НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И МУТАЦИИ

СТРОЕНИЕ ГЕНОВ

Что такое гены? К какому роду молекул они относятся? Первая попытка ответить на этот вопрос была сделана в 1869 г., когда вряд ли кто-либо (возможно, кроме Менделя) знал о существовании генов. Швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер (1844–1895) обнаружил в клетках некое вещество, содержащее атомы азота и фосфора. Это вещество, позднее названное нуклеиновой кислотой, по-видимому, помещалось в ядре клетки.

В действительности оказалось, что существует две разновидности нуклеиновой кислоты. Одна из них — рибонуклеиновая кислота (РНК), другая — диоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК в основном заключалась в ядрах и фактически присутствовала в хромосомах. РНК обнаруживали обычно в части клетки, находящейся вне ее ядра.

Сначала на нуклеиновую кислоту не обратили серьезного внимания. Считалось, что это — очень простое соединение, настолько простое и незначительное, что может иметь лишь самые примитивные функции. Главенствующими для живых тканей молекулами, по убеждению ученых, были белки, существующие в бесчисленных вариантах, некоторые из них — гигантские молекулы, состоящие из тысяч атомов.

Белки (или протеины) строятся из аминокислот, и существует двадцать разновидностей аминокислот, которые могут сочетаться друг с другом самым прихотливым образом. Представьте себе сотни аминокислот, перемешанных друг с другом, и каждая из них имеет от одной до тридцати разновидностей! Каждый новый порядок, в котором выстроятся аминокислоты, будет отдельной белковой молекулой со своими особыми свойствами. Математическое число различных комбинаций, в которые могут соединяться аминокислоты, столь огромно, что число возможно существующих различных белковых молекул будет больше, чем атомов во Вселенной, даже если всю Вселенную набить ими до отказа. Если жизнь бесконечно изменчива и сложна, то этим мы обязаны, как оказалось, бесконечному разнообразию белковых молекул.

В противоположность белковым — молекула нуклеиновой кислоты строится из элементов, называемых нуклеотидами. В каждой молекуле нуклеиновой кислоты лишь четыре разновидности, и долгое время считали, что молекула нуклеиновой кислоты состоит всего из четырех нуклеотидов, по одному из каждой разновидности.

Вплотную, начиная с 1879 г., нуклеиновыми кислотами начал заниматься немецкий биохимик Альбрехт Коссел (1853–1927). Он сделал много открытий в области химического строения нуклеотидов, в частности обнаружил, что клетки спермы особенно богаты нуклеиновой кислотой (точнее, ДНК, как теперь известно), а присутствующий в них белок значительно проще большинства протеинов.

Поскольку клетки спермы несут в себе все характеристики, наследуемые от отца, т. е. не что иное, как туго стянутые узлы хромосом, их состав должен иметь особое значение. С другой стороны, поскольку они перегружены ДНК и довольно бедны белками, естественно предположить (оглядываясь теперь назад), что именно ДНК, а не протеин играет ключевую роль в наследственности. Однако укоренившаяся вера в значительность белков не позволила Косселу (да и любому ученому того времени) сделать такое заключение.

В 1937 г. английский ботаник Фредерик Боуден (р. 1908) обнаружил, что вирус, этот образчик мельчайшей формы жизни, наряду с белком содержит и нуклеиновую кислоту. Вирусы — это живые организмы, состоящие из единственной молекулы нуклеиновой кислоты, завернутой в белковую оболочку.

Все вирусные молекулы, по-видимому, содержат нуклеиновую кислоту: одни — ДНК, другие — РНК. (Есть еще очень маленькие вирусы, похожие на молекулы, называемые прионами, природа которых еще не известна.)

Молекулы вируса малы и просты (они гораздо меньше, чем клетки, почти как отдельные независимые хромосомы). Попавший внутрь клетки вирус способен размножаться. Присутствие в нем нуклеиновой кислоты должно бы насторожить. Но биологи, уверенные, что главное слово за белками, считали, что именно белковая часть вируса является главным рабочим элементом, а нуклеиновые кислоты несут лишь дополнительную функцию.

Поворотной точкой стал 1944 г. В тот год канадско-американский врач Освальд Эвери (1877–1955) исследовал две разновидности бактерий, вызывавших пневмонию. У одной вокруг клетки был гладкий покров, и она получила поэтому название S (от англ. smooth — гладкий. — Примеч. пер.). Другая, имевшая шершавую поверхность, получила название R (от англ. rough — грубый, шероховатый. — Примеч. пер.).

