Помоги проекту - поделись книгой:
Простой факт, лежащий в основе дарвиновской эволюции, состоит в том, что некоторые гены создают признаки, которые повышают вероятность того, что организм, частью которого они являются, будет выживать достаточно долго, чтобы размножаться. Это, в свою очередь, означает, что данные гены будут переданы следующему поколению с большей вероятностью, чем другие. На жаргоне палеонтологов мы говорим, что эти гены отбираются. В конце концов, отобранные гены начинают преобладать, и если это случится достаточное количество раз, возникнет новый вид. Хотя Дарвин не и осознавал этого, когда обдумывал название для своей книги, он говорил о происхождении видов посредством передачи генов.
Вначале Дарвин не использовал этот термин, но фраза «выживание наиболее приспособленных» стала популярным способом описания эволюционного процесса. Дело в том, что «приспособленность» в дарвиновском смысле определяет та среда, в которой находится организм. Например, если кролик живет в среде, частью которой являются хищники, могут отбираться гены, позволяющие ему быстро бегать. С другой стороны, если он живёт в условиях нехватки пищи, важнее могут быть другие признаки — такие, как острое обоняние. Иными словами, общего определения приспособленности не существует — она полностью зависит от того, какие признаки дадут организму преимущество в конкретной среде обитания.
Одним из важных следствий постепенного характера эволюционных изменений является то, что при построении сценария развития организма в ответ на давление окружающей среды у нас должен получиться пошаговый процесс, в котором каждый шаг дает эволюционное преимущество. Говорить о том, что свиньям было бы лучше, если бы у них, например, были крылья[2] — это пустое занятие. Вы должны представить пошаговый процесс, который может привести к созданию крыльев, причём каждый шаг делает обладателя нового признака более приспособленным к условиям среды. Например, в таком сюжете могут фигурировать этапы, на которых выросты на боках свиньи помогают ей регулировать температуру тела, затем по мере развития позволяют ей планирующий полёт, и, наконец, превращаются в полноценные крылья. Необходимость обосновывать каждый шаг эволюции в понятиях теории Дарвина приобретёт особую важность, когда мы попытаемся построить эволюционные сценарии жизни в странных условиях экзопланет.
Прежде чем мы обобщим доказательства, подтверждающие теорию эволюции, нам нужно коснуться ещё одного вопроса, а именно скорости, с которой происходит эволюция. Здесь существуют две крайности. Одна из них заключается в том, что крупные изменения являются результатом накопления небольших изменений — это теория, известная как градуализм. Другая крайность носит название «прерывистое равновесие», и это означает, что в большинстве своём виды остаются практически неизменными на протяжении длительных периодов времени, а затем в течение короткого промежутка времени претерпевают быстрые изменения. Зная, что развитие происходит из-за изменений в молекуле ДНК, мы можем увидеть, как может реализоваться любой из этих вариантов. Мутация, которая влияет на один ген (и, следовательно, на специфическую химическую реакцию), скорее всего приведёт лишь к небольшим изменениям в организме. Однако мы также знаем, что существуют участки ДНК, которые не кодируют белки, а работают своего рода переключателями управления для целых серий генов. Мутация в этих областях вполне может привести к значительным изменениям — это тип изменений, востребованный концепцией прерывистого равновесия. Как это часто бывает в подобных ситуациях, правильным ответом на вопрос «Как развивалась жизнь на Земле — постепенно или посредством прерывистых процессов?» будет «да». Справедливо ли то же самое для жизни на экзопланетах, будет зависеть от конкретного механизма, посредством которого живые существа на них передают признаки от одного поколения другому.
Существует множество доказательств в поддержку теории эволюции, но давайте вкратце обратимся к двум важнейшим из них: это летопись окаменелостей и секвенирование ДНК. Среди множества видов окаменелостей самыми впечатляющими, несомненно, являются каменные копии скелетов и других твёрдых частей животных, умерших давным-давно. Они дают нам чёткое представление о том, как развивалась жизнь в прошлом, причём каждая форма жизни, которую мы видим сегодня, представляется ветвью на сложном древе жизни. Ещё мы нашли окаменелости иного рода — вроде отпечатков частей растений, и даже, в последние несколько десятилетий, останки одноклеточных организмов в очень древних породах. Именно открытие последних позволяет нам оценить время, которое было необходимо жизни для её развития на ранней Земле, что мы и сделали выше.
ДНК содержит «чертёж» живого существа, в котором она находится, и способность считывать последовательность, записанную в ней, даёт нам возможность реконструировать историю жизни на Земле ещё одним способом. Основная идея заключается в том, что чем больше разница в ДНК между двумя организмами, тем дальше во времени у них был общий предок. Добавьте сюда оценку скорости, с которой происходят мутации (так называемые молекулярные часы), и вы сможете использовать такого рода информацию для построения ещё одного родословного древа, отображающего развитие жизни на Земле.
С нашей точки зрения, тот факт, что генеалогическое древо, построенное на основе летописи окаменелостей, и генеалогическое древо, построенное на основе секвенирования ДНК, представляют собой одно и то же[3], является самым убедительным доказательством, подтверждающим идею эволюции путем естественного отбора, которое можно было найти. Далее по тексту мы позволим дарвиновской эволюции занять своё место рядом с такими вещами, как гравитация, в качестве основной информации о том, как работает Вселенная.
Естественный отбор не на Земле
Пока существуют процесс, посредством которого признаки передаются от одного поколения другому, и механизм, позволяющий эти признаки изменять, совершенно очевидно, что мы можем ожидать действия естественного отбора. Если жизнь основана на химии углерода или иного элемента, в окружающей среде всегда будут существовать агенты, способные создавать аналог мутаций — на ум приходят тепло, ультрафиолетовое излучение и химические реакции. При таком положении дел всегда будут существовать какие-то представители популяции, которые способны использовать окружающую среду лучше, чем остальные, и это всё, что необходимо для запуска процесса естественного отбора. Таким образом, наше предположение о жизни на экзопланетах по умолчанию состоит в том, что анализ, включающий дарвиновскую эволюцию — это как раз то место, с которого нужно начинать.
