Главная » Статьи » Наука » История

Сказка о Златовласке и трех планетах



Зона обитаемости (зона Златовласки)

Жила-была солнечная система, и вот однажды – давным-давно, около четырех миллиардов лет назад, – она поняла, что уже почти сформировалась. У самого-самого Солнца появилась Венера – и так близко была она к Солнцу, что энергия солнечных лучей испарила весь ее запас воды. А Марс был от Солнца далеко – и вся его вода замерзла. И только одна планета – Земля – оказалась от Солнца как раз на таком расстоянии – «в самый раз», – что вода на ней осталась жидкой, и поэтому на поверхности Земли смогла зародиться жизнь. Этот пояс вокруг Солнца стали называть обитаемой зоной. Сказку про трех медведей рассказывают детям во многих странах, а в Англии ее героиню зовут Златовлаской. Она тоже любила, чтобы все было «в самый раз». В домике трех медведей одна миска с кашей была слишком горячая. Другая – слишком холодная. И только третья пришлась Златовласке «в самый раз». А еще в домике трех медведей было три кроватки, и одна была слишком жесткая, другая – слишком мягкая, а третья – «в самый раз», в ней Златовласка и уснула. Когда три медведя вернулись домой, то обнаружили не только пропажу каши из третьей миски, но и Златовласку, которая сладко спала в постели маленького медвежонка. Не помню, чем там все кончилось, но на месте трех медведей – всеядных хищников, находящихся на самом верху пищевой цепочки, – я бы Златовласку съел.

Златовласку, наверное, заинтересовала бы относительная пригодность Венеры, Земли и Марса для обитания, но на самом деле сюжет об этих планетах гораздо сложнее трех мисок с кашей. Четыре миллиарда лет назад поверхности планет еще вовсю бомбардировали богатые водой кометы и богатые минералами астероиды, пусть и гораздо реже, чем раньше. Во время этой партии в космический бильярд некоторые планеты мигрировали из родных мест поближе к Солнцу, а некоторых выбило на орбиты большего диаметра. А многие из десятков сформировавшихся планет оказались на нестабильных орбитах и упали на Солнце или на Юпитер. Еще несколько планет просто вышвырнуло из Солнечной системы. Оставшиеся в итоге единицы вращались именно на тех орбитах, которые оказались «в самый раз», чтобы пережить на них миллиарды лет. Земля осела на орбите со средним расстоянием до Солнца примерно 150 миллионов километров. На этом расстоянии Земля перехватывает весьма скромную долю общей энергии, испускаемой Солнцем, – всего-то две миллиардные. Если предположить, что Земля впитывает всю эту энергию, то средняя температура нашей планеты составляет около 280 К, то есть 7 °C, – посередине между зимней и летней температурами.

При нормальном атмосферном давлении вода замерзает при 273 К, а кипит при 373 К, так что, к вящей нашей радости, почти вся вода на Земле пребывает в жидком состоянии. Однако не надо спешить. Иногда в науке получаешь верные ответы, исходя из неверных предпосылок. На самом деле Земля поглощает лишь две трети доходящей до нее солнечной энергии. Остальное земная поверхность (особенно океаны) и облачный покров отражают обратно в космос. Если добавить в формулу коэффициент отражения, то средняя температура Земли падает уже до 255 К, что куда как ниже точки замерзания воды. В наши дни должен действовать еще какой-то механизм, который удерживает среднюю температуру на более удобной отметке. И снова не торопитесь. Все теории эволюции звезд говорят нам, что четыре миллиарда лет назад, когда из пресловутого первобытного бульона на Земле формировалась жизнь, Солнце было на треть тусклее, чем сегодня, значит, средняя температура Земли была ниже точки замерзания. Может быть, Земля в далеком прошлом была просто ближе к Солнцу? Однако после периода усиленных бомбардировок, который давно закончился, мы не знаем никаких механизмов, которые сдвигали бы стабильные орбиты в пределах Солнечной системы. Может быть, в прошлом парниковый эффект был сильнее? Наверняка мы не знаем. Зато знаем, что обитаемые зоны в первоначальном смысле этих слов имеют лишь отдаленное отношение к тому, может ли существовать жизнь на планетах, расположенных в границах этих зон.

Знаменитое уравнение Дрейка, на которое всегда ссылаются при поисках внеземного разума, позволяет дать приблизительную оценку того, сколько цивилизаций в принципе можно обнаружить в галактике Млечный Путь. Уравнение вывел в 60-е годы XX века американский астроном Фрэнк Дрейк, и в то время понятие обитаемой зоны было ограничено представлением о том, что планеты должны находиться от своей звезды на расстоянии, которое «в самый раз» подходит для существования жизни. Смысл одного из вариантов уравнения Дрейка примерно таков: начнем с числа звезд в галактике (сотни миллиардов). Умножим это огромное число на долю звезд, у которых есть планеты.Получившееся число умножим на долю планет, находящихся в обитаемой зоне. Теперь умножим результат на долю планет, на которых развилась жизнь. Результат умножим на долю планет, на которых развилась разумная жизнь. Результат умножим на долю планет, где технический прогресс дошел до такого этапа, что можно наладить межзвездную коммуникацию.

Если теперь учесть темп формирования звезд и ожидаемую продолжительность жизни технологически развитой цивилизации, получится количество развитых цивилизаций, которые в эту самую минуту, вероятно, дожидаются нашего телефонного звонка. Маленькие холодные звезды с низкой светимостью живут сотни миллиардов, а может быть, и триллионы лет, а значит, у их планет достаточно времени, чтобы вырастить на себе два-три вида живых организмов, однако их обитаемые зоны находятся от звезды слишком близко. Планета, которая сформировалась в этой зоне, быстро попадает в так называемый приливный захват звезды и вращается всегда одной стороной к ней, отчего в обогреве планеты возникает сильнейший перекос – вся вода на «лицевой» стороне планеты испарится, а вся вода на «обратной» замерзнет. Если бы Златовласка жила на такой планете, мы бы обнаружили, что кашу свою она ест, вертясь вокруг своей оси, словно цыпленок на гриле, – на самой границе между вечным солнцепеком и вечной тьмой. У обитаемых зон вокруг звезд-долгожителей есть и другой недостаток – они очень узкие, так что у планеты очень мало шансов случайно оказаться на орбите с радиусом, который «в самый раз».

