря на задолженность HGS его лаборатории 38 млн долларов, Вентер освободил HGS от данного обязательства и получил возможность более быстрого предоставления сведений о секвенировании, поскольку отпадала необходимость давать их на просмотр HGS.

Вентер между тем вынашивал еще более грандиозные замыслы, связанные с именем Майка Ханкапиллера. После создания вместе с Лероем Худом первого устройства по секвенированию, ABI 373A, Ханкапиллер не только внес несколько усовершенствований, но и значительно изменил сам процесс. Вместо пропускания отрезков ДНК вдоль пластины геля посредством электрофореза для их разделения Ханкапиллер разработал способ, при котором ДНК пропускалась сквозь тонкие, заполненные жидкостью капиллярные трубки. Наличие многих трубок при одном прогоне, как и другие усовершенствования в новом устройстве, ABIPRISM 3700, дало восьмикратное повышение скорости по сравнению с существующими устройствами. После показа опытного образца Ханкапиллер предложил Вентеру объединиться с ним для расшифровки всего генома человека. После некоторых раздумий Вентер согласился. Нужно было кое-что доделать, ведь методы, столь хорошо показавшие себя при работе с бактериями, нельзя использовать для изучения тысячекратно более сложного гена человека.

Вентер любил испытывать себя. После переговоров, больше напоминавших предостережение, с руководителем проекта генома человека Коллинзом Вентер объявил о создании новой компании и ее главной цели: расшифровке всего генома человека всего за три года, что существенно опережало сроки проекта генома человека. Его новое детище носилоназвание «Силер» (от лат. celeris — быстрый). Девизом компании стали слова «Поспешай, открытия не ждут».

Вентеру опять все удалось. Научный мир был посрамлен, но теперь успехи Вентера вынуждали критиков проявлять осторожность: может, ему и впрямь удастся задуманное. Вентер понимал, что рискует. У него был лишь проверенный опытный образец устройства секвенирования, но отсутствовало программное обеспечение, поскольку старые методы не годились для нового генома. Следующим ходом Вентера было решение допустить в биологию программистов ЭВМ, которых называл учеными по алгоритмам. «Сшивание» перекрывающихся последовательностей пар оснований нуклеотидов для получения всего генома представлялось трудной вычислительной задачей, но значительные средства, вкладывавшиеся Вентером в новейшее вычислительное оборудование и специалистов, окупились сторицей. К 1998 году его сотрудники создали казавшуюся работоспособной программу.

Для опытной проверки Вентер провел секвенирование излюбленного в биологии модельного организма — Drosophila melanogaster , плодовой мушки. Состоящую из 165 млн пар нуклеотидных оснований, 13 600 генов ДНК установили менее чем за четыре месяца, как раз вовремя, чтобы записать ее на диски CD-ROM, которыми снабдили все места на одном научном совещании за день до выхода статьи о геноме в журнале Science .

Международный консорциум «Проект генома человека» не сидел сложа руки. С получением дополнительных средств, особенно от британского благотворительного фонда Уэллкома (WellcomeTrust)[§§§] , удалось обзавестись новыми устройствами секвенирования (от ABI и конкурентов Майкла Ханкапиллера) и нарастить свои усилия, сжав тем самым сроки. Гонка продолжалась.

Соревнующиеся стороны временами вступали в переговоры, но напряжение в отношениях нагнетали средства массовой информации, особенно если учесть резкость Вентера и непреклонную учтивость Коллинза. С приближением окончания гонки слухи о непростых отношениях между двумя коллективами достигли Белого дома. На одном из совещаний президент Билл Клинтон передал записку своему советнику по науке Нилу Лейну с лаконичным приказом: «Разберись — сделай так, чтобы эти ребята работали вместе». Улаживать все выпало [главе Службы биологических и экологических исследований] Аристиду Патриносу, руководителю проекта генома человека от Министерства энергетики США. Весной 2000 года он пригласил Коллинза и Вентера к себе домой в Роквилл, штат Мэриленд, на дружеское чаепитие. Там они пришли к соглашению, что сообщение о расшифровке генома человека будет обнародовано ими совместно 26 июня 2000 года. В разговоре по спутниковой связи с премьер-министром Великобритании Тони Блэром президент Клинтон сказал: «Современная наука подтвердила то, что мы впервые узнали из верований предков. Самое важное свидетельство жизни на этой земле — это наша человеческая общность».

План на вторую половину игры

Несмотря на поднятую СМИ шумиху, гонка по расшифровке генома человека в действительности начиналась заново. Поясним, в чем здесь суть. ДНК содержит схему работы всего организма. Но прежде чем организм начнет справлять свои надобности, схему необходимо переписать на РНК, которая в свою очередь передается белкам, а те затем приступают к сборке каждой отдельной клетки и выполнению своих обязанностей.

Белки представляют собой молекулы, которые, по сути, и обеспечивают жизнедеятельность клеток. Геном указывает РНК, какие белки следует собирать, но прежде чем они начнут выполнять свои многочисленные обязанности, происходят изменения (белки скручиваются, взаимодействуют, присоединяют к себе группы Сахаров или метила и т. д.), в итоге проявляя некие видимые признаки. Теперь понятно, почему хромает сравнение человеческого генома с чашей Грааля. Знание последовательности нуклеотидов в геноме ничего не дает. Недостаточно знание только схемы.

Более приемлемо такое сравнение.

В отдаленном будущем один археолог находит в огромной пещере эскадрилью сверхзвуковых транспортных самолетов, заправленных горючим и готовых к вылету. Летчики-испытатели поднимают их в воздух, и оказывается, что они полностью работоспособны, однако отсутствуют руководства по их эксплуатации, устройству исборке. Инженеры приступают к их изучению, разбирают, пытаясь восстановить, как их собирали. Достигнуты некоторые успехи, но самолеты слишком сложны, и инженеры не в состоянии понять многих их функций.

Значительно позже рядом другой археолог находит большое собрание бумаг, написанных на давно исчезнувшем языке. Все несказанно рады, так как теперь удастся разгадать тайны самолетов. После расшифровки оказывается, что найдены бумаги не с планами по строительству сверхзвуковых транспортных самолетов, а лишь с перечнем частей, необходимых для создания орудий по сборке самолетов. Для начала неплохо, но придется приложить еще немало усилий, прежде чем удастся разобраться в проекте и понять все тонкости работы древнего сверхзвукового транспортного самолета.

Приведем слова Дж. Крейга Вентера: «Секвенирование — лишь только начало». Рассказывая о своей десятилетней работе в НИЗ по изучению белка на поверхности клеток сердца, чувствительного к адреналину и приводящего в действие реакцию «выживания», Вентер отметил: «То, что потребовало от меня десяти лет работы, теперь я могу сделать за 15 секунд на ЭВМ».

Протеомика: следующий рубеж

Для ответа на вопрос о молекулярной основе жизни сначала надо уяснить, что же мы ищем, а затем найти возможность осуществить этот поиск. Вот что сталкивает людей, взявшихся решать данную задачу: подробная последовательность нуклеотидных оснований в человеческом геноме определяет порядок сборки РНК аминокислот для получения заданной белковой молекулы. (Прежде исходили из простой зависимости между генами и белковыми молекулами: один ген, одна молекула. Но все оказалось значительно сложнее. Между заданной ДНК и конечными белками, определяющими работу клетки, случаются отклонения. Один ген может в итоге создать много различных белков.) Человеческий геном состоит примерно из 30 тыс. генов, что составляет лишь 2% общего числа пар нуклеотидных оснований. Остальные 98% генома часто неверно называют бросовыми из-за нашего неведения об их возможном предназначении. Полный состав человеческих белков, закодированных в геноме — протеом, — значительно превышает 100 тыс., возможно, приближается к миллиону. Белки — это ключ к устройству и работе клетки. Белки определяют классические биологические признаки.