По-видимому, бактерии R не хватило одного гена, который позволил бы ей облачиться в гладкий покров. Если бактерию S убить и растереть, то из фрагментов мертвой клетки можно получить некий экстракт, который, будучи перенесенным в бактерию R, побудил бы ее клетки к образованию собственной гладкой оболочки. Иначе говоря, экстракт, взятый от бактерии S, должен был восполнить ген, отсутствующий в бактерии R.

Эвери с двумя сотрудниками тщательно произвели очистку экстракта и удалили все лишнее, кроме того, что вызывает у клетки способность образовать новую оболочку. По окончании работы они обнаружили, что экстракт совсем не имел белка, но зато содержал нуклеиновую кислоту. Значит, геном была нуклеиновая кислота, а не белок.

К этому времени уже стало ясно, что нуклеиновые кислоты, как и белки, это гигантские цепные молекулы, построенные из сотен или даже тысяч нуклеотидов, размещенных вдоль цепи самым прихотливым образом. Химики заблуждались относительно простоты этих молекул, поскольку их извлекали из клеток слишком неосторожно и они разрушались. Более осторожная процедура дала нетронутую, сохранную молекулу, и она оказалась гигантской.

После этого ученые наконец-то стали уважительно относиться к нуклеиновым кислотам, и в особенности к молекуле ДНК.

В 1953 г. двое ученых, англичанин Фрэнсис Крик (р. 1916) и американец Джеймс Уотсон (р. 1928), описали структуру ДНК. Они показали, что эти молекулы состоят из двух цепочек нуклеотидов, расположенных в виде двойного винта (т. е. каждая цепочка имеет вид спиральной лестницы; это две уходящие вверх спирали, параллельные друг другу).

Обе эти сплетенные цепочки удерживаются химическими связями между их атомами, и каждая является как бы обратным отражением другой. Там, где одна выступает наружу, другая прогибается вовнутрь, и наоборот, так что они плотно прилажены друг к другу.

В этом заключается ответ на вопрос, как молекула ДНК копирует, повторяет саму себя (репликация), когда хромосомы в процессе деления клетки собираются образовать новую комбинацию. Обе нуклеотидные цепочки расходятся в стороны наподобие открывающейся «молнии», и каждая служит своего рода основой (формой), вокруг которой образуется новая цепочка. Новая цепочка выступает там, где эта основа прогибается вовнутрь, и наоборот. Если обозначить эти цепочки буквами А и В, то А служит в качестве основы, на которой образуется новая В, а В служит основой, на которой разовьется новая А. Новые цепочки образуются по мере того, как раскрывается старая, так что, когда старая цепочка полностью разошлась, в результате являются две новые, и каждая из них так же аккуратно и плотно застегнута на «молнию», как и старая цепочка.

Начиная с 1953 г. ученые стремились понять, как молекула ДНК управляет клеткой. Хотя молекула состоит только из четырех различных нуклеотидов, они не единственные, являющиеся ключом к такому управлению. Молекула ДНК работает посредством последовательных групп из трех нуклеотидов (тринуклеотиды). Каждый тринуклеотид может иметь любую из четырех разновидностей нуклеотидов в первой позиции, любую из них во второй и любую из них в третьей. Таким образом, число различных тринуклеотидов равно 4X4X4, т. е. 64.

Каждый тринуклеотид соответствует отдельной аминокислоте. (Существует больше различных тринуклеотидов, чем аминокислот, поэтому одной и той же аминокислоте могут соответствовать два-три тринуклеотида.) Особый отрезок длинной цепочки ДНК в хромосоме (отрезок, являющийся собственно геном) может регулировать продукцию аминокислотной цепочки, соответствующей цепочке тринуклеотидов, строящей свою собственную структуру.

Белок, образующийся таким путем, — это фермент, обладающий способностью регулировать скорость протекания определенной химической реакции в клетке. Все гены в хромосомах регулируют образование всех ферментов в клетке. Природа ферментов и относительное количество каждого из них помогают клетке выполнять ее характерные функции, и, если все клетки собрать вместе, перед нами — человек (или другое существо, в зависимости от природы генов).

Поскольку гены передаются от родителей потомству, то последнее представляет собой тот же вид и имеет те же физические характеристики, что и родители. Поэтому собаки рождают собак, в том числе и от гончих рождаются гончие, и отдельная пара гончих будет иметь детей с отметинами и другими характерными чертами родителей.

ИЗМЕНЕНИЯ В ГЕНАХ

Теперь возникает один вопрос. Если молекулы ДНК в точности копируют себя и передаются от родителей детям, то почему каждый последующий организм не обязательно имеет тот же набор генов и, следовательно, точно те же физические характеристики?