Важно подчеркнуть, что, хотя основным законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, будет естественный отбор, виды живых систем, создаваемых в соответствии с этим законом, будут сильно различаться в разных окружающих средах. Например, если бы жизнь развивалась во внешних слоях атмосферы газового гиганта, способность управлять парением могла бы дать преимущество, поскольку это позволило бы организму менять высоту полёта в поисках пищи (вспомните о нашем летающем драконе). С другой стороны, в мире, находящемся в приливном захвате (см. главу 10), способность противостоять интенсивным поверхностным ветрам может сделать выбор в пользу низкого роста и обтекаемого телосложения. В дальнейшем мы проанализируем окружающую среду на каждой из посещаемых нами экзопланет, и воспользуемся этим для определения направления, в котором с наибольшей степенью вероятности пойдёт естественный отбор.
Однако, сказав это, мы также должны признать, что гораздо интереснее будет представить себе ситуации, в которых дарвиновская эволюция может не сработать. Вот пара вариантов, до которых мы додумались.
Не существует отдельных организмов
Естественный отбор требует конкуренции между особями за ресурсы. А что, если форма жизни на экзопланете не состоит из отдельных индивидуумов, а представляет собой единое целое?
Самым крупным живым существом на Земле является гриб Armillaria ostoye, находящийся в Орегоне. Это единый организм, размеры которого превышают 2 мили (3 км) в поперечнике. Нетрудно представить такой организм, охватывающий целую планету. В этом случае попросту не было бы отдельных особей, которые могли бы конкурировать друг с другом. Означает ли это, что естественного отбора может не быть?
Это хитрый вопрос, и он требует хитрого анализа. Упомянутый выше гриб состоит из клеток, которые делятся по мере роста организма — это процесс, на который могут повлиять упомянутые выше факторы окружающей среды. Аналогичный процесс должен был бы происходить в некоем организме, выросшем до всепланетного размера. Если бы существовал также какой-то аналог мутации, возникшей в процессе клеточного деления, у нас могла бы возникнуть ситуация, при которой клетки в разных областях организма обладали бы разными способностями к использованию окружающей среды. Иными словами, вместо того, чтобы воздействовать на разных особей, в том мире естественный отбор будет воздействовать на разные части одной и той же особи.
Единственный способ обойти этот аргумент — это предположить, что сложный организм, охватывающий всю планету спонтанно возник полностью сформировавшимся. Однако такая возможность настолько маловероятна, что мы не побоимся просто проигнорировать её.
Планета Совершенство
Главное обстоятельство, поддерживающее естественный отбор на Земле, — это тот факт, что поверхность планеты постоянно меняется под воздействием бурного движения вещества в мантии. Таким образом, земные живые системы всё время играют в догонялки, постоянно пытаясь приспособиться к новой среде. Но что, если бы существовала планета, в которой эта ситуация не действует? Что, если бы была такая экзопланета, где всё оставалось неизменным на протяжении миллиардов лет?
Как только жизнь зародится в таком месте, как это — давайте назовём его «планета Совершенство», — она будет эволюционировать в соответствии с законами естественного отбора до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, после чего эволюционное давление исчезнет. Дело не в том, что мутации перестали бы появляться — они продолжали бы возникать в своём обычном темпе. Просто ни одна мутация не смогла бы улучшить ситуацию для жизни на планете Совершенство, поэтому они бы угасали, а жизнь оказалась бы в состоянии застоя.
Это не так уж сильно отличается от ситуации на Земле. Каждая мутация на нашей планете порождает то, что немецкий генетик Ричард Гольдшмидт (1878-1958) назвал «обнадёживающим монстром». Многие из таких «монстров» обладают мутациями, которые не повышают их шансы на выживание, поэтому через несколько поколений мутации исчезают. Нетрудно экстраполировать эту ситуацию на ту, при которой исчезают все обнадёживающие монстры, и это то, что мы открыли бы на планете Совершенство, если предположить, что она существует.
Смысл этих двух примеров состоит в том, чтобы просто проиллюстрировать тот факт, что, когда мы отправляемся в галактику для исследования жизни, мы должны непредвзято относиться почти ко всем правилам, которыми будем пользоваться. Да будет так. Так уж устроена вселенная. Так что давайте сначала воздадим ей должное, а уже потом будем ею наслаждаться.
5
В ПОИСКАХ ЖИЗНИ:
ПРАВДА ЛИ, ЧТО ОНА ГДЕ-ТО ЕСТЬ?
Среди всех внеземных мест, где должно быть легко найти свидетельства существования живых организмов, Марс, несомненно, возглавляет список. Пожалуй, за последние полвека на Красную планету прилетела настоящая армада космических кораблей. Спускаемые аппараты совершили посадки во многих местах на поверхности Марса, и в то время, когда мы пишем эти строки, марсоход «Кьюриосити» поднимается на интересную в геологическом отношении гору близ экватора планеты. Несомненно, к настоящему времени мы должны были бы получить окончательный ответ на вопрос о том, существует ли жизнь на этой планете сейчас или существовала ли она там в прошлом.
Не будем торопиться с выводами. Дело в том, что с 1976 года, когда спускаемый аппарат «Викинг» стал первым космическим кораблём человечества, посетившим поверхность Марса, в научном сообществе ведутся вялотекущие дебаты относительно доказательств существования жизни, обнаруженных этими машинами (или же их отсутствия). Важность этого вывода трудно переоценить. Если не будет разработано что-то вроде фантастического варп-двигателя из «Звёздного пути», мы никогда не сможем исследовать ни одну экзопланету так, как мы исследовали Марс. Если после полувека интенсивных исследований мы всё ещё не можем решить, есть (или была) ли там жизнь, есть ли у нас надежда ответить на этот вопрос применительно к планете, удалённой от нас на целые световые годы?
Поиск жизни на Марсе можно описать как упражнение в разочаровании. Раз за разом мы обнаруживали там вещи, которые можно было бы объяснить присутствием жизни, но лишь для того, чтобы понять, что их с таким же успехом могли бы объяснить обычные химические реакции. У нас на руках остаётся множество подсказок, но окончательных ответов на наши вопросы нет. Как мы уже сказали, это печально.