Протеомика сосредоточена на уяснении того, как разветвленная сеть белков управляет клетками и тканями. Следующая нерешенная, требующая огромных усилий задача связана с картированием протеома.

План действий здесь таков:

1. Определение полного состава белков в клетке, ткани или организме.

2. Выяснение взаимодействия этих белков с другими, образующими разветвленную сеть белками.

3. Выявление точной трехмерной картины каждого белка, что позволит ученым находить связывающие участки (например, такие, где белки наиболее восприимчивы к действию лекарств).

На пути претворения данного плана в жизнь встречается много трудностей. Прежде всего, нет единого человеческого протеома. Клетки мозга образуют одно множество белков, клетки ногтей — другое, клетки крови — третье и т. д. А собираемые белки сильно зависят от различных факторов, таких как болезнь, потребленные накануне продукты и умственное или даже душевное состояние. Каждое состояние организма порождает различный протеом. Кроме того, белки представляют собой крайне сложные образования. Они по-разному укладываются, не всегда предсказуемым образом (можете использовать мощь своего компьютера для расчета возможных укладок белков, обратившись на узел folding . stanford . edu / См: Список идей, 8. Укладка белков).

Что касается опытов, большие установки автоматизировали процесс капиллярного электрофореза, обеспечивая быстрое секвенирование ДНК. При составлении карты протеома сегодня используют несколько различных методов, но ни одному из них не удалось потеснить секвенаторов ДНК. Продолжается разработка программного обеспечения. Возникающие трудности были подытожены в 2001 году на конференции по протеомике «Проект протеома человека»: «Гены стали доступнее».

Началась вторая половина гонки. В январе 2002 года две группы ученых сообщили о составлении карт по белковому взаимодействию для Saccharomyces cerevisae , пивных дрожжей. Кроме того, 5 апреля 2002 года пришло сообщение о получении предварительной карты генома риса от двух групп ученых — из Пекинского института геномики (для индийской разновидности риса) и всемирно известной сельскохозяйственной компании [из Швейцарии] Syngenta (для японской разновидности риса). Гены зерновых имеют значительное сходство.

Отдельные группы ученых, входящие в состав международного консорциума «Международный проект по дешифровке генома риса» (IRGSP), взялись за изучение риса. Рис содержит 430 млн пар нуклеотидных оснований, тогда как у кукурузы это число составляет 3 млрд., а у пшеницы — 16 млрд. И генов у всех них больше, чем у человека, и этим, возможно, объясняется наша зависть. Выяснение того, как различия в геноме ведут к различиям признаков организмов, и вызывает интерес ко второй половине этой гонки.

Нынешнее положение еще можно сравнить с видением сосуда, который мы рассчитываем заполнить, уяснив до конца, как взаимодействуют молекулы ДНК, РНК и белка. Он может представляться нам либо наполовину полным, либо наполовину пустым.

Последствия и бедствия

В отличие от других нерешенных проблем, протеом ближе к цели. Взять нас с вами. Человеческий геном поможет каждому из нас, ибо есть вещи, которые мы наверняка согласимся уяснить и поправить. Решение воспользоваться знанием выходит далеко за рамки чистой науки, которой движет любопытство. Однако человеку свойственно искать практические выгоды. Пришельцы, совершившие переворот в биологии, были движимы не одним только любопытством. Те, кто субсидировал частные лаборатории по дешифровке генома, сообразовывались не только с человеческим благом, но и с сулимой выгодой. Как только становится возможным влиять на условия человеческого существования, выступают иные соображения — нравственные.

Использование знаний о человеческом геноме несет и добро, и зло. Возможно, памятуя о Манхэттенском проекте, первый глава Национального центра по изучению генома человека Джеймс Уотсон 5% средств центра направлял на изучение нравственных, правовых и социальных последствий проекта. Он писал: «Нам более не надо живых укоров, вопросов и ответов, как наука, оказавшись в нечистоплотных руках, способна принести неисчислимые бедствия».

Вопросы применения генетических знаний на практике выходят за рамки нашей книги, но все же вкратце обрисуем несколько таких приложений в надежде прояснить состояние соответствующей отрасли знания, чтобы в итоге принимались взвешенные с нравственной точки зрения решения о претворении их в жизнь.

Биочип. Посредством метода фотолитографии, сходного с тем, что используется при производстве кристаллов (чипов) для ЭВМ, сотни тысяч биологически активных молекул — ДНК, РНК, белков — укладываются столбиками и рядами на стеклянный или кремниевый кристалл. Для проверки биологические молекулы метят флуоресцентным красителем, затем намывают на кристалл. Нанесенные на кристалл молекулы ДНК или белка, по словам изобретателя Стива Фодора, действуют «подобно тонким полоскам молекулярной "липучки"». Проверяемые молекулы комплиментарны к молекулам на кристалле и прилепятся к ним, после чего при лазерном сканировании предстанут в виде светящейся точки. Выходные данные сканирования затем выводятся на экран, обрабатываются ЭВМ и, наконец, используются для выявления мутаций, получения сведений о ходе болезни или лечения, для определения, какие гены взаимодействуют друг с другом при росте клетки, и изучения многих иных сторон генетики.

Сельскохозяйственное применение. Посредством рестрикционных ферментов можно изменять ДНК растений для получения нужных признаков: высокой урожайности, более питательной пищи для людей и животных, повышенного содержания витаминов и минералов, большей устойчивости к заболеваниям, гербицидам для облегчения борьбы с сорняками, роста устойчивости к насекомым-вредителям, способности связывать азот для уменьшения количества вносимых удобрений и повышения удойности коров на молочных фермах.

Генетический контроль у человека. Поскольку наследственные признаки у человека целиком зависят от генов, мы можем отбирать их для потомства и предсказывать вероятность генетических заболеваний у людей. Такая возможность сопряжена с далеко идущими этическими последствиями.

Изучение стволовых клеток. После оплодотворения яйцеклетки зародыш содержит всю генетическую информацию о дальнейшем развитии организма. Клетки, способные развиться в любую клетку организма, именуются зародышевыми стволовыми клетками. По мере роста организма клетки специализируются, утрачивая гибкость стволовых клеток. Стволовые клетки с заложенным в них потенциалом можно выращивать и использовать для таких крайне важных целей, как восстановление поврежденных сердечных мышц или тканей позвоночника. Однако методы выращивания подобных клеток сопряжены с этическими вопросами, до конца еще не решенными. Иной подход — дождаться более зрелого возраста и выращивать специализированные клетки взрослых, которые столь же полезны.

Клонирование. Поначалу клонирование заключалось в замене ядра яйцеклетки ядром другой клетки с последующим внедрением новой яйцеклетки в матку суррогатной матери, которая в итоге даст потомство, чьи генетические свойства будут одинаковыми со свойствами пересаженного ядра. После овладения данным методом успешные опыты были проведены на мышах, свиньях, коровах, а наибольшую известность получила ныне погибшая овца Долли.