Почему и как развиваются различные виды? Как получается, что у отдельных видов, скажем у гончих собак, имеются различия между особями и даже в пределах одной особи? Почему вы, например, выглядите не так, как ваш брат или ваша сестра?

Ответ один — репродукция ДНК отнюдь не совершенна. Когда длинная нуклеотидная цепочка воспроизводит себе подобную из отдельных нуклеотидов, растворенных в плазме клетки, время от времени в их комбинации попадает не тот нуклеотид, и пока ошибка сможет быть исправлена, цепочка растет на обе стороны и ошибочный нуклеотид успевает закрепиться. Таким образом, цепь А произвела слегка несоответствующую цепь B* (звездочка указывает на присутствие в цепи неверного нуклеотида), при следующей репликации цепь В * произведет новую, себе подобную цепь, цепь А*, и после этого ошибочная молекула ДНК станет принадлежностью отдельных членов данного вида.

Даже небольшое отклонение в молекуле ДНК может изменить, часто весьма значительно, свойства организма. Поэтому дети не являются копией своих родителей. Иногда потомки приобретают черты, которых даже нет у родителей; эти черты могут быть прослежены только у более отдаленных предков. А порой потомки имеют такие характеристики, что доподлинно известно — никто из предков не имел их.

Фермеры, выращивающие домашний скот, знают, что иногда животные рождаются с совершенно непонятной окраской, или с необычно короткими ногами, или с двумя головами — словом, обнаруживают самые необычные, новые свойства. Такие экземпляры называют шуткой природы, и ученые мало обращали на них внимания.

Но вот в 1886 г. голландский ботаник Уго де Вриес (1848–1935), ставший позднее одним из трех ученых, вновь открывших законы Менделя, заметил пучок цветов одного вида, родившихся из семян одного цветка, которые сильно различались между собой. Он вырастил эти растения и обнаружил, что время от времени отпрыски в отдельных существенных деталях совсем не походили на родителей. Уго назвал эти внезапные изменения мутациями (от лат. mutatio — изменение).

Как только механизм репликации был осознан, сама собой пришла мысль, что мутации — это несовершенства процесса репликации.

Но отчего бы тут возникнуть несовершенствам?

Что ж, ничто не может работать идеально все время. Когда складывается новая нуклеотидная цепочка, всегда может случиться, что в результате хаотических столкновений молекул «не те» нуклеотиды окажутся в нужных местах цепи, служащей основой. «Ошибочные» нуклеотиды отнюдь не всегда прилипают, а потом отскакивают от цепи: время от времени, чисто случайно, «ошибочный» задерживается так долго, что оказывается завязанным в цепочке.

В качестве примера вообразите большую группу людей, собравшихся на встречу, и каждый вешает свое пальто в раздевалке сам, без служителя. По окончании встречи все толпятся в гардеробной, чтобы взять свое пальто. Каждый хочет найти свою одежду и примерно знает, где он ее оставил. Казалось бы, каждый гость должен вынырнуть со своим пальто, однако в итоге кто-то непременно появится с чужим, выхваченным совершенно случайно.

Мутация работает на том же принципе. Хотя мутации очень редки, но на фоне стольких тысяч генов и стольких миллиардов делений клеток происходит столько репликаций, что общее число мутаций весьма велико. Вероятно, каждый организм уже рождается с несколькими мутациями. Они вызывают отклонения в каждом поколении данного вида (впрочем, отклонения вызываются и изменениями в окружающей среде, количеством и качеством пищи в раннем возрасте, наличием или отсутствием болезни или физических повреждений и т. д.), и вот эти-то отклонения и являются тем полем деятельности, тем оперативным простором, где проявляет себя естественный отбор, закрепляя эволюционные изменения.

Большинство отклонений, случающихся, как правило, бессистемно, наугад, не идут на пользу организму. Так, если вы взяли в гардеробной не свое пальто, а чужое, вы очень быстро почувствуете, что оно вам не впору или вам не нравится его покрой. Такая «мутация» явно не в пользу, и вы сделаете все возможное, чтобы заполучить свое пальто.

Однако вполне возможно, что чужое пальто вам понравится больше. И хотя вы отдадите его законному владельцу, про себя вы решите сделать себе точно такое же. С этой минуты вы усвоили «мутацию», и она становится вашей органической частью.

Точно так же мутация, случающаяся при несовершенном репродуцировании молекулы ДНК, может стать в каком-то отношении благоприятной. Например, поможет организму лучше приспособиться к жизни и произвести больше потомков; почти все они могут унаследовать это родительское изменение.