Марсианские хроники
Два спускаемых аппарата «Викинг» в 1976 году были успешно приведены в действие в разных местах на поверхности Марса. В каждый спускаемый аппарат были заложены четыре эксперимента, целью которых было обнаружение признаков жизни:
• анализ с использованием прибора под названием газовый хроматограф — масс-спектрометр, который предназначен для обнаружения и идентификации различных видов молекул
• эксперимент по газообмену, в ходе которого в марсианскую почву добавляли воду и питательные вещества, а затем проверяли её на наличие признаков биологической активности
• эксперимент с пиролитическим высвобождением, в ходе которого марсианская почва подвергалась воздействию газов, содержащих углерод, а затем нагревалась для поиска доказательств наличия фотосинтеза
• эксперимент с маркированным выбросом, который мы подробно обсудим далее
Результаты первых трёх экспериментов были однозначными: они не выявили никаких признаков биологической активности, и фактически вообще не обнаружили никаких признаков органических молекул. Однако эти эксперименты были разработаны исходя из предположения, что жизнь на Марсе будет иметь обмен веществ, аналогичный таковому у жизни на Земле — а это предположение, которое может быть верным или неверным, как мы уже указывали в главе 3. Они также были предназначены для отбора проб только из самых верхних слоёв марсианской почвы, не глубже примерно одного дюйма (2,5 см).
Однако результаты экспериментов с маркированным выбросом привлекли наибольшее внимание и вызвали дебаты, длившиеся полвека. Вот как осуществлялись эти эксперименты: образец почвы, собранный с поверхности, помещали в камеру и добавляли смесь воды и молекул питательных веществ. Эти молекулы были синтезированы так, чтобы в них содержалось большое количество атомов углерода-14. (Углерод-14 является более тяжёлым родственником более распространённого углерода-12.) Углерод-14 вступает в те же химические реакции, что и обычный углерод-12, но он радиоактивен. Следовательно, его присутствие в любом образце легко обнаружить. Логика эксперимента была проста. Если бы в марсианской почве были микробы, они усваивали бы питательные вещества и выделяли углекислый газ (радиоактивный), который появлялся бы в газе над образцом почвы. И вот, о чудо, оба спускаемых аппарата сообщили о присутствии газа с «меченым» углекислым газом.
К сожалению, эйфория, последовавшая за этим объявлением, оказалась недолгой. Когда во второй и третьей повторностях в камеру было добавлено больше питательных веществ, радиоактивного углекислого газа больше не наблюдалось. Если бы первоначальный сигнал исходил от микробов, утверждали учёные, то их популяция должна была бы расти и выделять больше газа всякий раз, когда добавлялся питательный раствор. Однако если бы этот сигнал был вызван небиологической химической реакцией в марсианской почве, реагирующие химические вещества израсходовались бы при первом впрыске, и никаких последующих взаимодействий не случилось бы. Конечно, это именно то, что увидели учёные, и общим мнением, как тогда, так и сейчас, является то, что спускаемые аппараты «Викинг» не обнаружили явных доказательств существования жизни на Марсе. Кроме того, последующие эксперименты выявили способы, посредством которых обычные химические реакции в марсианской почве могли привести к образованию обнаруженного углекислого газа.
Однако это ещё не конец истории. С 1976 года небольшая, но активная группа учёных утверждает, что данные «Викинга», будучи правильно интерпретированными, действительно установили наличие микробной жизни на Красной планете. Например, на крупной конференции НАСА по внеземной жизни в 2016 году почти всё время для вопросов и ответов после одной презентации было занято оживлённым (а иногда и жарким) обсуждением результатов, полученных «Викингом».
Но надежды на марсианскую жизнь поддерживали не только результаты экспериментов «Викинга». Ещё в 1971 году космический корабль «Маринер-9», находившийся на орбите Марса, прислал фотографии его поверхности, которые для всего мира выглядели как земные речные сети. С тех пор орбитальные и посадочные аппараты предоставили неопровержимые доказательства того, что по поверхности планеты когда-то текла жидкая вода, и что в начале истории Марса его северное полушарие несло на себе океан. Поскольку это происходило бы в то же время, когда развивалась жизнь на Земле, идея о том, что на раннем Марсе могла появиться жизнь, получила широкое распространение. Даже если эта жизнь вымерла, когда планета потеряла свои океаны и атмосферу, говорилось далее, мы должны суметь отыскать ископаемые доказательства этого.
У марсианской поверхности есть одна особенность, которая заставляет учёных скептически относиться к мысли о том, что свидетельства прошлой жизни в виде органических молекул могут сохраняться и сегодня. Поскольку у Марса нет магнитного поля, он постоянно подвергается интенсивной бомбардировке солнечным излучением. Это создает высокие концентрации перекиси водорода (H2O2), мощного дезинфицирующего средства. В результате учёные полагали, что поверхность Марса, по сути, будет продезинфицирована, что уничтожит любые органические молекулы, созданные живыми организмами в прошлом.
Однако в 2018 году марсоход «Кьюриосити» обнаружил органические молекулы в горных породах, которые образовались, когда на Красной планете ещё существовали океаны на поверхности. И хотя эти молекулы, вероятно, не были созданы живыми организмами, их присутствие даёт нам надежду на то, что молекулы, которые в прошлом были частью живых систем, могли сохраниться до настоящего времени.
А как насчёт жизни, существующей на Марсе прямо сейчас? Мы взяли пробы только с верхнего уровня поверхности планеты, опустившись не более чем на несколько дюймов. Может ли скрываться нечто важное на больших глубинах? Пока марсоход «Кьюриосити» медленно торил себе путь по марсианскому ландшафту, аппарат «Mars Reconnaissance Orbiter» обнаружил на поверхности следы потоков, которые темнеют в зависимости от времени года. Эти следы могут образовываться в результате случайных извержений солёной воды из недр Марса, хотя некоторые учёные недавно предположили, что причиной их появления являются потоки песка, а не воды. Кроме того, в 2018 году учёные, анализируя данные с орбитального аппарата «Марс Экспресс», предположили, что под южным полюсом Марса находится озеро жидкой воды. И если сегодня под поверхностью имеется жидкая вода, разумно спросить: а не существует ли там ещё и микробная жизнь? Это ещё одна возможность, которую мы должны изучить.
А ещё есть метан. Метан — это простая молекула, состоящая из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода. Мы знаем его как природный газ и используем для обогрева наших домов и выработки электроэнергии. Это второстепенный компонент атмосферы Земли, составляющий чуть более 1800 частей на миллиард по объему (т.е. около 0,00018 процента земной атмосферы). Примерно 95 процентов земного метана образуется в результате микробиологических процессов, но существуют и небиологические процессы, в ходе которых он также может выделяться: например, когда грунтовые воды взаимодействуют с магмой вблизи вулканических горячих источников, или, что гораздо медленнее, когда обычные химические реакции в окружающей среде превращают оксид железа (ржавчину) в некоторые другие типы минералов.