Итак, можно ли клонировать человека? Исходя из современной биологической практики это вполне возможно, и некоторые, правда неподтвержденные, заявления уже последовали со стороны секты раэлитов[****] . Нужно ли это делать — другой вопрос, относящийся к нравственной и правовой сферам. Не менее важна возможность использования рестрикционных ферментов для вырезания и вклеивания человеческой ДНК в ДНК животных с последующим клонированием животных, превращая их в фабрики по производству лекарственных белков, редких гормонов или даже целых органов для пересадки людям при повреждении или заболевании их собственных органов.

Небольшая подборка использования геномики (а значит, и протеомики) дает представление о нравственной стороне геномики и протеомики (более подробно см.: Список идей, 9. Генетические технологии).

Решение головоломки: почему, как, кто и где, когда?

Почему. Протеомика дает возможность создавать новые, более действенные лекарства и диагностические средства. Однако число пар азотистых оснований, генов и белков, с которыми приходится иметь дело, ставит трудную задачу перед теми, кто исследует, создает и испытывает подобные средства.

Вы только взгляните на эти числа: 3 млрд. пар нуклеотидных оснований, 30 тыс. генов, сотни тысяч белков присутствуют в человеческом организме. Они усложняют и без того трудную задачу, требуя методов по обработке огромных объемов данных. Новая отрасль — биоинформатика вызвала большой наплыв ученых — специалистов по составлению алгоритмов — в качестве равноправных биологов, давая возможность обеспечить их орудиями сбора, упорядочивания и толкования биологически значимых данных. Хотя биоинформатика и может оказаться ключевой в решении общей задачи, не исключено, что объем задачи указывает на ее неразрешимость. Сложность взаимодействий белков делает всю биологическую систему объектом, где крайне малые изменения на входе, легко вызываемые великим множеством обычных в таком деле возмущающих факторов, неизбежно приводят к совершенно неожиданным последствиям (подобный вопрос встает в гл. 5 о предсказании погоды).

Некоторым образом данная проблема перекликается с проблемой в физике, где отдельные частицы образуют совокупности, поведение которых предсказывается на основе вероятностных методов. Данный подход, именуемый статистической механикой, доказал свою действенность. В физике частицы одинаковы и по численности значительно превосходят биологические молекулы, так что законы больших чисел обеспечивают сходство. Биологические системы имеют дело с неодинаковыми единицами, и их число существенно меньше, например, количества атомов в содержащемся в комнате воздухе. Поэтому выгоды, получаемые от использования статистики, нельзя применить к решению этой задачи. Возможно, будет создан новый вид статистической математики. И биоинформатика, похоже, та область, где это может произойти.

Кто и где. Другая возможность состоит в том, что биологии поможет очередной наплыв ученых из других отраслей знаний, или же координаторы более обширных проектов вроде Ф. Коллинза, либо неуемные одиночки вроде Дж. Крей-га Вентера. Помимо Celera в список компаний, включившихся ныне в исследования по протеомике, входят Cellzome из Германии, Hybrigenics из Франции и MDS Proteomics из Канады.

Когда. По мнению профессора фармацевтической химии Олме Берлингейма из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, «мы сейчас имеем возможность значительно быстрее определять состав белка в человеческом организме. Работа должна завершиться за пару лет».

Ученые при определении белков, входящих в те или иные клетки или ткани, обычно прибегают к двум основным способам: двухмерному гель-электрофорезу и масс-спектрометрии. Некоторые компании пытаются по возможности усовершенствовать и автоматизировать эти и другие методы.

Представляется, что после установления устройства человеческого генома и изучения всех его признаков данный узел удастся развязать, и останется лишь воспользоваться найденными закономерностями для выяснения подробностей. Но это не так. Новые сведения о геноме уже преподнесли немало неожиданностей. Поэтому не стоит удивляться очередным открытиям.

Глава пятая

Геология

Возможен ли точный долговременный прогноз погоды?

Прогноз погоды на ночь: темень.

Джордж Карлин

[выдающийся американский комик]

Все любят говорить о погоде, но никто не пытается ее изменить.

Марк Твен

Изучение планеты Земля как целого — прерогатива геологии (науки о Земле). Модель плитотектоники нашей планеты довольно хорошо описывает следствия взаимодействий ее самых верхних, четырех твердых и жидкой оболочек. Однако атмосфера Земли, особенно ее синоптическое состояние, похоже, перечеркивает все попытки создать модели, которые давали бы надежные долговременные прогнозы. Раз погода оказывается столь отличительной чертой нашей планеты, нахождение подходящей модели для предсказания погоды оказывается крупнейшей нерешенной задачей науки о Земле.

Погода на Земле

Преимущественно ясно, отчасти облачно, порой дожди, возможен снег, ожидается ухудшение погоды... Не удивляло ли вас, что синоптикизаимствовали свой двусмысленный язык у тех, кто занимается составлением гороскопов? Что же говорить о Календаре крестьянина [††††] , предсказывающем погоду на год вперед, или об ушибленном колене вашей тетушки, которое начинает неизменно крутить с приближением ненастья?

Погода и ее прогноз всегда играли огромную роль в выживании людей. Самые древние ссылки на погоду обычно связаны с религией или фольклором.

Религия египтян с ее небесными божествами включала обряды по призыванию дождя еще за 3500 до н. э. Вавилоняне (3000-300 до н. э.) связывали небесные тела с погодными явлениями, полагая, что темное кольцо вокруг Луны означало приближение дождя. Древние греки накопили наблюдения за погодой и создали теории, нашедшие воплощение в Метеорологике Аристотеля (340 до н. э.), где были собраны прежние представления, приведенные в согласие с господствовавшим тогда учением о четырех стихиях (земле, воде, огне и воздухе). После научного переворота 1600-х годов построения Аристотеля были наконец подвергнуты проверке, и утвердилось представление о всеобщем характере погоды и климата.

В Новое время изучение атмосферных условий стало неотъемлемой частью науки о Земле. Атмосфера представляет собой ее внешнюю оболочку. Остальные четыре оболочки — внутреннее и внешнее ядро, мантия и кора — суть медленно перемещающиеся твердые и жидкие тела. Из-за газообразности атмосферной оболочки она меняется быстрее всего.

Прогноз погоды на Земле

Иногда, частично, большей частью, или совершенно ясно, или облачно с меняющейся вероятностью дождя, снега, града, мокрого снега, смерча, урагана...

Температура: максимальная +58°С,

минимальная -84°С.

Давление: 1 атмосфера +/—10%.

Влажность: от 0 до 100%.

Ветер: от нуля до 231 мили в час (возможно, выше при смерче).

Видимость : от нуля до полной.

Осадки: от нуля до 523 дюймов воды в год.

Вероятность грозы: переменная.

Конкретный прогноз зависит от места и времени года.

Пользуясь научным подходом, мы уже достаточно долго наблюдаем за атмосферой и собрали значительное количество данных. В гипотезах, стремящихся объяснить поведение атмосферы, используются зарекомендовавшие себя понятия механики жидкостей и газов, термодинамики, астрономии Солнца, химии и иных дисциплин. Тогда почему же прогнозы погоды, подобно рыбе и отношению к визитам родственников, портятся столь скоро? Иначе говоря, почему точный долгосрочный прогноз погоды все еще оказывается нерешенной задачей?

Ответ один: размеры и сложный характер атмосферы. Оказывается, при достижении системой определенного уровня сложности математическое предсказание начинает столь сильно зависеть от начальных условий, что малейшие изменения приводят к совершенно неожиданным конечным результатам. Сжатое изложение такой восприимчивости к начальным условиям именуют теорией хаоса, под которой часто ошибочно подразумевают полный произвол. Прежде чем вдаваться в подробности данной проблемы и рассматривать пути ее решения, рассмотрим для сравнения погоду соседних планет, изучим становление земной атмосферы, выдвинем гипотезы прогноза погоды и проследим за истоками, развитием теории хаоса и выявим ее уместность. Наконец, займемся вопросом, возможно ли теоретически прогнозирование погоды с помощью современных математических методов.