Зато вокруг горячих, больших, ярких звезд раскинулись огромные обитаемые зоны. Однако эти звезды, к сожалению, встречаются редко и живут всего несколько миллионов лет, а потом взрываются, так что их планеты едва ли можно рассматривать как кандидаты при поисках жизни в привычном нам виде, – разве что там происходит какая-то очень быстрая эволюция. И едва ли первыми из первобытной слизи выберутся животные, способные придумать дифференциальное исчисление. Уравнение Дрейка можно считать математикой Златовласки, методом, которым можно оценить, каковы шансы, что где-то в галактике все сложилось «в самый раз», как надо. Однако в уравнение Дрейка в его первоначальном виде не входит, например, Марс, который расположен далеко за пределами обитаемой зоны Солнца. А между тем на Марсе полным-полно извилистых пересохших рек с дельтами и поймами, а это неопровержимо доказывает, что когда-то в прошлом на Марсе было вдоволь жидкой воды.

А как же Венера, «сестра» Земли? Она попадает точнехонько в обитаемую зону Солнца. Эта планета, полностью покрытая толстым слоем облаков, обладает самой высоким коэффициентом отражения во всей Солнечной системе. Нет никаких очевидных причин, почему на Венере может быть плохо и неуютно. Однако на ней наблюдается чудовищный парниковый эффект. Толстая венерианская атмосфера в основном состоит из углекислого газа и поглощает почти 100% того небольшого количества излучения, которое достигает ее поверхности. Температура на Венере составляет 750 К, и это рекорд во всей Солнечной системе, хотя расстояние от Солнца до Венеры почти вдвое больше, чем до Меркурия.

Поскольку Земля поддерживала на себе жизнь на протяжении всей ее эволюции – миллиарды лет бурных перипетий – значит, сама жизнь, наверное, обеспечивает какой-то механизм обратной связи, который сохраняет на планете жидкую воду. Эту идею развили биологи Джеймс Лавлок и Линн Маргулис в 70-е годы, и она называется «гипотеза Геи». Эта достаточно популярная, но противоречивая гипотеза предполагает, что набор биологических видов на Земле в каждый момент времени действует, словно коллективный организм, который непрерывно, пусть и непреднамеренно, корректирует состав атмосферы и климат Земли таким образом, чтобы они способствовали наличию и развитию жизни, – то есть наличию на поверхности воды в жидком состоянии. Мне кажется, это очень интересно и достойно изучения. Гипотеза Геи – любимая гипотеза сторонников философии нью-эйдж. Но я готов спорить, что какие-то давно покойные марсиане и венерианцы наверняка тоже отстаивали эту идею миллиард лет назад…

Если расширить понятие обитаемой зоны, окажется, что для нее нужен всего-навсего любой источник энергии, чтобы растапливать лед. Один из спутников Юпитера, ледяная Европа, разогревается приливными силами гравитационного поля Юпитера. Подобно мячу для игры в ракетбол, который нагревается от частых ударов, Европа нагревается от перепада динамических нагрузок из-за того, что одну ее сторону Юпитер притягивает сильнее, чем другую. Что в результате? Нынешние данные наблюдений и теоретических расчетов показывают, что под корой льда толщиной в километр на Европе раскинулся океан жидкой воды либо, возможно, снеговой жижи. Учитывая изобилие жизни в океанских глубинах на Земле, Европа – самый соблазнительный кандидат на наличие жизнив Солнечной системе вне Земли. Другой недавний прорыв в нашем понимании, что такое обитаемая зона, – это живые организмы, недавно получившие название «экстремофилы»: организмы, которые не просто выживают, но даже процветают в условиях крайнего холода или крайней жары. Если бы среди экстремофилов были биологи, они бы наверняка считали, что это они нормальные, а экстремофилы – это все те, кому неплохо живется при комнатной температуре. Среди экстремофилов есть жаролюбивые термофилы, которые обычно живут у подводных горных кряжей посреди океанов, где вода, разогретая под огромным давлением до температуры гораздо выше обычной точки кипения, выплескивается из-под земной коры в холодную толщу океана. Условия там похожи на обстановку в кухонной скороварке: особо прочная кастрюля с герметичной крышкой позволяет разогреть воду под давлением до температуры выше кипения, избежав при этом кипения как такового.

На холодном океанском дне из горячих источников поднимаются минералы, создающие гигантские пористые трубы высотой в десяток этажей – в середине там жарко, у краев, где они прямо соприкасаются с океанской водой, немного прохладнее. При всех этих температурах в трубах обитают бесчисленные виды живых существ, которые никогда не видели Солнца и которым все равно, есть оно или нет. Эти крепкие орешки питаются геотермальной энергией, которая складывается из того, что осталось еще со времен формирования Земли, и жара, который постоянно просачивается в земную кору из-за радиоактивного распада природных, однако нестабильных изотопов давно знакомых химических элементов – в их числе, например, алюминий-26, которого хватает на миллионы лет, и калий-40, которого хватает на миллиарды. Океанское дно – вероятно, одна из самых стабильных экосистем на Земле. Что будет, если с Землей столкнется гигантский астероид и вся жизнь на ее поверхности вымрет? Океанские термофилы будут жить-поживать как ни в чем не бывало. Возможно, после каждой волны вымирания они даже эволюционируют и заново заселяют земную сушу. А что будет, если Солнце по загадочным причинам исчезнет из центра Солнечной системы, а Земля сорвется с орбиты и будет дрейфовать в космическом пространстве? Это событие даже не попадет в термофильские газеты. Однако пройдет пять миллиардов лет, и Солнце превратится в красный гигант, расширится и поглотит всю внутреннюю часть Солнечной системы. Земные океаны при этом выкипят, да и сама Земля испарится. Вот это уже будет сенсация.

Если термофилы живут на Земле повсюду, возникает серьезный вопрос: что если жизнь зародилась глубоко в недрах блудных планет, которых вышвырнуло из Солнечной системы во время ее формирования? Их «гео»-термальных резервуаров хватило бы на миллиарды лет. А что можно сказать о бесчисленных планетах, которые насильно изгнали изо всех остальных солнечных систем, успевших сформироваться в нашей Вселенной? Может быть, межзвездное пространство кишмя кишит жизнью, которая возникла и эволюционировала в глубинах бездомных планет? Обитаемая зона – это вовсе не аккуратно очерченная область вокруг звезды, куда попадает идеальное, «в самый раз», количество солнечного света, – на самом деле она везде. Так что домик трех медведей, возможно, тоже не занимает никакого особого места в мире волшебных сказок. Миска с кашей, температура которой «в самый раз», могла найтись в любом жилище, даже в домиках трех поросят. Мы выяснили, что соответствующий множитель уравнения Дрейка – тот самый, который отвечает за существование планет в пределах обитаемой зоны, – вполне может вырасти почти до 100 %.

Так что у нашей сказки очень многообещающий финал. Жизнь совсем не обязательно редкое и уникальное явление, возможно, она встречается так же часто, как и сами планеты. А термофильные бактерии жили с тех пор долго и счастливо – примерно пять миллиардов лет.

Вода, вода, кругом вода

Судя по виду некоторых самых засушливых и негостеприимных мест в нашей Солнечной системе, можно подумать, что вода, которой на Земле полным-полно, в остальных уголках галактики – редкая роскошь. Однако из всех трехатомных молекул вода самая распространенная, причем с большим отрывом. А в списке самых распространенных в космосе элементов составляющие воды – водород и кислород – занимают первое и третье место. Так что не надо спрашивать, откуда в том или ином месте взялась вода, – лучше спросить, почему она все-таки есть не везде. Начнем с Солнечной системы. Если вы ищете местечко без воды и без воздуха, далеко ходить не надо: у вас в распоряжении Луна. При низком атмосферном давлении на Луне – оно равно практически нулю – и двухнедельных днях, когда температура близка к 100 °C, вода быстро испаряется. Во время двухнедельной ночи температура падает до – 155 °C: при таких условиях почти что угодно замерзнет.

Астронавты, участвовавшие в программе «Аполлон», брали с собой на Луну весь воздух, всю воду и все системы для кондиционирования воздуха), какие были им нужны для путешествия туда и обратно. Однако в далеком будущем экспедициям, вероятно, будет уже не нужно возить с собой воду и различные продукты из нее. Данные с космического зонда «Клементина» позволяют раз и навсегда положить конец давним спорам о том, есть ли на дне глубоких кратеров на Северном и Южном полюсах Луны замороженные озера. Если учесть среднее количество столкновений Луны с межпланетным мусором в год, приходится предположить, что среди падающих на поверхность обломков должны быть и достаточно большие ледяные кометы. Что значит «достаточно большие»? В Солнечной системе достаточно комет, которые, если растают, оставят лужу размером с озеро Эри.

Конечно, нельзя рассчитывать, что новенькое озеро переживет много жарких лунных день с температурой, близкой к 100°C, однако любая комета, которая упала на поверхность Луны и испарилась, сбрасывает часть своих молекул воды на дно глубоких кратеров у полюсов. Эти молекулы впитываются в лунную почву, где и остаются на веки вечные, поскольку такие места – это единственные уголки на Луне, где буквально «Солнце не светит». (Если вы пребывали в уверенности, что одна сторона Луны всегда темная, значит, вас ввели в заблуждение самые разные авторитетные источники, в число которых, несомненно, входит и альбом группы «Пинк Флойд» «Темная сторона Луны», вышедший в 1973 году.) Как знают обитатели Арктики и Антарктики, изголодавшиеся по солнечному свету, в этих местах Солнце никогда не поднимается высоко над горизонтом – ни в течение дня, ни в течение года. А теперь представьте себе, что вы живете на дне кратера, край которого выше, чем точка на небосклоне, докуда поднимается Солнце. В таком кратере, да еще и на Луне, где нет воздуха и нечему рассеять свет, чтобы он попал в тенистые уголки, придется жить в вечной тьме.

В вашем холодильнике тоже холодно и темно, однако лед там со временем все-таки испаряется (не верите – посмотрите, как выглядят кубики льда, когда вы возвращаетесь из долгой отлучки), тем не менее на дне этих кратеров так холодно, что испарение, в сущности, прекращается (по крайней мере, в рамках нашего разговора мы вполне можем предположить, что его нет). Нет никаких сомнений, что если мы когда-нибудь построим на Луне колонию, ее надо будет расположить неподалеку от таких кратеров. Помимо очевидных преимуществ – у колонистов будет вдоволь льда, будет что растапливать, очищать и пить, – из молекул воды можно еще добывать водород, отделяя его от кислорода. Водород и часть кислорода пойдут в ракетное топливо, а остальным кислородом колонисты будут дышать. А в свободное от космических экспедиций время можно покататься на коньках по замороженному озеру из добытой воды.

Итак, древние данные кратеров говорят нам, что на Луну падали кометы, – из этого следует, что такое случалось и с Землей. Если учесть, что Земля больше и гравитация у нее сильнее, можно даже сделать вывод, что кометы падали на Землю гораздо чаще. Так и есть – с самого рождения Земли и по сегодняшний день. Более того, Земля ведь не возникла из космического вакуума в виде готового сферического кома. Она выросла из конденсировавшегося протосолнечного газа, из которого сформировалось и само Солнце, и все остальные планеты. Земля продолжала расти, поскольку на нее налипали мелкие твердые частички, а потом – за счет постоянной бомбардировки астероидами, которые были богаты минералами, и кометами, которые были богаты водой. В каком смысле постоянной? Подозревают, что частоты падения на Землю комет на ранних стадиях ее существования хватило для обеспечения водой всех ее океанов. Однако здесь остаются определенные вопросы (и простор для споров). В воде из комет, которые мы исследуем сейчас, по сравнению с водой из океанов очень много дейтерия – разновидности водорода, в ядре которого есть лишний нейтрон. Если океаны заполнялись за счет комет, то кометы, которые падали на Землю в начале существования Солнечной системы, имели несколько иной химический состав.

Думали, можно спокойно выходить на улицу? Вот и нет: недавние исследования содержания воды в верхних слоях земной атмосферы показали, что на Землю регулярно падают куски льда размером с дом. Эти межпланетные снежки при соприкосновении с воздухом быстро испаряются, но успевают внести свой вклад в водяной бюджет Земли. Если частотность падений была постоянной на протяжении всей истории Земли в 4,6 миллиардов лет, то эти снежки, возможно, тоже пополняли земные океаны. Прибавим к этому водяной пар, который, как нам известно, попадает в атмосферу при извержении вулканов, и окажется, что Земля получила свой запас воды на поверхности самыми разными путями. Сейчас наши величественные океаны занимают две трети земной поверхности, однако составляют всего одну пятитысячную земной массы. Казалось бы, очень маленькая доля, однако это все равно целых полтора квинтильона тонн, 2 % которых в каждый момент времени пребывают в виде льда. Если на Земле когда-нибудь случится период сильнейшего парникового эффекта, как на Венере, то наша атмосфера поглотит избыточное количество солнечной энергии, температура воздуха возрастет, и океаны вскипят и быстро испарятся в атмосферу. Это будет плохо. Мало того что флора и фауна Земли вымрут – это очевидно, – одной из веских (в буквальном смысле) причин всеобщей гибели станет то, что атмосфера, насыщенная водяным паром, станет в триста раз массивнее. Нас всех расплющит.

Венера отличается от прочих планет в Солнечной системе во многих отношениях, в том числе – своей толстой, плотной, тяжелой атмосферой из углекислого газа, давление которой в сто раз больше давления земной атмосферы. Нас бы и там расплющило. Однако в моем рейтинге самых удивительных особенностей Венеры первое место занимает наличие кратеров, которые все как один образовались относительно недавно и распределены равномерно по всей поверхности. Эта безобидная на первый взгляд черта наталкивает на мысль о какой-то одной катастрофе планетарного масштаба, которая перезапустила часы образования кратеров и стерла все свидетельства соударений в прошлом. Такое по силам, например, эрозивному климатическому феномену вроде всемирного потопа. А еще – масштабной геологической (не венерологической же) активности, скажем, потокам лавы, которые превратили всю поверхность Венеры в мечту американского автомобилиста – целиком заасфальтированную планету. Что бы ни перезапустило часы, произошло это резко и одномоментно. Однако не все тут ясно. Если на Венере и правда был всемирный потоп, куда теперь подевалась вся вода? Ушла под поверхность? Испарилась в атмосферу? Или Венеру затопила вообще не вода, а какое-то другое вещество?

Наше любопытство и невежество одной Венерой не ограничиваются – они распространяются и на другие планеты. Марс когда-то был настоящим болотом – с извилистыми реками, поймами, дельтами, сетью мелких ручьев и огромных каньонов, выточенных бегущей водой. У нас уже достаточно доказательств, что если где-то в Солнечной системе и были изобильные источники воды, так это на Марсе. Однако на сегодняшний день поверхность Марса совершенно суха, а почему – непонятно. Глядя на Марс и Венеру – брата и сестру нашей планеты – я по-новому смотрю и на Землю и задумываюсь о том, как, возможно, ненадежны наши источники воды на земной поверхности. Как мы уже знаем, разыгравшееся воображение заставило Персиваля Лоуэлла предположить, что это колонии изобретательных марсиан выстроили на Марсе хитроумную сеть каналов, чтобы доставлять воду с полярных ледников в более населенные средние широты. Чтобы объяснить то, что он увидел (или решил, что увидел), Лоуэлл выдумал умирающую цивилизацию, которая почему-то лишилась воды. В своем подробном, однако на диво ошибочном трактате «Марс как пристанище жизни» («Mars as the Abode of Life», 1909), Лоуэлл оплакивает неизбежный закат марсианской цивилизации, порожденной его фантазией:

Высыхание планеты продолжится, несомненно, до тех самых пор, пока его поверхность не утратит способность поддерживать всякую жизнь. Время, несомненно, сдует ее, словно пыль. Однако, когда потухнет последняя ее искорка, мертвая планета будет нестись в пространстве, будто призрак, а ее эволюционная карьера оборвется навсегда.
(Lowell, 1908, р. 216)


Кое-что Лоуэлл понял совершенно правильно. Если на марсианской поверхности когда-то и существовала цивилизация (или любые живые организмы), которой требовалась вода, то на каком-то неведомом этапе марсианской истории и по какой-то неведомой причине вся вода на поверхности действительно высохла, что и привело в точности к такому финалу, какой описывает Лоуэлл. Возможно, пропавшая марсианская вода просто ушла под землю и попала в плен вечной мерзлоты. Чем это можно доказать? У больших кратеров на поверхности Марса потеки высохшей грязи, перелившейся через край, встречаются чаще, чем у маленьких. Если предположить, что вечная мерзлота лежит довольно глубоко, чтобы добраться до нее, требовалось сильное столкновение. Выброс энергии от такого столкновения должен был при контакте расплавить лед под поверхностью, и грязь выплеснулась наружу. Кратеры с такими особенностями чаще встречаются в холодных приполярных широтах, именно там, где можно ожидать, что слой вечной мерзлоты пролегает ближе к поверхности. По некоторым оценкам, если бы вся вода, которая, как мы подозреваем, затаилась в толще вечной мерзлоты на Марсе и, как мы точно знаем, заключена в ледниках на полюсах, расплавилась и равномерно распределилась по его поверхности, Марс превратился бы в сплошной океан в десятки метров глубиной. В план поиска жизни на Марсе, как современной, так и ископаемой, должен входить осмотр самых разных мест, особенно под поверхностью Марса.

Когда астрофизики начали задумываться о том, где можно найти жидкую воду, а по ассоциации, и жизнь, они сначала были склонны принимать в расчет планеты, которые вращаются по орбите на определенном расстоянии от своей звезды, – на таком, чтобы на их поверхности вода оставалась жидкой, не слишком далеко и не слишком близко. Эту зону принято называть обитаемой зоной, или зоной Златовласки (см. предыдущую главу), и для начала это была вполне приемлемая оценка. Однако она не учитывала возможность возникновения жизни в таких местах, где имелись другие источники энергии, благодаря которым вода там, где ей полагалось бы обращаться в лед, оставалась в жидком состоянии. Это мог бы обеспечить легкий парниковый эффект. А также внутренний источник энергии, например остаточный жар после формирования планеты или радиоактивный распад нестабильных тяжелых элементов, каждый из которых вносит свой вклад во внутренний подогрев Земли и, следовательно, в ее геологическую активность. Кроме того, источником энергии служат и планетные приливы – это более общее понятие, чем просто танцы вздымающегося океана с Луной. Как мы уже видели, Ио, спутник Юпитера, подвергается постоянным нагрузкам из-за переменчивых приливных сил, поскольку ее орбита не совсем круглая и Ио то приближается, то удаляется от Юпитера. Ио находится на таком расстоянии от Солнца, что при других условиях должна была бы промерзнуть на веки вечные, но из-за постоянных приливных перепадов заслужила титул небесного тела с самой бурной геологической активностью во всей Солнечной системе – там есть все: и вулканы, изрыгающие лаву, и огненные расщелины, и тектонические сдвиги. Иногда современную Ио уподобляют юной Земле, когда наша планета еще не остыла после рождения.

Не менее интересна и Европа – другой спутник Юпитера, тоже черпающий тепло из приливных сил. Ученые уже давно подозревали, а недавно подтвердили (на основании снимков с космического зонда «Галилео»), что Европа покрыта толстыми мигрирующими пластами льда, под которыми раскинулся океан из снеговой жижи или жидкой воды. Целый океан воды! Только представьте себе, какая там подледная рыбалка. И в самом деле, инженеры и ученые из Лаборатории реактивного движения уже подумывают, не послать ли на Европу космический зонд, который совершит посадку на лед, найдет в нем полынью (или прорубит либо протопит ее сам), опустит в нее глубоководную видеокамеру, и мы посмотрим, что там и как. Поскольку жизнь на Земле, скорее всего, зародилась именно в океане, существование жизни в океанах Европы – отнюдь не пустая фантазия, такое вполне может быть. На мой взгляд, самое удивительное качество воды – это не заслуженный ярлык «универсального растворителя», о котором мы все узнали на уроках химии в школе, и не необычайно широкий диапазон температур, в котором вода остается жидкой. Самая удивительная черта воды – то, что хотя почти все вещества, в том числе и сама вода, при охлаждении становятся плотнее, вода, охладившись ниже 4°C, становится все менее и менее плотной. Когда она замерзает при нуле градусов, то становится менее плотной, чем в жидком состоянии при любой температуре, и это досадно для водопроводных труб, зато очень удачно для рыб. Зимой, когда температура воздуха падает ниже нуля, вода температурой в 4 градуса опускается на дно и остается там, а на поверхности очень медленно нарастает плавучий слой льда и изолирует более теплую воду от холодного воздуха.

Если бы с водой не происходила эта инверсия плотности при температуре ниже 4 градусов, то при температуре воздуха ниже точки замерзания внешняя поверхность водоема остужалась бы и опускалась на дно, а более теплая вода поднималась бы наверх. Такая вынужденная конвекция быстро охладила бы всю массу воды до нуля, после чего поверхность начала бы замерзать. Более плотный лед тонул бы – и вся толща воды промерзала бы со дна к поверхности. В подобном мире не было бы никакой подледной рыбалки, поскольку вся рыба замерзла бы – заморозилась заживо. А любители подледного лова сидели бы либо под толщей еще не замерзшей воды, либо на глыбе полностью замерзшего водоема. Чтобы путешествовать по замерзшей Арктике, не нужны были бы ледоколы: Северный Ледовитый океан либо промерзал бы до дна, либо оставался бы открытым для обычного судоходства, поскольку слой льда пролегал бы внизу. И по льду можно было бы гулять сколько хочешь и не бояться провалиться. В таком параллельном мире льдины и айсберги тонули бы, и в 1912 году «Титаник» преспокойно доплыл бы до места назначения – до Нью-Йорка.

Существование воды в галактике не ограничивается планетами и их спутниками. Молекулы воды, а также нескольких других знакомых домашних химических веществ, например аммиака, метана и этилового спирта, то и дело регистрируют в межзвездных газовых облаках. При определенных условиях – низкой температуре и высокой плотности – группа молекул воды может переизлучать в пространство энергию ближайшей звезды в виде усиленного высокоинтенсивного направленного микроволнового излучения. Физика этого явления сильно напоминает все то, что происходит с видимым светом в лазере. Но в этом случае лучше говорить не о лазере, а о мазере – так сокращается словосочетание «Microwave amplification by the stimulated emission of radiation» («Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»). Так что вода не просто всюду и везде в галактике – иногда она еще и лучезарно улыбается вам из космических глубин.

Мы знаем, что вода необходима для жизни на Земле, но можем лишь предполагать, что она – необходимое условие возникновения жизни в любом уголке галактики. Однако химически безграмотные люди сплошь и рядом считают, что вода – это смертоносная субстанция, с которой лучше не сталкиваться. В 1997 году Натан Зонер, четырнадцатилетний ученик средней школы в городе Игл-Рок в штате Айдахо, провел объективное исследование антитехнологических предрассудков и связанной с ними «химиофобии», стяжавшее заслуженную славу. Натан предлагал прохожим на улице подписать петицию с требованием строго контролировать либо вообще запретить применение монооксида дигидрогена. Юный экспериментатор приводил перечень кошмарных свойств этого вещества, лишенного вкуса и запаха:

– монооксид дигидрогена – главная составляющая кислотных дождей;
– рано или поздно это вещество растворяет все, с чем соприкасается;
– если случайно вдохнуть его, это может быть смертельно;
– в газообразном состоянии оно оставляет тяжелые ожоги;
– оно обнаружено в опухолях больных раком в терминальной стадии.

Сорок три человека из пятидесяти, к которым обратился Зонер, подписали петицию, шестеро колебались, а один оказался горячим сторонником монооксида дигидрогена и отказался ставить свою подпись.
Да-да, 86 % прохожих проголосовали за запрет воды (H2O), за то, чтобы ее не было в окружающей среде. Может быть, именно такая судьба и постигла всю воду на Марсе.

Жизненное пространство

Если спросить человека, откуда он, в ответ обычно услышишь название города, где он родился, или какого-то места на земной поверхности, где он провел детство. И это совершенно правильно. Однако
астрохимически точный ответ должен звучать иначе: «Я происхожу из остатков после взрывов множества массивных звезд, которые погибли больше пяти миллиардов лет назад». Космическое пространство – это главная химическая фабрика. Запустил ее Большой Взрыв, снабдивший Вселенную водородом, гелием и капелькой лития – тремя самыми легкими элементами. Остальные девяносто два элемента, встречающиеся в природе, создали звезды, в том числе весь без исключения углерод, кальций и фосфор во всех до единого живых организмах на Земле, и в людях, и в прочих. Кому был бы нужен весь этот богатейший ассортимент сырья, если бы он остался заперт в звездах? Но когда звезды умирают, они возвращают космосу львиную долю своей массы и приправляют ближайшие газовые облака всем набором атомов, которые впоследствии обогащают следующее поколение звезд.

Если складываются подходящие условия – нужная температура и нужное давление, – многие атомы объединяются и возникают простые молекулы. После чего многие молекулы становятся больше и сложнее, причем механизмы для этого одновременно и затейливы, и изобретательны. В конце концов сложные молекулы самоорганизуются в те или иные живые организмы, и это наверняка происходит в миллиардах уголков Вселенной. По крайней мере в одном из них молекулы стали так сложны, что у них возник разум, а затем и способность формулировать и передавать друг другу идеи, изложенные при помощи значков на этой странице.

Да-да, не только люди, но и все остальные живые организмы в космосе, а также планеты и луны, на которых они обитают, не существовали бы, если бы не останки израсходованных звезд. В общем, вы состоите из отбросов. С этим придется смириться. А лучше порадоваться. В конце концов, что может быть благороднее, чем мысль о том, что во всех нас живет Вселенная? Чтобы состряпать жизнь, редкие ингредиенты не нужны. Вспомним, какие элементы занимают пять первых мест по распространенности в космосе: водород, гелий, кислород, углерод и азот. За исключением химически инертного гелия, который ни с кем не любит создавать молекулы, получаем четыре главных составляющих жизни на Земле. Они ждут своего часа в массивных облаках, которые обволакивают звезды в галактике, и начинают создавать молекулы, стоит температуре упасть ниже пары тысяч градусов Кельвина. Молекулы из двух атомов формируются сразу: это угарный газ и молекула водорода (два связанных друг с другом атома водорода). Стоит снизить температуру еще немного, и получатся стабильные трех– или четырех-атомные молекулы вроде воды (H2O), углекислого газа (CO2) и аммиака (NH3) – простые, но высококачественные продукты биологической кухни. Если температура упадет еще немного, возникнет целый сонм молекул из пяти и шести атомов. А поскольку углерод не только широко распространен, но еще и весьма деятелен с химической точки зрения, то входит в большинство молекул, – по сути дела, в три четверти всех «видов» молекул, наблюдаемых в межзвездной среде, входит хотя бы один атом углерода. Многообещающе. Однако космос для молекул – место довольно опасное. Если их не разрушает энергия взрывов сверхновых, то дело довершает ультрафиолетовое излучение от ближайших ультраярких звезд.

Чем больше молекула, тем хуже она выдерживает атаки. Если молекулам повезло и они обитают в относительно спокойных или укрытых от посторонних воздействий областях, они могут дожить до того, что войдут в состав крупиц космической пыли, а в конце концов и в астероиды, кометы, планеты и людей. Но даже если звездный натиск не оставит в живых ни одну из первоначальных молекул, останется вдоволь атомов и времени, чтобы создать сложные молекулы – не только во время формирования той или иной планеты, но и на податливой поверхности планеты и под ней. Среди самых распространенных сложных молекул особенно выделяются аденин (это такой нуклеотид, или «основание», составная часть ДНК), глицин (предшественник белка) и гликоальдегид (углеводород). Все эти и им подобные ингредиенты необходимы для возникновения жизни в привычном для нас виде и, несомненно, встречаются отнюдь не только на Земле.

Однако вся эта вакханалия органических молекул – это еще не жизнь, точно так же как мука, вода, дрожжи и соль – еще не хлеб. Хотя сам переход от сырья к живому существу остается загадкой, очевидно, что для этого нужно несколько условий. Окружающая среда должна подталкивать молекулы к экспериментам друг с другом и при этом оберегать от излишнего травматизма. Особенно хороши для этого жидкости, поскольку они обеспечивают и тесный контакт, и большую подвижность. Чем больше возможностей для химических реакций дает среда, тем изобретательнее эксперименты ее обитателей. Важно учитывать и другой фактор, о котором говорят законы физики: для химических реакций необходим бесперебойный источник энергии.

Если учесть широкий диапазон температур, давления, кислотности и излучений, при которых способна процветать жизнь на Земле, и помнить, что то, что для одного микроба уютный уголок, для другого – камера пыток, становится понятно, почему ученые больше не имеют права выдвигать дополнительные условия существования жизни в других местах. Прекрасная иллюстрация ограниченности подобных умозаключений приведена в прелестной книжке «Cosmotheoros» голландского астронома XVII века Христиана Гюйгенса: автор убежден, что на других планетах должны культивировать коноплю – иначе из чего делать корабельные канаты, чтобы управлять судами и плавать по морям? Прошло триста лет, и мы довольствуемся всего лишь горсткой молекул. Если их хорошенько перемешать и поставить в теплое место, можно рассчитывать, что пройдет всего несколько сотен миллионов лет – и у нас будут процветающие колонии микроорганизмов. Жизнь на земле необычайно плодовита, тут сомневаться не приходится. А как обстоят дела в остальной Вселенной? Если еще где-нибудь найдется небесное тело, хоть сколько-нибудь похожее на нашу планету, возможно, оно проделывало похожие опыты с похожими химическими реактивами и эти опыты были срежиссированы теми же физическими законами, которые одинаковы во всей Вселенной.

Возьмем, к примеру, углерод. Он умеет создавать самые разные связи и с самим собой, и с другими элементами и поэтому входит в неимоверное количество химических соединений – в этому ему нет равных во всей таблице Менделеева. Углерод создает больше молекул, чем все остальные элементы вместе взятые (10 миллионов – как вам?). Обычно, чтобы создать молекулу, атомы делятся одним или несколькими внешними электронами, захватывают друг друга наподобие кулачковых соединений между грузовыми вагонами. Каждый атом углерода способен создавать такие связи с одним, двумя, тремя или четырьмя другими атомами – а вот атом водорода, скажем, только с одним, кислорода – с одним или двумя, азота – с тремя.

Когда углерод объединяется сам с собой, то создает множество молекул из всевозможных сочетаний длинных цепочек, замкнутых колец или разветвленных структур. Эти сложные органические молекулы способны на подвиги, о которых маленькие молекулы могут только мечтать. Например, им по силам выполнять одну задачу на одном конце и другую на другом, скручиваться, сворачиваться, переплетаться с другими молекулами, создавать вещества со все новыми и новыми свойствами и качествами – им нет преград. Пожалуй, самая поразительная молекула на основе углерода – это ДНК, двойная спираль, в которой зашифрован индивидуальный облик каждого живого организма. А как же вода? Если речь идет об обеспечении жизни, вода обладает очень полезным качеством – она остается жидкой при очень широком, по мнению большинства биологов, диапазоне температур. К сожалению, большинство биологов рассматривают только Землю, где вода остается жидкой в пределах 100 градусов по шкале Цельсия. Между тем кое-где на Марсе атмосферное давление так низко, что вода вообще не бывает жидкой – стоит налить себе стакан H2O, как вся вода одновременно и вскипит, и замерзнет! Однако, каким бы прискорбным ни было нынешнее положение атмосферы Марса, в прошлом она позволяла существовать огромным запасам жидкой воды. Если когда-то на поверхности красной планеты и существовала жизнь, то только в ту пору.

Что касается Земли, то у нее на поверхности с водой очень хорошо поставлено, иногда даже слишком хорошо и даже смертельно опасно. Откуда она взялась? Как мы уже видели, логично предположить, что отчасти ее доставили сюда кометы: они, можно сказать, пропитаны водой (замерзшей, конечно), в Солнечной системе их миллиарды, среди них встречаются довольно крупные, а когда Солнечная система только формировалась, они постоянно бомбардировали юную Землю. Вулканы извергаются не только из-за того, что магма очень горячая, а еще и потому, что вздымающаяся горячая магма обращает подземные воды в пар, а пар стремительно расширяется, что приводит к взрыву. Пар перестает помещаться в подземные пустоты, и с вулкана срывает крышку, отчего H2O выходит на поверхность. С учетом всего этого не стоит удивляться, что на поверхности нашей планеты полным-полно воды. При всем многообразии живых организмов на Земле у всех у них есть общие участки ДНК. Биолог, который в жизни не видел ничего кроме Земли, только радуется многогранности жизни, однако астробиолог мечтает о разнообразии в более крупном масштабе: о жизни, основанной на совершенно чуждой нам ДНК или вообще на чем-то другом.

К сожалению, пока что наша планета – единственный биологический образец. Тем не менее астробиолог может позволить себе коллекционировать гипотезы о живых организмах, которые обитают где-то в глубинах космоса, изучая организмы, которые обитают в экстремальных средах здесь, на Земле. Стоит начать искать этих экстремофилов, и окажется, что живут они практически повсеместно: и на свалках ядерных отходов, и в кислотных гейзерах, и в насыщенных железом кислотных реках, и в глубоководных источниках, изрыгающих химические взвеси, и возле подводных вулканов, в вечной мерзлоте, в грудах окалины, в промышленных соляных прудах и в самых разных местах, куда вы наверняка не поехали бы на медовый месяц, но которые, вероятно, вполне типичны для большинства других планет и спутников. Когда-то биологи считали, что жизнь зародилась в какой-то «теплой лужице», как писал Дарвин (Darwin 1959, p. 202); однако накопившиеся за последнее время свидетельства заставляют склониться к представлению о том, что первыми живыми организмами на Земле были именно экстремофилы.

Как мы увидим в следующей части, первые полмиллиарда лет своего существования Солнечная система больше всего напоминала стрельбище. На поверхность Земли постоянно падали большие и маленькие глыбы, которые оставляли после себя кратеры и измельчали в пыль горные породы. Любая попытка запустить проект «Жизнь» была бы тут же пресечена. Однако примерно четыре миллиарда лет назад бомбардировка ослабела, а температура земной поверхности начала опускаться, что позволило результатам сложных химических опытов выживать и процветать. В старых учебниках отсчет времени ведется от рождения Солнечной системы, а их авторы обычно утверждают, что Земле на формирование потребовалось 700–800 миллионов лет. Но это не так: эксперименты в химической лаборатории планеты могли начаться не раньше, чем стихнет небесная бомбежка. Смело вычтите 600 миллионов лет «военных действий» – и получится, что одноклеточные механизмы выбрались из первобытной жижи всего за 200 миллионов лет. Хотя ученые по-прежнему не могут понять, как именно зародилась жизнь, у природы, похоже, не возникло с этим никаких сложностей.

Астрохимики проделали колоссальный путь всего за несколько десятков лет: еще недавно они вообще ничего не знали о молекулах в космосе, а к сегодняшнему дню уже обнаружили практически повсюду множество различных соединений. Более того, в последние десять лет астрофизики подтвердили, что планеты вращаются и вокруг других звезд и что каждая звездная система, а не только Солнечная, полным-полна тех же четырех главных ингредиентов жизни, что и наш собственный космический дом. Конечно, обнаружить жизнь на звезде никто не ожидает, даже на «холодной», где всего-то тысяча градусов, однако жизнь на Земле часто встречается и в тех местах, где температура доходит до нескольких сотен градусов. Все эти открытия в совокупности заставляют сделать вывод, что на самом деле Вселенная нам отнюдь не чужда и неведома – на самом деле мы с ней уже знакомы на фундаментальном уровне. Но насколько близко мы знакомы? Какова вероятность, что любые живые организмы похожи на земные – основаны на углероде и предпочитают воду всем другим жидкостям? Рассмотрим, к примеру, кремний – один из самых распространенных элементов во Вселенной. В таблице Менделеева кремний находится прямо под углеродом, а это значит, что у них одинаковая конфигурация электронов на внешнем уровне. Кремний, как и углерод, может создавать связи с одним, двумя, тремя или четырьмя другими атомами. При нужных условиях он тоже может формировать молекулы-цепочки. Поскольку возможности для создания химических соединений у кремния примерно такие же, как и у углерода, резонно предположить, что жизнь может возникнуть и на его основе.

Однако с кремнием есть одна сложность: кроме того, что он встречается в десять раз реже углерода, он еще и создает очень прочные связи. В частности, если связать кремний и водород, то получатся не зачатки органической химии, а камни. На Земле эти химические соединения отличаются длительным сроком хранения. А чтобы химическое соединение было благоприятно для живого организма, нужны связи, достаточно прочные, чтобы выдержать не слишком сильные атаки окружающей среды, но не настолько нерушимые, чтобы отсечь возможность для дальнейших экспериментов. А насколько необходима вода в жидком состоянии? Неужели это единственная среда, подходящая для химических экспериментов, единственная среда, способная доставлять питательные вещества из одних частей живого организма к другим? Может быть, живым организмам нужна просто любая жидкость. В природе довольно часто встречается, например, аммиак. И этиловый спирт. Оба получаются из самых распространенных во Вселенной элементов. Аммиак, смешанный с водой, замерзает при температуре гораздо ниже, чем просто вода (–73 °C, а не 0 °C), что расширяет температурный диапазон, при котором есть шансы обнаружить живые организмы, которые любят жидкость. Есть и другой вариант: на планете, где мало источников внутреннего тепла, например она вращается далеко от своей звезды и промерзла до костей, роль необходимой жидкости может сыграть и метан, который обычно пребывает в газообразном состоянии. Такие соединения отличаются длительным сроком хранения. А чтобы химическое соединение было благоприятно для живого организма, нужны связи, достаточно прочные, чтобы выдержать не слишком сильные атаки окружающей среды, но не настолько нерушимые, чтобы отсечь возможность для дальнейших экспериментов.

А насколько необходима вода в жидком состоянии? Неужели это единственная среда, подходящая для химических экспериментов, единственная среда, способная доставлять питательные вещества из одних частей живого организма к другим? Может быть, живым организмам нужна просто любая жидкость. В природе довольно часто встречается, например, аммиак. И этиловый спирт. Оба получаются из самых распространенных во Вселенной элементов. Аммиак, смешанный с водой, замерзает при температуре гораздо ниже, чем просто вода (–73 °C, а не 0°C), что расширяет температурный диапазон, при котором есть шансы обнаружить живые организмы, которые любят жидкость. Есть и другой вариант: на планете, где мало источников внутреннего тепла, например она вращается далеко от своей звезды и промерзла до костей, роль необходимой жидкости может сыграть и метан, который обычно пребывает в газообразном состоянии.

В 2005 году космический зонд «Гюйгенс» (названный в честь сами-знаете-кого) совершил посадку на Титан, самый большой спутник Сатурна, где много органических соединений и атмосфера в десять раз толще земной. Не считая планет – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, – каждая из которых состоит целиком из газа и не обладает твердой поверхностью, – достойной упоминания атмосферой обладают лишь четыре небесных тела в нашей Солнечной системе: это Венера, Земля, Марс и Титан. Титан – отнюдь не случайный объект исследования. Перечень молекул, которые можно там обнаружить, внушает уважение: это и вода, и аммиак, и метан, и этан, а также так называемые полициклические ароматические углеводороды – молекулы из множества колец. Водяной лед на Титане такой холодный, что стал твердым, как цемент. Однако сочетание температуры и давления приводит метан в жидкое состояние, и на первых изображениях, полученных с помощью «Гюйгенса», видны ручьи, реки и озера жидкого метана. Химическая обстановка на поверхности Титана в некотором смысле напоминает обстановку на юной Земле, вот почему очень многие астробиологии считают Титан «живой» лабораторией для изучения далекого прошлого Земли. И в самом деле, проведенные два десятка лет назад эксперименты показали, что если добавить воду и немного кислоты в органическую взвесь, которая получается, если облучить газы, из которых состоит мутная атмосфера Титана, это даст нам шестнадцать аминокислот.

Не так давно биологи узнали, что совокупная биомасса под поверхностью планеты Земля, возможно, больше, чем на поверхности. Нынешние исследования особо выносливых живых организмов раз за разом показывают, что жизнь не знает преград и границ. Исследователи, изучающие условия для возникновения жизни, больше не «чокнутые профессора», которые ищут на ближайших планетах маленьких зеленых человечков, – это ученые-универсалы, владеющие самым разным инструментарием: они должны быть специалистами не только в астрофизике, химии и биологии, но и в геологии и планетологии, поскольку жизнь им приходится высматривать где угодно.

Отрывок из книги Нила Деграсса Тайсона "Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности"
Категория: История
Добавлено: 13.02.2016
Просмотров: 833
Рейтинг: 5.0/1
Темы: Астрофизика, эволюция, Нил Деграсс Тайсон, абиогенез, Биология, обитаемая зона, уравнение Дрейка, экстремофилы, происхождения жизни
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]