Хотя на одно хорошее изменение приходится 10 000 плохих, все-таки выживает у большинства видов именно хорошее, а плохие изменения с течением времени отмирают. В результате эволюционные изменения всегда работают так, чтобы сделать виды более совершенными и приспособленными к жизни.

Мы не обращаем внимания на те изменения, которые не работают или от которых надо отделаться. Мы замечаем только очень немногие полезные изменения. Вот почему так трудно поверить, что эволюционные изменения происходят исключительно вслепую. Если бы мы могли видеть все изменения — и хорошие, и плохие, то стало бы совершенно очевидно, что все работает на произвольной, случайной, непредсказуемой основе и только сила естественного отбора, выбирающего одно изменение из многих и отбрасывающего остальные, создает иллюзию цели и направления.

Словом, именно процесс мутации — несовершенство воспроизводства ДНК — вел эволюцию вперед и сделал возможным появление человека. Если бы не мутация, если бы воспроизводство ДНК было абсолютно безупречным, то, однажды зародившись, первая простейшая частица жизни воспроизвела бы другую, точную свою копию, на этом бы все и кончилось. Все организмы, которые существуют сегодня, были бы повторением (копией) той самой первой простейшей формы.

Однако, по счастливой случайности, мутация происходит недостаточно часто, чтобы ею можно было объяснить скорость, с которой протекала эволюция. Наивно полагать, что эволюция — слишком быстрый процесс, нужен миллион лет и больше, чтобы из одного вида развился другой. Но все-таки эволюция идет быстрее, так как зависит не только от случайных мутаций.

Поскольку мутации происходят чаще, чем могла бы позволить простая случайность, на Земле должны иметь место какие-то факторы, которые способствуют повышению их частоты.

Это можно понять из нашей аналогии с пальто в гардеробной. Допустим, оттуда выходит слишком большое число людей с ошибочно взятыми пальто. Конечно, тут должны действовать какие-то факторы, повышающие число ошибок. Во-первых, в гардеробной могла погаснуть одна из ламп: в полутьме не так просто найти свою вещь среди множества подобных, поэтому ошибки будут чаще. Или, например, люди слишком часто прикладывались к рюмке: затуманенный взор, нетвердое суждение — число ошибок, понятно, возрастает. Третья возможность может быть в стрессовой ситуации. Люди столпились в раздевалке, но тут раздается крик: «Автобус уходит!» Каждый в спешке хватает что придется, и число ошибок опять-таки подскочит.

МУТАГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Обстоятельство, которое могло бы повысить частоту мутаций, можно назвать «мутагенным фактором» или, более коротко, мутагеном. Каковы же эти мутагенные факторы, способные увеличить число мутаций и тем самым произвести изменение с поддающейся наблюдению скоростью?

Один из таких факторов — это повышение температуры. Чем выше температура, тем быстрее снуют атомы и молекулы и тем меньше шансов, что из роя мечущихся частиц к нуклеотидной цепочке прибьется одна, единственно нужная. Количество мутаций, следовательно, возрастет с повышением температуры.

Но жизнь развилась в океане и оставалась в океане до момента, отделенного от нас четырьмя миллиардами лет. Другими словами, девять десятых своего существования на Земле жизнь находилась только в океане. Океаническая среда гораздо более стабильна, чем суша. Температура океана не испытывает больших сезонных колебаний или колебаний от года к году, которые бывают на суше. Поэтому на протяжении почти всей истории жизни влияние температуры на мутации было невелико и не может рассматриваться как что-то, обеспечившее возможность эволюции с наблюдаемой скоростью.

В роли мутагенов могут выступать и химические вещества. Они стремятся соединиться с ДНК и своим присутствием в момент репликации вызывают аномалии. Бывает, что они реагируют с ДНК так, что хотя и не соединяются с ней, но изменяют порядок атомов, составляющих эту молекулу. Молекула ДНК с неправильным расположением атомов явится неправильной основой при репликации, и в результате возникнет мутация.

Однако организмы, легко поддающиеся воздействию таких химических веществ, настолько бывают подавлены мутациями (в большинстве своем работающими в худшую сторону), что быстро вымирают. Силой естественного отбора остаются те из них, которые способны противостоять химическим мутагенам, поэтому роль последних как ускорителей эволюции нам не следует слишком преувеличивать.

В настоящее время мутагены стали, конечно, серьезной проблемой. Химики произвели на свет тысячи новых соединений, которых нет в природе и которые в больших дозах попали теперь в среду обитания. Некоторые из них — мутагены, но организмы не имели случая сталкиваться с ними прежде, поэтому они не развили в себе с помощью естественного отбора должной сопротивляемости. В результате многие организмы (в том числе человек) испытывают на себе их пагубное влияние.