Погода на наших соседних планетах: трава не вечно зеленеет

Атмосфера представляет собой газовую оболочку, окружающую твердую (и/или жидкую) поверхность планеты. Атмосфера газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна — наиболее отличительная их черта. Все твердые части этих планет погребены под толстым слоем газа. Другие небесные тела нашей Солнечной системы — Меркурий, Плутон и Луна — вовсе или почти не обладают атмосферой. На оставшихся трех планетах — Венере, Земле и Марсе — плотность газа колеблется от крайне высокой до весьма малой, подобно рассуждениям девочки в сказке о трех медведях.

Венера. Известна как родственная Земле планета из-за сходства многих свойств. Ее поперечник составляет 95% от земного, вес — 82%, плотность — 95%, а сила тяготения на поверхности — 91%. Однако Венера вращается очень медленно — один оборот составляет 243 земных — и в противоположном по сравнению с вращением Земли направлении. Ось вращения Венеры почти отвесна к плоскости ее орбиты (отклонение 2°), не наклонена подобно земной оси (отклонение 23,5°).

Оказавшись на Венере, мы не заметим изменения в размерах. Сила тяготения почти та же (хотя потеря 9% веса приветствовалась бы многими из нас), но нет времен года, подобным земным. Планета вращается, но вы этого не ощутите. На Земле мы тоже не замечаем вращения, за тем исключением, что, следя за движением Солнца по небу или наблюдая за периодическим наступлением темноты (ночи), мы можем видеть заход и восход Луны и звезд. Из-за толстого слоя облаков такой возможности нам на Венере не представится.

Раз мы оказались на Венере, представим, что там нет атмосферы, и посмотрим, что будет. При отсутствии атмосферы температура на поверхности станет определяться взаимодействием солнечных лучей с составляющими поверхность Венеры породами. Согласно закону сохранения энергии планета выступает в роли бесприбыльной корпорации: доходы (поступающая на Венеру солнечная энергия) равны расходам (отдаваемая планетой вовне энергия). Поскольку Венера ближе к Солнцу, чем Земля, она получает больше солнечной энергии. Количество отдаваемой вовне энергии зависит от свойств ее поверхности.

Величина, характеризующая способность поверхности отражать падающий на нее поток излучения, именуется альбедо [и равна отношению отраженного потока к падающему]. Полностью отражающее энергию тело имеет альбедо, равное единице (например, зеркало), а совершенно не отражающее — нулевое альбедо (например, черный асфальт). В отсутствие атмосферы альбедо Венеры соответствовало бы альбедо Меркурия ввиду схожести их поверхностей. Температура лишенной атмосферы Венеры составляла бы примерно 38°С. Хотя по меркам температуры на планетах там может показаться довольно жарко, такого мы еще не встречали.

Теперь вернем Венере атмосферу, которая примерно в сто раз тяжелее атмосферы Земли и состоит из углекислого газа (СО₂ ) — 96%, азота (N₂ ) — 3%, небольшого количества сернистого газа (SO₂ ) и лишь каких-то крох кислорода (О₂ ) — тысячные доли процента. У поверхности давление просто удушающее — в 90 раз выше земного. А это только начало. Везде высотные облака, но светло-желтые, а не белые и серые. Ведь они состоят не из паров воды, а из капель серной кислоты (H₂ SO₄ ). Солнечный свет едва пробивается сквозь них. Температура у поверхности возрастет, как только на планету вернется атмосфера, достигнув немыслимой величины 470°С.

Если вы ступите на Венеру и обратитесь за сводкой погоды к сети Интернет на Венере или к телевидению Венеры, то получите примерно следующее.

Данный прогноз верен везде и всегда, поскольку высотные ветры повсеместно удерживают облака.

Теперь немного подробностей.

Максимальная и минимальная температуры на Венере совпадают ввиду плотности атмосферы и формы ее перемещения, что позволяет энергии равномерно распределяться по всей планете. Крайне высокое значение этой всюду одинаковой температуры, при которой плавятся многие твердые тела, даже металлы вроде свинца и цинка, вызвано ярко выраженным парниковым эффектом (см.: Список идей, 10. Парниковые газы). Углекислый газ в атмосфере отражает обратно исходящее от поверхности планеты инфракрасное излучение, что существенно нагревает поверхность, подобно стеклянному покрытию в парнике, которое сохраняет для находящихся внутри растений температуру, более высокую, чем снаружи. С 1961 года за 20 лет Советский Союз направил к Венере 16 космических кораблей «Венера». Опустившиеся на поверхность планеты аппараты работали очень недолго, а затем выходили из строя под действием высоких температур и давления.

Высокое давление вызвано большой массой атмосферы. На поверхности Венеры плотность углекислого газа значительно выше, чем плотность воздуха Земли. Путешествие по Венере было бы сродни продвижению сквозь толщу разжиженной воды при давлении, соответствующем земному давлению на морской глубине 900 м.

Из-за крайне малого количества воды влажность на Венере отсутствует. Согласно одной современной теории вначале на Венере было много воды, но высокая температура ввиду близости к Солнцу в сочетании с усиливающимся парниковым эффектом испарила воду в атмосферу. Там солнечные фотоны разложили молекулы воды на водород и кислород. Более легкие молекулы водорода покинули планету, а химически активные молекулы кислорода образовали либо карбонаты (остающиеся до сих пор на поверхности Венеры), либо серную кислоту при взаимодействии с выделяемой при вулканических извержениях серой (более подробно о динамических процессах в атмосфере речь пойдет в следующей главе).

Ветры на поверхности Венеры движутся очень медленно, но в слое ее облаков ураганные ветры (скорость 220 миль в час) переносят капли серной кислоты вокруг планеты с востока на запад за пару земных суток. Механизм данного перемещения неизвестен.

Видимость у поверхности полная благодаря чистой атмосфере внизу. Выше все заволакивает дымкой, а облака почти непроницаемы. Пробивающийся сквозь сернокислотные облака солнечный свет приобретает оранжевый цвет, столь же блеклый, как в облачные дни на Земле.

Сернокислые капельки в облаках собираются в достаточно крупные капли, вызывающие дождь, так что влажность присутствует, но в виде паров серной кислоты, а не воды. Из-за высокой температуры кислотный дождь испаряется, так и не оросив поверхности планеты.

Из-за высотных ветров и трущихся друг о друга облаков наблюдаются частые грозы, но поскольку облака находятся на большой высоте — примерно 50 км, молнии проскакивают большей частью между облаками, а не между облаками и поверхностью планеты, как это происходит на Земле.

В прогноз погоды на Венере не входит время восхода и захода Солнца, что вызвано несколькими причинами. Во-первых, Солнца не видно с ее поверхности. Во-вторых, Венера вращается вокруг своей оси так медленно, что успевает обернуться вокруг светила, еще не сделав полного оборота вокруг своей оси, и, таким образом, восход и закат там не столь привычное дело, как на Земле. Далее, если бы Солнце было видимым, мы бы наблюдали, как оно восходит на западе и заходит на востоке ввиду обратного Земле вращения. Если вы думаете, что сможете услаждать себя видом здешней Луны или звезд, не обольщайтесь. Облака не пропустят идущего от звезд света, а что касается лунного света, то у Венеры нет спутников.

Готовясь к путешествию на Венеру, вам следует разогреть свою печь до требуемой температуры, а затем опуститься с ней на глубину 900 м для получения требуемого давления. Если эти условия окажутся сносными, постарайтесь к тому же долгое время не видеть Солнца.

В качестве туристической достопримечательности Венера мало привлекательна. И тем не менее Европейское управление космических исследований планирует полет к планете на Venus Express в 2005 году, а Япония — в 2007-м.

Марс. Погода другого нашего соседа, Марса, пришлась бы нам больше по душе. Вот как выглядела бы сводка погоды в сети Интернет на Марсе.

Прогноз погоды на Марсе

Преимущественно солнечно.

Температура : максимальная +27°С, минимальная —133°С.

Давление : менее 1% земного (0,01 атмосферы). Влажность: нулевая.

Ветер: постоянно превышает 100 миль в час.

Видимость: полная, за исключением пыльных бурь

Осадки: снег из углекислого газа близ обоих полюсов.

Вероятность пыльной бури: более высокая в Южном полушарии летом.

Данный прогноз зависит от места и времени.

Поперечник Марса составляет 53% от земного, масса — 11%, плотность — 66%, а сила тяготения на поверхности — 38%. Атмосфера Марса состоит из углекислого газа (СО₂ ) — 95%, азота (N₂ ) — 3% и аргона (Аr) — почти 2%. Атмосферное давление у поверхности составляет менее 1 % от земного, так что общая масса его атмосферы тоже менее 1% от массы земной атмосферы.

Для уяснения подробностей прибегнем к голливудскому трюку. Вообразите, что вы внезапно очутились на Марсе. Каковы могут быть ваши ощущения? Прежде всего вы столкнетесь с отсутствием кислорода. На Марсе потребуется носить скафандр. Но даже в громоздком скафандре на Марсе будет легче двигаться, чем на Венере или Земле. Атмосфера там столь разрежена, что не стеснит движений. Более того, из-за силы тяготения, составляющей 38% земного, вы окажетесь почти в 3 раза легче, чем на Земле. Вы сможете прыгать в 3 раза дальше, а посылаемые гольфистом Тайгером Вудсом[‡‡‡‡] мячи вообще потеряются из виду [на Земле он умудряется отправлять мячи за 300 ярдов].

Затем надо будет что-то делать с температурой. Можно было бы ожидать, что наличие углекислого газа обеспечит на Марсе парниковый эффект, сходный с наблюдаемым на Венере. Он присутствует, однако из-за разреженности атмосферы почти не влияет на температуру. Если убрать с Марса атмосферу, как это мы делали с Венерой, средняя температура там составит —55°С. Возвращение атмосферы лишь слегка повысит температуру до значения —50°С. Но прежде чем ошибочно заключать, что Марс всегда был таким холодным (подобно тому как Венера всегда оставалась очень жаркой), не забудьте, что на Марсе для вас кое-что припасено.

Прежде всего продолжительность суток на Марсе почти та же, что и на Земле. Он вращается вокруг собственной оси примерно за 24,5 земных часа. Таким образом, восход и заход Солнца будут близки путешественнику с Земли. Далее, ось вращения у Марса наклонена к своей орбитальной плоскости под углом 25°. Если вы помните, у Венеры нет такого наклона, и это обстоятельство как раз содействует спокойному характеру тамошней погоды. Как и на Марсе, наклон земной оси в 23,5° приводит к смене времен года, поскольку одно полушарие, получая больше прямых солнечных лучей, сильнее нагревается.

При совершении Марсом половины пути вокруг Солнца солнечные лучи освещают его южное полушарие сильнее, чем северное. Тогда в южном полушарии царствует лето, а в северном — зима. Во вторую половину пути Марса вокруг светила положение меняется, и уже северное полушарие освещается больше, и там наступает лето. В эту картину Марс вносит свои собственные краски. Его орбита сильнее вытянута по сравнению с Землей или Венерой, занимая по этому показателю третье место среди планет Солнечной системы. Поэтому времена года неодинаковы для северного и южного полушарий Марса. В летнюю пору на юге Марс находится ближе к Солнцу, получая на 40% больше света, чем при наступлении на юге зимы. С учетом всего сказанного можно приступить к изучению погоды на Марсе.

Повсеместное перемещение атмосферы. Солнечный свет нагревает марсианский «воздух» близ экватора, где он поднимается и движется к полюсам и там, охлаждаясь, опускается. Это схоже с циркуляцией воздуха на Земле. Теплые и холодные «воздушные» массы. Граница этих «воздушных» масс перемещается по Марсу подобно синоптическому фронту на Земле. Более суровые погодные условия в одном полушарии по сравнению с другим. Из-за эллиптической орбиты Мар са перепады температур в южном полушарии значительнее перепадов в северном полушарии. Южное лето жарче, температура поднимается до 27°С; зима же суровей, и температура опускается до отметки — 133°С. Пыльные бури. Когда ветры на поверхности достигают скорости 100 миль в час, что нередко случается летом в южном полушарии, они увлекают за собой частицы пыли (оксиды железа или ржавчину) на поверхности, неся их даже через все полушарие или, что бывает реже, через оба полушария. Наблюдались пыльные бури, покрывавшие собой всю планету. Подробности данного явления не уяснены до конца, но вычисли тельные программы по моделированию марсианской погоды свидетельствуют, что воздушная пыль охлаждает поверхность планеты. К представлению о ядерной зиме пришли, используя те же соображения в отношении Земли (подробности о вариантах этих вычислительных программ применительно к Земле см. в следующей главе). Взрыв большого числа водородных бомб приведет не только к огромным опустошениям, но поднятая при этом в атмосферу пыль так охладит Землю, что на ней установится крайне низкая температура, возможно, повсюду. В зависимости от того, как будет оседать пыль, ядерная зима может продлиться значительно дольше обыкновенной. Ледяные облака. В летнюю пору в северном полушарии вместо повсеместных пыльных бурь вокруг всей планеты протянутся пояса очень тонких ледяных облаков. Эти облака не поднимаются на такую высоту, как частицы пыльных бурь, и их поведение еще не до конца изучено.

Снег из сухого льда. На обоих полюсах зимой углекислый газ переходит из газообразного в твердое состояние. Углекислота в твердом состоянии называется сухим льдом. Продавцы мороженого на Земле используют сухой лед для охлаждения.

Снежные шапки на полюсах. Белое вещество, присутствующее на получаемых с телескопов и спутников снимках полюсов Марса, представляет собой лед из воды и углекислоты. Согласно оценкам, в случае таяния льда вода покрыла бы поверхность Марса слоем толщиной 9 м. По неизвестным причинам южная полярная шапка слегка смещена по отношению к геометрическому полюсу.

Циклоны. В апреле 1999 года космический телескоп Хаббла обнаружил штормовой циклон (рис. 5.1) в области северного полюса на Марсе. Шторм гнал ледяные облака, охватывая площадь, в четыре раза превышающую штат Техас.

Цвет неба. Ясное небо над Марсом по цвету может походить на земную синеву, но там поверхностные ветры постоянно вздымают красную пыль, которая придает небесам желтовато-коричневый оттенок, именуемый некоторыми по сходству цвета с ирисками — ирисовым. Слюнки текут, не так ли? Спутники. Деймос и Фобос — спутники Марса. Названные в соответствии с греческими словами «ужас» и «страх», эти два спутника невелики и очень быстро движутся по своим орбитам. Из всех спутников Солнечной системы Фобос ближе всего расположен к своей планете. Он обращается вокруг Марса почти 3 раза в сутки. Из-за крохотных размеров с Марса он виден не отовсюду, но даже когда он виден, трудно за ним уследить.

Рис. 5.1. Циклон на Марсе, увиденный с космического телескопа Хаббла

♦ Отсутствие океанов. Вначале ученые считали, что погода на Марсе значительно проще земной, большей частью из-за отсутствия там водных океанов, которые существенно усложняют картину погоды на нашей планете. Недавние полеты к Марсу убеждают, что погода там значительно сложнее, чем мы думали, и ей присуща изменчивость, о которой мы даже не догадывались.

В 2003 году Европейское управление космических исследований отправит космический корабль MarsExpress к Марсу, который прибудет туда 26 декабря 2003 года [попытка посадить корабль окончилась неудачей — он так и не вышел на связь]. НАСА планирует доставить туда два вездехода небольшого радиуса действия в 2004 году [что американцам с блеском удалось], орбитальный разведывательный аппарат в 2005 году, вездеход большого радиуса действия в 2009-м, и возвращаемый корабль с пробами фунта в 2014 году. Мы многое почерпнем отсюда.

Если бы девочка из сказки «Три медведя» «отведала» погоду на Венере и Марсе прежде, чем на Земле, то, пожалуй, сказала бы: «Первая слишком горячая и густая, вторая слишком холодная и жидкая, а вот третья в самый раз». Так-то вот.

Воздух местного производства

Поскольку внутренние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — расположены близко к Солнцу (рис. 5.2), вполне разумно предположить, что и состоят они из одного сырья. Так и есть.

Рис. 5.2. Орбиты планет Солнечной системы

Как говорилось в гл. 3, в период падения планетезималей на раннем этапе зарождения Солнечной системы все внутренние планеты были заполнены камнями и водой. Почему же Венера и Марс растеряли воду, а Земля ее сохранила? Чтобы ответить на этот вопрос, надо рассмотреть процессы, в результате которых планеты получают газ для своей атмосферы и каким образом они могут растерять этот газ.

Получение атмосферного газа

После того как заработала солнечная ядерная топка, солнечный ветер (разреженная плазма большей частью из протонов и электронов, движущаяся ныне со скоростью около 400 км/ч) выдул почти весь первичный водород с гелием, а внутренние планеты собрали их у себя. Вспомним о бедном Меркурии. Он так близок к Солнцу, что, утираясь при каждом чихании светила, Меркурий говорит: «Будьте здоровы». Единственные газы, которыми ему удалось обзавестись, исходили от Солнца. Свыше 4 млрд. лет назад у Венеры, Земли и Марса, похоже, не было атмосферы. По всей видимости, ее образование шло тремя путями: газовыделение, испарение (возгонка) и (или) бомбардировка [метеоритно-пылевыми частицами].

Газовыделение. В ходе явления, известного как аккреция, под действием тяготения происходило скопление планетезималей, приведшее к образованию планет. При аккреции более плотные вещества опускались к центру планет, образуя их ядро. Менее плотные скальные породы так глубоко не оседали. Они образовали мантию у планет. Химические реакции в мантии выделяли газы, которые оказывались запертыми внизу под тяжестью лежащего сверху вещества. Наконец, самые легкие вещества всплыли наверх, образовав кору. Процесс гравитационного разделения по плотности именуется дифференциацией (см.: Список идей, 11. Земля: история недр).

По мере охлаждения коры заключенный под высоким давлением в мантии газ порой высвобождался, образуя вулканы. Вулканические извержения представляют собой знаменательное событие, ведущее к опустошению огромных площадей. Так, извержение горы Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года исторгло на поверхность 5 млрд. куб. м перла и шлаков, образовавших столбы шириной 18 км у основания и высотой 30 км.

Поверхность трех внутренних планет свидетельствует, что повседневной чертой начала их жизни была вулканическая деятельность, а основными продуктами газовыделения — пары воды (Н₂ О), двуокись углерода (СО₂ ), азот (N₂ ) и два серных газа: двуокись серы (SO₂ ) и сероводород, знакомый всем по запаху тухлых яиц.

Свыше 4 млрд. лет назад вулканические извержения выступали основными поставщиками газа для первоначальной атмосферы Земли. Примерно в то же время древние вулканы Марса и Венеры «трудились» над созданием первичной атмосферы на этих планетах.

Испарение (возгонка). В зависимости от температуры и давления у поверхности планеты жидкости могут превращаться в газы (испарение) или твердые тела переходить в газообразное состояние (возгонка). Известным примером здесь может послужить испарение воды в лужах или возгонка твердой углекислоты (сухого льда) в газообразное состояние, что сопровождается клубами дыма (данное явление часто используют на театральных подмостках). Возгонка более существенна для Марса, чем для Земли, так как на этой планете температура ниже, тогда как испарение присуще тому или иному круговороту на Земле, что отличает нашу планету. На Венере испарение не позволяет сернокислотным дождям излиться на ее поверхность.

Бомбардировка. На раннем этапе формирования Солнечной системы солнечный ветер, планетезимали и осколки комет бомбардировали внутренние планеты. При ударах о поверхность образовывался газ. Если вклад такой бомбардировки в атмосферу Венеры, Земли и Марса оказался весьма незначительным, то для Меркурия и Луны она служила единственным поставщиком тех крох газа, которыми они располагают.

Потеря атмосферного газа

Планета теряет газ пятью различными путями: тепловая утечка, сжижение (конденсация), бомбардировка, образование кратеров и (или) химические реакции.

Тепловая утечка. Запускаемые с Земли космические корабли весьма зрелищно покидают родную планету. Газовые молекулы тоже покидают Землю, но не столь шумно. Все на планете удерживается силой ее тяготения, которое у поверхности определяется ее массой и поперечником.

На каждой планете для преодоления ее гравитационных пут тело должно разогнаться до определенной, так называемой второй космической, скорости.

Атмосферные газы в зависимости от температуры и массы молекул имеют различные скорости. При более высокой температуре молекулы движутся быстрее: легкие — быстрее тяжелых.

Как видно из таблицы на с. 160-161, Марс вследствие тепловой утечки быстро расстанется с легкими газами вроде водорода и гелия, но сможет удержать двуокись углерода. Венере и Земле проще удержать свои газы.

Сжижение. Испарение жидкостей и возгонка твердых тел происходит при высокой температуре, но возможен и обратный процесс: при низкой температуре атмосферные газы в состоянии сжижаться с образованием жидкого или даже твердого состояния.

Наиболее показателен в этом отношении Марс, где двуокись кислорода на полюсах зимой сжижается, образуя твердую углекислоту, то есть сухой лед.

Сжижение происходит даже на Луне. В 1998 году орбитальный аппарат Lunar Prospector обнаружил замерзшую воду в глубоких кратерах близ обоих лунных полюсов. Лед, видимо, попал туда с хвоста комет и сохранился в недоступных солнечным лучам местах. Миллиарды лет назад лед мог оказаться там, где лежит и ныне.

Бомбардировка в состоянии породить атмосферу на планете, у которой ее изначально не было. Но она может и забирать газ у уже имеющейся на планете атмосферы. Солнечный ветер в силах помочь утечке газов в верхних слоях атмосферы. Солнечные фотоны способны разлагать молекулы на более мелкие составляющие (в ходе так называемой диссоциации), которые затем из-за более легкой массы покидают планету.

Образование кратеров. Падающие на планету более крупные тела тоже способны придать молекулам газа достаточно энергии, чтобы те покинули планету. Особо уязвимы в данном случае более мелкие планеты с меньшей, второй космической скоростью.

Химические реакции. В зависимости от химической активности молекул реакции между газами и поверхностными скальными породами или жидкостями могут приводит к их связыванию.

Химические реакции на раннем этапе образования нашей планеты связали значительное количество углекислого газа в известняки, удалив тем самым много этого газа из ее атмосферы.

Получение или утрата атмосферного газа

Теперь приложим данные закономерности к внутренним планетам и посмотрим, как их первичная атмосфера приобрела нынешние очертания.

Начнем с Венеры и Марса, а Землю прибережем напоследок.

Марс

Основное различие между нашими соседними планетами и Землей определяется наличием воды. Вода на Венере испарилась вследствие высокой температуры. Испарение способствовало развитию парникового эффекта, после чего вода терялась из-за разложения ее молекул под действием солнечных фотонов на водород и кислород. Марсианская вода некоторое время была разлита по поверхности этой планеты. Однако ввиду слабовыраженного парникового эффекта она не испарялась, а сжижалась. По мере падения температуры вода превращалась в лед, который все еще присутствует на полюсах, большей частью скрытый под поверхностью.

Обратимся теперь к Земле, Нам известно, что стало здесь с водой: она присутствует доныне в трех состояниях: газообразном, жидком и твердом. Вода не только делает Землю отличной от наших соседних планет, она придает изменчивость здешней погоде, которую мы не в состоянии предсказать.

Земля в сопоставлении с Марсом и Венерой

Для уяснения погодных условий на Земле сравним ее с Венерой и Марсом.

Поскольку все три планеты поначалу имели одинаковую атмосферу, образовавшуюся в результате вулканического выделения большей части углекислого газа и паров воды, необходимо ответить на ряд вопросов.

Почему Земле удалось сохранить свою воду, тогда как Венера и Марс ее лишились? Мы уже знаем, из-за чего Венера с Марсом теряли воду: Венера была слишком горячей; Марс же оказался чересчур холодным. На Земле вода участвует в ряде круговоротов, из которых более всего бросается в глаза известный всем влагооборот, когда вода испаряется из океана, ветрами выносится на сушу, выпадает в виде снега или дождя (отчасти в океан), вновь стекает в океан, и все начинается сначала. Данный круговорот воды вызывается не только умеренной температурой, но и перемещениями (циркуляцией) в атмосфере, которым в свою очередь способствуют наклон земной оси и вращение самой планеты вокруг нее.

Что произошло с углекислым газом на Земле? Углекислый газ Земля не растеряла; он лишь оказался сокрытым под действием находящейся в жидком состоянии воды. Углекислый газ из воздуха растворяется в океанической толще. Там при взаимодействии с силикатами он образует известняки, которые оседают на морское дно. Вот куда девается углекислый газ. Но здесь он не задерживается, ведь перед нами лишь этап одного из круговоротов. Плиты земной коры перемещаются под влиянием течений в мантии, на которой они покоятся. Карбонаты увлекаются внутрь мантии, где нагреваются. Углекислый газ выходит в атмосферу в ходе вулканических извержений. Оказавшись там, он снова растворяется в океанической толще и... Кстати, как силикаты попадают в океан? Они выветриваются с поверхности под действием дождей. Этот процесс именуют карбонатно-силикатным круговоротом. Поскольку данный круговорот вещества требует воды в жидком состоянии, он может происходить лишь на Земле.

Откуда Земля получила свой кислород? Изобилие кислорода в земной атмосфере вызвано одним источником: жизнью. Однако подоплека значительно сложнее. С возникновением живых организмов не замедлила появиться форма жизни, черпавшая энергию от Солнца для сборки сложных углеводородов из присутствующих молекул воды и углекислого газа. Такого рода фотосинтез, похоже, начался на заре жизни, а его побочным продуктом стал кислород.

Кислород химически очень активен, так что примерно 2 млрд. лет после начала фотосинтеза получавшийся кислород просто взаимодействовал с поверхностными породами. Лишь после полного их окисления кислород стал накапливаться в атмосфере, что повлекло за собой два последствия. Во-первых, поднявшийся к верхним слоям атмосферы кислород разлагался под действием солнечных фотонов. Получавшиеся в итоге атомы кислорода привели к образованию новой и неустойчивой молекулы, именуемой озоном (О₃ ). Озон так и представлял бы собой химический курьез, если бы не его способность поглощать ультрафиолетовое излучение. После накопления в верхних слоях атмосферы достаточного количества озон начал служить укрытием Земли от смертельного для жизни ультрафиолета. Стало возможным утверждение на суше жизни и кислородного дыхания, а это сочетание привело к появлению новых форм жизни, например нас с вами.

Воздействие жизни на атмосферу началось давно и продолжается по сию пору. Сегодня приходится решать вопрос с выбросом нашей цивилизацией в атмосферу углекислого газа, что может привести к парниковому эффекту (см.: Список идей, 10. Парниковые газы).

Земная атмосфера — то сырье, из которого синоптики готовят свои отчаянные прогнозы. Она совершенно непохожа на атмосферу наших соседних планет, и присущие ей особенности делают прогнозирование трудным и кропотливым занятием. Предсказание погоды оказывается значительно запутанней, чем кажется на первый взгляд.

Погода и климат: гипотезы (весьма добротные), прогнозы (не столь добротные)

Получив для наблюдения столь замечательное собрание атмосферных газов на Земле, наука готовилась создать предполагаемую модель долгосрочного (климат) и краткосрочного (погода) поведения атмосферы. Благодаря усилиям Исаака Ньютона в 1660-е годы удалось описать движение тел в виде ряда общих и действенных уравнений. И в последующие два века, XVIII и XIX, наука распространила представления Ньютона на случаи больших, малых тел, жидкостей и газов.

Одним из достоинств ньютоновых законов стало то, что, зная заданные для определенного времени условия, можно вычислить последующее движение. С философской точки зрения это детерминизм. Мощь данного метода огромна. Возможен точный расчет положения планет, предсказание приливов и отливов на много лет вперед и построение траектории полета снарядов. К тому же подобные предсказания можно обратить вспять, что позволяет изучать не только будущее, но и прошлое.

Одно из следствий детерминизма состоит в том, что будущее поведение системы легко предугадать, определяя состояние системы в какой-то предшествующий момент. Это предыдущее состояние именуют начальными условиями. На рис. 5.3 подобный процесс представлен в упрощенном виде; с помощью графика можно описывать дальность полета снаряда в зависимости от угла возвышения. При изменении угла в пределах нескольких градусов дальность колеблется в весьма существенных границах. Для получения большей точности попадания разброс угла возвышения необходимо уменьшить.

По существу, результаты с требуемой точностью получаются заданием начальных условий с соответствующей точностью. Неявно в измерениях по проверке прогноза присутствует допущение, что увеличение точности измерений улучшит точность предсказанных результатов.

Рис. 5,3. Точность предсказания будущего состояния зависит от точности знания начальных условий

И хотя на протяжении долгого времени такое допущение считалось незыблемым, на исходе XIX века вера в него была поколеблена при весьма странном стечении обстоятельств.

В 1887 году шведский король Оскар II [(1829-1907), король Швеции в 1872—1907 годах и Норвегии в 1872—1905 годах] в ознаменование своего 60-летия пообещал денежную премию тому, кто математически докажет устойчивость орбит планет Солнечной системы. Победитель, Жюль-Анри Пуанкаре, не решил полностью поставленной задачи, но проделанной работы хватило для получения премии. В 1889 году он опубликовал статью «О задаче трех тел и об уравнениях динамики» ( Acta Mathematica . 1890. № 13)[§§§§] . Пуанкаре столкнулся с необычным положением, когда «небольшие расхождения в начальных условиях ведут к огромным различиям у наблюдаемых в итоге явлений».

Будучи выдающимся математиком, он сумел показать, что при достижении системой определенной степени сложности получение точных результатов потребует предельно точных начальных условий. Некоторое время соображения Пуанкаре казались математическим курьезом. Но, как мы вскоре увидим, спустя 70 лет они дадут знать о себе.

Пока же вернемся к прогнозу погоды. Любопытное событие произошло во время Первой мировой войны. Льюис Фрай Ричардсон работал в различных научных учреждениях, включая Метеорологическую службу Британии. С началом войны он смог найти себе применение, не поступаясь своими пацифистскими убеждениями: водил санитарную машину во Франции. В часы досуга он строил математическую модель предсказания погоды, основанную на разделении земной поверхности на ячейки, получении данных о погоде в каждой из них и последующем прогнозе погоды посредством математического приема, известного как исчисление конечных разностей. Его модель так и не заработала, но он представил в 1922 году используемый им математический прием в ставшей знаменитой книге «Предсказание погоды с помощью численного процесса». Ричардсон отнес неудачу модели на счет недостаточного количества данных и трудностей ведения громоздких вычислений вручную[*****] .

Вскоре обычные вычисления препоручили ЭВМ. К 1953 году обосновавшийся в Принстоне венгерский математик Джон фон Нейман успел испробовать первую цифровую вычислительную машину ЭНИАК (ENIAC — ElectronicNumericalIntegratorandComputer) Принстонского университета на многих задачах, включая уравнения Ричардсона. Хотя машинные расчеты и позволяли делать сравнительно неплохой прогноз погоды, работы оставалось еще непочатый край.

ЭВМ оказалась весьма полезным орудием. В 1960 году Эдуард Лоренц сумел «выбить» для себя новую ЭВМ [Royal МсВее]. Он изучал математику в Гарварде, а теперь преподавал метеорологию в Массачусетском технологическом институте. Для проверки машины Лоренц составил программу для 12 нелинейных уравнений, описывающих поток жидкости применительно к погоде. Эти уравнения включали воздействие давления, скорости ветра, температуры воздуха и влажности. По современным меркам ЭВМ Лоренца была весьма примитивной, но результаты выдавала вполне разумные.

Один прогон оказался столь любопытным, что Лоренц решил расширить его. Из-за медлительности тогдашних ЭВМ он начал прогон программы с середины, введя случайно взятое число 0,506 из распечатки. Затем Лоренц отправился пить кофе, а машина продолжала «перемалывать» содержимое. Вернувшись, он был поражен увиденным: часть нового прогона, перекрывающаяся со старым, содержала отличные от прежних результаты. Причем отличие было разительным. После кропотливой проверки Лоренц выяснил, что ЭВМ использовала числа с шестью знаками после запятой, но выдавала их округленными до трех знаков. Поэтому числу 0,506 на распечатке соответствовало машинное число 0,506127.

Но каким образом столь малая разница на входе могла привести к такому разительному расхождению на выходе? Эдуард Лоренц заново открыл явление, о котором говорил Пуанкаре. В своей статье 1963 года «Детерминированное непериодическое течение» [в кн.: Странные аттракторы. М., 1981] Лоренц указывает, насколько конечный результат чувствителен к начальным условиям.

На рис. 5.4 представлена кривая трехмерной функции, порождаемой нелинейными уравнениями данного рода. Хотя ее значения так и не сходятся к одной точке, они колеблются вокруг двух точек, словно притягивают к себе функцию, отсюда и название «странный притягиватель (аттрактор)».

Чтобы заострить внимание на том, как малые различия ведут к большим последствиям, а возможно, руководствуясь наглядным образом странного аттрактора, свое выступление [в декабре 1972 года перед Американским обществом содействия науке] Лоренц озаглавил так: «Вызовет ли взмах крыла бабочки в Бразилии смерч в Техасе?» Выражение «эффект бабочки» вскоре стало общепринятым. Системы уравнений с подобным поведением уже создавались и изучались независимо от возможности применять их к физическим системам.

Рис. 5.4. Странный аттрактор

ХАОС: КУХНЯ

В итоге возникла совершенно новая отрасль математики с, пожалуй, вводящим в заблуждение названием «теория хаоса», придуманным математиком Джеймсом Йорком из Мэрилендского университета (см.: Список идей, 12. Теория хаоса). К сожалению, слово хаос подразумевает совершенный беспорядок, что в корне неверно. Погода не носит случайного характера. Общая картина погоды хорошо всем известна: лето теплое, а зима холодная. Чего нам недостает, так это подробностей: насколько теплой или холодной будет погода, и ждать непогоду спустя неделю или же ровно через час.

Решение головоломки: как и где?

Есть несколько мнений о путях достижения более точного, долгосрочного прогноза погоды.

КАК И ГДЕ Улучшение методов

♦ Совершенствование наблюдений за погодой. Требуется больше данных и лучшего качества. Есть места на Земле, откуда поступает крайне мало данных, прежде всего это горные районы и океанические поверхности. Два больших сезонных течения поверхностных океанических вод, Эль-Ниньо и Ла-Нинья, вызывают обширные синоптические явления, существенно воздействующие на погоду в мире, особенно сказываясь на сельском хозяйстве. Точный долговременный прогноз помог бы крестьянам сохранить сотни миллионов долларов. В рамках проектов наподобие ARGO, составной части Системы наблюдения за климатом Земли, на океанических просторах размещаются 3 тыс. дрейфующих станций для слежения за погодными и водными условиями.

♦ Повышение качества моделирования. Современное ма тематическое моделирование значительно совершен ней методов Эдуарда Лоренца, но многое еще пред стоит сделать. Некоторые физические процессы, управляющие погодой, весьма сложны. Нужно учитывать рельеф местности и свойства почвы, брать в расчет динамическое поведение океана и облачного покрова. Нынешние модели лишь аппроксимируют крайне сложные процессы в целях ускорения вычислений с учетом объемов памяти ЭВМ. К тому же различные службы придерживаются собственных моделей со своими аппроксимациями.

♦ Уменьшение шага сетки у модели. Первые модели прогнозирования погоды использовали сетку с шагом в сотни километров. В нынешних моделях этот шаг уменьшен до десятков километров, а ближайшая цель — 5 км. Чем меньше область, тем точнее моделирование, однако для получения такой точности нужны суперЭВМ (вспомним потребность биологии в больших вычислительных мощностях, получившую название биоинформатики). В построении суперЭВМ наметилось два подхода: массовая параллельная обработка и векторные вычисления. Процессоры с массовым параллелизмом соединяют большое число универсальных процессоров, каждый из которых осуществляет часть сложного вычисления, а отдельные результаты суммируются. Векторная обработка использует специализированные микропроцессоры, предназначенные для решения сугубо определенной задачи. В свое время американский разработчик ЭВМ Сеймор Крей собирал необыкновенно быстрые суперЭВМ на основе векторного вычисления. Хотя его подход перестал пользоваться спросом на родине, к нему решила прибегнуть японская компания NEC . Вместо перехода на сетку с меньшим шагом для всего земного шара было решено, что качество прогноза у глобальных моделей можно улучшить при сетках с переменным шагом в особо важных областях.

содержание   ..  603  604  605   ..