Происхождение всего: почему на Земле появилась жизнь

Как все везде появилось: звезды и галактики, атмосфера Земли, океаны, клетка и, наконец, человеческие цивилизации. Сочетая юмор и научную канву, автор проводит читателей сквозь пространство и время — почти 14 млрд лет, — показывая при этом связи между теориями, помогающие понимать такие темы, как физика частиц, тектоника плит и фотосинтез. Все это — о книге Дэвида Берковичи «Происхождение всего», переведенной издательством «Альпина нон-фикшн». Indicator.Ru публикует отрывок из этой книги.

В отличие от других планет Солнечной системы на Земле образовался умеренный климат, поэтому на ней сохранялась вода в жидком состоянии, а следовательно, и жизнь, по крайней мере такие ее формы, которые нам известны. Первыми живыми организмами, появившимися на Земле, были микроорганизмы, и произошло это за несколько миллиардов лет до того момента, с которого мы, люди, считаем планету пригодной для жизни, не говоря уже гостеприимной. Но даже в наши дни мы нашли на планете микробную жизнь, обитающую в самых неблагоприятных природных условиях — в средах, где температура превышает 100°C, или в кислотных кратерных озерах. Поэтому определение «пригодности для жизни» имеет довольно широкий диапазон. Мы можем обнаружить микробную жизнь, существующую или существовавшую когда-то на других планетах, условия на которых не хуже самых плохих условий на Земле.

Вода исключительно важна для жизни, поэтому список потенциально пригодных для жизни планет включает в себя Марс и ледяные спутники Юпитера и Сатурна (Европу и Энцелад соответственно), на которых точно есть вода в жидком состоянии. Как бы то ни было, мы точно знаем, что на нашей планете выработался особенно стабильный и мягкий климат, давший жизни достаточно времени, чтобы она могла стать сложной и многоклеточной. Разговор об условиях, необходимых для существования жизни на планете, нужно начать с классического понятия «зоны возможной жизни». Эта зона, по сути, является диапазоном орбит в любой планетной системе, где условия на поверхности находящихся в ней планет позволяют существовать воде в жидком состоянии. Другими словами, планета должна быть не так далеко от звезды, чтобы вся вода замерзла (как, вероятно, произошло на Марсе, хотя это становится все более сомнительным), но и не так близко, чтобы вся вода испарилась (как на Венере). Это понятие до сих пор используется астрономами, обнаруживающими планеты в других планетных системах, так как основными характеристиками, которые они устанавливают, по крайней мере пока, являются расстояние от планеты до звезды и (иногда) масса и / или размер планеты.

Орбита в зоне благоприятного обитания — важная часть теорий о вероятности нахождения разумной внеземной жизни. Под «разумной» я понимаю такую жизнь, которая может передавать в космос сигналы (например, радиоволны), несущие систематизированную информацию. Распознают ли внеземные формы жизни в наших радиоволнах признаки того, что они были посланы разумными существами, или нет, еще не известно, но, если мы сами будем искать в космосе сигналы с альфы Центавра (как в «Стартреке» и «Бонанце», любимых фантастических сериалах моего детства), тогда критерии поиска должны быть очевидны. Вероятность получения нами таких сигналов выражена в известном уравнении Дрейка (в честь американского радиоастронома Франка Дрейка) и равна произведению нескольких вероятностей (например, вероятностей того, что у звезды имеются планеты и по крайней мере одна из них находится в обитаемой зоне жизни, и эта потенциальная форма жизни посылает радиоволны именно тогда, когда мы можем их обнаружить, т. е. не слишком рано и не слишком поздно). Вероятность того, что из звездной системы, где существует жизнь, смогут в нужный момент послать радиоволны и «достучаться» до нас, астрономически мала. Тем не менее только в нашей Галактике миллиарды звезд, которые могли поддерживать жизнь в ходе длительной эволюции (как правило, это небольшие звезды, горящие миллиарды лет). Даже если на малой части из них существует жизнь, способная передавать радиосигналы, тогда таких звезд будут миллионы или по крайней мере десятки или сотни тысяч. В этом случае можно было бы ожидать увидеть хотя бы одно плохое инопланетное телешоу с помощью наших радиотелескопов, но пока этого не произошло. И это приводит нас к известному вопросу, заданному физиком Энрико Ферми: «Ну и где они?» Почему мы не наблюдаем следов внеземной разумной жизни? Либо условия, необходимые для ее формирования куда сложнее, чем мы предполагали, либо инопланетяне сразу же изобрели кабельное телевидение.

Условия для формирования жизни, сложной и технологически продвинутой, вероятно, более сложны и не исчерпываются астрономическим положением и радиусом орбиты. То есть не только солнечный свет определяет условия нашего ровного климата. Например, в Солнечной системе Земля, естественно, расположена внутри орбитальной зоны жизни (особенно учитывая все эмпирические доказательства того, что она действительно населена). Однако, если бы в атмосфере Земли не было водяного пара или углекислого газа, тогда не было бы и парникового эффекта и поверхность нашей планеты, вероятно, замерзла бы, покрывшись снегом и льдом. Возможно, это и происходило в течение нескольких периодов в далеком прошлом (мы обсудим это далее).

Даже если некоторое количество жидкой воды сохранилось под ледяным покровом, Земля не получала достаточно солнечной энергии для поддержания жизни (учитывая высокую отражательную способность снега и льда). Если бы жизнь могла получать энергию только из других источников, например вулканизма, то для этого потребовался бы вулканизм в дополнение к нужной орбите. С другой стороны, если весь первоначальный углекислый газ, эквивалентный давлению в 60 атм, который теперь содержится в земной коре, оказался в атмосфере, парниковый эффект слишком сильно нагрел бы поверхность планеты. Мы упоминали микробов, которые могут успешно выживать при очень высоких и низких температурах, но они не эволюционировали за пределы их микробного состояния. По крайней мере, не на Земле.

При экстремальных условиях — слишком высокой или слишком низкой температуре — мы могли бы рассчитывать в лучшем случае лишь на одноклеточную жизнь. Короче говоря, орбита определяет не все. Но тогда каковы они, эти условия жизни? Хороший вопрос.

Гипотеза уникальной Земли, предложенная геологом Питером Уордом и астрономом Дональдом Браунли, — хорошая, хотя и спорная попытка ответить на парадокс Ферми. Она утверждает, что наша планета стала пригодна для жизни благодаря почти невероятному, уникальному стечению обстоятельств, которые позволили возникнуть живым организмам, а следовательно, и людям. Это сочетание благоприятных условий настолько маловероятно, что шансы обнаружить внеземные радиосигналы в ограниченное время наших наблюдений ничтожно малы. Таким образом, ответ на вопрос Ферми заключается в том, что Галактика больше смахивает на пустыню Гоби, чем на Гонконг или Париж.

В соответствии с гипотезой уникальной Земли наша планета отвечает всем необходимым астрономическим условиям, находясь в нужном месте Галактики, т. е. не слишком близко к ее центру со множеством звезд и интенсивным излучением, которое испускает вещество, падающее в сверхмассивную черную дыру. Земля сформировалась в нужное время, чтобы на ней оказались строительные блоки для жизни. Мы находимся в середине орбитальной зоны жизни Солнечной системы, на нашей планете есть вода не только в жидком, но и в газообразном и твердом состоянии (что очень важно для климата; подробнее об этом ниже). В дополнение к благоприятным астрономическим условиям на Земле происходит тектоника плит, стабилизирующая климат. У Земли есть большой спутник, а значит, и приливные зоны, организмы в них должны были выживать и под водой, и на суше, что способствовало выходу жизни на сушу. Также у Земли «правильный» угол наклона оси вращения, что приводит к смене времен года, а это, в свою очередь, увеличивает биологическое разнообразие. В истории Земли происходили массовые вымирания видов, вызванные астероидными бомбардировками планеты и вулканической активностью. Например, Массовое пермское вымирание около 250 млн лет назад, вероятно, было вызвано извержениями вулканов на территории Сибири, когда огромные потоки лавы высвободили токсичные газы и выжгли множество угольных пластов, что способствовало глобальному потеплению. Образование суперконтинента также приводило к изменению береговой линии и связанных с ней морских экосистем. Каждое массовое вымирание вызывало экологическую перезагрузку, способствуя большему биологическому разнообразию и эволюции.

К сожалению, нам известна только одна такая планета — Земля. У нас слишком мало данных, чтобы определить, является ли сочетание всех этих условий абсолютно необходимым для развития жизнепригодности. Достаточно ли некоторых из этих условий или необходимы они все? У нас только одна планета для сбора данных, поскольку мы не знаем другой планеты земной группы с тектоникой плит, водой в жидком состоянии и большим естественным спутником. Со временем мы узнаем больше, потому что астрономы уже открыли ряд планет земного типа, обращающихся вокруг других звезд.

Раньше или позже мы увидим, есть ли на них условия, необходимые для жизни, правда, для того, чтобы увидеть детали, например океаны и тектонику плит, потребуются телескопы с более высоким разрешением и четкостью.

Мы также не знаем, зависят ли друг от друга некоторые уникальные условия: если они независимы, это делает их одновременное наличие маловероятным, если же они связаны, одновременность вполне объяснима. Например, наличие воды в жидком виде и тектоники плит (и таких связанных с ними процессов, как вулканизм и суперконтинентальные циклы) сильно зависят друг от друга, и потому их одновременное существование не может быть просто совпадением.

Возможно, на любой планете земного типа, где есть вода в жидком состоянии, есть и тектоника плит — мы этого пока просто не знаем. Точно так же гипотеза уникальной Земли предполагает, что эти условия необходимы для развития живой природы, какой мы ее знаем; в каком-то смысле это лишь «рецепт» для возникновения таких же форм сложной жизни, как на Земле, но не общая теория возникновения сложной жизни вообще. Пока это единственный рецепт, который нам известен. Но мы могли бы узнать рецепты и других форм жизни. Живя на нашей «провинциальной» планете, мы еще слишком мало знаем даже о Солнечной системе и не можем представить себе другие формы жизни.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.