В 2003 году астрономы на Земле, наблюдая в телескопы, обнаружили присутствие метана в атмосфере Марса с помощью метода, называемого спектроскопией, который мы опишем ниже. Его было немного — всего около 10 частей на миллиард по объему, намного меньше, чем концентрация на Земле, — но он там определённо был. Затем, когда марсоход «Кьюриосити» двигался по поверхности Марса в конце 2013 и начале 2014 года, произошло нечто странное: количество метана внезапно возросло, превысив в 10 раз порога обнаружения, а затем снова упало через пару месяцев.
Что же могло вызвать это странное событие, которое учёные сейчас называют выбросом метана? Это мог быть выброс в атмосферу пузыря метана, образовавшегося в результате обычных небиологических реакций. С таким же успехом это мог быть и результат резкого роста популяции подземных микробов. Хотя существование метана само по себе наводит на размышления, это определённо не доказательство существования жизни под землёй на Марсе. Еще один намёк, ещё одно расстройство.
Странная история ALH84001
Горы Алан Хиллс — это богом забытый уголок Антарктиды, расположенный примерно в 130 милях (200 км) к югу от основной американской базы в проливе Мак-Мердо. Любой, кто посетит этот район, увидит лишь обширные ледяные равнины с ледниками, медленно надвигающимися на линию невысоких холмов. Реакция большинства людей на это место проста: за каким чёртом кто-то захотел бы туда поехать? Ответ оказывается очень простым: за метеоритами.
Для начала, позвольте сказать пару слов для объяснения. Когда метеорит падает где-нибудь в ледниках вокруг Алан Хиллс, он вмерзает в лёд. Когда ледник течёт, он уносит метеорит с собой. Когда ледник поднимается на невысокие холмы, лёд стирается ветром (технический термин для этого —
В 1984 году учёные, катавшиеся на снегоходах по ледникам, подобрали метеорит. Он не выглядел впечатляюще — размером с грейпфрут, весил около 4 фунтов (1,8 кг) и был покрыт почерневшим слоем, который появляется на метеоритах, когда они проносятся сквозь атмосферу Земли. Он получил название ALH84001: ALH от Алан Хиллс и 84001, потому что это был первый метеорит, найденный в 1984 году. Потом его положили куда-то в ящик стола и забыли на десять лет.
Однако, когда его, наконец, проанализировали в середине 1990-х годов, оказалось, что ALH84001 — редкая находка. Во-первых, газ, заключённый во внутренних пузырьках, соответствовал химическому составу атмосферы Марса, показывая, что метеорит происходит с этой планеты. Само по себе это не так уж необычно — мы обнаружили более 100 кусков породы, которые были выбиты с поверхности Марса астероидами и оказались на Земле. А вот возрастные характеристики ALH84001 действительно привлекали внимание. Радиометрическое датирование установило, что порода образовалась около 4 миллиардов лет назад, когда на Марсе было много жидкой воды. Метеорит был выброшен с Марса около 17 миллионов лет назад в результате падения метеорита, блуждал по орбите вокруг Солнца, и в итоге упал в Антарктиде около 13 000 лет назад. Другими словами, ALH84001 сформировался в то время, когда на Марсе могла развиться жизнь. Это молчаливый памятник тому периоду, когда сосед нашей планеты был очень похож на Землю.
В 1996 году группа учёных НАСА во главе с астрономом Дэвидом Маккеем (1936-2013) сделала удивительное заявление. После изучения ALH84001 они утверждали, что метеорит содержал окаменелости живых существ, которые обитали на Марсе. В основе их утверждения лежали четыре открытия:
• наличие в метеорите органических молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ)
• физическое сходство минеральных структур метеорита с окаменелостями земных микробов
• сходство комбинаций минералов в метеорите с теми, которые образуют земные бактерии
• наличие в метеорите цепочек кристаллов магнетита, подобных тем, которые встречаются в некоторых земных микробах
Трудно переоценить то влияние, которое оказало это утверждение на учёных и общественность. Оно даже стало причиной заявления президента Билла Клинтона в Белом доме, и, возможно, повлияло на создание нынешней программы НАСА в области астробиологии. Но шло время, и начали всплывать неизбежные контраргументы.
Например, отмечалось, что молекулы ПАУ встречаются во Вселенной повсеместно и обнаруживаются во многих местах — таких, как кометы и даже межзвёздное пространство, где жизни нет. Что касается физического сходства «окаменелостей», то было отмечено, что формы некоторых известных небиологических минеральных образований на Земле имитируют формы клеток. Кроме того, образования из метеорита, объявленные биологическими, были примерно в 100 раз меньше, чем те, что обнаруживаются в любых известных клетках на Земле. На самом деле они должны были бы быть примерами нового класса жизни, известного как нанобактерии — это нечто теоретически возможное, но так никогда и не обнаруженное. Наконец, было высказано предположение, что некоторые из помянутых учёными комбинаций минералов были результатом процедур, используемых при подготовке образцов для исследования в электронных микроскопах.
Некоторое время самым сильным аргументом в пользу утверждения о марсианских окаменелостях оставались цепочки магнетита. Земные бактерии используют подобные цепочки, чтобы различать «верх» и «низ» в мутной воде пруда, следуя линиям магнитного поля. Поскольку у Марса в начале его жизни, возможно, было магнитное поле (сейчас его нет), такая адаптация имела бы смысл на Красной планете. Однако учёные показали, что кристаллы магнетита того типа, который был обнаружен в ALH84001, могли появиться в результате небиологических процессов, связанных с прохождением метеорита сквозь атмосферу Земли до его столкновения с поверхностью.
Итак, мы снова сталкиваемся с неоднозначными доказательствами, вызывающими лишь разочарование. Структуры в ALH84001
Спектроскопия как последний довод
В самом начале 19 века французский философ Огюст Конт (1798-1857), выделивший область науки, которую он назвал социальной физикой, а мы называем социологией, составил список научных проблем, которые никогда не будут решены. Примечательным дополнением этого списка был химический состав звезд.
Рассуждения Конта были просты. В его время единственным способом определения химического состава какого-либо материала было подвергнуть его анализу в лаборатории. Поскольку мы никогда не сможем положить кусок «звёздного вещества» на лабораторный стол, рассуждал Конт, мы никогда не сможем узнать, из чего сделана звезда. Можно даже представить себе, как он говорит, что мы никогда не сможем узнать химический состав экзопланеты, поскольку не можем отправиться туда.
Однако в 1859 году два немецких учёных, каждый из которых был известен главным образом своими прочими достижениями, встретились в лаборатории в Гейдельберге и изменили наш подход к анализу Вселенной. Густав Кирхгоф (1824-77) хорошо известен студентам-физикам как автор свода законов, позволяющих анализировать сложные электрические цепи, а Роберт Бунзен (1811-99) изобрел бунзеновскую горелку, которая есть в любой самой простой химической лаборатории. Они ввели в употребление процесс, в ходе которого свет от нагретого образца чистого материала пропускался через стеклянную призму для разделения цветов. Вместо того, чтобы получить ожидаемый непрерывный спектр (как радуга) они обнаружили, что каждый химический элемент даёт характерный, уникальный и хорошо распознаваемый набор определённых цветов. Эта совокупность называется спектром излучения, и поглощению фотонов определённых энергий соответствует определённый спектр. Раздел науки, посвященный изучению этих спектров, называется спектроскопией.
На самом деле тот факт, что химические элементы излучают свет определённого цвета, вам знаком. Вы когда-нибудь замечали, что некоторые уличные фонари излучают желтоватый свет? Такие натриевые лампы часто используются в районах, где часто бывают туманы, потому что их цвет обеспечивает наилучшую видимость в таких условиях.
Поскольку каждый химический элемент излучает свет с характерным набором цветов, если мы увидим этот оптический «отпечаток» в свете от какого-то источника, то мы можем быть уверенными, что источник содержит соответствующий химический элемент. Смысл этого так называемого спектроскопического анализа заключается в том, что неважно, насколько удалён источник света от детектора. Это может быть несколько дюймов или же несколько миллиардов световых лет. Как только спектроскопический «отпечаток» сформируется, он останется в луче света навсегда.
Здесь есть один забавный побочный эффект: в наше время сложный спектроскоп может поставляться с собственным встроенным компьютером и стоить много тысяч (и даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен построили первый спектроскоп из пары старых подзорных труб и (хотите — верьте, хотите — нет) коробки из-под сигар.
Лишь в начале 20-го века учёные, создавшие дисциплину под названием квантовая механика, выяснили, наконец, каким образом атомы образуют спектры. Вот упрощённая картина атома, которую они разработали: в отличие от планет в солнечной системе, электроны в атоме не могут иметь орбиты в произвольных местах. Их можно найти только на определённых расстояниях от ядра — на так называемых энергетических уровнях. Каждый из них обладает определённой энергией, поэтому, когда электрон перемещается между ними, атом будет излучать или поглощать определённое количество излучения, соответствующее разнице. Он испускает излучение, если электрон приближается к ядру, и поглощает излучение, если электрон удаляется от ядра. Поскольку атомы разных химических элементов обладают уникальным расположением энергетических уровней, каждый химический элемент поглощает и испускает излучение с уникальным набором частот — вот, что создаёт спектр.
Однако спектры излучают не только атомы. Любая система, в которой могут присутствовать разные энергетические уровни, может генерировать характерный «отпечаток». Например, сложные молекулы могут вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждый из этих режимов порождает характерный спектр. Поэтому можно подумать, что наука спектроскопия даёт нам идеальный способ поиска молекул, производимых живыми системами на далёких экзопланетах. Достаточно просто найти характерные следы биологических молекул в спектрах экзопланет, и мы получим неопровержимые доказательства существования жизни.
Давайте же взглянем на Землю: на химический состав её атмосферы оказало сильное влияние присутствие жизни. Вообще, среди всех многих сотен известных атмосферных газов лишь очень немногие не подвержены влиянию присутствия живых существ. Гелий, например, образовался в результате Большого взрыва и составляет около 1 процента атмосферы. Аргон присутствует в ещё меньших количествах; он образуется в результате радиоактивного распада калия глубоко в недрах Земли. Но в остальном живая природа образует, разрушает или видоизменяет практически каждый из газов атмосферы.
Кислород, которым мы дышим, образовался в результате фотосинтеза, в ходе которого растения используют солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа в углеводы. Ультрафиолетовый свет Солнца расщепляет биологический молекулярный кислород — два атома кислорода, тесно связанных друг с другом, — на отдельные атомы кислорода. Затем они вступают в реакцию с молекулярным кислородом с образованием озона (O3). При дыхании и разложении организмов образуется углекислый газ — в противоположность процессу фотосинтеза. Другие газы, вроде сероводорода, выделяют сине-зелёные водоросли. А некоторые виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. Жизнь «проявляет» себя в составе земной атмосферы. Мы называем эти произведённые биологическим путём химические вещества биомаркерами или биосигнатурами жизни на Земле.
Можно подумать, что было бы легко просто найти такие химические вещества в атмосферах экзопланет с использованием техники спектроскопии, чтобы установить, есть ли там жизнь. Но при таком подходе мы сталкиваемся с тремя сложностями.
Первая сложность заключается в том, что экзопланеты светят чрезвычайно слабо для нашего зрения. Мы замечаем их по свету, который они отражают от центральных звёзд своих систем. На расстояниях, огромных даже в случае ближайших к Земле звёзд, обнаружить свет, отражённый планетой, невероятно сложно. Однако в последние несколько лет астрономы пользовались высокочувствительными детекторами, а также кое-какими довольно хитроумными стратегиями, для изучения света, отражаемого множеством экзопланет. Самая успешная стратегия состоит в том, чтобы исследовать свет звезды, когда планета находится позади неё, а затем исследовать их смешанный свет, когда экзопланета находится перед звездой. Вычитание первого из второго даёт совокупность частот излучения экзопланеты, которую мы называем её спектром.
Вторая сложность заключается в определении характерных следов конкретных молекул, которые находятся в спектре экзопланеты. Как отмечалось выше, каждый химический элемент и молекула обладают уникальным световым «отпечатком». Но чаще всего уникальная характеристика света, которая идентифицирует биомаркер, составляет лишь очень небольшую часть общего спектра экзопланеты. Это означает, что нам нужно собрать много света от экзопланеты, для чего обычно требуются большие телескопы.
Третья сложность — самая значительная. Как нам решить, какие биомаркеры действительно доказывают наличие жизни на экзопланете? Как уже обсуждалось выше, жизнь производит или изменяет большинство газов в атмосфере Земли, поэтому поиск таких же газов в атмосферах планет вокруг далеких звёзд, чтобы определить, какие из них демонстрируют наличие жизни, показался бы простым делом. Но, как обычно, всё не так просто.
Проблема состоит в том, что небиологические процессы могут привести к образованию практически любой молекулы, которую мы считаем биомаркером в атмосфере Земли. Возьмём, например, кислород. Ультрафиолетовый свет Солнца разрушает молекулы воды в атмосфере, высвобождая атомы кислорода, которые могут рекомбинировать, образуя молекулярный кислород. Таким образом, хотя значительная часть молекулярного кислорода образуется в результате фотосинтеза, не весь он образуется таким способом. Или взглянем на метан. Как мы уже отмечали выше, его можно получить различными способами, и многие из них не связаны с биологией. То же самое можно сказать и о сероводороде (который обладает характерным запахом тухлого яйца), который вырабатывается серовосстанавливающими бактериями, процветающими в экстремальных условиях на Земле — но также в результате вулканических процессов. Мы могли бы продолжить, но суть ясна: практически для каждой молекулы, которую мы могли бы идентифицировать как потенциальный биомаркер жизни на экзопланете, существует небиологический механизм формирования.
Некоторые учёные подумывают об использовании комбинаций молекул, полученных биологическим путём, для установления присутствия жизни. Возьмём в качестве примера кислород и метан. На Земле концентрация метана нестабильна, потому что он окисляется (сгорает) в атмосфере. И всё же он явно присутствует, потому что биология быстро производит его параллельно кислороду. Если бы мы отключили всю биологию на Земле, наша атмосфера потеряла бы свой метан всего за несколько десятков лет. Кислород сохранялся бы примерно несколько тысяч лет, если бы вся жизнь прекратилась, но он тоже в конечном итоге исчез бы, поскольку включился бы в состав минералов. Таким образом, присутствие и кислорода, и метана вместе может служить биомаркером, даже если присутствие любого из этих газов, взятого отдельно, таковым не будет.
Поиск биомаркеров на экзопланетах, безусловно, значительно сложнее, чем просто поиск газов, образующихся в результате биологических процессов на Земле. В настоящее время это область исследований и дискуссий в сообществе учёных, изучающих экзопланеты. На данный момент суть проблемы, по-видимому, заключается в том, что мы не в состоянии выдвинуть неоспоримое утверждение об обнаружении жизни, взглянув на спектры отдельных атомов и молекул — по крайней мере, тех атомов и молекул, которые мы можем наблюдать в спектрах экзопланет. По-видимому, поиск комбинаций газов, имеющих биологическое происхождение, является наилучшим способом достижения успеха в решении этого вопроса.
Следующий шаг
На данный момент мы установили, что естественный отбор (дарвиновская эволюция) должен действовать, придавая облик жизни практически на любой из открытых нами экзопланет, и мы увидели, как трудно будет найти неопровержимые доказательства того, что такая жизнь действительно присутствует там. Однако давайте пока отложим эту проблему в сторону и сосредоточимся на том, как законы естественного отбора могут работать в невероятном разнообразии природных условий, которые, как мы уже знаем, существуют на экзопланетах. Это то, что мы называем исследованием воображаемой жизни.
В дальнейшем мы представляем каждый новый мир при помощи короткого выдуманного очерка, где описывается, как человек, должным образом защищённый и оснащённый сенсорным оборудованием, может воспринимать окружающую среду, с которой он сталкивается. Мы выбрали этот способ представления планет по одной простой причине: как мы уже неоднократно подчёркивали, земная жизнь — это единственный вид жизни, о котором мы знаем. Таким образом, именно её составной частью являются единственные живые организмы, о реакции которых на новую окружающую среду мы можем догадываться с определённой надеждой на успех.
Держа это в памяти, давайте взглянем на мир, который мы назовём Айсхейм.
6
АЙСХЕЙМ
ЖИЗНЬ В ГЛУБОКОЙ ЗАМОРОЗКЕ
Вы находитесь в длинном тёмном тоннеле, окружённом сплошным льдом. Единственный свет, похоже, исходит из далёкого вулканического жерла, которое извергает в ваш тоннель расплавленный материал из недр планеты. У своих ног вы смутно различаете трубу, ведущую в конец тоннеля. Воздух вокруг неё тёплый и влажный, и вы видите, что она выбрызгивает горячую воду, чтобы растопить во льду свободный проход от жерла к выходу. В животе урчит — эта поездка сюда заставила проголодаться. Вы замечаете, что вокруг вулканического жерла раскинулись поля червей, живущих в трубках — белых и красных. Вы пробуете на вкус одного из них. Неплохо. Возможно, они могли бы стать основным продуктом вашего рациона здесь, на этой странной планете под названием Айсхейм.
Мы начнём наше исследование возможной жизни на экзопланетах с рассмотрения целого ряда водных миров вроде Айсхейма, простая структура которых позволяет сравнительно легко анализировать их. Представьте себе эти миры как нечто вроде слоёного пирога (пусть даже и сферического): в самом центре находится сферическое ядро, состоящее из тяжёлых элементов вроде железа и никеля. Слой вокруг этого ядра состоит из более лёгких материалов — похожих на породы, из которых состоят мантия и кора Земли. Над этим слоем находится слой воды, а над ним — газообразная атмосфера.
Этот слоёный пирог может принимать самые разные формы. Если слой воды промёрзнет полностью, у нас будет ледяной мир вроде того, который в этой главе мы называем Айсхеймом. Если замёрзнет лишь поверхность воды, а под поверхностью будет находиться жидкий океан, у нас будет мир, подобный тому, который в главе 7 мы называем Новой Европой. Если жидкая вода покроет всё так, что суши не будет, у нас будет настоящий водный мир наподобие того, что в главе 8 мы называем Нептунией. Наконец, если существуют и суша, и жидкие океаны, которые сохраняются на протяжении миллиардов лет, у нас будет то, что в главе 9 мы называем миром Златовласки. Мимоходом отметим, что Земля — это именно такой мир.
Важный момент, который мы будем повторять раз за разом, состоит в том, что эти категории несколько непостоянны. Если бы океаны Земли замёрзли на поверхности, она превратилась бы из мира Златовласки в мир, подобный Новой Европе, а если бы наши моря промёрзли до дна, Земля стала бы миром вроде Айсхейма.
После этого общего введения, давайте перейдём к изучению нашего первого водного мира — самого простого мира, который мы можем себе представить. Это мир, в котором внешний слой воды промёрз до дна. Мы назвали его Айсхейм, потому что его замёрзшие просторы вызывают в памяти образы скандинавов и викингов с нашей собственной планеты. Название (с суффиксом -
Существует ли такой мир на самом деле? Как мы утверждали в главе 1, практически любой мир, который вы можете себе представить, существует где-то на просторах Млечного Пути, — пока он не выходит за рамки законов физики, — и Айсхейм не будет исключением. Вообще, оказывается, что такие миры, как Айсхейм, могут быть довольно обычным явлением в нашей галактике.
Мы можем понять это, если подумаем о том, как формировались планеты в нашей солнечной системе. Они росли за счет накопления материалов из газового облака в форме блина, которое вращалось вокруг новоиспечённого Солнца. Во внутренней части солнечной системы планеты поглощали самые разнообразные материалы, от самых тяжёлых металлов вроде никеля и железа до самых лёгких газов — таких, как водород и вода. Когда формировалась каждая из этих планет, тепло, выделяемое всей массой сливающейся материи, заставляло её плавиться и превращало планету в плотную горячую магму. Самые тяжёлые материалы наподобие металлов опускались в центр, тогда как более лёгкие материалы вроде камней всплывали наверх.
Когда такая планета прекращала расти, она начинала остывать. Ядро (или, по крайней мере, его части) планеты, формирующейся по образу и подобию Земли, может оставаться жидким в течение многих миллиардов лет, если планета такая же большая, как наша, или может остывать и затвердевать быстрее, если планета меньше — как Марс. В нашей системе лишь Земля и Венера всё ещё сохраняют жидкое ядро; у других планет ядро давно остыло и полностью затвердело. Таким образом, мы ожидаем, что планеты земной группы будут обладать твёрдым ядром с жидким компонентом или без него. Мимоходом отметим, что именно движение жидкого ядра создаёт магнитное поле Земли, а отсутствие жидкого ядра приводит к тому, что у Марса такое поле отсутствует.
В настоящее время мы знаем, что вода — это обычное явление в галактике. Планеты, где на долю воды приходится, как минимум, несколько процентов от общей массы, могут составлять до 5 процентов от всех недавно открытых экзопланет. (Обратите внимание, что, если в галактике действительно существует 30 триллионов планет, как мы утверждали в главе 1, то планет описываемого нами типа будет больше триллиона.) Любой из этих миров, который находится вдали от своей центральной звезды, остынет до такого состояния, когда его водяной слой будет существовать в форме льда.
Мы обнаружили несколько примеров экзопланет, которые могли бы быть очень похожими на наш гипотетический Айсхейм. Самой поразительной является также самая удалённая из известных экзопланет. Она называется OGLE 2005-BLG-390Lb (в честь эксперимента по оптическому гравитационному линзированию [Optical Gravitational Lensing Experiment, OGLE], в ходе которого её обнаружили). Она находится в созвездии Скорпиона и расположена примерно в 21 500 световых лет от Земли. Масса планеты примерно в 5,5 раз больше массы Земли, но температура поверхности составляет -360 °F (-218°C). Этот мир получил прозвище «Хот», потому что напомнил своим первооткрывателям ледяной мир в фильме «Империя наносит ответный удар».
Таким образом, оказывается, что миры с металлическим ядром и мантией из скальных пород, окружённые водой, могут быть обычным явлением. Мы начнём исследовать важные аспекты нашей воображаемой жизни в таких мирах с того, что немного обдумаем мир Айсхейма.
Энергия
Энергия требуется для любой жизни, поэтому мы хотим определить возможные источники энергии, которые могут существовать на поверхности и внутри того или иного мира. Самый простой тип энергии, который можно рассмотреть, — это, конечно же, излучение звезды у планеты. Это именно тот тип энергии, который питает большую часть биосферы Земли. Принимая во внимание низкие температуры на поверхности Айсхейма, можно подумать, что планета должна находиться вдали от своей звезды, но это не обязательно так. Например, если бы не присутствие углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере, средняя температура на Земле была бы около 0°F (-18 °C) — гораздо ниже точки замерзания воды. Поверхность Земли, в том числе океаны, замёрзнет, несмотря на то, что мы находимся относительно близко к Солнцу. На самом деле, как мы указывали в главе 3, пару раз в геологическом прошлом из нашего мира уже получалась так называемая «Земля-снежок» — это события, от которых планета была спасена, когда вулканы выбросили углекислый газ обратно в атмосферу, создав сильный парниковый эффект, который растопил всемирный ледяной покров.
Однако события «Земля-снежок» были недостаточно продолжительными, чтобы океаны успели промёрзнуть до дна, поэтому наша планета никогда не была ледяным миром наподобие Айсхейма. Вместо этого в состоянии «Земля-снежок» на нашей планете существовал бы подповерхностный океан, как на Европе, спутнике Юпитера. Мы подробнее обсудим миры такого рода в следующей главе.
Другим (и, на наш взгляд, более важным) источником энергии для жизни на Айсхейме является тепло, исходящее от его ядра, находящегося под слоем льда. Существует несколько возможных источников этого тепла, и относительная доля их участия будет зависеть от возраста и размера ядра.
Первый источник — это остаточное тепло от образования экзопланеты. В начале своей истории протопланета, ставшая Айсхеймом, двигалась по своей орбите, собирая весь рассеянный материал в своих окрестностях. Если бы вы оказались в это время на её поверхности, то вы наблюдали бы непрерывный дождь из падающих метеоритов. Энергия, приносимая этими метеоритами, была преобразована в тепло. (На Земле, как мы видели выше, такие метеориты выделяли достаточно тепла, чтобы полностью расплавить планету.) Как только весь метеоритный материал стал частью новорождённой планеты, началось неизбежное остывание. В случае Земли, спустя 4,5 миллиарда лет после образования нашей планеты, этот процесс всё ещё продолжается — добрая половина тепла недр является результатом этого исходного расплавления.
Распад радиоактивных элементов в недрах планеты — это ещё один источник тепла. Некоторые из них имеют удивительно долгий период полураспада, поэтому они снабжают ядро энергией на протяжении длительного времени. Например, период полураспада урана-238 составляет около 4,5 миллиардов лет — его продолжительность примерно равна возрасту Земли. Таким образом, у Земли всё ещё остаётся примерно половина её исходного запаса этого на удивление распространённого элемента. Учёные подсчитали, что вторая половина тепла, поступающего из недр Земли, образуется за счёт распада долгоживущих радиоактивных элементов вроде урана-238.
Количество радиоактивного материала, находящегося внутри Айсхейма, будет зависеть от химического состава облака межзвездной пыли, из которого он сконденсировался, и который, в свою очередь, будет зависеть в первую очередь от видов звёзд, чьи остатки посде взрыва сверхновой создали облако. У звёзд, образовавшихся из облаков, состоящих главным образом из первичного водорода, — так называемых звёзд первого поколения — в их первоначальном составе было совсем немного радиоактивных материалов. С другой стороны, можно ожидать, что системы, которые конденсируются из облаков, обогащённых за счёт переработки вещества ядерными реакциями за несколько поколений жизни звёзд, будут обладать гораздо более высокими концентрациями этих элементов и, следовательно, в недрах их планет выделится больше тепла, образующегося за счёт радиоактивности. Для справки: наша солнечная система считается третьим поколением — этим и объясняется высокий уровень радиоактивности, при котором мы живём, и широкий спектр элементов, которые мы здесь обнаруживаем.
Если принять во внимание эти два источника планетарного тепла, становится понятно, что размер ядра имеет огромное значение, и мы можем подтвердить это, рассмотрев объекты в нашей солнечной системе. Понять динамику тепла в ядре планеты можно, если представить себе кастрюлю с водой на плите. Когда происходит нагрев, вода вначале неподвижна, но, если подержать над ней руку, можно почувствовать тепло, излучаемое в комнату. Тепло передаётся через воду в результате столкновений молекул друг с другом — это процесс, который мы называем теплопередачей. Однако в итоге накопление тепла достигает такого состояния, что оно больше не может передаваться путём теплопередачи, и вода начинает кипеть. Вода, нагретая на дне кастрюли, поднимается на поверхность, где излучает энергию в помещение и охлаждается, а затем опускается обратно на дно. Этот процесс называется конвекцией, и он начинает работать, когда тепла слишком много, чтобы его можно было отводить исключительно за счёт теплопередачи.
Если ядро Айсхейма маленькое, как ядро у Меркурия, Марса и земной Луны, то внутреннее тепло уйдёт на поверхность за счёт теплопередачи, планета быстро остынет, и Айсхейм превратится в стабильный мёртвый мир. Однако, если ядро Айсхейма более крупное, больше похожее на ядро Земли или Венеры, всё становится гораздо интереснее.
На самом деле Земля представляет собой яркий пример действия конвекции. На протяжении сотен миллионов лет породы в мантии планеты «кипят», вынося расплавленную магму из недр на поверхность. В целом, чем больше ядро, тем больше энергии будет подниматься вверх за счет конвекции. Для наших целей самой важной особенностью этого процесса является образование горячих вулканических источников — областей, где богатые энергией материалы выводятся на поверхность. Срединно-Атлантический хребет, подводная горная цепь, протянувшаяся от Исландии до края Антарктиды, представляет собой такую особенность. Эти горы состоят из магмы, которая поднялась из жерл на морском дне вдоль центральной рифтовой долины хребта, а затем остыла, когда достигла дна океана. Если ядро Айсхейма достаточно велико, то мы можем ожидать, что подо льдом будут присутствовать такого рода жерла, и этот факт будет очень важен, когда мы станем обсуждать развитие жизни в этом месте.
Существует два важных вида энергии, которые поднимутся на поверхность через жерла Айсхейма. Один из них — это, разумеется, тепло. Вполне вероятно, что тепла хватит, чтобы растопить достаточное количество льда и создать вокруг жерла пузырь жидкой воды значительных размеров. В таких пузырях мы ожидаем найти те же молекулярные процессы, которые привели к появлению жизни, наблюдаемой нами вокруг гидротермальных источников на Земле.
Второй вид энергии, которая поступит из недр планеты, будет иметь химическую природу. Мы знаем, что наряду с магмой гидротермальные источники срединно-океанических хребтов на Земле (называемые «чёрными курильщиками») выносят из недр смесь разнообразных химических элементов. Они поставляют сырьё для богатой и разнообразной глубоководной экологии. На Земле вблизи гидротермальных источников процветают живые существа, начиная с бактерий, находящихся в самом низу пищевой цепочки в глубоководных участках океана, и заканчивая гигантскими трубчатыми червями и крабами. Вместо того, чтобы использовать для энергетической подпитки жизни солнечный свет, как это происходит у деревьев и трав на поверхности Земли, эти бактерии используют для получения энергии для своего обмена веществ процесс, известный как хемосинтез — на основе метана и соединений серы, а также минералов, растворённых в жидкостях гидротермальных источников. Эта энергия приводит в движение целые экосистемы.
Очевидным дополнительным источником энергии для Айсхейма является излучение его звезды. На Земле Солнце поставляет первичную энергию, ответственную за жизнь. Поскольку температура поверхности Айсхейма ниже точки замерзания воды, мы ожидаем, что он либо вращается вокруг маленькой тусклой звезды, либо находится далеко от обычной звезды. Само по себе это не является непреодолимым препятствием для развития жизни — это просто означает, что всё, что собирает энергию, должно быть больше, чем то, к чему мы привыкли на Земле. Например, чтобы собрать такое же количество энергии, которое падает на Земле на лист площадью 1 квадратный дюйм (около 6 кв. см), длина стороны «листа» на Плутоне должна быть около 3 футов (1 м). (Это, кстати, объясняет, почему плутоний, а не солнечные коллекторы питают космические корабли, отправленные на внешний край солнечной системы. Солнечные коллекторы должны быть огромными и, следовательно, будут весить слишком много.) На Айсхейме свет звезды будет поглощаться льдом и, вероятно, проникнет в толщу поверхности не больше, чем на несколько ярдов.
Поделиться книгой: