ГЛАВА 4

Биохимические основы

В этой книге мы примем за фундаментальное допущение, что развитые формы жизни должны либо эволюционировать из более примитивных, и в конечном счёте, из изначально безжизненного мира, либо должны быть созданы другими развитыми организмами, которые это и сделали. Таким образом, на какой-то иной планете у вас не может быть людей или их аналогов без всей той сети взаимозависимых растений и животных, которые их окружают, – и без целой череды предков, которая привела от первозданной планеты к этой экосистеме. Вы можете представить себе то, что кажется исключением – мир, в котором один вид уничтожил все другие естественные формы жизни и изобрёл полностью искусственные средства для поддержания своего существования (похоже, что некоторые люди стремятся поступать именно так), – однако исключение это только кажущееся. Если бы там изначально не существовало иных естественных частей экосистемы, то и выживших видов там бы тоже не было.

ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ
Размышляя о том, как зарождается и развивается жизнь, мы будем вынуждены в значительной степени отталкиваться от единственного известного нам примера планеты, на которой это произошло. Как и в случае с эволюцией звёзд, у нас нет очевидцев, которые наблюдали этот процесс, поэтому нам придётся в значительной степени полагаться на выводы и эксперименты с химией, потенциально применимой к данному случаю. И ещё (что ещё хуже, чем в случае со звёздами!) у нас нет прямых свидетельств, показывающих, насколько типично то, что случилось в нашем мире. Тем не менее, это всё, что у нас есть.
На первый взгляд может показаться, что эта маленькая планета демонстрирует огромный спектр форм жизни, многие из которых отличаются друг от друга настолько резко, что можно подумать, будто они представляют собой большую выборку не связанных друг с другом примеров. Среди земных форм жизни – бактерии стрептококки, ящерицы-василиски, ландыши, зебры, трубкозубы, меч-рыба, гремучие змеи, гигантские секвойи, голубые киты, колибри, грибы-сморчки, Большой барьерный риф, пауки «чёрная вдова», аллигаторы и мы сами – и это лишь малая часть из них. В холодных пустошах Антарктиды растут лишайники, а рыбы обитают в горячих источниках, где «нормальную» рыбу можно сварить. В прошлом существовало множество иных форм вроде тираннозавров, трилобитов и гигантских стрекоз. Вне всяких сомнений, они очень разнообразны, но на фундаментальном уровне все они настолько схожи, что, вероятно, являются продуктами единственного акта «биогенеза». Вся земная жизнь – это, в прямом и важном смысле, всего лишь один пример с множеством вариаций на основную тему.
Это утверждение может показаться бескомпромиссным, однако в его пользу говорит множество свидетельств, большая часть которых обнаружилась всего лишь в последние несколько десятилетий. Какими бы разношёрстными ни выглядели мои примеры, каждый из них состоит из одной или нескольких клеток. Эти клетки демонстрируют большое сходство в своём строении и функционировании. У организмов, которые, казалось бы, совершенно не родственны друг другу, протекают одни и те же химические реакции для извлечения энергии из пищи. Когда важные молекулы существуют в двух вариантах (стереоизомерах), которые являются зеркальными отражениями друг друга, без очевидного преимущества в выборе «левого» или «правого» изомера, все организмы предпочитают использовать только один – причём один и тот же. И для хранения и передачи информации, необходимой для создания собственных копий, все они используют один и тот же тип молекулы – ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту).
Дать определение жизни нелегко, особенно когда приходится работать всего лишь с одним примером. Попытки сделать это обычно сводились к фразе «Узнаю это, когда увижу; а теперь давайте попробуем выяснить, что общего у всех вариантов, которые я узнаю». Вероятно, мы можем согласиться с тем, что живые существа, вне зависимости от их конкретного облика,

1) представляют собой высокоупорядоченные структуры;
2) черпают энергию из своего окружения и используют её для поддержания своей структуры и организованности;
3) обладают способностью к самовоспроизведению, т.е. к созданию более или менее точных рабочих копий самих себя.

К каждому из этих утверждений необходимо сделать некоторые оговорки и разъяснения (например, на самом деле не каждая особь пользуется способностью к размножению, а потомство видов, размножающихся половым путём, редко бывает идентичным своим родителям), но, принимая их во внимание, всё перечисленное – это те особенности, проявления которых мы ожидаем от любой формы жизни на Земле (и вероятно, вне её). Другие особенности, вроде способности передвигаться или учиться на собственном опыте, носят менее общий характер. От некоторых организмов мы их ожидаем (например, от потенциального партнёра по теннису), а от других – нет (например, от стебля брокколи для подачи под голландским соусом).
Земные организмы получают энергию, необходимую им для поддержания своего существования, самыми различными способами. До недавнего времени предполагалось, что все они получают свою энергию от Солнца – прямо или косвенно. Зелёные растения используют солнечный свет напрямую, а вода, минералы и углекислый газ служат им сырьём; они производят углеводы, выделяя кислород и накапливая энергию в собственных тканях. Грибы или животные получают свою энергию, поедая эти ткани и усваивая углеводы, а также выделяя углекислый газ, который может повторно использоваться растениями. Однако другие животные (плотоядные) могут питаться животными, которые поедали растения; в конечном счёте более мелкие организмы перерабатывают их тела, возвращая их обратно в почву в качестве питательных веществ для растений. В этом кратком изложении вы видите начало экологии: ни один организм не существует изолированно, но все они взаимодействуют ради поддержания циклов химических реакций, протекающих вновь и вновь; при этом химические вещества многократно используются повторно, а извне поступает лишь энергия.
Ключевым моментом здесь является «энергия», но не «солнечная» энергия. Даже в случае Земли мы больше не можем утверждать, что основу всех энергетических циклов составляет Солнце. Недавние исследования глубоководных зон океана обнаружили целые экосистемы, основанные на химическом синтезе и находящиеся на дне океана, вне досягаемости Солнца. Здесь пищевая цепочка начинается с микроорганизмов, которые напрямую усваивают сероводород и минералы из тёплой воды, просачивающейся через горячие источники из недр Земли. (См. статью Балларда и Грассла в разделе «Источники».)
Химические подробности вы можете найти в стандартных справочниках, но основные факты, о которых вам следует помнить, таковы: в биохимических реакциях участвуют сложные соединения углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы, в основном благодаря уникальной способности углерода образовывать крупные и сложные молекулы (такие, как сахара, нуклеиновые кислоты и белки). В случае земной жизни эти реакции обычно протекают в водном растворе – это жидкая среда, где химические «строительные блоки» могут свободно перемещаться и сталкиваться с другими «блоками», с которыми могут вступать в химическую реакцию.

Важность ДНК
Один из видов молекул обладает уникальной и исключительной важностью благодаря своей роли в размножении: это ДНК. К настоящему времени практически всем, как минимум, знакома «двойная спираль», состоящая из двух очень длинных молекулярных нитей, закрученных друг вокруг друга по спирали (см. рис. 4-1) таким образом, что она удивительно похожа на кадуцей, издавна используемый как символ медицины. Каждая из нитей представляет собой цепочку из строительных блоков под названием нуклеозидфосфаты. Каждый нуклеозидфосфат, в свою очередь, состоит из ещё более мелких составных частей, называемых сахарами, основаниями и фосфатами.

РИСУНОК 4-1 Структура ДНК (сильно упрощённая схема).

Ключевое значение ДНК объединяет три момента. Во-первых, она несёт полный набор инструкций по построению целого организма. Во-вторых, она может создавать точные копии самой себя. В-третьих, если по какой-то причине копия не будет точной (если в процессе репликации ДНК будет допущена «ошибка»), новая ДНК несёт изменённый набор инструкций и на её основе вырастет изменившийся организм. Первые две из этих особенностей являются молекулярной основой воспроизводства. Третья – это основа эволюции.
Я не планирую вдаваться в подробности того, как выполняются инструкции, закодированные в ДНК. Подробности размножения клеток земных организмов сложны и подробно рассматриваются в других источниках. Если они вам нужны для конкретного сюжета, вы можете найти их в разделе «Источники». Но вы должны чётко представлять себе в общих чертах картину того, как ДНК может нести информацию, как она создаёт копии и как копии могут изменяться.
В целом ключом ко всему этому является своеобразный механизм типа «замок-и-ключ». Изображение на рисунке 4-1 может показаться вам похожим на скрученную в спираль лестницу с перекладинами, состоящими из пар оснований, торчащих по одному из нуклеозидфосфата на каждой из двух нитей. Существуют четыре основания, которые могут использоваться для этого: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). Из них могут складываться, образуя ступени лестницы ДНК, лишь строго определённые пары: аденин будет соединяться только с тимином, а цитозин – только с гуанином. Нуклеозидфосфаты, содержащие четыре основания, могут быть расположены вдоль одной нити молекулы ДНК в любом порядке, но как только вы задаёте последовательность оснований вдоль одной из нитей, их последовательность вдоль другой нити определяется автоматически. Например, если одна нить содержит последовательность A T T G C A, соответствующий участок другой нити должен быть T A A C G T. Таким образом, инструкция по выращиванию морского ежа или сенатора написана четырёхбуквенным кодом, который состоит просто из порядка расположения оснований вдоль одной нити ДНК.
Клетки размножаются путем деления, и в ходе этого процесса две нити ДНК разделяются, каждая перекладина разрывается там, где соединяются два её основания, несколько напоминая расстёгивающуюся молнию. У каждой нити есть ряд торчащих оснований, каждому из которых хотелось бы объединиться с другим основанием такого вида, какой ему подходит. Важной функцией упомянутых ранее «поддерживающих реакций» является создание нуклеозидфосфатов из более простого сырья, поступающего в виде пищи, так что каждая отдельная нить ДНК далее окажется в среде, в изобилии снабжённой строительными блоками для замены «недостающей» нити. Когда нуклеозидфосфат, содержащий аденин, натыкается на тимин, торчащий из одиночной нити, он может прицепиться к нему. В итоге к каждому из оснований вдоль каждой из двух нитей исходной двойной спирали будут прикрепляться комплементарные нуклеозидфосфаты. Когда этот процесс завершается, каждая нить превращается в новую двойную спираль – точно такую же, как исходная. Этот процесс является важнейшим событием во всех процессах воспроизводства земного типа.
Если бы этот механизм всегда работал идеально, каждый организм был бы точно таким же, как любой другой организм – а поскольку первые организмы должны были быть чрезвычайно простыми, мы все были бы слишком простыми, чтобы написать или прочитать эту книгу. К счастью для нас как вида, пусть и к сожалению для некоторых индивидуумов, репликация ДНК не всегда работает идеально. Такие факторы, как радиация или химические вещества в окружающей среде, могут вызвать мутацию – изменение последовательности в цепочке ДНК. Основание может исчезнуть, замениться на другое или поменяться с ним местами. Например, если каким-то образом удалить второй тимин в последовательности моего образца A T T G C A, у вас останется A T G C A. Это другое генетическое «слово», и в организме, построенном на основе пересмотренных инструкций, что-то будет отличаться от оригинала – например, глаза могут быть карими вместо голубых. (Понять, что именно будет отличаться, – это куда более сложный вопрос, чем вы могли бы предположить, поскольку каждый сегмент ДНК может влиять больше, чем на один признак, и на один признак может оказывать влияние не один участок ДНК, а больше.)
Таким образом, ДНК при помощи повреждений под воздействием окружающей среды даёт нам не только механизм для создания идентичных копий в типичном случае, но и механизм, позволяющий изредка создавать что-то новое. Это первое, что требуется для эволюции. Как только случилась такая мутация, у нового организма появляется шанс воспроизводиться, потому что мутировавшая ДНК (обычно) будет реплицировать себя точно так же, как любая другая ДНК. Однако влияние иных факторов на уровне организмов может помешать мутировавшему организму в деле создания множества собственных копий.
Мутация – это, по сути, случайный процесс. Иногда возникающие в итоге изменения в организме повышают его шансы выживать достаточно долго, чтобы оставить потомство, но чаще всего эффект будет несущественным или вредным. Это немного напоминает попытку починить часы тонкой работы, сбросив их с высокого здания. Если вы сбрасываете достаточное количество часов с достаточно высоких зданий, в одном случае из множества одни из них могут упасть на землю как раз нужным образом, чтобы неисправность устранилась, – однако подавляющему большинству повезёт куда меньше.
Таким образом, мутация – это всего лишь одна из частей процесса эволюции. Она нужна для получения новых вариантов организмов, но после этого должен начать действовать естественный отбор. Мутации, которые препятствуют способности организма выживать или размножаться, будут показывать тенденцию к исчезновению. Те немногие мутации, которые улучшают эти способности, будут показывать тенденцию к распространению. Таким образом, мутации и то, что их вызывает, не являются ни благословением, ни проклятием в чистом виде. Если бы в прошлом их было слишком мало, нас бы здесь не было; если их будет слишком много в настоящем, то мы страдали бы от врождённых дефектов.

Эволюция и размножение
На эволюцию оказывают влияние многие другие факторы, и в следующей главе я расскажу о них подробнее. На данный момент есть только один из них, заслуживающий особого упоминания: половое размножение. В биологии половое размножение чрезвычайно важно, потому что благодаря ему у организмов появляется дополнительный действенный способ поэкспериментировать с новыми формами, даже при отсутствии мутаций.
Самые примитивные одноклеточные организмы на Земле, которые были единственными организмами на протяжении примерно трёх миллиардов лет, – это прокариоты (или доядерные), к которым относятся сине-зелёные водоросли и бактерии. Прокариотические клетки относительно просты и размножаются бесполым путём. Каждая клетка несёт в себе единственный набор хромосом («сборник генетических инструкций»), полностью состоящий из ДНК, и размножается просто путём создания дополнительной копии этой ДНК и деления.
Эукариоты (или ядерные) обладают гораздо более сложным строением клетки, с внутренними мембранами и органоидами, в том числе с ядром, внутри которого сосредоточен генетический материал. Их хромосомы также представляют собой более сложные структуры (хотя генетическая информация по-прежнему закодирована в ДНК), и объединены в пары. Вот тут-то и возникает половое размножение. Новый организм, вместо того, чтобы развиваться на основе точной копии ДНК одного родителя, получает по одной хромосоме, управляющей определённым набором признаков, от каждого из двух родителей. Фактический облик потомства определяется совместным действием двух хромосом. Подробности этого слишком сложны, чтобы вдаваться в них здесь, но их легко можно найти в книгах и статьях по генетике (таких как Griffiths et al.). Важнейшим фактом здесь является то, что генетическая информация распределена между несколькими парами хромосом (у людей их двадцать три плюс одна «особая» пара*), и вклад каждого из родителей случайно распределяется среди членов каждой из пар. Таким образом, половое размножение позволяет практически каждому новому организму опробовать новую схему через комбинацию старых признаков по-новому.

Зарождение жизни
Как же всё это началось? И вновь мы должны полагаться на обоснованные догадки о том, как это случилось. Было выдвинуто несколько теорий, и не все были приняты единогласно. С точки зрения писателя-фантаста важно помнить о том, что, даже если бы удалось доказать, что одна из этих теорий – именно То, Как Всё Это Случилось, это вовсе не означает, что все остальные следует отправить на свалку. В нашем мире жизнь, вероятно, зародилась лишь единожды и, следовательно, использовала лишь один из предложенных методов, но возможно, что в других местах она зародилась иными путями.
Одна из гипотез, касающихся происхождения жизни на Земле, состоит в том, что она возникла вообще не здесь. Панспермия – это идея о том, что мы эволюционировали из покоящихся спор, которые попали сюда из жизни, эволюционировавшей где-то в другом месте. Некоторые формы жизни образуют споры, которые могут сохранять жизнеспособность во время длительных периодов покоя даже в неблагоприятных условиях, с которыми они могут столкнуться в межпланетном или межзвёздном пространстве. Под влиянием некоторых условий такие споры могут вырваться из атмосферы планеты, оказаться унесёнными за пределы своей планетной системы «солнечным ветром» её солнца, и в итоге быть захваченными гравитацией достаточно удалённой планеты. Даже если в нашем мире этого не произошло, какого-то рода панспермия могла бы иметь место за его пределами. Нити из «Полёта драконов» Энн Маккафри (организмы, споры которых перемещаются внутри системы с одной планеты на другую, когда они находятся близко друг к другу) – это хороший вымышленный пример.
На самом деле панспермия не даёт ответа на вопрос о том, как жизнь возникает из не-жизни как таковая. Даже если жизнь на этой или какой-то другой планете развилась из спор, эволюционировавших в другом месте, у нас по-прежнему остаётся вопрос о том, как она возникла в том месте. Оказывается, представить, каким образом это могло бы случиться, настолько легко, что многие учёные считают ненужным усложнением поиск внеземного начала земной жизни. Любой из нескольких сценариев мог бы сработать здесь и сейчас.
Исходная атмосфера любой планеты, вероятно, приблизительно похожа по составу на атмосферу Юпитера с преобладанием водорода, гелия, метана, аммиака, углекислого газа и водяного пара. Массивная планета, удалённая от своего солнца, сохранит такую атмосферу, потому что молекулы её газов будут двигаться недостаточно быстро, чтобы вырваться из её сильного гравитационного поля. Маленькие и/или расположенные близко к звезде планеты (типа Земли) будут склонны терять большую часть этой атмосферы. В частности, водород и гелий настолько легки, что им нетрудно преодолеть относительно слабую гравитацию, особенно если они получают много тепловой энергии. Однако даже если первоначальная атмосфера будет полностью утрачена, её может заменить новая, состоящая из «дегазационного» материала, то есть, из газов, выделяющихся из недр планеты. Вулканы, например, выделяют значительное количество газов, и многие из них могут быть слишком тяжёлыми, чтобы преодолеть гравитацию планеты.
До недавнего времени обычно предполагалось, что такая вторичная (но по-прежнему ранняя) атмосфера будет во многом похожа на первичную атмосферу, но в ней будет мало чистого водорода и гелия – иными словами, она будет состоять из метана, аммиака, углекислого газа и водяного пара. (Вы заметите, что в списке подозрительно не хватает элементарного кислорода.) И теория, и имитационные эксперименты указывают на то, что при наличии океанов воды под слоем такой атмосферы энергия, поступающая из источников наподобие солнечного ультрафиолетового излучения и электрических бурь вызвала бы химические реакции с образованием сложных органических молекул, которые в геологически приемлемые сроки привели бы к появлению того, что мы называем жизнью.
Ещё одна модель, недавно завоевавшая популярность, изображает раннюю Землю с атмосферой, насыщенной углекислым газом и азотом. Это не так благоприятно для «собственного производства» органических молекул, но в настоящее время дополнительно существуют доказательства того, что они иногда образуются в космосе и могли быть занесены сюда кометами и метеоритами. Другие модели предполагают, что жизнь могла зародиться не в океанах, а в глинах (которые представляют собой почвы, состоящие из очень мелких частиц).
Чтобы определить, какой из этих процессов (или, возможно, какой-то другой, ещё не идентифицированный!) был причиной зарождения жизни на Земле, потребуются дополнительные исследования. И в то же время писатели-фантасты вольны рассматривать любой из них как вероятно происходящий в каком-то месте и, возможно, играющий определённую роль в сюжете.
А теперь, как насчёт этой кислородной атмосферы? На самом деле, конечно, наша атмосфера состоит из кислорода всего на 20 процентов, а большая часть остального приходится на азот. (Атмосферу, содержание кислорода в которой будет значительно больше, мы сочли бы токсичной.) Но кислород – это та её часть, которую мы используем самым непосредственным образом, в самых больших количествах, и без которой попросту не можем обойтись. Вспомните, что он не был важной составной частью ни в одной из ранних атмосфер, которые мы рассматривали. Любой элементарный кислород, который там существовал, проявлял бы тенденцию к связыванию в такие соединения, как вода и углекислый газ. Так как же получилось, что он стал вторым по распространённости компонентом нашей нынешней атмосферы?
Ответ: Это производное жизни, а не предварительное условие для её появления. Самым ранним формам жизни на Земле приходилось обходиться без него, но некоторые из них выделяли его как побочный продукт фотосинтеза. Поскольку кислород обладает высокой реакционной способностью, он склонен окислять, или соединяться со многими другими веществами, что, как правило, препятствует накоплению в атмосфере большого количества кислорода. (Отсюда термин «восстановление» как нечто противоположное окислению, то есть, соединению чего-то с кислородом.) Это было хорошо для ранних форм жизни, поскольку они относились к числу объектов, которые могли подвергнуться окислению. (Мы тоже из их числа; как писал Карл Саган в книге «Разумная жизнь во Вселенной», «Мы, земные организмы, самым натуральным образом живём в ядовитом газе».)
Однако одним из лучших восстановителей является водород, который также является самым лёгким из всех элементов и, следовательно, тем, кто легче всего улетучивается из атмосферы в форме простого вещества. Ультрафиолетовое излучение иногда расщепляло молекулы в ранней атмосфере, и выделяющийся таким образом водород иногда улетучивался. Таким образом, на протяжении длительных периодов времени количество водорода в атмосфере уменьшалось, а количество кислорода в форме простого вещества медленно возрастало. В итоге эволюция дала начало другим организмам, которые могли использовать кислород для извлечения большего количества энергии из пищи. Таким образом, наш мир постепенно приближался к ситуации, которую мы сейчас считаем «нормальной» – с окислительной атмосферой, которая поддерживается за счёт равновесия между дышащими кислородом животными и выделяющими кислород растениями. Для многих самых ранних организмов эта атмосфера была бы очень ядовитой, и переход к ней, пусть даже это был медленный процесс, вполне мог бы рассматриваться (по крайней мере, с их точки зрения) как величайшая экологическая катастрофа в истории нашей планеты.

ИНОПЛАНЕТНЫЕ АЛЬТЕРНАТИВЫ
Какие из свойств жизни, описанные на настоящий момент, являются универсальными особенностями всей жизни, а какие – лишь местными особенностями нашего конкретного вида жизни? Этот вопрос представляет особый интерес для писателей-фантастов, потому что наша работа заключается в том, чтобы исследовать как можно более широкий спектр возможностей.
Несколько лет назад я присутствовал на коллоквиуме под названием «Существует ли в других мирах неводная жизнь?» в известном океанографическом институте. Название было несколько сокращено для благозвучия; реальной темой речи выступающего была жизнь, химия которой не основана на углероде с водой в качестве реакционной среды. Мне и большей части аудитории он показался слишком решительно настроенным поверить в то, что ответ на его вопрос – отрицательный. В какой-то момент для подкрепления этой позиции, он поднял «Справочник по химии и физике».
– Просто не существует другого элемента, – провозгласил он, – который мог бы образовывать такое же огромное разнообразие сложных соединений, как углерод. Только посмотрите, как много страниц этой книги посвящено соединениям углерода и как мало – соединениям всего остального.
– Но разве не может быть так, – спросил один дерзкий слушатель, – что на количество страниц, посвящённых углероду, мог повлиять тот факт, что эта книга была составлена исследователями на углеродно-водной основе?
Этот вопрос показался мне очень хорошим. Естественно, люди, вся жизнь которых основана на реакциях углерода, протекающих в воде, склонны считать их самой интересной областью химии. С другой стороны, справедливости ради стоит отметить, что углерод действительно обладает исключительной, если не совершенно уникальной способностью образовывать сложные молекулы, которые нужны жизни. Действительно ли эта способность уникальна, или существуют иные способы сделать это?
Кремний – это единственный кандидат, который выглядит подающим какие-то надежды. Его химия во многих отношениях аналогична химии углерода, и его преимущество заключается в том, что он встречается в большом количестве, особенно на небольших планетах вроде Земли или Марса. Однако сам по себе он не так хорошо подходит для образования длинных цепочек, как углерод, и при температурах, близких к земным, он образует скорее твёрдые кристаллические структуры. Некоторые организмы используют такие соединения кремния из-за их жёсткости в структурах типа панцирей, но в целом это недостаток – жизни нужна гибкость.
Однако «хребет» «органической» молекулы не обязательно должен состоять из атомов только одного вида. Кремний может образовывать длинноцепочечные молекулы со свойствами, лучше отвечающими потребностям жизни, которые называются силиконами, когда чередуется с кислородом; при этом метильные (СН₃) группы присоединяются к силиконам вдоль цепочки, как показано на рисунке 4-2. Пол Андерсон и другие предположили, что жизнь, основанная на силиконах, может возникнуть в условиях жаркого климата на планете. Айзек Азимов сделал ещё один шаг вперёд в этом предположении: фтор мог бы заменить водород, образуя «фторсиликоны», которые могли бы послужить основой для жизни в ещё более горячих мирах. (Фтор образует исключительно прочные связи, поэтому его соединения могут сохранять стабильность при более высоких температурах, чем аналогичные соединения других элементов.)
Как писателю-фантасту, вам может быть полезным знать, что такие возможности существуют. Однако если вы хотите сделать значительно больше, чем просто упомянуть о них вскользь, вам нужно внимательнее изучить их химический состав. Это большей частью выходит за рамки данной книги, и на самом деле эти конкретные возможности настолько экзотичны, что даже химику, вероятно, пришлось бы провести ряд исследований, прежде чем сказать о них что-то достаточно определённое. Я не собирался писать эти слова для того, чтобы отговаривать вас от использования таких идей; в данный момент условием является ваша готовность выполнить необходимую домашнюю работу. Писателям часто советуют: «Пиши то, о чём знаешь». Реже слышен, но от этого не становится менее важным вердикт иного рода: «Если ты этого не знаешь – выучи!» В ходе написания работы из области научной фантастики вам часто придётся подробно разбираться с чем-то таким, чего вы ещё не знаете. Так что вам следует быть готовыми открывать новые для себя области; при этом способы знакомства будут варьировать от стандартных справочников до интервью со специалистами.

РИСУНОК 4-2 Часть цепочки силикона.

Однако вам придётся решать, какой объём исследований вы хотите провести в каждом конкретном случае. Если вам посчастливилось быть биохимиком, то возможно, что вы захотите заняться чем-нибудь столь же амбициозным, как разработка целой биохимии и экологии мира, в котором они основаны на фторсиликонах, как это сделал Хол Клемент. Если же у вас есть лишь элементарные знания по химии, и вы хотите, чтобы разумный объём художественного произведения был написан за разумное время, то вам, вероятно, лучше держаться на более знакомой территории.
Но даже там всё может значительно отличаться от того, к чему мы привыкли. Я обрисую в общих чертах лишь некоторые возможности; любая из них может оказаться полезной для ваших произведений, но всякий раз следует помнить о той осторожности, на которую я только что указал. Если вы сможете представить себе действительно новую жизнь и сделать её убедительной, это достижение во многом выделит вашу работу из общей массы. Но чем экзотичнее становятся ваши идеи, тем больший объём подготовительной работы вы должны выполнять, и тем легче допустить ошибки. Как и во многих других случаях, потенциальная награда примерно пропорциональна приложенным усилиям и риску!
Так что же это за те некоторые другие возможности для жизни на углеродной основе? Во-первых, вспомните моё упоминание о стереоизомерах, сделанное выше. Эксперименты, призванные смоделировать условия, которые привели к синтезу первых биологических молекул на Земле, дают «левые» и «правые» молекулы того или иного типа в равных количествах, однако земная биология предпочла один вариант другому. Мы не знаем ни одной причины, по которой выбранная сторона должна быть изначально более предпочтительной; видимо, эволюция выбрала один такой набор просто случайно. Если это правда, то другая планета могла бы эволюционировать очень похожим на Землю образом, но выбрать противоположную хиральность для всех органических молекул, которые встречаются в двух стереоизомерах – или, может быть, лишь для некоторых из них. В таком случае возникшая там пища, которая выглядела бы неотличимой от чего-то, выращенного здесь, была бы совершенно неудобоваримой для нас (и наоборот).
Как будет храниться и передаваться генетическая информация в других мирах? Будет ли ДНК единственной доступной средой, или, может быть, есть и другие молекулы, которые могут функционировать аналогичным образом и стали биологическим стандартом в других мирах? Даже если используется ДНК, код может быть основан не на двойной, а на тройной спирали. В некоторых земных клетках происходят такие вещи, и Джоан Слончевски в своём рассказе «Микроб» придумала целую экосистему, основанную на этой особенности.
Могут ли растения на каких-то планетах использовать для фотосинтеза нечто другое, нежели хлорофилл? Возможно, какая-то другая молекула могла бы сыграть подобную роль – и, возможно, даже ещё успешнее – на планете, солнце которой отдает большую часть своей энергии в иной части спектра, чем наше собственое. Если уж на то пошло, мы уже видели в случае с глубоководными горячими источниками, что энергия, затрачиваемая на функционирование экосистемы, может поступать из какого-то совершенно другого источника, а не от солнечного света. Может ли в каких-то мирах биологическая роль геотермальной энергии быть больше, чем в нашем? Артур Кларк описал в своем романе «2010: Одиссея Два» одну из таких систем на Европе – спутнике Юпитера.
А как насчёт растворителя, в котором происходят биологические реакции, и атмосферы, в которую погружена вся экосистема? В нашем случае это соответственно вода и азотно-кислородная смесь с меньшим количеством других газов. (Даже многие чисто водные животные зависят от свободного кислорода, растворённого в воде.) На других типах планет, с иными видами океанов и атмосфер, для выживания и эксплуатации местных условий могут использоваться иные реакции. Несколько таких возможностей описал Пол Андерсон в пятой главе «Жизнь, какой мы её не знаем» своей книги «Есть ли жизнь в других мирах?»
На некоторых планетах из числа мини-юпитеров можно найти высокие температуры (благодаря уже знакомому парниковому эффекту), жидкую воду и достаточные запасы материалов, что в итоге може привести к возникновению жизни. Айзек Азимов предположил, что в таком мире ранние растения могли использовать аналог фотосинтеза (катализируемого чем-то иным, нежели хлорофилл) для расщепления воды на водород и кислород, соединения кислорода с метаном с образованием углеводов и выделением водорода. Водород, в свою очередь, может вступать в реакцию с атмосферным углекислым газом с образованием ещё большего количества метана. Такой процесс мог бы в конце концов привести к появлению атмосферы, состоящей в основном из водорода, аммиака и метана. Равновесие в атмосфере могло бы поддерживаться за счёт животных, дышащих водородом, поедающих растения, расщепляющих их углеводы и выдыхающих метан и водяной пар. (Более подробное изложение можно найти в очерке Азимова «Вокруг планет есть воздух» (“Planets Have an Air About Them”).) С точки зрения роли окисления и восстановления это своего рода «противоположность» тому равновесию, которое наблюдается у нас на Земле; но оно могло бы работать ещё лучше там, где свободный водород доступен в изобилии, а свободный кислород – нет.
Андерсон признает, что по той или иной причине именно такая схема, какую предложил Азимов, может оказаться неработоспособной, но далее указывает, что можно представить множество других схем, и какие-то из них, вероятно, где-нибудь окажутся жизнеспособными. Например, на холодных планетах с водородной атмосферой могут существовать аммиачные океаны и экосистемы, в которых растения вместо углеводов синтезируют непредельные углеводороды, которые дышащие водородом животные поедают, превращают в предельные и расщепляют на более простые соединения, выдыхая метан. Какая-то вариация такой схемы могла бы оказаться рабочей для широкого спектра крупных планет – от суперземель до юпитеров.
Плотная атмосфера означает (опять же, из-за парникового эффекта), что поверхность и глубинные слои таких планет будут теплее, чем можно было бы ожидать, даже в окрестностях слабых солнц или на относительном удалении от более сильных. Однако она также затрудняет проникновение видимого света или ультрафиолетового излучения, необходимого для фотосинтеза или подобных реакций, достаточно глубоко в атмосферу. Это может означать, что такие реакции смогут протекать лишь в верхних слоях таких атмосфер. Да будет так: почти то же самое верно и для океанов Земли, однако в их глубинах существуют богатые экосистемы, подпитываемые материалами, которые погружаются вниз после того, как были фотосинтезированы близ поверхности. Такая аналогия даже лучше, чем вы могли бы подумать, поскольку давление в глубинах атмосферы планеты наподобие Юпитера настолько велико, что условия там во многих отношениях больше похожи на океаны Земли, чем на её атмосферу. Например, крупные животные могли бы «плавать» в ней, как во «Встрече с Медузой» Артура Кларка или в «Симфонии для падающих небес» (“Symphony for Skyfall”) Рика Кука и Питера Л. Мэнли.
Те самые антарктические лишайники и рыбы из горячих источников демонстрируют поразительный диапазон температурных адаптаций прямо здесь, на Земле, но верно ли, что они демонстрируют именно крайности возможного? Вероятно, нет. Например, на чрезвычайно холодной планете с очень высоким атмосферным давлением могут существовать океаны жидкого метана. Они могут растворять липиды – класс соединений, который включает масла и жиры, и могут создавать такие сложные вещества, как белки. На такой системе основана жизнь на Месклине из книги «Экспедиция «Тяготение»» Хола Клемента. Как уже говорилось, на очень жарких планетах основой для жизни могли бы стать силиконы или фторсиликоны. Или, возможно, фторуглероды (аналоги углеводородов, в которых атомы водорода заменены на фтор) с жидкой серой в качестве растворителя.
В ранних научно-фантастических рассказах иногда фигурировали инопланетяне, которые дышали фтором или хлором вместо кислорода. По мере того как астрономы всё больше и больше узнавали о формировании планет и происхождении жизни, это стало казаться маловероятным, поскольку ни один из этих элементов, вероятно, не был важной составляющей примитивной планетарной атмосферы – однако, как указал Хол Клемент, то же самое справедливо и в отношении свободного кислорода. Могут ли существовать такие планеты, на которых жизнь зародилась и в дальнейшем создала атмосферу на основе хлора или фтора – примерно так же, как жизнь на Земле создала атмосферу на основе кислорода? Возможно, при соблюдении определённых довольно запутанных условий. Доктор Стивен Л. Джиллетт в своей статье «Эти дышащие галогенами создания» достаточно подробно рассказал об этих условиях и даже дал несколько подсказок в отношении того, как они могут стать основой для сюжета.
Доктор Джиллетт также коснулся вопроса о том, каким образом сера может играть центральную роль в функционировании жизни, в статье «Огонь, сера – и, возможно, жизнь?» В романе Хола Клемента «Ледяной ад» рассказывается об инопланетянах из чрезвычайно жаркого мира, которые дышат газообразной серой; «ледяная планета», с которой им пришлось столкнуться, – это Земля. В свете более новых сведений Джиллетт скептически относится к тому, как используют серу инопланетяне Клемента (хотя он всё равно восхищается этим сюжетом). Тем не менее, он продолжает рассматривать целый ряд иных возможностей, которые могут сохранять актуальность, даже если разбирать их с современных позиций; среди них микробы на основе серы на Ио, океаны серной кислоты, которые могут существовать за пределами Земли, а также трудности, с которыми могут столкнуться разумные инопланетяне при построении технологической цивилизации в таком месте.
Итак... вот три основных особенности – это, пожалуй, всё, с чем мы можем согласиться применительно к жизни в целом: высокоорганизованные структуры, которые получают энергию из окружающей среды и используют её для поддержания своей структуры и организации, и которые обладают способностью к размножению. За рамками этого перед писателем открывается широкий спектр возможностей для иссследований. Что касается процесса возникновения жизни, то любой из механизмов, или все, что предложены в качестве кандидатов для Земли, где-нибудь могут действовать. Жизнь может зарождаться на одних планетах одним способом, а на других – совершенно иным, или даже несколькими разными способами. Некоторые из этих способов могут коренным образом отличаться от любой из упомянутых мной альтернатив.
В частности, необходимо добавить сюда ещё одну новую категорию – категорию «сотворённой» или «спроектированной» жизни. Люди уже продемонстрировали способность создавать формы жизни, отличные от любых из тех, что можно встретить в природе – вроде мышей, которые вырабатывают человеческие гормоны. Но это только начало, и разумный вид, обладающий большим опытом в этой области, может создать то, что нам следовало бы назвать жизнью, но сильно отличающееся от «природных» форм. В моей небольшой новелле «…И утешение врагу» изображено высокоразвитое технологическое общество, которое мы могли бы даже не признать таковым, пока не стало бы слишком поздно, потому что его технология была полностью биологической, а все его «машины» предсталяли собой специально разработанные растения и животных. В настоящее время я могу легко представить, как наше собственное общество движется по этому пути, но инопланетные общества идут очень далеко впереди нас. Формы жизни, эволюционировавшие естественным путём, ограничены тем, что можно сделать посредством пошаговой модификации материала, который уже создан эволюционным путём. Цивилизация, которая способна создавать жизнь по заказу с нуля, могла бы, например, обладать способностью создания очень сильных или очень умных существ значительно большего или меньшего размера, чем это было бы возможно для биологического материала, возникшего в ходе эволюции на Земле.
Но даже это, разумеется, не исчерпывает всех возможностей. В данной книге я пытаюсь рассказать вам о широком спектре идей, которые были у других писателей-фантастов и учёных, но если вы сумеете выдвинуть совершенно новую собственную идею, это будет ещё лучше.

НАСКОЛЬКО РАСПРОСТРАНЕНА ЖИЗНЬ? ПАРАДОКС ФЕРМИ
Насколько распространена жизнь, а в особенности – те виды жизни, из которых получаются хорошие сюжетные персонажи? Единственный способ получить реальный и однозначный ответ на этот вопрос – внимательно изучить множество звёзд и какие-то планеты, которые у них могут быть. Однако мы можем сделать кое-какие обоснованные предположения, основанные на универсальности физического закона, и эти предположения показывают нам, что жизнь – это довольно распространённое явление.
В одной только нашей галактике насчитывается около ста миллиардов звёзд, и у нас есть достаточно веские основания полагать, что базовый механизм их формирования был одним и тем же. Исходя из теоретических соображений, этот механизм может в значительной доле случаев приводить к образованию планет. Некоторые теоретики даже предположили, что практически у всех звёзд, за возможным исключением кратных звёзд и тех звёзд, что расположены на диаграмме Герцшпрунга-Рассела далеко слева, должны существовать планеты. Недавно эти теории получили серьёзную поддержку в виде наблюдений, когда телескоп «Хаббл» в беспрецедентных подробностях наблюдал туманность, содержащую звёзды в процессе их формирования, и увидел нечто, выглядящее как протопланетные диски, как минимум, вокруг половины из них.
Таким образом, планеты, похоже, встречаются довольно часто. На скольких из этих планет разовьётся жизнь? Если процессы, ведущие к зарождению жизни, являются просто продолжением процессов, которые привели к образованию планеты, то это вполне может происходить везде, где астрономические условия находятся в определённых рамках, отвечающих требованиям жизни. Поскольку жизнь может адаптироваться к довольно широкому спектру условий, это говорит о том, что на значительном проценте этих планет – возможно, как минимум, на одной среди вращающихся вокруг большинства одиночных звёзд – вероятно, существует жизнь того или иного рода. (Хотя это не обязательно будет хорошая «сюжетная» жизнь – помните, что на протяжении большей части истории жизни до сегодняшнего дня на Земле обитали лишь одноклеточные организмы, которые не покидали океанов.)
Стивен Доул в книге «Планеты, пригодные для жизни человека» (“Habitable Planets for Man”) попытался оценить количество планет, на которых люди могли бы жить без систем жизнеобеспечения вроде куполов или скафандров. Это крайне ограниченный набор среди «всех планет с аборигенной жизнью». Доул предполагал, что аборигенная жизнь необходима для создания кислородсодержащей атмосферы, которой могли бы дышать люди, но у людей помимо этого есть много других требований, которые могут не распространяться на всю жизнь. Доул вывел свою оценку, сделав осторожные предположения (его рассуждения изложены в пятой главе его книги) в отношении таких факторов, как доля звёзд, обладающих подходящей массой, вероятность того, что у звезды есть планеты, вероятность того, что как минимум одна планета вращается на подходящем расстоянии и обладает приемлемым наклоном оси, и т.д. Даже при всех этих ограничениях, по его оценкам, в одной только нашей галактике насчитывается около 600 миллионов планет, пригодных для жизни человека. Другие галактики должны показывать сопоставимые цифры. В них во всех могут существовать дополнительные планеты, где мы не смогли бы жить, но кто-то другой – смог бы.
Астрономы Фрэнк Дрейк и Карл Саган сделали другую, но похожую оценку количества технологических цивилизаций, с которыми мы могли бы поддерживать связь – например, по радио. Их оценка тоже включает в себя произведение множителей, в отношении значения каждого из которых приходится лишь строить догадки. Некоторые из них, вроде средней продолжительности существования технологической цивилизации, выходят за рамки этой главы, но позже мы вернёмся к «уравнению Дрейка». А пока лишь небольшое предчувствие: несмотря на возможный широкий разброс предположений, укладывающихся в окончательную оценку, почти все они дают цифру настолько высокую, что к настоящему времени казалось бы неизбежным наше вступление в контакт по крайней мере с одним внеземным видом. Это предсказание, наряду с отсутствием однозначных доказательств того, что нам это удалось, часто называют «парадоксом Ферми» (названным в честь физика Энрико Ферми, который прямо спросил: «И где все?»).
Парадокс Ферми вновь вызвал множество предположений в отношении таких вопросов, как распространённость жизни. Может ли быть так, что мы действительно одни в галактике, если не во всей Вселенной? Если это так, то как нам согласовать данный факт с уже приведёнными доводами в пользу того, что жизнь должна быть обычным явлением? Если нет, то почему не было никакого очевидного контакта?
Попытки представить объяснения для парадокса Ферми – это целое поле для плодотворных размышлений как учёных, так и писателей-фантастов. Дэвид Брин обдумывал этот вопрос с обеих точек зрения (см. его научно-популярные статьи и короткий рассказ «Хрустальные сферы»). Далее в книге мы ещё вернёмся к этой теме, но более подробное обсуждение следует отложить до следующей главы. (Например, одним из множителей в уравнении Дрейка-Сагана является вероятность того, что на обитаемой планете за время существования её солнца разовьётся разумная жизнь с манипулятивными способностями.)
Однако даже начало ответа зависит от предположений о том, какие формы может принимать жизнь, и насколько вероятны процессы, которые ведут к её появлению. Отчасти это зависит от химии, как мы уже обсуждали в этой главе. Но это также зависит от механических факторов и от того, как их формирует среда, в которой протекает эволюция – ведь и тела, и умы должны быть приспособлены к тому, чтобы функционировать в той среде, которую они населяют.

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1
Зачем писать об инопланетянах?
Причины, по которым стоит писать об инопланетянах, и как эта книга поможет вам сделать своё произведение более правдоподобным и запоминающимся.

• Основные вопросы • Потенциальные отправные точки • Цели этой книги

ГЛАВА 2
Что будет правдоподобным?
Важность правдоподобия в научной фантастике и как его достичь в вашем собственном научно-фантастическом творчестве.

• Разница между научной фантастикой и фэнтези • Знай свои науки

ГЛАВА 3
Основы астрономии
Как астрономы собирают и используют данные, как образуются звёзды и планеты, и как использовать эту информацию для построения вашего мира.

• Рабочие инструменты • От Большого Взрыва до галактик • Звёздный зверинец и как он пополнялся • Важнейший побочный продукт: планеты и луны • Вводный курс по созданию миров • Важность вашей звезды • Долгота дня и наклон оси

ГЛАВА 4
Биохимические основы
Универсальные свойства жизни и некоторые инопланетные альтернативы.

• Жизнь на Земле • Инопланетные альтернативы • Насколько распространена жизнь? Парадокс Ферми

ГЛАВА 5
Создавая живые организмы:
Тела и умы инопланетян
Создание инопланетян, которые соответствуют условиям их окружения.

• Конвергентная эволюция • Закон квадрата-куба • Разум и его альтернативы • Проблемы и решения: каталог вариантов • Несколько советов в заключение

ГЛАВА 6
Создание инопланетных обществ
Разработка инопланетных обществ на основе особенностей человеческих обществ (а также обществ насекомых и животных).

• Элементы культуры: наше прошлое и его последствия • В грядущие времена: старше и мудрее? • А если они не такие, как мы?

ГЛАВА 7
Инопланетный язык
Создание среды для обмена информацией для ваших инопланетян.

• Рабочие инструменты: мини-музей лингвистических диковинок • За гранью человеческого • Практические советы

ГЛАВА 8
Взаимодействие с людьми
Динамика взаимодействия между человеком и инопланетянином.

• Установление контакта: физическая проблема • Почему этого не произошло? Пересмотр парадокса Ферми • Виды взаимодействий

ГЛАВА 9
Пишем об инопланетянах:
Показываем нравы и мотивации инопланетян
Ваяем инопланетных действующих лиц и конфликты.

• Люди в забавных костюмах • Каждый инопланетянин – это личность • Об опасности чтения лекций • Точки зрения • Языковые проблемы

ГЛАВА 10
Изучение примеров
Несколько примеров интегрированных комбинаций «инопланетянин/инопланетный мир».

• Немного от меня лично… • …И немного от других авторов • С чего вам стоило бы начать?

ГЛАВА 11
Движемся дальше: жизнь – не такая, какой мы её знаем
Расширяем критерии научной фантастики.

• За рамками планет и химии • За пределами известного науке • Заключение

Книжная полка ксенолога:
Источники, в том числе журналы и программное обеспечение

Глоссарий отдельных терминов