При некоторых мутациях, например, нормальные клетки организма превращаются в клетки рака благодаря продуцированию так называемого онкогена (от греч. onkos — рост, именно рост, вызываемый раком). Мутагены, провоцирующие такое изменение, называются канцерогенами (от греческого слова «краб»), ввиду того что рак часто распространяется во все стороны, как клешни краба.

И все же на протяжении миллиардов лет жизни, протекших до нашего столетия — столетия химической революции, мутагены не представляли собой большой проблемы, и им нельзя было приписать ускорение эволюционных изменений.

Мутагенный фактор, гораздо более сильный, чем тепло и химические вещества, впервые был открыт американским биологом Германом Меллером (1890–1967). Он работал с дрозофилами (плодовыми мушками) для изучения наследования случайных мутаций. Ожидание случайных мутаций было слишком утомительно и, конечно же, требовало массы времени, поэтому Меллер искал способы, ускоряющие их.

Он повысил температуру, при которой обитали колонии его дрозофил, и скорость мутаций повысилась, но не так сильно, как ему хотелось бы.

Тогда он решил попытать счастья с рентгеновскими лучами. Они обладают более высокой энергией, чем простое тепло, к тому же пройдут муху насквозь. Если, проходя через тело дрозофилы, рассуждал Меллер, этот луч столкнется с хромосомой, в нем будет достаточно энергии, чтобы здесь и там выбить у нее отдельные атомы. Это неминуемо вызовет химическое изменение, другими словами — мутацию. Меллер не знал, какова химическая природа генов (об этом узнали 30 лет спустя), но, какой бы ни была эта природа, он был уверен, что рентген вызовет изменения.

Он оказался прав. Уже к 1926 г. он мог недвусмысленно доказать, что воздействие рентгеновских лучей повышает темп мутаций. Другие начали исследовать этот новый эффект, и обнаружилось, что темп мутаций повышается при любом излучении высокой энергии. Его повышают ультрафиолетовые лучи, излучение радиоактивных веществ.

И все же как высокоэнергетическая радиация может сказаться на темпе мутаций, заставляющем эволюцию двигаться с той скоростью, с которой она двигается?

Рентгеновские лучи явились продуктом человеческой технологии последнего столетия, до этого об их существовании почти не знали ничего. Правда, солнечная корона излучает рентгеновские лучи, как излучают их другие небесные объекты, но они поглощаются нашей атмосферой и до поверхности Земли почти не доходят.

Разумеется, на Земле имеются радиоактивные вещества, и в эпоху детства земной жизни их было, очевидно, в два раза больше, но они существовали главным образом на суше, а на жизнь в море почти не влияли. Но даже на суше они распределены неодинаково, и на Земле совсем немного таких мест, где естественные источники радиоактивности могли бы служить серьезной причиной мутаций.

Ультрафиолетовый свет Солнца менее опасен, чем рентгеновский луч или радиоактивное излучение, так как он менее интенсивен. С другой стороны, ультрафиолетовый свет всегда присутствовал в солнечном излучении, особенно в те ранние времена, когда озоновый слой в верхней атмосфере еще не сложился.

В те далекие времена солнечный свет с его ультрафиолетовой составляющей был неизбежен. Ультрафиолетовые лучи при тех количествах и длинах волн, которые существовали до образования озонового слоя, обладали такой энергией, что могли не только вызвать мутации, но и произвести химические изменения, способные мгновенно убить живой организм. Может быть, именно по этой причине потребовалось столько времени, чтобы жизнь из океана смогла перебраться на сушу. До тех пор пока не образовалось достаточно прочного озонового слоя, способного задержать наиболее энергонесущие части солнечной радиации, выход на берег при блещущем в полную силу Солнце мог оказаться фатальным.

Однако ультрафиолетовое излучение сильнее поглощается водой, нежели воздухом, и жизнь в океане развила в себе характер поведения, позволявший погружаться на несколько футов в воду, когда свет Солнца падал отвесно на ее поверхность. Океаническая жизнь могла подниматься к поверхности, когда Солнце висело у горизонта (или скрывалось за ним) или когда день был пасмурный. Когда живые клетки эволюционировали и солнечный свет стал уже необходим для их жизнедеятельности, эти клетки по-прежнему могли держаться на глубине, позволявшей им получать радиацию, достаточную для фотосинтеза, чтобы продолжать существование, но не настолько сильную, чтобы быть смертельно опасной. Когда эти растительные клетки развились и достаточно распространились, через некоторое время появилась и кислородная атмосфера, а высоко вверху — озоновый слой. Опасность ультрафиолетового излучения исчезла.

