Прокрути мы всю последовательность космической истории снова, могла бы жизнь зародиться раньше? Могла ли она развиваться быстрее? Или мы и так добились необычайного успеха, поскольку жизнь в целом очень редко принимает такие сложные формы? А что, если немного изменить условия в нашей Вселенной? Могла ли жизнь эволюционировать по-другому?‹‹5›› Стоит ли нам полностью сосредотачиваться на поисках сложной жизни? Кто сказал, что примитивные формы жизни, пусть даже отличные от земных, не заслуживают нашего внимания? Ответ на этот вопрос зависит от того, для чего это вам нужно: обсуждать кинофильмы или изучать процессы развития жизни. Чтобы понимать, при каких условиях жизнь может возникнуть во Вселенной, а при каких — нет, нам важно учитывать, из чего могут состоять живые организмы и откуда они берут строительный материал.
Мы все состоим из звездной пыли
Периодическая таблица Менделеева — настоящее произведение искусства. Это также наиболее удачная из когда-либо созданных научных схем‹‹6››. Она описывает все известные науке химические элементы и демонстрирует с невероятной наглядностью, как свойства вещества зависят от структуры его атомов. Элементы периодической таблицы образуют последовательность: каждый элемент описывается своим атомным числом, которое равно количеству протонов в его ядре. В ядре атома водорода — один протон, у гелия — два (уравновешенные двумя нейтронами), у лития — три и т. д. Это позволяет нам ответить на некоторые основополагающие вопросы мироздания (настолько основополагающие, что вы никогда о них не задумывались): существуют ли химические элементы легче водорода? Может ли существовать неизвестный науке элемент между водородом и гелием? Ответ на оба эти вопроса отрицательный — нельзя составить ядро атома, взяв какую-то часть протона. В периодической таблице нет пробелов: нам известны все существующие в природе элементы от водорода до урана (92 протона). Мы даже знаем последовательность элементов тяжелее урана — так называемые трансурановые элементы. Это короткоживущие, радиоактивные, нестабильные элементы, которые были искусственно получены в ядерных лабораториях.
Откуда взялись все эти элементы? Случайность ли то, что на Земле оказался их полный набор? Давайте вернемся к самому началу: если начать отсчет в момент Большого взрыва, то к тому времени, как вы досчитаете до 200 или около того, наблюдаемая Вселенная будет размером примерно в один световой год в диаметре. Все, что мы считаем «нормальной материей» — протоны, нейтроны, электроны, — находится в состоянии плазмы при температуре несколько миллионов градусов. Только что закончилась фаза первичного нуклеосинтеза, в ходе которой в результате слияния ядер водорода образовывались ядра гелия. Может показаться, что это фаза была не слишком продуктивной: лишь около 25 % от общей массы рассеянного во Вселенной водорода превратилась в гелий. Далее незначительная‹‹7›› часть получившегося гелия трансформировалась в литий. На этом все и закончилось. За последующие 600 млн лет не было создано никаких новых химических элементов.
Разумеется, обидно сознавать, что за кратким периодом бурной деятельности последовал столь долгий перерыв, но для этого имелись веские причины. Ядерный синтез возможен лишь в условиях огромных температур и плотностей‹‹8››. Такие условия существовали лишь в течение нескольких минут на раннем этапе существования Вселенной. В следующий раз они сложатся только после того, как возникнут первые звезды, и в условиях сверхвысоких температур и плотностей в недрах этих звезд вновь запылает огонь термоядерного синтеза.
Звезды — это настоящие ядерные скороварки, где элементы сливаются в термоядерном пламени, производя все более и более тяжелые атомные ядра вплоть до железа (содержащего 26 протонов). Вследствие некоторых особенностей физики элементарных частиц синтез атомных ядер легче железа в условиях высокой температуры и давления приводит к выделению небольшого количества дополнительной энергии. Эта энергия позволяет плазме оставаться горячей и тем самым поддерживает реакцию термоядерного синтеза. Но у атомных ядер тяжелее железа каждое слияние требует дополнительной энергии: в результате температура звезды снижается и ядерное буйство со временем затухает. Вследствие этого звезды, особенно массивные, способны производить элементы с атомным числом меньше железа, и не более того.
‹‹6›› Это также название очень хорошей книги, написанной Примо Леви.
‹‹7›› Одна десятимиллионная.
‹‹8›› Строго говоря, для того, чтобы два ядра слились в одно, нужна лишь высокая температура. Но без высокой плотности таких ядер будет очень мало.
‹‹9›› Если масса звезды выше, то даже давления вырожденного нейтронного газа будет недостаточно. После определенного предела формируется черная дыра.
‹‹10›› Тяжелее гелия.
‹‹11›› Да, и Плутон среди них.
‹‹1›› Удивительно, что в 1948 г. математик и создатель первых ЭВМ Джон фон Нейман использовал очень похожее определение жизни (в данном случае искусственной) во время одной из лекций, посвященных общей теории автоматов. Его идеи предвосхитили наши сегодняшние представления о молекулярной генетике.
‹‹2›› В основном благодаря наличию углекислого газа, метана и водяного пара в небольших, но значимых количествах.
‹‹3›› Плюс небольшое количество тепла, выделяемого при распаде радиоактивных элементов внутри Земли.
‹‹4›› Этот абзац можно считать коротким вступлением к теории эволюции. Если вы хотите глубже понять теорию Дарвина, я бы посоветовал вам следующий подход, состоящий из двух этапов: первый — прочтите книгу Ричарда Докинза «Слепой часовщик», второй этап — вернитесь в начало и повторяйте первый этап до тех пор, пока не достигнете понимания (Докинз Р. Слепой часовщик. — М.: Corpus, 2015).
‹‹5›› Для сравнения хочу напомнить, что самые старые метеориты имеют возраст 4,57 млрд лет, что считается верхним пределом возможного возраста Солнечной системы.
‹‹6›› Возможно, вы также знакомы с углеродом-14 (6 протонов и 8 нейтронов). В отличие от обычного углерода, 14C неустойчив и превращается в азот с периодом полураспада приблизительно 5000 лет — в геологическом масштабе почти мгновенно.
‹‹7›› Геохимическая летопись не позволяет нам определить, как эта ранняя жизнь преобразовывала углерод — как правило, в форме CO2 — в энергию. Мы не знаем, происходило это в результате реакции фотосинтеза (с выделением кислорода или без) или посредством биосинтеза метана (метаногенеза). Сведения не сохранились. Приходите в следующем эоне, может, ситуация прояснится.
‹‹8›› Формула такова: 6CO2 + 6H2O + энергия → C6H12O6 + 6O2.
‹‹9›› Правила приличия не позволяют мне назвать это событие величайшим отравлением в истории планеты.
‹‹10›› Его также находили в ядерных реакторах. Это живое воплощение утверждения Ницше: «То, что нас не убивает, — делает сильнее».
‹‹11›› Вы можете заменить эксперимент Миллера — Юри с маленьким теплым водоемом на другой, в котором будут воспроизводиться, например, условия в гидротермальных источниках срединных океанических хребтов. Постановка эксперимента изменится, но идеи, которые за ним стоят, останутся, в сущности, такими же.
‹‹12›› Вы можете спланировать собственный вариант эксперимента Миллера — Юри, но для этого потребуется воспроизвести условия космического вакуума и запастись изрядным терпением.
‹‹13›› Я часто задумывался над этим вопросом, когда играл в настольную игру «Первичный бульон».
‹‹1›› Если бы это был вопрос на миллион долларов! Тогда для ответа на него хватило бы одного исследовательского гранта.
‹‹2›› Представьте себе мускулистого Зевса (Юпитера) в обтягивающей футболке с надписью SUN (Солнце), и вы никогда больше не забудете порядок следования внешних планет — Сатурн, Уран и Нептун.
‹‹3›› Ватт — это единица мощности, или количества энергии, которое получает система за единицу времени. Для сравнения: чайник использует приблизительно 2000 Вт мощности, когда кипятит вам воду для чая. Общее количество энергии, потребовавшееся на кипячение воды, — это мощность чайника, умноженная на время, затраченное на кипячение. Если мощность измерять в ваттах, время в секундах, то тогда энергия будет выражаться в джоулях. Единицы измерения — великая вещь!
‹‹4›› Также известная как температура абсолютно черного тела в соответствии с традицией физиков XIX в., которые разработали математические основы теории.
‹‹5›› Подзаголовок объясняется тем, что студенческая аудитория реагировала на слово, содержащее приставку «пан», еле сдерживаемым хихиканьем.
‹‹6›› А как же, возразите вы, ALH84001 — марсианский метеорит, в котором, как утверждалось, были обнаружены микрофоссилии примитивных микроорганизмов? Вам придется потерпеть до главы, посвященной Марсу, в которой я собираюсь приоткрыть эту банку с микрочервями.
‹‹7›› Прошу прощения, но тут я снова заставлю вас подождать до главы, посвященной Марсу.
‹‹8›› Класс метеоритов SNC, включающий шерготтиты, наклиты и шассиньиты.
‹‹9›› Миссия «Кассини» завершилась 15 сентября 2017 г., когда космический аппарат прошел вблизи внутреннего кольца Сатурна (кольца D), после чего погрузился в атмосферу планеты и разрушился.
‹‹1›› Марсианские сутки, или сол, как принято говорить в НАСА, длиннее земных на 39 минут.
‹‹2›› Мои собственные впечатления от картины, переданной «Викингом», были более прозаичны. Посмотрев на большое поле, усыпанное камнями, все в ямах и рытвинах, я подумал: какая удача, что автоматический посадочный модуль, приземлявшийся на ракетных двигателях, ухитрился закончить посадку целым и невредимым, да еще в вертикальном положении.
‹‹3›› Команда марсоходов — прекрасный пример того, как сотрудники последовательных миссий, ставящие перед собой сходные цели, могут учиться на ошибках предшественников и проводить все более и более сложные научные эксперименты. А одиночные миссии таких возможностей лишены.
‹‹4›› Мелкая пыль, результат выветривания горных пород на планетах и спутниках. Это не совсем та почва, к которой мы привыкли на Земле, поскольку в ней нет продуктов разложения биологических организмов.
‹‹5›› Для сравнения: средняя глубина земных океанов составляет 3600 м. Это число уменьшится до 2600 м, если мы выровняем всю поверхность Земли, чтобы получился глобальный океан. Лишь около 3 % земной воды сосредоточено в ее полярных шапках. Если их растопить, то глубина океана увеличится на небольшую относительно средней глубины океана величину — около 100 м, хотя это существенно скажется на жизни 40 % населения Земли, живущего на расстоянии менее 100 км от океанского побережья.
‹‹6›› Среднее атмосферное давление на Марсе позволяет жидкой воде существовать только в очень узком диапазоне температур. При контакте с атмосферой водяной лед переходит из твердой фазы в газообразную.
‹‹7›› Но они не покрывали всю планету. Марс имеет несимметричное строение, для южного полушария в среднем характерны большие высоты, чем для северного. По-видимому, на Марсе были обширный северный океан и отдельные водоемы в других местах.
‹‹8›› Технические трудности связаны с тем, что линия метана в спектре излучения уже, чем спектральное разрешение прибора, который использовался для его обнаружения, что лишает это наблюдение необходимой достоверности.
‹‹9›› Можно рассмотреть гипотезу, что Марс, как Уэстли, герой фильма «Принцесса-невеста», «не совсем» мертв.
‹‹10›› Попробуйте ввести в поисковую строку Google «Curiosity REMS», чтобы получить сегодняшнюю погоду на Марсе. (REMS — станция мониторинга окружающей среды марсохода «Кьюриосити».)
‹‹11›› Буквально «спрятанные внутри камня».
‹‹12›› Технически это означает, что у этих пород более низкое альбедо, или отражательная способность. В результате они поглощают больше солнечной энергии, чем породы с высоким альбедо, и поэтому дневные температуры там выше.
‹‹13›› Очень двусмысленный каламбур в данном контексте.
‹‹14›› В действительности процесс поиска метеоритов не так прост. Поскольку они темнее окружающего льда, метеориты нагреваются и погружаются в ледяной покров Антарктиды. Но движению континентальных льдов препятствуют Трансантарктические горы. Особенности ледниковых течений приводят к тому, что метеориты возвращаются на поверхность, концентрируясь в относительно небольших областях. Ученые из группы поиска метеоритов снаряжают к подножиям Трансантарктических гор экспедиции на снегоходах и находят около 130 кг метеоритов за сезон. Именно так был обнаружен ALH84001.
‹‹15›› Есть мнение, что марсианский метеорит прозванный «Черный красавчик», старше. Однако притом, что он действительно содержит кристаллы циркона возрастом 4,4 млрд лет, по данным радиометрического анализа, эти фрагменты вкраплены в относительно молодую брекчию, которой не больше 2 млрд лет.
‹‹16›› И в конце концов след выведет вас на Билла Клинтона на лужайке перед Белым домом. (Я еще вернусь к этому моменту в конце книги.)
‹‹17›› Однако вызывал сомнение тот факт, что образец также содержал аминокислоты земного происхождения.
‹‹18›› Вся эта увлекательная история изложена в приложении к книге Шопфа «Колыбель жизни».
‹‹19›› Для сравнения: вторая космическая скорость для Земли составляет 11 км/с, а для Луны — 2,4 км/с.
‹‹20›› Правила приличия не позволяют мне высказать все, что я думаю по этому поводу.
‹‹21›› По крайней мере, если мы оснастим их электронный мозг радиационной защитой.