Поскольку все мутагенные факторы, перечисленные в этой главе, оказываются каждый по-своему недейственными, чем же тогда объяснить поступательное движение эволюции? Чтобы найти ответ, давайте взглянем по-иному.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

После того как в последнем десятилетии XIX в. было открыто радиоактивное излучение, ученые научились делать приборы для его обнаружения. К немалому удивлению они заметили, что, когда вокруг не было, казалось, никаких радиоактивных веществ, какая-то радиация все-таки отмечалась. Мало того, даже когда приборы были укрыты свинцовыми щитами, непрозрачными для радиоактивного излучения (и других известных тогда видов излучений), устройства, несмотря ни на что, отмечали радиацию.

По-видимому, существовал какой-то вид радиации не только неизвестного. доселе происхождения, но вдобавок еще и самый проникающий и отсюда имеющий самую высокую энергию, чем все известные ее виды. Эта радиация обладала даже более высокой энергией, чем гамма-лучи, излучаемые отдельными радиоактивными веществами, а ведь гамма-лучи куда сильнее рентгеновских!

Наверное, источником нового вида радиации были какие-то сверхрадиоактивные вещества, находящиеся в земле. Но это было только предположение. Австрийскому физику Виктору Гессу (1883–1964) пришла однажды идея, что все это легко проверить, достаточно поднять высоко в небо, допустим на воздушном шаре, приборы — регистраторы радиации. Чем выше над Землей они будут подниматься, тем слабее должна быть радиация, если, конечно, ее источник действительно находится в земле.

Начиная с 1911 г. Гесс со своими приборами сделал десять подъемов на воздушном шаре: пять в дневное время и пять ночью. (Один из подъемов пришелся даже на полное солнечное затмение.) И что ж? К удивлению физика, чем выше он поднимался, тем сильнее становилась проникающая радиация. Источник, судя по всему, был в небе, а не в земле. Больше того, Солнце к этому никакого отношения не имело, ибо интенсивность излучения и днем и ночью оставалась на одном уровне.

Насколько могли заметить Гесс и другие, излучение одинаково приходило со всех сторон неба. Американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953) назвал это излучение «космическими лучами» (так как оно шло из космоса), и название это прижилось. Милликен считал, что космические лучи наряду с обычным светом были еще одним видом электромагнитного излучения.

Электромагнитное излучение имеет волновую природу. Чем меньше волна (т. е. чем короче длина волны), тем выше энергия излучения. Видимый свет имеет очень короткие волны, а из всех оттенков света самые длинные волны имеет красный цвет. Длина волны укорачивается, а энергия в ней становится все выше (если по спектру идти от красного к оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему и, наконец, фиолетовому цвету).

Волны ультрафиолетовой части спектра короче фиолетовых волн, поэтому из всех видимых форм света они обладают наиболее высокой энергией. Рентгеновские лучи имеют еще более короткую длину волны, а гамма-лучи — и совсем короткие. По мнению Милликена, космические лучи — это ультракороткие гамма-лучи, имеющие более высокую энергию, чем даже радиоактивные гамма-лучи.

Это мнение было оспорено соотечественником Милликена физиком Артуром Комптоном (1892–1962), который считал, что космические лучи — это очень быстрые электрически заряженные субатомные частицы. Их энергия определяется массой и скоростью.

К счастью, нашелся способ для разрешения этого спора.

Если бы космические лучи в самом деле являлись электромагнитным излучением, они бы не имели электрического заряда и не испытывали никакого влияния со стороны земного магнитного поля. Разные полюса планеты они атаковали бы одинаково интенсивно, поскольку они равномерно поступают из всех частей неба.

Напротив, если бы космические лучи были электрически заряженными частицами, они бы испытывали воздействие магнитного поля Земли и отклонялись к ее магнитным полюсам. Конечно, частицы космических лучей (если они таковыми являлись) должны обладать очень высокой энергией, и поэтому действие магнитного поля Земли приведет к очень незначительным отклонениям. Однако Комптон высчитал, что это отклонение должно быть измеримой величиной и, чем дальше частица движется от экватора, все равно к северу или к югу, тем интенсивнее поток космических лучей.

Начиная с 1930 г. Комптон много путешествует по миру. Появляется возможность проверить свое предположение. И Комптон оказался прав: «широтный» эффект действительно существует, интенсивность космических лучей тем больше, чем выше широта! Милликен упорно стоял на своем, однако постепенно физики планеты перешли на сторону Комптона. Сегодня природа космических лучей общепризнана.

Космические лучи, как теперь известно, — это положительно заряженные субатомные частицы водорода и гелия, находящиеся в пропорции 10: 1. Имеются вкрапления более тяжелых ядер (вплоть до ядер железа). Распределение ядер в космических лучах аналогично распределению элементов во Вселенной.

Нет ничего удивительного в том, что космическим лучам присуща такая высокая энергия и проникающая способность, ведь эти частицы движутся со скоростями куда более высокими, чем аналогичные частицы, возникающие на Земле или около нее, включая и радиоактивные. Частицы космических лучей наивысших энергий летят со скоростью, близкой к скорости света, абсолютному пределу для любого тела, обладающего массой.

Частицы космических лучей имеют прямое и очень важное отношение к биологической эволюции. Эти высокоэнергетические частицы могут вызывать и действительно вызывают мутации.

Космические частицы достигают Земли в количествах, несравнимых с количеством ультрафиолетовых лучей Солнца. Можно, конечно, избежать воздействия излучений, находясь подальше от источников, и даже можно избежать ультрафиолетовых лучей, укрывшись просто в тени, но укрыться от космических лучей практически невозможно.

Можно спуститься в шахту глубоко под землю или, скажем, жить в воздушном пузыре на дне глубокого озера, можно, наконец, одеть себя толстым, в несколько футов, слоем свинца, но ведь подавляющее большинство живых существ не делает и никогда не делало ничего подобного.

В течение миллиардов лет живые организмы не соприкасались с электромагнитной радиацией, радиоактивным излучением или мутагенными химическими веществами, но зато день и ночь, где бы они ни находились, беспрерывно облучались космическими лучами. (Атмосфера и вода, которые задерживают большую часть обычного излучения Солнца и неба, не могут остановить космические частицы.)

Космические частицы не остаются такими, какими они были в космосе (первичное излучение). Они сталкивались с атомами и молекулами земной атмосферы, замедляли движение, и небольшая их доля поглощалась. При этом они успевали выбить частицы высокой энергии из атомов и молекул (вторичное излучение), и эти последние, в той или иной форме сохраняя все свои мутагенные способности, достигают земной поверхности и глубоко проникают в землю и воду.

Таким образом, непрерывное облучение живой материи космическими частицами в течение всей истории живого на Земле было, по-видимому, достаточно мягким, что позволяло живым организмам не испытывать никаких неудобств. Но оно было достаточно эффективным, чтобы существенно повысить уровень мутаций в сравнении с тем, каким мог быть этот уровень, если бы зависел только от несовершенства репликации, или это облучение являлось бы лишь добавочным толчком мутагенных факторов, более редких и легко избегаемых.

Итак, скорее всего, именно частицы космических лучей придали силу мутациям, которые, в свою очередь, послужили поводом для естественного отбора и заставили эволюцию продвигаться с той скоростью, с какой она и продвигалась. Космическим лучам мы обязаны самим своим существованием, и, если бы космические лучи отсутствовали, эволюция на Земле все еще была бы на уровне червеобразных существ, прозябающих в морских глубинах.

Откуда же приходят к нам эти космические лучи?

Они приходят отовсюду, со всех сторон неба, их нельзя привязать к какому-то одному объекту или к нескольким отдельным объектам, расположенным в разных местах. Нельзя также полагать, что отдельные потоки космических лучей вышли с какого-то объекта в небе, который лежит близ точки, из которой они, по-видимому, исходили. Электромагнитное излучение распространяется прямолинейно, если оно не проходит вблизи какого-то массивного объекта. И если вы видите луч света, то его источник находится именно там, куда вы смотрите. Если вы видите звезду, глядя на ее свет, вы смотрите на саму звезду. Люди так привыкли к прямолинейному распространению света, что, когда вы говорите: «Звезда находится там, где вы ее видите», это звучит как совершенно излишнее утверждение: где же ей еще быть?

Так и любое электромагнитное излучение: оно исходит из той точки неба, откуда зрительно оно приходит. Мы принимаем это как само собой разумеющееся.

Однако электрически заряженные частицы по прямой линии никогда не перемещаются. На них воздействуют магнитные поля, а они в Галактике — сплошь и рядом: каждая звезда, планета и даже целая Галактика имеют свое магнитное поле. Поэтому космическая частица проносится в глубинах Вселенной по очень сложной траектории, реагируя на все магнитные поля, сквозь которые она проходит.

Когда космическая частица устремляется к поверхности Земли, направление частицы на финальном отрезке не является истинным ее направлением, которого она держалась на расстоянии дюжины световых лет. Аналогично птица или летучая мышь летит к вам по линии, которая, если проследить, не укажет на отдаленное дерево. Ничто не говорит о том, с какого именно дерева летит птица или летучая мышь, в непредсказуемом полете она могла десятки раз изменить свой курс.

Каждая космическая частица следует собственным сложным путем, и неудивительно, что лучи кажутся нам приходящими отовсюду, как неудивительно и то, что невозможно отследить их обратный путь к источнику.

Доподлинно известно, что частицы космических лучей в огромной степени заряжены энергией, и, откуда бы они ни явились, источник их должен быть грандиозным. Частицы такой высокой энергии не возникнут в результате какого-нибудь скромного процесса.

Самый активный объект Солнечной системы — это, конечно, само Солнце, а самое бурное явление на его поверхности — это солнечная вспышка. Достаточно ли мощна солнечная вспышка, чтобы произвести частицы космических лучей?

Вопрос этот не ставился, но факт имел место, и ученые вынуждены были его объяснить.

К концу февраля 1942 г. появилась большая вспышка в самом центре солнечного диска; а это значит, непосредственно в сторону Земли начался выброс солнечной материи. Очень скоро была зарегистрирована относительно слабая вспышка космических лучей. Они шли со стороны Солнца, и только оно могло быть их источником, потому что расстояние от Солнца до Земли для таких стремительных частиц не очень велико и существенно изменить направление движения частицы не могли.

Теперь известно, что солнечный ветер — это поток постоянно выбрасываемых наружу ядер, главным образом водорода и гелия. Они обладают невысокой энергией и летят со скоростью сотен километров в секунду. Кроме того, мы знаем, что после вспышек на солнечном диске неотвратимо последуют шквалы «мягких» космических частиц. Но во время ярких солнечных вспышек возникают и чрезвычайно высокоэнергетические частицы; в таком потоке солнечного ветра частицы мчатся с более высокими и даже громадными скоростями. И когда вспышки в энергетическом отношении достаточно мощны, а солнечный ветер оказывается достаточно стремительным — перед нами частицы космических лучей.

Частицы космических лучей — объекты того же порядка, что и частицы солнечного ветра, но у первых большая скорость и большая энергия. Такая же разница между рентгеновскими лучами и светом — у первых более короткие волны и более высокая энергия.

Впрочем, Солнце (благодаря спокойному характеру и возрасту звезды средних лет) в лучшем случае способно испускать космические лучи относительно низкого диапазона энергий. Космические лучи более высоких энергий в количествах достаточно внушительных, чтобы заполнить ими Галактику, возникают в результате более грандиозных процессов.

Теперь уже ясно, что самые грандиозные события, происходящие в мире звезд, — это взрывы сверхновых, и, надо полагать, каждый такой взрыв посылает во все стороны колоссальные волны звездного ветра невероятно высокой энергии. Это частицы космических лучей.

Частицы несутся в почти вакуумной межзвездной среде, не снижая скорости. Проходя сквозь магнитные поля или огибая их, они даже ускоряют движение, приближая его к скорости света. Получив дополнительную энергию, они уже не отклоняются от прямого пути, несмотря на влияние магнитных полей, и в конце концов ничто не мешает им совсем вырваться из Галактики и устремиться в другие, межгалактические дали.

Однако не всем космическим частицам уготована такая судьба. Некоторые из них на своем долгом пути сталкиваются с другими частицами вещества, скажем, с каким-то заблудшим атомом, или с космической пылинкой, или со звездой, или с чем-то вроде нашей Земли.

В космосе существует множество космических частиц, выброшенных всеми сверхновыми, когда-либо взрывавшимися в Галактике. Внушительное их количество ежесекундно ударяется, о Землю, приближаясь со всех сторон. Конечно, какой-то процент космических частиц, производимых сверхновыми нашей Галактики, навсегда уходит за ее пределы, но эти потери восполняются другими частицами из других галактик.

Итак, сверхновые не только дали тепло, удержавшее облако, из которого образовалась наша Солнечная система, предотвратили от преждевременного сгущения, сообщили этому облаку толчок давления, приведший к началу его сгущения, но и снабдили сырьем, из которого образовалась Земля и живая материя, обеспечили движущей силой те самые эволюционные изменения, которые превращали жизнь на Земле во все более и более сложные формы, вплоть до появления человека.

Сверхновые — это титанические тигли космоса, громадные наковальни, на которых выковывается вещество, создающее среду, позволившую, по крайней мере однажды, образоваться и развиться жизни.

ГЛАВА 11

БУДУЩЕЕ

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: