Вы не авторизовались

Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных бесплатное чтение

Джеймс Трефил, Майкл Саммерс
Воображаемая жизнь
Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных

Мы посвящаем эту книгу всем, кто борется с рассеянным склерозом или с болезнью Паркинсона.

Не сдавайтесь.

Предисловие

Мы живем в золотой век научных открытий. Одна за другой раскрываются перед нами великие тайны, над которыми ломали головы ученые прошлых веков. Сейчас мы, к примеру, знаем, что Вселенная начала свое существование 13,8 миллиарда лет назад, горячей и сверхплотной, и с тех пор все сильнее расширяется и все больше остывает. Знаем, что жизнь основана на химии и что химия жизни управляется молекулами, называемыми ДНК. Мы знаем и что сама поверхность нашей планеты постепенно меняет свою форму в такт хаотическим движениям огромных масс вещества в недрах, глубоко под нашими ногами. Наш взгляд на мир – и на наше место в нем – становится все яснее и осмысленнее.

И все же еще множество фундаментальных вопросов остается нерешенными. Одному из них – из числа наиболее древних и важных – посвящена эта книга. В самой простой из формулировок он звучит так: «Одиноки ли мы во Вселенной?»

По сути сейчас во всей Вселенной нам известна единственная форма жизни – та, что возникла на нашей собственной планете. Но мы не знаем, было появление этой жизни следствием рутинных химических и физических процессов, или то, что произошло на Земле, стало неким статистическим исключением, случайностью, ошибкой природы. Открытые за последние десятилетия тысячи прежде неведомых планет – обращающихся вокруг далеких звезд или странствующих по космосу в одиночестве – радикально изменили наши прежние представления. Теперь мы точно знаем, что наша Солнечная система – лишь одна из множества звездных систем нашей Галактики, а Земля – одна из миллиардов планет, достаточно благоприятных для зарождения и развития жизни. Но возникла ли в самом деле на этих планетах жизнь, и если да, то на что она похожа? Неужели мы – единственные мыслящие существа в Галактике?

В настоящий момент нам уже довольно много известно об этапах того пути, который привел к появлению жизни на Земле. Есть у нас и представления о том, как эволюционировала жизнь на нашей планете – от первого примитивного микроорганизма к нынешнему многообразию. Но большая часть истории жизни на Земле зависела от конкретных свойств окружающей среды, в которой происходило ее, жизни, поэтапное развитие, – от условий, сложившихся на нашей планете. Поэтому наш вопрос стоит сформулировать так: какими были бы эти этапы на экзопланетах – в условиях, радикально отличающихся от земных? Могла бы жизнь развиваться в этих условиях так же, как она развивалась на Земле? Или это развитие пошло бы совершенно иным путем? Насколько другим могло бы оно быть? И какие формы жизни могли бы возникнуть на множестве экзопланет, которых с каждым днем обнаруживается все больше и больше?

Конечно, размышляя над подобными вопросами, нельзя обойтись без изрядной доли фантастических допущений. Но есть, тем не менее, незыблемые законы природы, действующие во всей Вселенной одинаково, и на путях жизни, где бы эти пути ни пролегали, они ставят свои (хоть и не слишком жесткие) ограничения. Как университетские профессора (Джеймс Трефил – профессор физики, а Майк Саммерс – астрономии) мы обещаем в нашем повествовании держаться в этих границах и не нарушать их. И вы удивитесь, какое огромное разнообразие сценариев мы можем себе представить даже с учетом заданных нами рамок.

В первых пяти главах нашей книги мы рассказываем о ключевых принципах, на которых базируется наше исследование природы жизни. Мы поговорим об острейшей проблеме определения того, что вообще мы понимаем под словом жизнь (глава 3), затем обсудим «правила игры», по которым она зарождается и эволюционирует (глава 4). В главе 5 мы коснемся тех трудностей, с которыми сталкиваются ученые, когда пытаются обнаружить присутствие жизни на далекой планете.

После этого мы несколько изменим характер изложения – и здесь нам потребуются не только базовые научные знания, но и все богатство воображения. Мы рассмотрим несколько классов типичных экзопланет и попытаемся понять, как основные закономерности, управляющие развитием жизни, будут работать в существующих на этих планетах условиях. Мы поразмышляем также над вопросом о том, где и как могла бы зародиться жизнь в этих мирах, какие формы она могла бы принять, и наконец, как там могла бы появиться высокоразвитая технологическая цивилизация.

В конце каждой главы в этой части книги находится раздел «Майк и Джим», написанный в форме живого диалога авторов. В каждом из этих разделов мы фантазируем о том, как в мире, который мы описали, развилась не только жизнь, но и сложные технологии. И в каждом диалоге мы обмениваемся юмористическими аргументами, с помощью которых пытаемся доказать (или, наоборот, опровергнуть) утверждение, что тот вид жизни, который мы повстречали на только что описанной нами экзопланете, должен быть единственно возможной формой жизни во всей Вселенной. Идею этих диалогов подсказал нам написанный в 1941 году рассказ великого писателя‐фантаста Айзека Азимова «Приход ночи»: его сюжет разворачивается на воображаемой планете в системе шести звезд. По ходу повествования группа тамошних астрономов рассматривает теоретическую возможность существования жизни на планете, обращающейся вокруг одиночной звезды, и приходит к единогласному выводу – подобное совершенно невозможно! Ведь на такой планете живым существам приходилось бы проводить половину времени в темноте! Разговоры Майка и Джима написаны в том же ключе: они призваны помочь читателю избавиться от зашоренности и предрассудков в размышлениях о природе жизни и возможностях ее возникновения.

В наших странствиях по экзопланетам мы сосредоточимся изначально на поисках жизни «как у нас» – основанной на химии углеродосодержащих молекул. Однако в главе 15 мы расширим границы наших поисков еще сильнее. Сначала мы включаем в рассмотрение жизнь, «не такую, как у нас» – все еще основанную на химии, но не обязательно на химии углеродсодержащих молекул. Наконец, в главе 17 мы отбрасываем все ограничения и пытаемся представить себе жизнь «совсем не такую, как у нас» – жизнь, вообще не связанную с химическими процессами. Так мы обнаружим, что по мере того, как мы все сильнее и сильнее удаляемся от привычного нам мира, а научный фундамент нашей дискуссии становится все более шатким и неопределенным, наши картины гипотетической жизни все больше и больше напоминают сюжеты научной фантастики.

Скажем еще пару слов о единицах измерения. Когда мы приводим количественные данные, мы прежде всего озабочены тем, чтобы дать читателю общее представление о размерах объектов (планет, звезд, и т. п.), о которых идет речь.

И наконец прежде, чем мы отправимся в путешествие за пределы земного шара, нам осталось поблагодарить за советы друзей и коллег, в особенности доктора Джеффа Ньюмейера и доктора Ванду О’Брайен-Трефил. А за все ошибки, которые могут встретиться вам в книге, как обычно, несут ответственность только и исключительно сами авторы.

1
Heожиданная галактика

Кажется, сейчас буквально каждый день приносит нам известия об открытии во Вселенной чего‐то нового и неслыханного. Астрономы обнаруживают новые планеты – и даже целые системы планет – так часто, что за этими открытиями уже становится непросто уследить. Сводки новостей полны рассказов о новых планетах, новых свойствах нашего мироздания, новых способах, которыми Вселенная продолжает нас удивлять. Но нам хотелось бы кратно увеличить степень этого удивления и восхищения. Для этого мы просим вас подумать о живых существах, которые могли бы наряду с нами обитать в нашей Галактике – да и во всей остальной Вселенной за ее пределами. Представьте только, что кроме нас самих, кроме известных нам растений и животных, в этих бесчисленных новооткрытых мирах, существуют неизвестные нам формы жизни. И в качестве первого шага на этом пути мы предлагаем вам немного позаниматься арифметикой.

Немного математики

В нашей Галактике планет больше, чем звезд. Это вовсе не удивительно – стоит только вспомнить, что в Млечном Пути примерно 300 миллиардов звезд. Да, 300 000 000 000 – именно с таким количеством нулей. И даже у одной‐единственной из этих звезд, у нашего Солнца, уже общим числом больше 100 планет, лун и крупных астероидов. Каждое тело из этой системы имеет свои уникальные характеристики, и многие из них потенциально могут быть домом для живых организмов. Если эта ситуация типична и для других звезд нашей Галактики, то в ней должно быть примерно 30 триллионов таких объектов. Такие числа встречаются только в астрономии – ну, и еще при подсчете величины национального долга.

Из этих 30 триллионов гипотетических небесных тел мы к настоящему моменту открыли меньше 4000 – крохотную часть от общего числа. И все же, как говорится в нашей книге «Экзопланеты» (2017), даже в этом крохотном кусочке Вселенной разнообразие миров поражает воображение. Среди них есть планеты, орбиты которых лежат внутри атмосферы их материнской звезды, планеты, полностью покрытые водой, планеты, одиноко странствующие сквозь ледяную пустоту космоса и не связанные ни с какой звездой. Нам остается только с замиранием сердца пытаться угадать, какие еще удивительные миры будут открыты в будущем, когда наши инструменты станут еще точнее и чувствительнее.

Но из этих цифр можно сделать и более парадоксальный вывод. Попытайтесь представить себе мир настолько странный, насколько у вас хватит воображения, – мир, непохожий ни на один из тех, которые на сегодняшний день удалось обнаружить. Может быть, этот ваш мир отличается от Земли высокой концентрацией какого‐нибудь очень редкого элемента – скажем, иттербия. Возможно, при этом он представляет собой спутник бродячей планеты, вечно блуждающей в космическом мраке. Или же это мир вроде нашей Земли, где жизнь бурлит и на поверхности материков, и в глубинах океана, но полностью отличается по химическому составу. Или же пусть ваш воображаемый мир будет совершенно, абсолютно невероятным – может, его средняя плотность ниже, чем у воды, или наоборот, он сделан из чистого железа. Предположим, что вероятность возникновения такой планеты равна всего одному шансу из миллиона (кстати, примерно с такой же вероятностью в вас в этом году ударит молния). Так вот, даже при столь крохотной возможности того, что придуманный вами мир существует, вы можете твердо рассчитывать, что только в нашей Галактике найдется примерно 10 миллионов таких планет. Предположим, что шанс найти ваш фантастический мир упал до одного к триллиону – и все равно в Галактике останется «всего‐навсего» 10 000 таких планет. Так что, каким бы странным ни был ваш воображаемый мир, но, если в нем выполняются законы физики и химии, то среди реально существующих планет обязательно найдется что‐то очень на него похожее – настолько огромно число планет в нашей Галактике. По сути, мы можем объявить это главным тезисом, на котором будем строить наш разговор:

Если вы можете представить себе любой произвольный мир, в котором выполняются законы физики, то с заметной вероятностью такой мир действительно существует где‐то в нашей Галактике.

Ну а если эти цифры вас не очень впечатляют, вспомните тогда, что во Вселенной еще миллиарды галактик, похожих на нашу, и в каждой из них, скорее всего, расположилось примерно такое же число планет.

Что это говорит нам о жизни?

При столь невероятном разнообразии планет нам стоит ожидать, что на них мы обнаружим похожий или даже более высокий уровень разнообразия и изменчивости форм жизни. И это само по себе создает некоторую проблему: ведь нам знакома всего одна форма жизни – «как у нас», то есть основанная на химии углеродосодержащих молекул и требующая наличия жидкой воды. По сути, все биологическое разнообразие нашей Земли – результат одного‐единственного «эксперимента», проведенного всего в единственной из бесчисленного множества лабораторий Вселенной. Поэтому наша планета и все разнообразие земной жизни не помощники нам, когда, размышляя о невероятной сложности и разнообразии проявлений жизни в Млечном Пути, мы пытаемся задать какие‐то конкретные ориентиры. И все же наши ограниченные знания о жизни, как она устроена в пределах Земли, – все, чем мы располагаем. Поэтому мы обратимся к ним и постараемся извлечь из них всю возможную пользу.

Мы начнем наши исследования форм, которые жизнь теоретически могла бы принять в Галактике, с определения того, что мы назовем «правилами игры»: с основных принципов, следование которым сделало жизнь на Земле тем, чем она есть. Мы утверждаем, что важнейший из этих принципов – эволюция путем естественного отбора – должен работать почти в любых условиях в любом конце Галактики. Второй великий принцип – существование жизни на основе химии атомов углерода – скорее всего, окажется не настолько универсальным. И тем не менее – ведь проще иметь дело с чем‐то знакомым, – говоря о жизни, мы будем по возможности рассматривать варианты на основе привычной углеродной химии.

Итак, в нашем разговоре мы разделим все возможные формы жизни на три категории, уже упомянутые нами в предисловии: жизнь, похожая на нашу; жизнь, непохожая на нашу, и жизнь, совершенно непохожая на нашу. По очевидным причинам наибольшее и первоочередное внимание мы уделим первой категории. Определив основные правила, по которым мы исследуем вероятность возникновения и существования жизни, похожей на нашу, мы посмотрим, к каким результатам эти правила могли бы привести в различных средах, существующих на наших гипотетических экзопланетaх.

• Планета в обитаемой зоне: планета земного типа, расположенная на таком расстоянии от своей звезды, что на ее поверхности в течение продолжительного времени могут существовать океаны жидкой воды. Анализ условий на такой планете – самая простая задача, ведь одна планета в обитаемой зоне, сама Земля, уже достаточно хорошо нами изучена. Многие недавно открытые экзопланеты, такие, к примеру, как планета, вращающаяся вокруг ближайшей к Солнцу звезды, Проксимы Центавра, или три представительницы семейства из семи планет вокруг звезды TRAPPIST-1, находятся в обитаемой зоне, на таких расстояниях от своих звезд, что на поверхностях этих планет вода может достаточно долго оставаться в жидком состоянии.

• Планета с подповерхностным океаном: на такой планете океаны жидкой воды расположены между твердой каменной корой планеты и покрывающим воду сверху толстым слоем льда. Такие миры тоже существуют в нашей собственной Солнечной системе: подповерхностные океаны есть на Плутоне (см. раздел «Лингвистическое отступление» в главе 7) и некоторых спутниках внешних планет.

• Бродячая планета: планета, выброшенная из своей родной планетной системы и теперь блуждающая в межзвездном пространстве. Такие планеты‐изгнанницы вовсе не обязаны быть холодными и безжизненными – у них вполне могут быть такие же внутренние источники тепла, как и у других планет, и отсутствие света материнской звезды на притоке тепла от этих источников никак не сказывается.

• Водная планета: планета, вовсе лишенная суши. В таком мире ключевой особенностью становится разница между слоями воды, располагающихся на разных глубинах мирового океана. В земных океанах такие слои создаются массами воды, имеющими разную температуру и соленость, но на экзопланетах решающую роль могут играть другие факторы (к примеру, давление). Мы рассмотрим любопытную возможность того, что в различных слоях мира‐океана могут развиваться различные виды жизни – и здесь приходят на ум поистине фантастические сценарии. Вообразите, к примеру, войну между обитателями разных слоев: существа верхнего слоя забрасывают нижних водяными бомбами, а те обороняются, посылая вверх огромные воздушные пузыри.

• Планета с синхронным вращением: такая планета всегда обращена к материнской звезде одной и той же стороной – как Луна, которая всегда повернута одной стороной к Земле. Многие из уже открытых нами миров, как, например, планеты системы TRAPPIST-1, по всей вероятности, относятся именно к этому типу. Отличительная особенность таких миров – одна сторона планеты горяча как адское пекло, тогда, как другая вечно пребывает во тьме и мраке. Жизнь здесь способна развиться только в узкой пограничной зоне между льдом и пламенем. Дополнительная особенность такой планеты – яростные ветры, переносящие тепло со стороны, обращенной к светилу, на холодную сторону.

• Сверхземля: каменистая планета размеров, промежуточных между Землей и Нептуном. Таких планет, судя по всему, во Вселенной очень много, и наша Солнечная система, возможно, уникальна именно тем, что в ней такой планеты не оказалось. Вследствие большой массы такой планеты ее ключевая природная особенность – мощнейшая гравитация. Если на подобной планете живые существа обитают в толще океанов, сверхгравитация им не страшна, но если они решатся выйти на сушу, им придется в ходе своей эволюции выработать какую‐то стратегию борьбы с огромной силой тяжести. На Земле, в условиях более умеренной гравитации, у разных форм жизни развилось много самых разных стратегий: у растений – капиллярные системы, у насекомых – экзоскелеты или панцири, у млекопитающих – собственно скелет. Но какие стратегии возникли бы на Земле, если бы ее притяжение было сильнее вдвое? Вдесятеро? И если бы рептилии приспособились к настолько мощной гравитации, обзаведясь в ходе эволюции плавательным пузырем, наподобие рыбьего, разве не могли бы они в конце концов превратиться в летающих драконов, способных парить в плотной атмосфере такой планеты?

Рассматривая подобные возможности, мы можем постепенно отступать от нашей первоначальной, достаточно жесткой и инвариантной картины мира все дальше и дальше, и задуматься уже о существовании жизни, совсем непохожей на нашу. Мы будем делать это поэтапно, одну за другой отбрасывая привычные и представляющиеся нам единственно удобными характеристики форм жизни.

Что, если мы рассмотрим возможность существования жизни на основе не углерода, а чего-нибудь другого? Возьмем, к примеру, кремний: он расположен в периодической таблице сразу под углеродом. У них много похожих свойств, и из‐за этого кремнийорганическая жизнь уже несколько десятилетий остается популярной темой в научной фантастике. Один из самых известных примеров – вышедший в 1967 году эпизод сериала «Star Trek» («Звездный путь»), в котором шахтеры на далекой планете натыкаются на живущих в толще камня и поначалу настроенных к людям враждебно кремнийорганических существ. Мы подробно поговорим о планетах, на которых могли бы появиться на свет подобные существа.

Зададимся мы и еще рядом вопросов: например, смогли бы мы распознать жизнь в таких существах, если бы увидели их? Восприняли бы мы формы жизни на основе кремния как живых существ, или сочли бы их простыми булыжниками? Чем дальше от привычных форм жизни мы отходим, тем сложнее становится отвечать на такие вопросы: ведь жизнь могла бы основываться в числе прочего на элементах, редко встречающихся на Земле, но широко распространенных за ее пределами. К такому выводу ученые пришли совсем недавно, опубликовав труд, в котором каталогизированы встречающиеся в составе других звезд (а значит, по всей вероятности, и в составе планет, обращающихся вокруг них) различные химические соединения. И если дать волю воображению, мы сможем представить себе самые разные формы жизни, совершенно непохожей на привычные нам, – жизнь нехимическую, жизнь, не следующую законам естественного отбора. В конечном счете главный вопрос, интересующий нас, мы можем сформулировать так: при всей невероятной сложности и разнообразии, уже открытых и гипотетически возможных экзопланет, обнаружим ли мы такие же сложность и разнообразие среди живых существ на этих планетах?

2
Возможности и ограничения

Вселенная, управляемая законами

Наше исследование потенциального возникновения жизни где‐нибудь еще в Галактике, за пределами Земли, возможно благодаря двум общим принципам, и они же определяют границы такого исследования. Вот эти принципы:

1. Физическая Вселенная управляется относительно малым числом общих законов.

2. Физические законы, которые действуют сейчас на Земле, применимы к любой точке Вселенной во все времена.

Эти идеи являются основой мышления любого ученого. Они с самого начала были значимой частью образования авторов этой книги. По сути, эти идеи – пример того, что антропологи называют «базовыми убеждениями». Эти убеждения настолько важны для племени или другой группы людей, что их даже не принято лишний раз проговаривать. Их просто принимают на веру и разделяют всей группой безо всяких вопросов.

Авторы, однако, постепенно осознали, что эти два базовых убеждения не так уж хорошо известны широкой публике и уж тем более не являются для нее какими‐то аксиомами. Не то чтобы большинство людей считало их неверными – просто, когда люди задумываются о глобальных вопросах, таких как существование внеземной жизни, эти правила просто не приходят им в голову. Поэтому, вероятно, следует уделить немного времени обсуждению базовых принципов – чему и посвящена данная глава. Ниже мы поговорим об основных законах физики и химии, которыми мы и будем руководствоваться на всем протяжении этой книги, размышляя о гипотетической внеземной жизни.

Общие правила

Начнем с тех аспектов науки, которые описывают окружающий нас привычный мир: мир объектов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Законы, которые управляют нашим привычным миром, часто называют «классической физикой». Их можно представить себе как три гигантских столпа, на которых держатся все наши знания о мире. Давайте же взглянем на эти законы, прежде чем двинуться в более сокровенные области познания.

Механика

Первая система законов, которые управляют нашей повседневной жизнью, была сформулирована английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727). Эти законы описывают движение материальных объектов, а соответствующая им область науки называется механикой. Возможно, это один из древнейших предметов интереса физиков. Со времен Древней Греции мыслители пытались дать исчерпывающее описание движения, но не слишком‐то в этом преуспели. Ньютон же разработал новый математический аппарат, который мы теперь называем дифференциальным и интегральным исчислением, и при его помощи наконец‐то сумел вывести законы движения летящих тел (то есть объектов, брошенных или как‐то иначе запущенных в воздух). Сформулированные им правила – мы называем их законами движения Ньютона – довольно просты:

1. Объект сохраняет свое состояние движения или покоя, пока на него не подействует сила.

2. Ускорение объекта пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе.

3. Всякое действие вызывает равное ему по силе противодействие.

Эти законы верны для любого движущегося объекта, в любом месте Вселенной – важный пункт, к которому мы скоро вернемся. По сути, первый закон объясняет нам, как понять, что на объект действует сила, а второй – что именно происходит, когда она действует. Однако в таком виде эти законы ничего не говорят нам о том, какие силы вообще могут существовать в природе; только объясняют, как именно силы влияют на движение объектов. Поэтому дальше мы рассмотрим те силы, которые управляют поведением планет.

Закон всемирного тяготения – возможно, самый прославленный вклад Ньютона в науку. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной существует сила притяжения – мы называем ее тяготением или гравитацией, – пропорциональная массам этих двух объектов и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. (Другими словами, если вы удвоите массу одного из объектов, вы удвоите и действующую между этими объектами силу; удвойте расстояние между объектами, и сила притяжения между ними уменьшится вчетверо.)

Вот и все, именно настолько просто. Но Ньютон даже не предполагал, что, пользуясь его законами, мы сможем определять массы планет, обращающихся вокруг звезд за много триллионов миль от Земли. Например, как мы будем говорить в главе 5, один из самых эффективных способов регистрации экзопланет состоит в том, что мы наблюдаем слабое потускнение звезды, когда экзопланета проходит между своей звездой и нами. Мы называем это явление прохождением. Определив время между последовательными прохождениями, мы можем на основании законов Ньютона рассчитать, насколько далеко от материнской звезды располагается планета. Объединив эту информацию с известной нам температурой поверхности звезды, мы получим ответы на такой вопрос, как «Может ли на поверхности этой планеты существовать жидкая вода?» А на основании этого мы сможем говорить о гипотетически возможной жизни в других мирах.

Такого применения законов Ньютона его современники не могли себе даже представить! При этом, однако, мы должны подчеркнуть: значение ньютоновской картины Вселенной гораздо больше решения прикладной задачи поиска экзопланет. Можно, по сути, утверждать, что появление и развитие ньютоновской механики заложило основы само́й современной науки, определило границы ее возможностей: от теоретических предсказаний эффектов, которые еще только предстоит открыть и изучить, до проверки этих предсказаний на практике, в суровых условиях реального мира. В каком‐то смысле все технические достижения современной цивилизации есть прямое следствие ньютоновского подхода к изучению природы.

Можно пойти и еще дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы мы можем уподобить точным часам. Движение планет похоже на движение часовых стрелок, законы, которым подчиняется это движение, – на слаженную работу шестеренок часового механизма. Если же мы приложим эту мысленную схему ко всей Вселенной, перед нами предстанет мир упорядоченный, правильный и предсказуемый. Ньютоновский мир напоминает огромный часовой механизм, в котором попросту невозможны неожиданности, непредвиденные события и внезапные повороты. К примеру, летающие драконы, которых мы описали в предыдущей главе, смогли бы держаться в воздухе, только если бы подъемная сила их модифицированных плавательных пузырей оказалась бы больше силы тяготения планеты. А их способность управлять собственным полетом зависела бы одновременно от подъемной силы их крыльев и от собственной массы наших драконов. Даже волшебные сказки – и те подчиняются законам Ньютона!

Взгляд на мироздание как на высокоточный механизм распространился далеко за пределы естественных наук, да и науки в целом. Некоторые ученые даже заявляют, что своей конституцией Соединенные Штаты Америки тоже обязаны Исааку Ньютону! Согласно их концепции, отцы‐основатели верили, что если Ньютон сумел открыть законы, которым неукоснительно подчиняется вся Вселенная, то и они смогут понять и сформулировать законы, на основании которых можно будет построить идеальное общество. Увы! Очень скоро увидим, что XX век не пощадил представление о царящем в природе порядке и предсказуемости. Но прежде, чем ученые с сожалениями отказались от этого тезиса, на основе идеи концепции Вселенной – часового механизма успели развиться еще две крупнейших области науки – остальные два столпа, на которые мы будем опираться, продолжая разговор о жизни на экзопланетах.

Электричество и магнетизм

Как статическое электричество (сила, из‐за которой шерстяные носки и махровые полотенца после сушки в стиральной машинке цепляются друг за друга), так и магнетизм (сила, благодаря которой можно вешать магнитики на дверцу холодильника) известны людям с глубокой древности. Древние греки считали электричество весьма любопытным природным явлением; они даже знали о том, что электрический заряд бывает двух разных видов (сегодня мы называем их положительными и отрицательными) и что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Однако до самого XVIII столетия этим знания людей об электричестве, в общем, и ограничивались – все равно никакой практической пользы извлечь из существования статического электричества не получалось.

С магнетизмом дело обстояло иначе. Во‐первых, довольно быстро люди обнаружили природные магниты – оксид железа, более известный нам как магнетит или магнитный железняк. Об открытии природных магнитов существует множество легенд. Согласно одной из них, один древнегреческий (по другой версии – македонский) пастух по имени Магнес заметил, что мелкая каменная крошка пристает к гвоздям на его подметках. (От его имени, по этой легенде, и возникло само слово «магнетизм».) Другая история рассказывает, что где‐то в Эгейском море был остров, полностью состоявший из магнетита, и если корабль подходил к нему слишком близко, то железные гвозди, которыми были сшиты деревянные части корабля, тут же выскакивали наружу.

Легенды легендами, но у природных магнитов было одно крайне важное и полезное свойство. Кусочки магнетита всегда принимали строго определенное положение относительно севера и юга, и их можно было использовать в качестве компаса. А компас был очень полезным инструментом – он позволял людям ориентироваться по сторонам света даже в совершенно незнакомой местности. Компас стал поистине бесценным для моряков в открытом океане или каравана, бредущего через пустыню. В Китае простейшие компасы из магнитного железняка использовались еще в IV веке до нашей эры. А позже, в IX и X столетиях нашей эры, когда викинги из Скандинавии устраивали набеги на Европу, они тоже ориентировались в море или в густом тумане при помощи компасов, сделанных из железняка.

Последующее изучение электричества и магнетизма выявило два их ключевых свойства. Родившийся примерно за 100 лет до Ньютона английский ученый Уильям Гильберт (1544–1603), придворный медик королевы Елизаветы I, открыл основной закон, управляющий поведением магнитов. Магнитные полюса не могут существовать самостоятельно, в отрыве друг от друга – поэтому у каждого магнита всегда есть оба полюса (сейчас мы называем их северным и южным). Затем родившийся почти 10 лет спустя после кончины Ньютона французский ученый Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) тщательно изучил силу, возникающую между электрическими зарядами, и выяснил, что ее действие можно описать простым уравнением, очень похожим на ньютоновские законы тяготения. (Так как в дальнейшем это уравнение нам не понадобится, мы не станем его здесь приводить.)

Так обстояли дела, когда началась промышленная революция. У людей было некоторое общее представление о статическом электричестве и магнетизме, но какой‐то связи между этими явлениями природы никто не видел. Понимание этой связи появилось, как это часто происходит в науке, как результат новых достижений в технике. Итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1837) изобрел устройство, которое он назвал «электрическим столбом», а мы называем батареей. Это устройство вырабатывало подвижные электрические заряды – проще говоря, электрический ток. Это была новая, прежде неведомая форма электричества. Эксперименты с электрическим током и привели в конечном счете к глубокому пониманию природы электричества и магнетизма.

Стена, с давних времен разделявшая в представлении людей электричество и магнетизм, дала трещину во время лекции по физике в Копенгагене. Лектор, датский физик Ханс Христиан Эрстед (1777–1851), демонстрируя студентам новое устройство Вольты, вдруг заметил, что каждый раз, когда батарея Вольты дает ток, стрелка лежавшего поблизости компаса приходит в движение. Таким образом оказалось, что движущиеся электрические заряды обладают магнетическими свойствами! Электричество и магнетизм оказались связанными явлениями! Но на установление природы этой связи ушло еще много времени.

Вероятно, за один только сегодняшний день вы, сами того не зная, уже неоднократно воспользовались результатами открытия Эрстеда: ведь из него логически следует изобретение электромотора. И когда вы, нажав кнопку, поднимаете стекло в окне вашей машины или делаете в миксере томатное пюре, вы – даже не задумываясь – пожинаете плоды этого открытия.

Спустя еще десятилетие английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) наконец поставил на место последний кусочек этой мозаики. Он обнаружил, что, если вы изменяете магнитное поле вблизи провода (например, положив магнит в петлю из медной проволоки), по проводу проходит ток, даже если к нему не подсоединен никакой источник электроэнергии.

Таким образом, разговор об электричестве мы можем кратко изложить в виде четырех тезисов:

1. Разноименные электрические заряды притягиваются; одноименные отталкиваются (закон Кулона).

2. Не существует изолированных магнитных полюсов.

3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля.

4. Переменные магнитные поля порождают электрические токи.

Эти четыре тезиса, записанные в виде формул, играют в области электричества и магнетизма такую же роль, какую законы Ньютона играют в механике. Они исчерпывающе описывают все, что нам известно об этих явлениях. Таким образом, мы возвращаемся к ситуации, когда множество сложных природных явлений описывается несколькими простыми короткими законами.

Мы еще много раз будем обращаться к сформулированным выше тезисам об электричестве и магнетизме, рассуждая о возможности жизни на экзопланетах. В главе 13, например, мы поговорим о том, как могут повлиять на биосферу планеты корональные выбросы массы – гигантские пузыри ионизованного газа, вырывающиеся из недр Солнца. Их образование и движение описываются именно законами электромагнетизма – а ведь они способны разрушить даже высокоразвитую технологическую цивилизацию вроде нашей за какие‐то несколько часов. Поговорим мы и о том, что у Марса, в отличие от Земли, нет магнитного поля. Это позволяет солнечному излучению воздействовать непосредственно на поверхность планеты и, с вероятностью, уничтожать на ней любые возможные проявления жизни. Законы электричества и магнетизма будут особенно важны, когда мы будем говорить о развитии жизни, совершенно непохожей на нашу, – ведь взаимодействие электрических и магнитных полей позволяет нам задать и описать тот уровень сложности, который мы видим в жизни, существующей по законам химии. Но истинная важность этих тезисов состоит в том, что они – самый ценный инструмент в наборе средств, с помощью которого мы выбираем направления для поиска жизни во Вселенной и который позволяет нам осознать ограничения, накладываемые природой на возможность возникновения и развития жизни на различных экзопланетах.

Записанные нами законы обычно называют уравнениями Максвелла, в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879). Хотя сам он не открыл ни одного из этих законов, но именно он первым осознал, что эти законы представляют собой стройную математическую систему, связывающую воедино электричество и магнетизм. Максвелл был одним из ведущих математиков своего времени – он работал над теми разделами высшей математики, которые мы сейчас называем частными дифференциальными уравнениями и векторным анализом. Когда он применил эти методы исчисления к математической формулировке четырех законов электромагнетизма, то получил поистине удивительный результат. Из его уравнений логически следовало, что, когда электрические заряды ускоряются, они должны излучать некие волны. Такие волны, в свою очередь, должны состоять из колеблющихся электрического и магнитного полей и перемещаться в пространстве со скоростью, определяемой воздействием сил, возникающих между электрическими зарядами и магнитными полюсами, – а так как эти силы были известны, то и скорость можно было вычислить.

Должно быть, Максвелл был потрясен, когда рассчитал численное значение этой скорости – она оказалась равной скорости света, примерно 300 000 км/с. Свет оказался еще одной формой электромагнитного излучения. Таким образом, носок, прилипший к полотенцу, магнит, удерживающий список неотложных дел на дверце холодильника, и ваша возможность читать этот текст – поскольку именно свет позволяет вам видеть и распознавать буквы – связаны напрямую и являются проявлениями одного и того же физического явления.

И это еще не все. Видимый свет состоит из волн, длина которых составляет от примерно 4000 до 8000 атомов. Но из уравнений Максвелла следует, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. В конце XIX века была открыта целая плеяда таких волн – сначала открыли радиоволны, потом и другие диапазоны электромагнитного спектра: как микроволновые и инфракрасные лучи, обладающие большей длиной волны, чем видимый спектр, так и более коротковолновые ультрафиолетовые, рентгеновские и наконец гамма‐лучи. Кроме того, выяснилось, что с уменьшением длины волны увеличивается энергия, которую эта волна переносит. Иначе говоря, возьмите волну видимого света и растяните ее – получится радиоволна; сожмите – и вот перед вами рентгеновские лучи.

Электромагнитные волны дают нам основную часть информации, которую мы в принципе можем получить об экзопланетах. Эти волны летят к нам со скоростью света. Каждая разновидность излучения описывает отдельное явление или ряд явлений – например, рентгеновские лучи рассказывают о событиях, сопровождающихся выделением огромного количества энергии, а инфракрасное излучение – о явлениях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако почти все эти лучи, кроме радиоволн и видимого света, обычно поглощаются атмосферой Земли. Поэтому так много необходимых нам научных данных о космических телах мы получаем с приборов и датчиков, установленных на обращающихся вокруг Земли искусственных спутниках, и путем наблюдения через наземные телескопы. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого впервые было описано уравнениями Максвелла, – наш основной инструмент для изучения условий на экзопланетах и (о чем мы будем говорить в главе 5) поиска жизни во Вселенной за пределами Солнечной системы.

Термодинамика

Последний столп, на который опирается здание классической науки, – термодинамика. Это название происходит от сочетания корней термо (тепло) и динамика (наука о движении.) Таким образом, термодинамика как наука описывает движение (то есть передачу) тепла (а в более широком смысле – и других форм энергии). Как и с механикой, электричеством и магнетизмом, наши знания в этой области науки тоже можно сформулировать в виде достаточно небольшого числа законов – в общем случае мы будем говорить о двух. Они называются первым и вторым законами (или «началами») термодинамики:

1. Различные формы энергии могут переходить друг в друга, но полная энергия изолированной системы должна оставаться постоянной (сохраняться) с течением времени.

2. В изолированной системе величина энтропии (меры беспорядка) со временем может увеличиваться или оставаться неизменной, но не уменьшаться.

Первый из этих законов является одним из ключевых моментов в понимании устройства Вселенной, поскольку он гласит, что энергию вообще нельзя создать или уничтожить – она может только переходить из одной формы в другую. Таким образом, энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой экзопланете), нам имеет смысл представлять себе в виде некоторого потока. Он откуда‐то (если говорить о Земле – от Солнца) приходит, проходит через биосферу и в конце концов возвращается в космическое пространство в виде инфракрасного излучения. В каждом отдельном случае гипотетической инопланетной жизни, который мы будем рассматривать в этой книге, одним из первых наших действий будет подсчет и исследование всех имеющихся источников энергии. В ряде случаев в роли основного источника энергии будет выступать материнская звезда. Но могут существовать и другие варианты. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, не зависящие от Солнца, – они располагаются на дне океана в глубоководных расщелинах, к которым из недр Земли поднимается тепловая и химическая энергия. Похожие структуры наверняка возможны и на экзопланетах, и в наших рассуждениях о внеземной жизни мы еще будем о них вспоминать.

Второе начало термодинамики будет для нас принципиально важно, когда мы займемся определением самого понятия жизни (глава 3), а также когда станем говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16.) Здесь дело в том, что все живые системы, из чего бы они ни состояли, должны быть в высокой степени упорядочены, а второй закон термодинамики как раз говорит о категории порядка как таковой. Основное правило, которое следует из этого закона и является ярчайшим его проявлением, заключается в том, что если вы создаете в одном месте упорядоченную систему – а именно ею и является жизнь, – то вы должны заплатить за это увеличением беспорядка в каком‐то другом месте.

Итак, подведем итог. В классической ньютоновской картине мира Вселенная функционирует, подчиняясь девяти законам природы: трем законам механики, четырем законам электричества и магнетизма и двум законами термодинамик. Все, что происходит в любой точке Вселенной, в конечном счете можно описать и объяснить системой уравнений, которая легко поместится на футболке. И тем не менее эта картина Вселенной, при всей ее красоте и убедительности, оказывается в конечном счете слишком упрощенной.

Новая физика

Можно иногда услышать, что главные открытия физики XX века – теория относительности и квантовая механика – доказали, что ньютоновское мировоззрение полностью ошибочно. Мы категорически не согласны. Ньютоновский взгляд на Вселенную основан на результатах экспериментов, производимых над объектами, которые, как мы уже говорили выше, можно отнести в категорию предметов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Новая физика расширила кругозор научного мировоззрения, вынесла его далеко за эти пределы. Теория относительности, например, рассматривает объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, или обладающие огромной массой. Квантовая механика, напротив, занимается изучением объектов атомного или субатомного масштаба. Но если мы применим законы обеих этих областей науки к предметам нормальных размеров, движущимся с нормальной скоростью, то перед нами предстанут уже знакомые законы ньютоновской Вселенной, которые мы перечислили выше. Поэтому инженеры, проектирующие скоростные автомагистрали и железнодорожные мосты, продолжают изучать ньютоновскую механику.

Получается, что в лучшем случае новые области науки могут разве что добавить парочку новых законов к уже сформулированной «великолепной девятке». Теория относительности, к примеру, построена на следующем базовом принципе: законы природы неизменны во всех системах отсчета. В оставшейся части нашей книги мы довольно редко будем обращаться к этой теории – но она играет важную роль в поисках планет, странствующих в межзвездном пространстве в одиночку. Мы называем такие планеты бродячими (см. главу 11.)

Квантовая механика очень отличается от теории относительности. Внутри атома физические явления протекают совершенно иначе, не так, как в нашем повседневном бытовом опыте. В мире квантов нет ничего постоянного и непрерывного, и при этом почти все явления взаимосвязаны и влияют друг на друга. И хотя пока ученые не пришли к единому мнению о том, как интерпретировать получаемые в этой странной области знаний результаты, в большинстве случаев мы будем касаться всего нескольких общих принципов, которые тоже можно добавить к нашему списку законов, описывающих устройство Вселенной.

Самые важные для наших целей открытия квантовой механики состоят в том, как она объясняет излучение и поглощение света атомами. В отличие от планет, обращающихся по орбитам вокруг звезд, электроны неспособны занимать любую произвольную орбиту вокруг ядра атома. Их выбор ограничен строго определенными вариантами. Атом испускает электромагнитное излучение (в том числе – видимый свет), когда электрон перемещается с более далекой от ядра орбиты на более близкую. Верно и обратное: атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота этого излучения, испускаемого или поглощаемого, – для видимого света она соответствует цвету лучей – зависит от разности энергий на исходной и конечной орбитах. Так возможные положения орбит у атомов одного химического элемента отличаются от их положений у атомов другого, спектр испускаемого или поглощаемого атомом излучения выступает в роли своеобразного «отпечатка пальца», помогая нам распознать присутствие тех или иных атомов. На этом базируется целая область науки, называемая спектроскопией, – мы поговорим о ней в главе 5. Там мы расскажем, о том, как данное частное следствие квантовой механики дает нам прекрасный инструмент для определения возможности жизни возле других звезд.

Итак, представление об устройстве Вселенной сводится к поиску немногочисленных универсальных законов наподобие тех, о которых мы уже говорили выше. Громадное упрощение картины мира, начавшееся с законов Ньютона, дает нам надежду на то, что упрощение того же типа произойдет и в будущем, когда мы лучше разберемся в новых областях физики. Эта надежда ведет современных физиков в их попытках создать то, что (отчасти в шутку) называют «теорией всего». Этот идеал – единое уравнение, из которого можно было бы вывести как все уже перечисленные принципы, так и те, что еще только предстоит открыть. Такая теория, как следует из самого ее названия, объяснила бы все.

Конечно, пока очень далеко от создания подобной теории, а многие серьезные ученые вообще сомневаются в том, что она может существовать. Кроме того, в наших поисках внеземной жизни эта теория нам совершенно не нужна. Но согласитесь, интересно пофантазировать, как может выглядеть техника будущего, основанная на достижениях «теории всего».

Принцип Коперника

Еще один глобальный принцип, который будет указывать нам путь в исследованиях внеземной жизни, тесно связан с именем польского клирика Николая Коперника (1473–1543), прославившегося созданием математической модели Солнечной системы с Солнцем, а не Землей в качестве центра. Это стало первым шагом на долгом пути к пониманию того очевидного для нас сейчас факта, что наша родная планета не представляет из собой ничего особенного и уникального. Это просто каменный шар, обращающийся вокруг совершенно обычной звезды в ничем не примечательной части такой же заурядной галактики – одной из миллиардов галактик в только наблюдаемой части Вселенной. Некоторых людей такой взгляд на Вселенную глубоко огорчает – по их мнению, он каким‐то образом принижает человечество. Мы предпочитаем смотреть на этот шаг на пути познания мира иначе: для нас в осознании заурядности нашей планеты таится драгоценный дар. Ведь из него следует, что законы природы, которые мы открываем сегодня и сейчас, действуют во всей Вселенной и остаются верными во все времена.

Древние греки, первопроходцы на пути человечества к современной науке, представляли себе Вселенную совершенно иначе. В их космологии Земля находилась в центре мироздания и занимала особое, отличное от всего остального мира положение. Вся материя на Земле состояла из четырех элементов: собственно земли, огня, воздуха и воды. В небесах, однако, существовал еще один, пятый, элемент, называемый эфиром или квинтэссенцией. Кроме того, на небесах все было идеальным – небесные сферы несли планеты и звезды по (более или менее) круговым маршрутам, и, в отличие от Земли, небесные тела не имели никакого изъяна. (Таким образом, обнаруженные Галилеем при помощи его телескопа лунные кратеры и пятна на Солнце не умещались в стройную картину аристотелевской космологии.) Другими словами, у древних греков было две системы законов природы – одна действовала на Земле, другая на небе.

Устранил это двузаконие наш старый друг Исаак Ньютон. Если верить народной истории, в том виде, в каком она дошла до нас много лет спустя, однажды, прогуливаясь в родительском саду, Ньютон увидел, как с ветки упало яблоко. Тут же, подняв глаза к небу, он разглядел в небе Луну. Он знал, что яблоки падают под действием притяжения Змли – силы, подробно изученной и описанной Галилеем и другими учеными. Однако кроме этого Ньютону было известно, что Луна движется не по прямой линии, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) Ньютон сделал вывод, что на Луну должна действовать сила для того, чтобы она оставалась на своей орбите, – иначе Луна тут же улетела бы в космическое пространство. И тогда Ньютон задал себе вопрос, который нам теперь кажется очевидным, но от того, кто задает его в первый раз, требует гениальности: не может ли быть так, что сила, которая заставляет яблоко падать вниз, и сила, которая удерживает и Луну на ее орбите, – это одна и та же сила?

Ответ на этот вопрос, конечно же, утвердительный. В наши дни мы отлично понимаем, что сила, описанная Ньютоном, и есть та самая сила, описываемая законом всемирного тяготения. Иначе говоря, между притяжением тел небесных и земных нет совершенно никакой разницы. Это открытие и стало первым доказательством, подтверждавшим принцип Коперника – что законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, точно так же выполняются повсюду во всей Вселенной.

С XVII века было накоплено огромное количество данных, только подкрепляющих это утверждение. Мы можем сравнить свет, испускаемый определенным атомом в лаборатории на поверхности Земли, со светом, испускаемым таким же атомом в какой‐нибудь отдаленной области нашей Галактики (или даже в какой‐нибудь другой галактике), – и этот свет будет точно таким же. Мы можем пронаблюдать распад радиоактивных ядер, происходящий при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиардов световых лет от нас, и сравнить его с распадом ядер тех же элементов в собственной лаборатории – и вновь получим совершенно одинаковые результаты. Все данные предельно четко свидетельствуют – Земля не представляет собой совершенно ничего особенного; физические законы, действующие на Земле, ничем не отличаются от тех, что действуют повсюду. Точка.

Кроме того, нельзя забывать, что когда мы смотрим на галактику в 1 000 000 000 световых лет от нас, мы видим свет, испущенный 1 000 000 000 лет назад и все это время добиравшийся до нас сквозь космос. Другими словами, мы смотрим в прошлое. Но тем не менее гора доказательств, с вершины которой мы можем теперь посмотреть на мир, свидетельствует: атом, испустивший свой свет миллиард лет назад в другой галактике, ничем не отличается от точно такого же атома, излучение которого мы сейчас регистрируем в нашей лаборатории. Законы физики и химии, действующие сегодня, действовали миллиарды лет назад, действовали всегда. Снова точка.

Итак, как говорилось в предыдущей главе, мы уже много знаем об условиях на экзопланетах. Мы знаем, что краткий список законов, перечисленных выше, работает на всевозможных экзопланетах точно так же, как и на Земле. Эта информация позволит нам, с одной стороны, сделать некоторые выводы о свойствах гипотетических форм жизни, возможных на этих экзопланетах, а с другой стороны, наложить некоторые ограничения на наше воображение. Скажем, придуманный нами летающий дракон, о котором мы уже говорили раньше, вполне может существовать – ведь он не противоречит ньютоновским законам движения, а уж насколько экзотически он выглядит, дело второстепенное. Иначе говоря, возможны будут только такие формы жизни, которые могут быть описаны известными нам законами. А теперь, вооружившись этим знанием и сохраняя его в памяти, поговорим о законах, управляющих живыми системами.

3
Жизнь – что это вообще такое?

Все мы уверены, что прекрасно знаем, что такое «жизнь», и даже не сомневаемся, что непременно распознаем ее, как только увидим, – но объяснить, что же это такое, всегда оказывается дьявольски трудно. Что именно определяет явление, которое мы называем жизнью? Главная проблема состоит, прежде всего, в том, что жизнь на Земле (единственная, о которой мы знаем) невероятно сложна и разнообразна. Вдобавок, между живым и неживым зияет пропасть – и для этой пропасти тоже должны найтись и описание, и объяснение в любом определении жизни.

Нетрудно догадаться, что размышления о том, что же такое жизнь и как это объяснить, имеют многовековую историю. Аристотель, например, утверждал, что все живое должно обладать как материальным телом, так и некоей нематериальной сущностью – «душой». Это представление позже развилось в идею о том, что живое отличается от неживого именно наличием этой нематериальной жизненной силы. Витализм – учение о том, что существование жизни требует присутствия некоей таинственной силы, – был развенчан и отвергнут только с появлением в XIX и XX столетиях клеточной и молекулярной биологии. Сейчас мы понимаем, что на молекулярном уровне живые системы функционируют в соответствии все с теми же законами химии, которые действуют во всей Вселенной, – просто в этом случае все обычно устроено намного сложнее.

Тем не менее огромное разнообразие форм жизни на Земле делает поиски простого определения для этого термина крайне сложными – и многие современные ученые считают, что простое определение жизни дать в принципе невозможно. Для наших целей нам в целом достаточно будет знания о том, что на сегодняшний день существует три основных подхода к решению этого вопроса: определения жизни, основанные на перечислении ее свойств; определения, основанные на описании жизни как процесса, и определения, сформулированные на основе законов термодинамики. Посмотрим же на каждую из этих групп определений по отдельности.

Определения на основе перечисления свойств жизни

Те, кто формулирует определения жизни в рамках этого подхода, составляют списки качеств, свойственных живым объектам, и затем все обладающее всеми этими свойствами (или хотя бы их большей частью) объявляют живым. И наоборот, все, что не имеет всех (или по крайней мере большей части) качеств живого объекта, живым быть не может. Такой список – его можно найти в любом типичном учебнике биологии – обычно гласит, что живая система должна обладать следующими свойствами и способностями:

1. Адаптивность: способность изменяться в ответ на долговременные изменения внешних условий.

2. Рост и развитие: способность изменяться и развиваться с течением времени.

3. Саморегуляция: способность сохранять устойчивое внутреннее состояние (например, температуру тела).

4. Обмен веществ: способность усваивать и перерабатывать внешние ресурсы (например, переваривать пищу).

5. Клеточное строение: структура, состоящая из одной или более клеток.

6. Самовоспроизводство: способность к воспроизведению себе подобных.

7. Раздражимость: способность реагировать на кратковременные изменения окружающих условий.

Конечно, при составлении таких списков всегда возникает одна и та же проблема: как только мы составляем исчерпывающий список необходимых свойств жизни, мы тут же находим тот или иной пример существа несомненно живого, но не обладающего одним или даже несколькими из этих качеств. Например, мул – помесь лошади и осла – несомненно, живое существо, но способностью к воспроизводству не обладает. Физик Дэниел Кошленд привел еще более забавный пример: один кролик неспособен к воспроизводству и, стало быть, согласно приведенному нами списку, живым не является, зато кролик с крольчихой вполне с этой задачей справляются, и значит, вместе они живые. Таким образом, с включением способности к воспроизводству в наш список еще предстоит разбираться.

Один из способов обойти эту трудность – принять тезис о том, что нечто является живым, если удовлетворяет большинству критериев списка, но может не соответствовать списку целиком, то есть, по сути, принять юридический стандарт «перевеса доказательств». Но в этом случае, конечно, вы тут же оказываетесь лицом к лицу с новой трудностью: вам придется решить, какими пунктами вашего списка можно пренебречь, а какими – ни в коем случае нельзя.

Ярким примером того, какие трудности могут ждать нас при применении принципа «перевеса доказательств», служат поиски жизни на Марсе. Когда посадочные модули миссии Viking в 1976 году опустились на поверхность Красной планеты, надежд на то, что они найдут там следы существования жизни, было очень много. Программы работы спускаемых аппаратов включали не менее четырех экспериментов, нацеленных на поиски в марсианской окружающей среде химических следов жизнедеятельности земного типа. Мы подробно поговорим об этих экспериментах чуть позже, а сейчас просто отметим, что базовая логика программы «Викингов» строилась на определении жизни в соответствии со «списком свойств», состоявшим из единственного элемента – обмена веществ земного типа. Как только начали поступать данные, многие ученые обнаружили, что запланированные эксперименты могут давать положительные результаты даже в тех случаях, когда анализу подвергаются заведомо неживые объекты – например, когда происходят определенные химические реакции в марсианской почве. Как утверждают многие ученые, растянувшиеся на несколько десятилетий споры вокруг результатов, полученных посадочными модулями «Викингов», были, по крайней мере отчасти, связаны именно с ограниченным определением жизни, использовавшимся при планировании экспериментов.

Ярко иллюстрирует недостатки «списочного» подхода к определению понятия жизни эпизод из сериала «Звездный путь: Следующее поколение», в котором робот‐андроид по имени Дэйта утверждает, что огонь вполне можно считать живым существом. В конце концов, почему бы и нет – огонь потребляет вещества из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он способен расти, самовоспроизводиться и отвечать на изменения внешних условий. То есть огонь удовлетворяет большинству критериев нашего списка (за исключением, разве что, саморегуляции) – и все-таки мало кто готов признать его живым.

Недавно возникшая наука экология указывает нам иной способ применения списков для определения того, что такое жизнь. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог обращает внимание на то, как этот организм включается в сложную сеть отношений, составляющих экосистему, частью которой данный организм является. Возможно, наиболее известный пример этой позиции – так называемая гипотеза Геи. Выдвинувший ее эколог Джеймс Лавлок рассматривает всю Землю в целом, включая равно и «живые», и «неживые» ее составляющие, как некий единый организм. На основе этой гипотезы обычно выдвигается предположение о том, что различные экосистемы Земли будут функционировать совместно во имя создания устойчивой среды, благоприятствующей развитию жизни. (Здесь стоит вспомнить, кто такая Гея в древнегреческой мифологии – богиня‐прародительница, древняя праматерь всего живого.)

Гипотезу Геи неоднократно критиковали – ведь реальная геологическая история Земли полнится катастрофами, которые вряд ли стыкуются с представлением о нашей планете как об итоге тщательного и планомерного создания экологического равновесия. В ее истории были, например, эпизоды, когда вся Земля представляла собой гигантский «снежок» – промерзшая поверхность планеты (включая океаны) была целиком покрыта снегом и льдом, которые растапливали только огромной мощности извержения вулканов. Так что, хотя мы и не можем отрицать, что все живые организмы на Земле входят в состав обширных экосистем, все, что экологический подход может нам дать в плане определения понятия жизни, – добавление еще одного пункта в наш список свойств живого: «чтобы считаться живым, надо быть частью обширной экосистемы». Однако, если для живых организмов на Земле это, возможно, и соответствует действительности, нет никаких причин считать это свойство обязательным для жизни на экзопланетах.

То же самое можно сказать и о тезисе, гласящем что живые системы должны состоять из клеток. Хотя жизнь, похожую на нашу, нам привычно представлять состоящей из клеток, нет никаких оснований полагать, что жизнь на экзопланетах должна быть похожа на нашу именно по этому параметру.

Проще говоря, большинство свойств из вышеприведенного списка несомненно присущи живым организмам Земли, но столь же несомненно, что внеземная жизнь совершенно не обязана ими обладать. Поэтому, когда мы наконец отправимся в путешествие по Галактике, мы можем на всякий случай захватить наш список с собой, но не будем слишком рассчитывать на то, что в наших поисках он нам пригодится.

Определения, основанные на описании жизни как процесса

В 1994, когда в NASA решили возвратиться к поискам жизни на просторах Галактики, была создана группа ученых‐экспертов, целью которой стала разработка критериев определения этого понятия. Следуя предложению, выдвинутому астрофизиком из Корнелльского университета Карлом Саганом, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции». Эта формулировка вошла в историю науки как «определение NASA», и, хотя она очевидно геоцентрична, мы, размышляя о возможных формах жизни на экзопланетах, увидим, что эта формулировка, несомненно, полезна.

Процесс дарвиновской эволюции называют также естественным отбором. Мы утверждаем, что, по всей вероятности, этот процесс должен действовать на подавляющем большинстве экзопланет.

Вот как он протекает на Земле. Каждый организм получает от своих родителей генетический материал, который влияет на свойства и качества этого организма. Эти свойства, в свою очередь, играют основную роль в определении того, проживет ли организм достаточно долго, чтобы передать генетический материал следующему поколению, – вам может быть знакома формулировка «выживает сильнейший» (или «наиболее приспособленный».) Постепенно в популяции будут накапливаться признаки, способствующие выживанию. Таким образом, с течением времени естественный отбор создаст организмы, хорошо приспособленные к окружающей их среде. Именно так и возникло то разнообразие форм жизни, которое мы видим на нашей планете.

Но хотя все живые организмы на Земле и являются продуктами естественного отбора, из этого не следует напрямую, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим несколько вариантов таких ситуаций в главе 16, когда будем говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу.

Фактически, определение NASA – лишь одна из множества попыток дать определение жизни в терминах процессов, в результате которых она появляется. Это определение, в сущности, говорит, что для того, чтобы узнать, является ли что‐то живым, мы должны узнать, как оно появилось. Если организм возник в результате естественного отбора, то, в соответствии с этим определением, он живой. Рассматриваемый под таким углом, естественный отбор становится способом определения живого.

Для определения жизни пытались использовать и другие процессы. Один из самых интересных примеров связан с теорией систем: речь идет о так называемом свойстве эмерджентности. В этом случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем.

Пример, на котором проще всего объяснить, что такое эмерджентность, – куча песчинок. Представьте себе, что вы собираете кучу, добавляя к ней по одной песчинке. По мере увеличения числа песчинок взаимодействие сил внутри кучи становится все более и более сложным, хотя эти силы возникают в результате контактов между песчинками и ничего больше. В конце концов – скажем, на миллионной песчинке – происходит нечто новое: мы добавляем эту песчинку, и вдруг с какой‐то стороны кучи сходит оползень. Этот оползень – эмерджентное свойство песчинок. Суть здесь в том, что одна песчинка не станет причиной миллионной доли оползня, но при этом для того, чтобы куча песка пришла в движение, вам потребуется сначала собрать 1 000 000 песчинок.

Таким образом, сторонники этого определения заявляют, что жизнь есть проявление некоей химической лавины. Усложните химическую систему в достаточной степени, и вы, по всей вероятности, получите жизнь.

Главная сложность этого типа определений состоит в том, что они требуют весьма подробного и четкого знания о том, как именно рассматриваемая система пришла к состоянию, в котором сейчас находится. В главе 5 мы обсудим более сложные проблемы, которые ожидают нас при поиске следов жизни на других планетах, не говоря уж о том, чтобы выяснить, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы можем посылать спускаемые аппараты и зонды и проводить измерения in situ, отыскать достаточно убедительные доказательства того, что жизнь там существует (или существовала), оказалось крайне трудно. Представьте, насколько трудно было бы не только обнаружить жизнь, но и проследить за ее эволюцией на далекой экзопланете.

Определения, сформулированные на основании законов термодинамики

Когда физики рассматривают какую‐то проблему, например определение жизни, их ключевой подход состоит в том, чтобы докопаться до самых базовых законов природы, действующих в исследуемой ими системе, какой бы эта система ни была. Этот метод известен нам по крайней мере со времен Исаака Ньютона, который обнаружил, что движение любого объекта, где бы во Вселенной он ни находился, можно описать тремя открытыми им законами. Как мы уже говорили в предыдущей главе, можно сказать, что цель физики – свести законы бытия Вселенной к системе уравнений, которая поместилась бы на футболке. Таким образом, когда физик думает о жизни на Земле, он вспоминает прежде всего о двух ключевых параметрах: энергии и энтропии. Эти параметры – сфера изучения термодинамики, науки, которая возникла и получила свое развитие в XIX веке. В предыдущей главе мы уже говорили о первом и втором законах термодинамики (не забыли про футболку?), которые можно сформулировать так:

Первый закон: Энергия может принимать множество переходящих друг в друга форм, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон: Мера беспорядка в замкнутой системе со временем остается неизменной или растет, но не уменьшается.

Второй закон часто формулируется в терминах энтропии – величины, которую можно определить как меру беспорядка в системе: высокая энтропия соответствует высокой степени беспорядка, низкая – высокой степени упорядоченности.

Типичная аналогия, иллюстрирующая законы термодинамики, – спальня подростка. С течением времени комната становится все более и более захламленной (т. е., степень беспорядка в ней повышается, или, что, по сути, то же самое, она переходит в состояние со все более высокой энтропией). Мы можем представить себе захламленность как естественное «равновесное» состояние этой системы. Единственный способ избежать этой захламленности и тем самым удерживать систему в состоянии, далеком от равновесия, – постоянно заниматься уборкой. Этот процесс требует затрат энергии, а энергия, скорее всего, будет получена из еды, которую подросток (или, что более вероятно, его родители) ест. Избыток этой энергии будет – после того как уборка в комнате закончится – рассеян в пространстве в виде тепла. Это следует из первого закона – энергия, полученная из еды, должна куда‐то деваться и не может просто исчезнуть. Следовательно, чтобы поддерживать состояние высокой упорядоченности (или низкой энтропии), нам необходимо иметь постоянный приток энергии, проходящей через систему. На языке физиков мы говорим, что приток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далеком от равновесия.

Живая система, такая, как человеческое тело, находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, напоминающем чисто убранную спальню. Будучи предоставленными сами себе, атомы вашего тела быстро превратились бы в груду неструктурированного материала, наподобие захламленной спальни. Приток энергии, попадающей в организм во время приема пищи, а в конечном счете – поступающей от Солнца, удерживает тело в состоянии, далеком от равновесия – то есть кучки неупорядоченных атомов. Резюмируя все вышесказанное, мы можем заключить, что живая система – это система, которую приток энергии удерживает в состоянии, далеком от равновесия.

Впрочем, это даст нам не столько определение жизни, сколько ключевое свойство живой системы, свойство, которое может говорить о возможности жизни как таковой. На языке логики это необходимое, но не достаточное условие жизни. Другими словами, все живые системы должны иметь приток энергии для поддержания состояния с высокой степенью организованности – но не все системы, обладающие таким свойством, будут живыми. Растущая снежинка, к примеру, – высокоупорядоченная система, задействующая для своего роста энергию тепла, но она не живая.

Концепция жизни, определенной в терминах термодинамики, очень пригодится нам, когда мы будем обсуждать возможность жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16).

Немного о технике

В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, во время раскопок в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении обломков каменных инструментов. Гоминид, позже названный Homo habilis («человек умелый»), был первым из наших далеких предков, кто использовал окружающие его предметы и материалы для изготовления орудий – в данном случае для того, чтобы заострить осколки камней. Homo habilis, мозг которого был примерно вдвое меньше, чем у современного человека, первым ступил на путь технологического развития, ведущий к современному высокоразвитому обществу.

Когда‐то считалось, что изготовление орудий – одна из тех характеристик, которые, наравне с языком, отличают человека от других животных. Сегодня мы понимаем, что границы такого рода размыты гораздо сильнее, чем мы думали раньше. Мы можем наблюдать, как животные пользуются примитивными инструментами – шимпанзе, например, чтобы выманить термитов наружу и съесть их, втыкают палку в термитник. Однако утверждать, что эта палка и, скажем, «Боинг-747» в каком‐то смысле одно и то же, не слишком разумно. Как и с множеством других признаков, отличающих человека от остальных живых существ, в изготовлении орудий главное – степень проявления этого отличия, а не само отличие как таковое.

Вполне очевидно, что способность применять материалы окружающей среды для изготовления орудий – необходимое условие для возникновения технологического общества. Однако, когда мы задумываемся о жизни на экзопланетах, в этой связи возникает интересный вопрос. На Земле возможность изготавливать всё более сложные инструменты нашим предкам дала повсеместная доступность самых разных видов камня. То же самое относится и к работе с легкоплавкими металлами, в большом количестве присутствующими прямо на поверхности Земли или на достаточно небольшой глубине. Не будь этих металлов, мы бы все еще жили в каменном веке.

Но ведь наличие легкодоступных материалов для изготовления орудий не обязательно должно быть особенностью, присущей всем экзопланетам. В мире, покрытом водой, о котором мы поговорим в главе 8, камни и металлы вполне могут оказаться в дефиците, и развитие того, что мы могли бы назвать технологической цивилизацией, может стать по меньшей мере затруднительным. Таким образом, мы должны обращать внимание не только на присутствие жизни на экзопланетах, но и на наличие встречающихся там материалов, из которых местные формы жизни могли бы изготовить орудия труда и, таким образом, в конечном итоге создать технологическую цивилизацию.

4
Правила игры

Как должна работать каждая живая система

Как ни странно, несмотря на то, что определить, что такое жизнь, очень трудно, если вообще возможно, сформулировать свойства, которыми должна обладать жизнь на далеких планетах, – гораздо более простая задача. Дело в том, что мы довольно хорошо понимаем, как развивается и функционирует жизнь – по крайней мере, похожая на нашу – в том окружении, в котором она оказывается. К тому же, как мы расскажем ниже, «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, должны быть верными для большинства видов жизни – и не только основанной на соединениях углерода. Таким образом, мы можем сформулировать правила, управляющие любым гипотетическим видом жизни в любой точке Галактики, если сможем понять, каковы эти правила здесь, на Земле. На основе этого понимания – и того, что зарождение жизни на Земле пока что остается единственным известным нам процессом ее возникновения, – в этой главе мы сначала поговорим о том, что нам известно о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить себе, как подобные процессы могли бы происходить в экзотических условиях экзопланет.

Таким образом, чтобы понять, как жизнь на нашей планете стала такой, какой она есть, нам потребуются ответы на два глобальных вопроса, а уже для того, чтобы получить она них ответы, пригодятся знания из самых разных областей науки. Первый из наших вопросов таков: как что‐то живое появилось из заведомо неживых составляющих, и известен нам как вопрос о происхождении жизни. Второй вопрос звучит следующим образом: уже после того, как возникли первые живые существа, каким образом развивались те разнообразие и сложность видов жизни, которые мы сейчас видим? Второй из этих вопросов несколько ближе к теме нашего разговора о гипотетической жизни на экзопланетах – и, к счастью, мы довольно неплохо понимаем, как этот процесс происходил на Земле. Наши современные представления о развитии жизни основаны на теории естественного отбора (или, что то же самое, дарвиновской теории эволюции), которую мы обсуждали в предыдущей главе в связи с определением жизни, данным NASA.

Происхождение жизни на Земле

Прежде чем мы приступим к подробному изучению происхождения жизни, следует сказать одну очень важную вещь. Живые системы на Земле в наши дни невероятно сложно устроены: они являются результатом миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на нашей планете – мы можем назвать его универсальным общим предком – нисколько не было похоже на тех живых существ, которых мы видим вокруг себя сегодня. Оно должно было быть крайне примитивным и, вероятно, обладало лишь малой частью свойств современных клеток. Мы обнаружим, что всю сложность современных живых существ эти примитивные первоорганизмы обрели позже, в процессе естественного отбора.

В самом начале своей истории наша планета была дрейфующим в космическом пространстве расплавленным шаром – на ней не было ни внятной атмосферы, ни океанов, ни, тем более, какой бы то ни было жизни. Обращаясь вокруг Солнца по своей орбите, молодая Земля подвергалась постоянной бомбардировке космическими обломками – по сути, именно эти столкновения и давали ей количество тепла, достаточное для поддержания ее поверхности в расплавленном состоянии. Собственно, интересующий нас вопрос о происхождении жизни проще всего сформулировать следующим образом: как Земля пришла из этого состояния к появлению на ней хотя бы одного живого организма? При этом мы предполагаем, что большинство экзопланет земного типа (то есть небольших планет, на значительную часть состоящих из камня) имели схожие начальные условия – так, что наши рассуждения о происхождении жизни на этих планетах будут опираться на прошлое Земли.

Мы считаем, что образование газовых гигантов, наподобие Юпитера или Сатурна, шло другим путем: у них вокруг относительно небольшого твердого ядра быстро накапливались водород и гелий. Мы еще обсудим, значит ли это, что жизнь на подобных планетах могла возникнуть способом, отличным от того, как она появилась на Земле. Мы, однако, считаем, что внутренние структуры клеток обитателей газового гиганта будут отличаться от клеток существ, населяющих Землю, – некоторые из таких структур, например, могут напрямую управлять плавучестью.

Итак, первое, что произошло с Землей, когда она вышла из своего первичного расплавленного состояния, – она остыла, и ее наружный слой отвердел, превратившись в камень. Вода – частью из недр планеты, частью принесенная кометами и астероидами в виде льда – заполнила океанические впадины, подготовив тем самым почву для появления жизни. Некоторые геологические находки, например циркониевые кристаллы, внутри которых содержится вода, свидетельствуют о том, что 4,2 миллиарда лет назад жидкая вода на Земле уже была распространена повсеместно. Палеонтологические данные говорят, что жизнь появилась на Земле вскоре после того, как завершилась бомбардировка планеты крупными астероидами – самое позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, тот, кто оказался бы на нашей планете 3,8 миллиарда лет назад, увидел бы океаны, кишащие цианобактериями (плотными сине‐зелеными водорослями). То есть можно сказать, что на Земле жизнь появилась очень быстро – буквально при первой возможности.

Это приводит нас к любопытной мысли. В эпоху «великой бомбардировки» ранней Земли были, вероятно, периоды – возможно даже, протяженностью в миллионы лет, – когда крупных столкновений с астероидами не происходило. И, если бы на протяжении одного из этих спокойных периодов на Земле развилась жизнь, она была бы затем уничтожена очередным ударом крупного астероида. Небесное тело размером всего лишь со штат Огайо, например, уже принесло бы с собой достаточное количество энергии, чтобы вскипятить все океаны Земли и на 1000 лет превратить ее атмосферу в сплошной раскаленный пар. Ни одна из форм примитивной жизни не пережила бы такого столкновения. А, насколько мы можем судить, подобные сценарии могли проигрываться в ранней истории Земли больше одного раза. Другими словами, наши микробиологические предки, вполне вероятно, не были первой формой жизни на нашей планете – они просто оказались первыми, кто сумел выжить и продолжить развиваться после последней крупной космической катастрофы. На протяжении ранней истории Земли жизнь могла возникать и исчезать десятки раз, но у нас сохранились свидетельства развития только той ее формы, которая уцелела после последнего из стерилизовавших планету астероидных ударов.

Первый шаг на пути зарождения жизни представлял собой процесс возникновения сложных молекул, содержащих атомы углерода. Раньше считалось, что сборка сложных углеродных цепочек, которые мы можем наблюдать в составе живых систем, была крайне сложным процессом – по сути, до середины XX века ученые старались просто обходить эту область исследований. По‐видимому, наиболее распространенным в научной среде оставалось мнение, что тема происхождения жизни в целом слишком запутанна (и, возможно, является скорее предметом интереса философии), чтобы стать частью научного мейнстрима.

Можно сказать, что изучение происхождения жизни сдвинул с мертвой точки один‐единственный эксперимент, проведенный в подвале здания химического факультета Чикагского университета в 1952 году. Нобелевский лауреат, химик Гарольд Юри (1893–1981) и его тогдашний аспирант Стенли Миллер (1930–2007) предприняли попытку воссоздать условия, которые могли существовать на юной Земле. Их установка была довольно несложной: она состояла из фляжки с водой (в роли океана), источника тепла (изображавшего воздействие Солнца), электрического разрядника (моделировавшего удары молний) и смеси водяного пара, метана, водорода и аммиака (что, по мнению Миллера и Юри, приблизительно соответствовало составу первичной атмосферы Земли). Экспериментаторы включили источник тепла и разрядник и оставили установку в таком виде на несколько недель. По прошествии этого времени вода превратилась в мутную темно‐бордовую смесь, и анализ показал присутствие в ней молекул аминокислот.

Здесь следует кое‐что пояснить. Одним из наиболее важных видов молекул, существующих в живых системах, являются белки – именно они управляют химическими реакциями во всех живых организмах на Земле. Белки состоят из аминокислот. По сути, молекулу белка можно представить в виде цепочки, каждое звено которой – какая‐либо аминокислота. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут привести к возникновению основных «строительных кирпичиков» живых систем из материалов, совершенно очевидным образом не живых, но, по всеобщему мнению, в изобилии присутствовавших на ранней Земле.

Этот результат имел огромное влияние на изучение проблемы происхождения жизни – уже хотя бы потому, что перевел эту проблему из области философии в сферу науки. В проведенных вслед за экспериментом Миллера – Юри сериях аналогичных опытов были последовательно получены практически все важные молекулы, присутствующие в живых системах, включая участки цепочек ДНК и сложные белки. Как ни удивительно, но то, что, по мнению современных ученых, в своем эксперименте Миллер и Юри исходили из неверных представлений о составе первичной земной атмосферы, не имеет значения. Опыты с различными составами атмосферы и источниками энергии давали в целом сходные результаты, хотя и отличающиеся количественно, в соответствии с выбранным количественным составом атмосферы. Более того, сложные органические молекулы (в том числе аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, межзвездных пылевых облаках и даже в состоящих из обломков околозвездных дисках, в которых образуются экзопланеты. То есть оказалось, что против всех ожиданий основные молекулярные «строительные кирпичики» жизни – довольно рядовой элемент Вселенной; по сути, они встречаются повсюду.

Таким образом, проблема происхождения жизни свелась к вопросу, как именно эти «строительные кирпичики» собираются в нечто, что мы однозначно воспринимаем как жизнь. Уже разработано множество теорий того, как это происходит, но ни одна из них до сих пор не получила всеобщего одобрения. Во всяком случае, опираясь на пример Земли, мы уверенно можем заключить одно: как бы конкретно эта сборка неживого в живое ни происходила, она происходила очень быстро.

Первичный бульон

В теориях, которые стали появляться после эксперимента Миллера – Юри, утверждалось, что в результате смоделированных Миллером и Юри процессов в атмосфере первичной Земли должны были возникнуть дожди из органических молекул, превративших океаны планеты в густую органическую среду – ее стали называть первичным бульоном. Вычисления показали, что это должно было произойти за несколько сотен тысяч лет – по геологической шкале времени практически за мгновение ока. Затем, утверждали теоретики, случайные взаимодействия между органическими молекулами должны были рано или поздно породить химическую конструкцию, способную к поглощению вещества из окружающей среды и к самовоспроизводству, – того самого универсального общего предка. За достаточно долгое время, заключали теории, что‐то вроде этого просто не могло не произойти. Дошло доже до того, что Смитсоновский институт спродюсировал фильм, в котором популярная ведущая кулинарных телепрограмм Джулия Чайльд смешивала первичный бульон у себя на кухне.

Увидело свет сразу несколько вариантов сценария с первичным бульоном: все они рассматривали те или иные варианты появления универсального общего предка. Чарльз Дарвин, например, когда‐то предполагал, что жизнь могла зародиться в «маленьком теплом пруду». Развивая эту идею, некоторые ученые утверждали, что при каждом высоком приливе богатая органическими молекулами вода должна была переливаться в прибрежные лужи. Из них вода постепенно испарялась, оставляя на дне лужи слой органических молекул. Таким образом, именно постепенно растущая концентрация молекул в луже и должна была привести к образованию случайной комбинации молекул – первому живому существу.

Довольно быстро возникли и другие теории. Каждая из них пыталась описать некое условие, облегчающее переход от «строительных кирпичиков» к самовоспроизводящимся клеткам. Была, например, высказана идея, что роль катализатора, запустившего первые необходимые для жизни химические реакции, могли играть электрические заряды на поверхности глинистых отложений. Другие теоретики полагали, что каждый пузырек океанской пены (или, в другой версии, каждую капельку жира в первичном бульоне) можно представить себе как самостоятельный химический эксперимент – ведь каждая такая капелька содержала внутри себя некое уникальное сочетание молекул. Согласно еще одному сценарию, жизнь зародилась внутри полости в камне вблизи глубоководной океанской впадины. (Преимущество этой схемы в том, что в ней нет необходимости в наличии первого общего предка как обладателя клеточной мембраны или клеточной стенки и, таким образом, необходимости в клеточном устройстве живого организма – ведь функционал клеточной мембраны выполняло бы само расположение полости внутри камня.)

Все эти модели происхождения жизни можно классифицировать как варианты теории «замороженной случайности». Их основное содержание состоит в том, что произвольные сочетания молекул продолжали появляться до тех пор, пока одно из них совершенно случайно не оказалось способным к самовоспроизводству. Как только это случилось, колесо жизни завертелось и процесс естественного отбора начался. Первое сочетание молекул, с которого все это началось, оказалось «заморожено», а все возможные конкуренты и опоздавшие остались ни с чем.

Вы можете всю жизнь жить рядом с «замороженной случайностью», даже не догадываясь об этом. Взгляните на клавиатуру вашего компьютера. Видите сочетание букв QWERTY в верхнем ряду клавишей? Эти так называемые QWERTY-клавиатуры были введены в употребление в XIX веке, чтобы уменьшить зацепление рычагов пишущих машинок друг за друга. По сути, эта раскладка оказалась той самой «замороженной случайностью» – хотя клавишами уже давно управляет электроника, а не механические рычаги, мы сохраняем первоначальную раскладку: слишком хлопотно было бы ее менять. Точно так же, если верить этим теориям, первая успешно воспроизводящаяся клетка стала основой всей последующей жизни – не потому, что она была лучшим вариантом из возможных, а потому, что оказалась первой.

Можно было бы продолжать рассказывать о других теориях «замороженной случайности», но вы, наверно, уже уловили главную мысль. Опыт Миллера – Юри породил настоящую лавину идей и гипотез в области происхождения жизни. Но по мере того, как ученые все больше узнавали об основах химии жизни, в этой области стали доминировать два крупных теоретических подхода. Мы назовем их «Мир РНК» и «Сначала обмен веществ».

Мир РНК

Современные клетки функционируют достаточно своеобразно. Для того, чтобы в них могли идти химические реакции, поддерживающие в клетках жизнь, требуются особые молекулы, называемые ферментами или энзимами. В живых системах на Земле ферментами служат белки – это объясняет, почему публикация результатов опыта Миллера – Юри вызвала такой ажиотаж. В клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, из которых состоят белки, закодирована в сложной молекуле, называемой ДНК; эта информация передается белкам еще одной системой сложных молекул – РНК. Но при этом первый шаг в процессе передачи данных представляет собой чтение кода ДНК, а для чтения кода опять‐таки требуются белки. Таким образом, перед нами классическая дилемма курицы и яйца. Чтобы декодировать ДНК, нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не декодируем ДНК.

Возможный способ решения этой проблемы был обнаружен в начале 1980‐х, когда ученые открыли, что некоторые виды молекул РНК, помимо своей обычной роли в раскодировании ДНК, могут выступать также в роли ферментов (такие разновидности РНК называются рибозимы). Это открытие привело к еще одной версии теории «замороженной случайности»: предполагается, что случайным образом возникла некая версия прото-РНК, а затем эта прото-РНК стала функционировать в первых формах жизни одновременно и как фермент, и как шестеренка в цепочке производства белка. Эта гипотеза, названная «миром РНК», – в настоящий момент, вероятно, наиболее распространенная среди ученых теория происхождения жизни.

Ключевым для этой гипотезы является предположение о том, что как только появилась прото-РНК, первая примитивная клетка смогла использовать ее для выживания и для воспроизводства. Эта клетка и стала, таким образом, универсальным общим предком. Сложность же современной клетки – результат миллиардов лет последовавшего за этим событием естественного отбора.

Сначала обмен веществ

Противоположная точка зрения – ее можно назвать «Сначала обмен веществ» – полностью отрицает идею «замороженной случайности». Согласно этой теории, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ни ДНК, ни РНК. Она прошла через ряд простых химических реакций без участия сложных ферментов, исключительно посредством каталитического действия малых молекул. И лишь гораздо позже, в ходе естественного отбора, развилась химия современной клетки.

Вот простой пример, позволяющий представить, как это должно работать. Рассмотрим сеть федеральных скоростных автомагистралей в Америке. Невероятно сложная система, включающая огромную сеть дорог, гигантскую индустрию, обеспечивающую снабжение автомобилей горючим, собственно автомобильную промышленность и так далее. Если бы нам потребовалось объяснить, что представляет собой эта система сегодня, мы начали бы не с нанесения на карту уже существующей сети магистралей и попыток распределить по ним потоки автомобилей. Вместо этого мы бы вернулись в доколумбову Америку и изучили бы самую примитивную транспортную сеть, вроде сети пешеходных индейских троп. Потом поговорили бы о том, как эти тропы сменились немощеными дорогами, по которым ходили первые фургоны, как по ним поехали первые автомобили, как затем дороги стали мостить, строить на них заправочные станции, и так далее. Таким образом, шаг за шагом, мы бы в конце концов добрались и до нынешней системы во всей ее сложности, причем нам не понадобилось бы обращаться ни к каким маловероятным случайным событиям.

Какой из этих двух сценариев – «Мир РНК» или «Сначала обмен веществ» – реализовался на самом деле в ранней истории Земли, нам еще предстоит выяснить. Может быть, на самом деле обе этих гипотезы ошибочны? Все, что мы сейчас можем твердо сказать о том, как на нашей планете появилась жизнь, сводится к двум тезисам: 1) на Земле были богатые запасы основных молекулярных «строительных кирпичиков», необходимых для появления полноценных живых систем, и (2) как бы конкретно ни происходила «сборка» первого живого существа, она произошла быстро.

Другое происхождение, другая жизнь

Как бы ни зарождалась жизнь на Земле – по одному из упомянутых нами сценариев или как‐то совершенно иначе, – это не значит, что во всех остальных уголках Галактики жизнь может появиться таким и только таким путем. Даже в мирах, где существуют океаны жидкой воды, вполне возможны быть десятки, сотни, а может, и миллионы способов возникновения жизни. В этих мирах могут существовать различные молекулы, несущие разный генетический код и различные белки, управляющие химическими реакциями. И в нашем дальнейшем повествовании мы должны по возможности избегать того, что можно назвать «земным шовинизмом» – представления, что повсюду во Вселенной жизнь должна так или иначе походить на жизнь на Земле. Давайте посмотрим на некоторые возможные проявления таких различий.

Молекулы чего?

Даже жизнь «как у нас» – то есть жизнь, основанная на химических реакциях, задействующих соединения углерода и происходящих в жидкой водной среде, – не обязательно должна быть точно такой же, как та, к которой мы привыкли на Земле. Взять хотя бы один пример – структуру белков, молекул, действующих как ферменты и управляющих химическими реакциями в земных живых системах.

Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как цепочки, звенья которых – молекулы меньшего размера, называемые аминокислотами. В лаборатории можно создать множество аминокислот – и это крупная и постоянно развивающаяся область исследований. Создаваемые таким способом белки, в которые входят не встречающиеся в природе аминокислоты, можно использовать для самых разных целей, от создания новых лекарств до производства биоразлагаемых контейнеров. Однако при этом в земных живых системах встречается довольно небольшое количество аминокислот (по разным версиям подсчетов, всего 20 или 22). Почему так? Может быть, это результат еще одной «замороженной случайности» в ранней истории Земли? Если это действительно так, то стоит ожидать, что живые организмы на других планетах состоят из белков на основе других аминокислот, не тех, что у нас, а значит, имеющих совершенно иную химию. Но если все же имела место какая‐то (пока неизвестная) причина, по которой конкретный набор аминокислот, на основе которого развилась жизнь на Земле, приобрел огромное эволюционное преимущество, тогда нам следует ожидать, что вся углеродная жизнь имеет генетический код, сходный с нашим. Подобные вопросы можно задавать почти о любом химическом свойстве земной жизни.

Что за жидкость?

Вода широко распространена во Вселенной. Но нужна ли она для успешного существования углеродной жизни? Посмотрим на Юпитер: оказывается, это самое сухое место в нашей Солнечной системе – этакая пустыня Сахара планетарного масштаба. (Это сравнение вполне корректно: данные космической миссии Galileo показывают, что процентное содержание водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставимо с его содержанием в Сахаре.) Однако мы знаем, что довольно сложные органические молекулы, вроде бензола, спокойно образуются в атмосфере Юпитера вследствие реакций, протекающих под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Это значит, что сложные молекулы могут образовываться и в средах, бедных водой. Мог ли процесс такого типа привести к реакциям, аналогичным опыту Миллера – Юри и в конечном счете – к появлению жизни?

Мы склонны считать, что в основе жизни должна лежать вода, потому что мы привыкли к этому на Земле и потому что вода – среда, крайне благоприятная для химических реакций. В конце концов, чтобы молекулы взаимодействовали, они должны иметь возможность двигаться и сталкиваться, а это, конечно, намного проще в жидкой среде. Но вода – не единственная жидкость в мире. На спутнике Сатурна, Титане, например, есть океаны, состоящие из жидкого этана и метана. Химические реакции в таких ультрахолодных средах должны, конечно, идти очень медленно, но нет никаких поводов предполагать, что жизнь обязательно должна быть ограничена такими же временны́ми рамками, как на Земле. На другом же конце интервала возможных температур мы можем представить себе планеты, раскаленные достаточно сильно, чтобы там могли существовать океаны жидкой магмы (лавы). Известные нам молекулы не могли уцелеть в таком аду, зато неизвестные, может, и могли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы встречаем больше вопросов, чем ответов.

Что за атомы?

Когда мы обращаемся к разговору о жизни, непохожей на нашу, – то есть жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, – вопросы становятся более сложными. Мы довольно много знаем о том, как возникали или теоретически могли бы возникнуть основные «строительные кирпичики» углеродной жизни. Но вопрос о возникновении и развитии жизни на основе других видов молекул исследован очень мало. Нетрудно, однако, представить себе, что где‐то живет инопланетный ученый, организм которого состоит из кремния (или, скорее, из соединений кремния), и что он ставит опыт, эквивалентный эксперименту Миллера – Юри, чтобы понять, как возникла его разновидность жизни.

А если уж говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу, нам придется распрощаться со всей нашей молекулярной химией раз и навсегда – химических «строительных кирпичиков» мы можем здесь не встретить вовсе. В главе 16, где мы обсуждаем концепцию электромагнитной жизни, мы говорим о том, что в устройстве и работе электрического и магнитного полей мы разбираемся в настоящий момент гораздо лучше, чем в молекулярной биохимии. Мы давно и хорошо знаем, что движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля, а переменные магнитные поля создают поля электрические. Однако эти знания могут оказаться совершенно бесполезными для описания сложных живых систем, которые могли бы зародиться при электромагнитных взаимодействиях.

Естественный отбор как инструмент эволюции

Коль скоро вопрос о происхождении жизни в данном конкретном мире решен и сборка самовоспроизводящейся единицы произошла, на сцену выходит совершенно новая группа механизмов. Представьте себе, что темп развития жизни резко переключился на другую скорость. Мы уже упоминали этот момент в предыдущей главе, когда говорили об определении жизни, данном NASA, и знакомились с дарвиновской теорией эволюции. В этом разделе мы расскажем, как этот процесс сформировал жизнь на Земле, приведем убедительные доказательства этой теории и аргументы в пользу того, что именно эволюционный процесс должен быть главным фактором, задающим вектор развития жизни на любой экзопланете.

Доводы в пользу существования естественного отбора базируются на двух довольно простых (и настолько же очевидных) фактах:

• Отдельные особи какого‐либо вида имеют различные характеристики, и эти характеристики могут передаваться от одного поколения к следующему (включая возможные случайные изменения, вроде мутаций земной ДНК).

• Особи каждого конкретного вида будут конкурировать за все ресурсы, доступные в окружающей их среде.

Собственно, все настолько просто. На Земле, например, разные особи какого‐либо вида несомненно имеют разные характеристики. Одни кролики способны бегать быстрее других; форма клюва одних птиц позволяет им добывать пищу лучше, чем другим; часть баранов способна спариваться чаще, чем другие. Когда Дарвин выдвинул свою теорию эволюции, он не имел никакого представления ни о том, почему все происходит именно так, ни о том, как именно признаки передаются от одного поколения к следующему. Но он знал, что индивиды отличаются друг от друга и что эти отличия могут наследоваться. Один из поводов испытать от чтения книги Дарвина «О происхождении видов» огромное наслаждение – внимательно следить за тем, как подробно автор обсуждает подробности разведения голубей, и представлять себе, как он часами сидит в местном пабе, разговаривая об этом с другими голубятниками. (Дарвин и в самом деле разводил голубей.)

Простой тезис, лежащий в основе дарвиновской теории, состоит в следующем: некоторые гены обеспечивают особи характеристики, которые повышают вероятность того, что организм, обладающий ими, проживет достаточно долго, чтобы произвести потомство. Это, в свою очередь, означает, что эти гены с большей вероятностью, чем другие, будут переданы следующему поколению. На языке палеонтологов мы говорим, что эти гены отбираются. В конечном счете отобранные гены становятся доминантными, и, если это повторяется достаточное количество раз, появляются новые особи. И хотя Дарвин не знал о существовании генетики, когда придумывал название для своей книги, он говорил в ней именно о происхождении видов посредством передачи генов.

Сначала Дарвин не употреблял выражения «выживает сильнейший», но оно стало популярным кратким описанием эволюционного процесса. Дело в том, что категория «сильнейших» или «наиболее приспособленных» в дарвиновском смысле определяется средой, в которой оказывается организм. Если, например, кролик живет в среде, в которой обитают хищники, то гены, которые помогают ему бегать быстрее, с высокой вероятностью будут переданы по наследству. С другой стороны, если он живет в среде, где мало пищи, более важными могут стать другие признаки, например острый нюх. Иначе говоря, не существует единого определения приспособленности – она полностью зависит от того, какие признаки дают организму преимущество в конкретной среде.

Из неспешности и постепенности эволюционных изменений следует еще одна довольно важная вещь. Когда мы пытаемся представить себе процесс эволюции организма под влиянием окружающей среды, мы должны думать о постепенном пошаговом процессе, в котором каждый шаг – это развитие какой‐либо черты, дающей эволюционное преимущество. Нет смысла говорить, что свиньи бы выиграли, если бы у них были, к примеру, крылья. Вы должны подумать, как выглядел бы пошаговый процесс, который привел бы к появлению крыльев и в котором каждое изменение делало особь более приспособленной к окружающей среде. Шаги, приводящие нас к появлению крыльев, могли бы быть, например, такими: сначала выступы на боках у свиньи помогают ей регулировать температуру тела, затем – дают ей возможность парить в воздухе, и наконец превращаются в полноценные крылья. Необходимость обосновывать каждый шаг на пути развития вида будет очень важна для нас, когда мы будем говорить о вариантах возможной эволюции в причудливых условиях экзопланет.

Прежде чем мы закончим с доказательствами в пользу теории эволюции, мы должны обсудить еще один вопрос – о скорости, с которой происходит процесс эволюции. Здесь существует две крайности. Одна состоит в том, что крупные эволюционные сдвиги происходят вследствие накопления критической суммы малых изменений, – эта теория известна нам как градуализм. Вторая, противоположная ей – теория прерывистого равновесия. Согласно этой теории, большинство видов остаются практически неизменными на протяжении достаточно долгих отрезков времени, а затем за короткое время претерпевают стремительные изменения. Зная, что развитие и возникновение видов происходит из‐за изменений в молекуле ДНК, мы можем представить себе, как могла бы воплотиться в жизнь каждая из этих теорий. Мутация, которая затрагивает отдельный ген (и, следовательно, запускает конкретную химическую реакцию), чаще всего приводит лишь к незначительным изменениям в исходном организме. Однако, как нам известно, в числе прочего существуют такие участки ДНК, которые не кодируют белки, но действуют как некие переключатели для групп генов. Мутация в этих областях ДНК вполне могла бы запустить цепочку серьезных изменений – и этот тип изменений вполне похож на то, о чем говорит теория прерывистого равновесия. Как это часто случается в подобных ситуациях, правильным ответом на вопрос «Развивалась ли жизнь на Земле постепенно или резкими скачками?» будет «Да». Будет ли это утверждение корректным и для жизни на экзопланетах, зависит от конкретного механизма, посредством которого тамошние живые существа передают характеристики от поколения к поколению.

Существует много аргументов, выдвигаемых в качестве доказательств теории эволюции, но мы будем кратки и поговорим только о двух наиболее важных: палеонтологических данных и результатах секвенирования ДНК. Из множества видов окаменелостей, конечно же, наиболее впечатляющие – это отпечатавшиеся в камне скелеты и прочие окаменевшие останки давно умерших животных. Они позволяют нам представить полную картину развития жизни в прошлом; каждая открытая нами к этому дню разновидность вымерших животных представляет собой отдельную ветвь сложного древа жизни. Были обнаружены и другие виды окаменелостей, например отпечатки фрагментов растений, а за последние несколько десятилетий – даже останки одноклеточных организмов в очень старых камнях. Именно это открытие и позволило нам, как мы уже говорили выше, приблизительно вычислить время, за которое на ранней Земле развилась жизнь.

В ДНК содержится «слепок» того живого существа, которому эта ДНК принадлежит, и умение читать записанную в ней последовательность кодов дает нам еще один способ реконструкции истории развития жизни на Земле. Базовый принцип, лежащий в основе такой реконструкции, состоит в том, что чем больше различие в ДНК между двумя организмами, тем дальше от них в прошлое отстоит их общий предок. Оцените скорость, с которой происходят мутации (так называемые молекулярные часы), и вы можете использовать эту информацию, чтобы сконструировать еще одно генеалогическое древо, на котором отобразится развитие жизни на Земле.

С нашей точки зрения тот факт, что генеалогическое древо, построенное на основании изучения окаменелостей, и древо, построенное на базе результатов секвенирования ДНК, совпадают, – наиболее весомое свидетельство в пользу дарвиновской теории, которое можно было бы разыскать. Поэтому мы считаем, что дарвиновская эволюция должна стать частью списка принципов, описывающих устройство Вселенной, наравне с такими явлениями, как, например, гравитация.

Естественный отбор повсюду

Там, где существует процесс, посредством которого характеристики передаются из поколения в поколение, и способы изменения этих характеристик, вполне очевидно должен возникнуть и естественный отбор. Если мы говорим о жизни на основе химических соединений – углерода или какого‐нибудь другого элемента, – то в окружающей среде всегда обнаружатся факторы, способные вызывать то или иное подобие мутаций, – первыми в этом списке будут воздействие температуры, ультрафиолета и собственно химические реакции. Таким образом в популяции постоянно будут появляться особи, способные приспособиться к окружающей среде лучше других, – а этого вполне достаточно, чтобы запустить механизм естественного отбора. И здесь мы приходим к мысли о том, что, говоря о жизни на экзопланетах, вполне уместно начинать наши рассуждения с теории эволюции.

Следует подчеркнуть еще один важный момент: хотя естественный отбор всегда остается ключевым законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, варианты живых систем, к появлению которых этот закон нас приведет, в различных средах будут очень сильно отличаться. Если, например, мы говорим о жизни во внешней атмосфере газового гиганта, то способность управлять собственной плавучестью может стать серьезным преимуществом – она позволила бы организму перемещаться между слоями атмосферы в поисках пищи (вспомним еще раз нашего летающего дракона). С другой стороны, на планете с синхронным вращением (см. главу 10) способность противостоять свирепым ветрам, бушующим на поверхности планеты, могла бы обеспечить эволюционное преимущество низкорослым существам с обтекаемыми формами. В следующих главах мы поговорим об условиях на разных экзопланетах и посмотрим, как они повлияют на то направление, в котором будет вести нашу гипотетическую жизнь естественный отбор.

Но, честно говоря, следует признать, что гораздо интереснее поговорить о ситуациях, в которых естественный отбор может не действовать. Вот вам пара примеров подобных ситуаций.

Обойдемся без отдельных организмов

Естественный отбор требует конкуренции за ресурсы между особями. Но что, если форма жизни на экзопланете такова, что отдельных индивидов вообще не существует, а есть лишь единое целое?

Самое крупное живое существо на Земле – гриб Armillaria ostoye, обнаруженный в Орегоне. Это единый организм размером более 3 километров в поперечнике. Нетрудно представить себе, как подобный организм занимает планету целиком. В этом случае никаких индивидов, конкурирующих друг с другом, на планете бы не оказалось. Значит ли это, что на ней не могло было бы быть и естественного отбора?

Это сложный вопрос, и он требует тщательного анализа. Упомянутый гриб состоит из клеток, которые при росте организма делятся – и на этот процесс могут влиять вышеперечисленные факторы окружающей среды. В организме, занимающем планету целиком, процессы роста и деления клеток останутся такими же, как и в организмах поменьше. Таким образом, если бы в клетках этого гигантского организма происходили какие‐то мутации, у нас могла бы возникнуть ситуация, в которой клетки в разных частях организма по‐разному адаптировались к окружающей среде. Другими словами, вместо того чтобы действовать на отдельных особей одного вида, в этом случае естественный отбор действовал бы на различные части одной особи.

Единственный способ обойти этот аргумент – предположить, что сложный организм размером с планету появился спонтанно, уже полностью сформировавшимся. Однако эта возможность настолько маловероятна, что мы можем ее спокойно проигнорировать.

Планета Совершенство

Главный фактор, поддерживающий ход естественного отбора на Земле, – это постоянные изменения на поверхности планеты, вызываемые процессами в ее ядре. Поэтому земные организмы всегда находятся в движении, постоянно пытаясь приспособиться к новым окружающим условиям. Но что, если на каких‐то планетах дела обстоят иначе? Что, если на какой‐нибудь экзопланете все оставалось без изменений на протяжении миллиардов лет?

Если бы на такой планете – назовем ее планетой Совершенство – появилась жизнь, она бы развивалась в соответствии с законами естественного отбора до момента достижения равновесия. В этой точке эволюционное давление исчезло бы. Это не значило бы, что прекратились бы мутации – нет, они шли бы в своем обычном темпе. Просто ни одна мутация уже не могла бы сделать жизнь на планете Совершенство лучше. Поэтому мутации постепенно сошли бы на нет и жизнь окончательно вошла бы в состояние стагнации.

Похожую ситуацию иногда можно увидеть и на Земле. Каждая мутация на нашей планете порождает явление, которое немецкий генетик Ричард Гольдшмидт (1878–1958) назвал «счастливыми уродами». Мутации у большинства таких «уродов» никак не влияют на их шансы на выживание – поэтому такие мутации полностью исчезают за несколько поколений. Эту ситуацию нетрудно развить до того предела, за которым «счастливые уроды» рано или поздно полностью исчезнут – и именно так выглядела бы жизнь на планете Совершенство, если бы она существовала.

Смысл этих двух примеров – в том, чтобы мы вняли вот какому предостережению: когда мы отправимся на поиски жизни в Галактике, нам придется тщательно и многократно обдумывать почти все правила, которыми мы будем при этом пользоваться, и не спешить с выводами. Ничего не поделаешь. Так уж устроена Вселенная. Нам остается только принять этот факт и порадоваться ему.

5
В поисках жизни

Есть кто-нибудь?

В списке внеземных объектов, на которых, казалось бы, несложно разыскать свидетельства наличия живых организмов, первым, несомненно, идет Марс. За последние полстолетия к Красной планете отправилась целая армада космических аппаратов. Посадочные модули опускались на поверхность Марса в десятках разных мест. В ту самую минуту, когда мы пишем эти слова, марсоход Curiosity карабкается по склону заинтересовавшей геологов горы в районе марсианского экватора. И к настоящему моменту нам уж давно пора бы получить четкий ответ на вопрос: есть ли жизнь на Марсе? Была ли она здесь в прошлом?

Но не тут‐то было. С 1976 года, когда посадочные модули миссий Viking первыми из числа отправленных человеком космических аппаратов приземлились на поверхность Марса, в научном сообществе продолжаются вялые споры о доказательствах (или отсутствии доказательств) наличия жизни, добытых этими аппаратами. Значение этих споров трудно переоценить. Если только нам не удастся в ближайшем будущем изобрести что‐нибудь наподобие варп‐двигателя, как в сериале «Star Trek», мы вряд ли сможем исследовать какую‐нибудь еще планету так же тщательно, как мы исследовали Марс. Но если за полвека активного изучения Марса мы так и не можем сказать, есть ли – или хотя бы была ли – на нем жизнь, то как мы можем надеяться получить ответ на аналогичный вопрос о планете, расстояние до которой измеряется в световых годах?

Поиски жизни на Марсе можно без преувеличений назвать историей разочарований. Раз за разом мы обнаруживаем там явления, которые, казалось бы, однозначно свидетельствуют о наличии жизни, – и тут же оказывается, что с таким же успехом эти явления можно объяснить и обычными химическими реакциями. Мы всё пополняем и пополняем коллекцию зацепок и подсказок, но до сих пор не получили ни одного четкого ответа. Сплошные разочарования.

Марсианские хроники

В 1976 году на поверхность Марса в двух разных ее точках успешно приземлилось два спускаемых модуля миссии Viking. Каждый из них нес на борту оборудование для проведения четырех экспериментов, целью которых был поиск свидетельств существования жизни. Вот список этих экспериментов:

• фиксация и исследование молекулярного состава при помощи газового хроматографа – масс‐спектрометра;

• эксперимент с газообменом: марсианская почва cмешивалась с водой и питательными веществами, и затем отслеживалась вероятная биологическая активность;

• эксперимент с пиролизом: марсианская почва подвергалась воздействию углеродосодержащих газов, а затем нагревалась; далее отслеживались возможные признаки фотосинтеза;

• эксперимент по поиску органических веществ, о котором мы подробно поговорим ниже.

Результаты первых трех экспериментов оказались вполне однозначными: не было обнаружено никаких признаков биологической активности. Фактически, не было зафиксировано присутствия вообще каких бы то ни было органических молекул. Однако все эти эксперименты были разработаны на основе предположения, что жизнь на Марсе должна обладать обменом веществ, сходным с земным. Как мы отмечали в главе 3, это предположение могло оказаться верным, а могло и не оказаться. Кроме того, для экспериментов планировалось брать для анализов образцы только из самых верхних слоев марсианской почвы, не глубже примерно дюйма (2,5 см).

Однако результаты экспериментов по поиску органических веществ привлекли огромное внимание. Споры вокруг них длились еще полвека. Вот в чем эти эксперименты заключались: образец приповерхностной почвы помещался в камеру, куда добавлялась смесь воды и питательных веществ. В молекулах питательных веществ содержалось большое количество атомов углерода-14 (тяжелого изотопа, вместо более распространенного углерода-12). Углерод-14 преимущественно обладает теми же свойствами и вступает в те же химические реакции, что и обычный углерод-12, но он радиоактивен, и поэтому его присутствие в любом образце легко зафиксировать. Логика эксперимента была проста: если бы в марсианской почве оказались микробы, они бы усваивали питательные вещества, выделяя при этом радиоактивный диоксид углерода, которая можно было бы отследить в составе газов в камере. И – о, чудо! – оба спускаемых модуля показали присутствие газа, содержащего «помеченный» диоксид углерода.

Увы, восторги по поводу опубликованных результатов эксперимента длились недолго. Когда в камеру были повторно добавлены питательные вещества, на второй и на третий раз никаких следов радиоактивного диоксида углерода зарегистрировано не было. Если бы исходно диоксид углерода появился в камере из‐за метаболизма микроорганизмов, рассуждали ученые, их популяция стала бы увеличиваться и каждый раз, когда в камеру добавляли питательный раствор, должно было бы выделяться все больше газа. И наоборот, если выделение диоксида углерода стало следствием небиологической химической реакции, то реагенты по итогам этой реакции оказались бы израсходованы и на этом реакция закончилась и больше не повторялась. Именно такой исход эксперимента и был зафиксирован. Поэтому и тогда, и сейчас решено было признать, что спускаемые модули Viking не обнаружили однозначных свидетельств жизни на Марсе. Более того, последующие эксперименты показали, какие конкретно химические реакции в марсианской почве и каким именно образом могли привести к выделению «помеченного» диоксида углерода.

На этом, однако, наша история не заканчивается. С самого 1976 года небольшая, но весьма активная группа ученых говорит о том, что данные модулей Viking, если их правильно интерпретировать, фактически зафиксировали наличие микроскопической жизни на Красной планете. Например, на прошедшей в 2016 году крупной конференции NASA по вопросам внеземной жизни почти все время, отведенное на вопросы и ответы после одной из презентаций, оказалось потрачено на жаркое (порой даже слишком жаркое) обсуждение результатов миссии Viking.

Но надежды на то, что наличие жизни на Марсе все-таки будет подтверждено, поддерживают не только результаты исследований аппаратов Viking. Еще в 1971 году космический аппарат Mariner 9, вращаясь по орбите вокруг Марса, отправил на Землю фотографии марсианской поверхности, которые поразили весь мир сходством с земными речными сетями. С тех пор много раз отправлявшиеся к Марсу орбитальные и спускаемые космические аппараты фиксировали неопровержимые свидетельства того, что по поверхности этой планеты когда‐то текла вода, а в ранней истории Марса в его северном полушарии располагался океан. Так как это происходило примерно в то же время, когда жизнь начинала развиваться на поверхности Земли, мысль о том, что на заре марсианской истории на нем тоже могла цвести жизнь, получила широкое распространение. Даже если эта жизнь исчезла, когда планета лишилась своих океанов и атмосферы, говорили сторонники этой теории, мы сможем отыскать ее ископаемые останки.

Но у Марса есть одна характеристика, которая заставляет ученых относиться скептически к вере в то, что следы когда‐либо существовавшей на нем жизни могли сохраниться до наших дней в виде органических молекул. Так как Марс не имеет магнитного поля, его поверхность непрерывно подвергается интенсивному излучению Солнца. В результате образуются высокие концентрации перекиси водорода (H₂O₂), мощного дезинфицирующего средства. Таким образом, марсианская поверхность, по мнению ученых, фактически постоянно дезинфицируется, и это разрушает любые органические молекулы, оставшиеся от гипотетических живых организмов прошлого.

Однако в 2018 году марсоход Curiosity обнаружил органические молекулы в камнях, образовавшихся, когда Красную планету все еще покрывали океаны. И хотя эти молекулы, вероятно, не были итогом жизнедеятельности каких‐либо ныне существующих организмов, их присутствие все же дает нам надежду на то, что молекулы, в прошлом входившие в состав живых систем, могли все-таки сохраниться до сегодняшнего дня.

Но все-таки, точно ли на Марсе сейчас нет жизни? Мы ведь исследовали образцы только самого верхнего слоя поверхности планеты, проникнув в ее грунт самое большее на несколько дюймов. Не может ли быть скрыто что‐то важное на большей глубине? Пока марсоход Curiosity медленно пробирался сквозь марсианские теснины, «орбитальный разведчик», Mars Reconnaissance Orbiter, с большой высоты сфотографировал на поверхности Марса следы потоков, темнеющие со сменой времен года. Эти разводы могли быть образованы спонтанными выбросами соленой воды из марсианских недр, хотя ряд ученых в настоящий момент и строят предположения о том, что эти разводы могут быть образованы перемещением масс песка, а не воды. В дополнение к предыдущим снимкам, в 2018 году, анализируя данные, полученные с орбитального модуля Mars Express Orbiter, ученые предположили, что озеро жидкой воды может располагаться прямо под северным полюсом планеты. А если под поверхностью Марса существует запас жидкой воды, вполне разумно задаться вопросом, не может ли в этой воде существовать и микроскопическая жизнь? Это еще одна вероятность, которую следует рассмотреть.

Кроме всего прочего, на Марсе был обнаружен метан. Молекула метана проста: один атом углерода на четыре атома водорода. У нас на Земле метан – природный газ, с помощью которого мы обогреваем дома и получаем электричество. В малых количествах он содержится и в земной атмосфере: чуть больше 1800 частей на 1 000 000 000 (т. е., примерно 0.00018 процента). Около 95 процентов земного метана производится вследствие жизнедеятельности микробов, но он может выделяться и в результате небиологических процессов: например, при взаимодействии грунтовых вод с магмой в кратерах вулканов или – с намного меньшей скоростью – при превращении окиси железа (ржавчины) в некоторые другие виды минералов.

В 2003 году при помощи наземных телескопов астрономы зарегистрировали наличие метана в марсианской атмосфере, пользуясь методами спектроскопии – мы расскажем о них немного позже. Метана оказалось совсем немного – всего 10 частей на 1 000 000 000 по объему, гораздо меньше, чем на Земле, – но мы можем быть уверены, что он там есть. Потом, когда в конце 2013 – начале 2014 года марсоход Curiosity путешествовал по поверхности Марса, произошло нечто необъяснимое: количество метана в атмосфере внезапно увеличилось в 10 раз, а пару месяцев спустя – упало до прежнего уровня.

Чем могло быть вызвано это странное событие (ученые окрестили его «метановым всплеском»)? Это мог быть выброс в атмосферу метанового пузыря, возникшего вследствие обычных небиологических реакций. Но равновероятно и что метановый всплеск стал результатом резкого роста популяции подповерхностных микробов. Так что, хотя само наличие метана – факт, над которым стоит задуматься, оно определенно не является доказательством существования жизни в недрах Марса. Еще один намек, еще одно разочарование.

Удивительная история ALH 84001

Аллан-Хиллс – богом забытая группа холмов в Антарктике примерно в 200 километрах к югу от главной американской антарктической базы в заливе Мак-Мердо. Оказавшись там, вы не увидите ровным счетом ничего, кроме бескрайних ледяных плато и ледников, медленно наползающих на гряду низких холмов. Большинство людей реагирует на здешние края на удивление одинаково: зачем кому‐то может прийти в голову мысль сюда тащиться? Ответ на этот вопрос столь же удивительно прост – за метеоритами.

Здесь следует кое‐что пояснить. Когда метеорит падает на поверхность ледника в районе Аллан-Хиллс, он уходит глубоко в лед. Перемещаясь, ледник тащит метеорит за собой. Когда ледник начинает карабкаться на пологие склоны холмов, ветра сдувают все с ледяной поверхности (этот процесс называется абляцией), и метеорит оказывается на виду. Ледяное поле, таким образом, служит чем‐то вроде конвейера, который захватывает метеориты и доставляет их на поверхность горного хребта.

В 1984 году ученые, проезжая на снегоходе по поверхности ледника, обнаружили здесь метеорит. Он выглядел не слишком впечатляюще – размером с грейпфрут и весом примерно 1,8 кг. Он был покрыт черной коркой, которая появляется, когда метеориты, раскаляясь, летят сквозь атмосферу Земли. Метеорит получил обозначение ALH 84001: ALH означало «Аллан‐Хиллс», номер 84001 – что это первый метеорит, найденный в 1984 году. Затем в лаборатории его положили в ящик и забыли о нем почти на десятилетие.

Однако, когда в середине 1990‐х его в конце концов достали и подвергли анализу, он оказался настоящим сокровищем. Во‐первых, пузырьки газа, сохранившиеся в его толще, по химическому составу оказались идентичны атмосфере Марса – судя по всему, метеорит образовался именно там. В самом этом факте не было ничего особенно необычного – ученые обнаружили уже больше сотни обломков камня, выброшенных с марсианской поверхности ударами астероидов и долетевших до Земли. Внимание исследователей привлек возраст ALH 84001. Радиометрическое датирование показало, что камень образовался примерно 4 000 000 000 лет назад, когда на Марсе было довольно много воды. Около 17 000 000 лет назад он был выброшен с Марса ударом метеорита и путешествовал вокруг Солнца, пока примерно 13 000 лет назад не оказался наконец в Антарктике. Иначе говоря, ALH 84001 образовался на Марсе именно в ту эпоху, когда там могла существовать жизнь. Он – молчаливый свидетель той поры, когда наш космический сосед был очень похож на Землю.

И вот в 1996 году группа ученых из NASA под руководством астронома Дэвида Маккея (1936–2013) сделала потрясающее заявление. Изучив ALH 84001, они пришли к выводу, что метеорит содержит окаменевшие останки живых существ, некогда обитавших на Марсе. Их заявление основывалось на четырех сделанных ими открытиях:

• наличие в составе метеорита органических молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ);

• физическое сходство между минеральными структурами метеорита и окаменевшими останками земных микробов;

• сходство между комбинациями минералов в метеорите и теми, которые образуют земные бактерии;

• присутствие в метеорите цепочек кристаллов магнетита, похожих на те, которые входят в состав некоторых земных микробов.

Трудно подобрать слова, чтобы описать, какое впечатление произвело это заявление на научный мир и на общество в целом. В Белом доме им заинтересовался тогдашний президент США Билл Клинтон, что, вероятно, повлияло на создание в NASA программы астробиологии, успешно дожившей до наших дней. Но с течением времени у группы Маккей появились и неизбежные оппоненты.

Они заявляли, например, что молекулы ПАУ распространены во Вселенной повсеместно. Эти молекулы были обнаружены в составе комет и даже в межзвездном пространстве, где никакой жизни нет и в помине. Что же до физического сходства «окаменелостей» с земными – было отмечено, что некоторые известные нам земные минеральные образования небиологического происхождения по форме очень напоминают клетки. Вдобавок найденные в метеорите «биологические структуры» были примерно в сотню раз меньше тех, что существуют в любых известных земных клетках. Теоретически они могли бы быть примерами новой разновидности живых организмов, нанобактерий – теоретически возможных, но никогда прежде не встречавшихся в природе. Наконец, было сделано предположение, что некоторые из минеральных комбинаций, найденных авторами открытия, возникли в результате манипуляций, совершавшихся при препарировании образцов метеорита для исследования под электронным микроскопом.

Некоторое время главным доводом в пользу гипотезы о марсианском происхождении «окаменелостей» оставались магнетитовые цепочки. В составе земных бактерий эти цепочки выполняют роль компаса и помогают по направлению магнитного поля отличать верх от низа в мутной воде. Поскольку на Марсе на ранних стадиях его истории могло существовать магнитное поле (сейчас его нет), наличие в составе бактерий подобных цепочек могло бы иметь смысл и на Красной планете. Однако ученые доказали, что магнетитовые кристаллы, подобные обнаруженным в составе в ALH84001, могли возникнуть в ходе небиологических процессов, а именно при прохождении метеорита сквозь атмосферу Земли до столкновения с ее поверхностью.

Итак, мы снова встретились с доказательствами сомнительными и неоднозначными. Структуры, обнаруженные в составе ALH84001, могли равно быть и марсианскими окаменелостями, и результатом небиологических процессов. И снова мы ничего не можем сказать о наличии – в настоящем или хотя бы в прошлом – жизни на планете, которую исследовали со всей возможной тщательностью. Как же, скажите на милость, мы собираемся искать жизнь на далеких и недоступных экзопланетах?

Последняя надежда – спектроскопия

На заре XIX столетия французский философ Огюст Конт (1798–1857), основатель науки, которую он называл социальной физикой, а мы – социологией, составил список загадок науки, которые никогда не будут решены. Одним из важнейших пунктов этого списка было исследование химического состава звезд.

Конт рассуждал просто. В то время единственной возможностью определить химический состав любого вещества был анализ этого вещества в химической лаборатории. Конт говорил: поскольку мы никогда не сможем положить на лабораторный стол кусочек «звездного вещества», нам никогда не удастся узнать, из чего сделаны звезды. Легко можно представить себе, что он сказал бы об экзопланетах: поскольку долететь до них мы не можем, их химического состава мы также никогда не узнаем.

Однако в 1859 году пара немецких ученых – оба они были известны достижениями в совсем других областях – встретились в лаборатории в Гейдельберге и полностью перевернули наши представления о способах исследования Вселенной. Густав Кирхгоф (1824–1877) известен в первую очередь студентам‐физикам как автор алгоритмов анализа сложных электрических цепей. А Роберт Бунзен (1811–1899) изобрел газовую горелку Бунзена, устройство, необходимое в любой химической лаборатории. Вместе они провели серию экспериментов, в ходе которых свет от нагретого образца какого‐либо чистого вещества пропускался сквозь стеклянную призму и разлагался на отдельные цвета. Вместо непрерывного спектра (наподобие радуги), который они надеялись получить, они обнаружили, что каждый химический элемент дает характерный именно для него, уникальный и четко определенный ряд цветов. Это сочетание цветов мы сейчас называем эмиссионным спектром. Кроме того, существует аналогичного типа спектр поглощения, связанный с поглощением фотонами определенных энергий. Область науки, посвященная изучению таких спектров, называется спектроскопией.

На самом деле вам прекрасно известно из практики, что разные химические элементы излучают свет разных цветов. Вы ведь замечали, что некоторые уличные фонари дают желтоватый свет? Это натриевые лампы, их часто используют в туманных местностях – в таких условиях их свет виден лучше.

Поскольку каждый химический элемент излучает определенный набор цветов, то, наблюдая этот оптический «отпечаток пальцев» в свете, исходящем из любого источника, мы можем уверенно заявлять, что в составе этого источника света присутствует соответствующий химический элемент. Отдельным важным свойством этого способа исследования – спектроскопического анализа – является то, что совершенно неважно, насколько далеко находится источник света от его приемника – в нескольких сантиметрах или в миллиардах световых лет. Если уж спектроскопический «отпечаток пальцев» возник, он останется в световом пучке навсегда.

Забавный комментарий в сторону: современный спектроскоп может быть оборудован встроенным компьютером и стоить несколько тысяч (или даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен же собрали свой первый спектроскоп из пары старых стекол от очков и (можете нам не верить, но это факт) коробки из‐под сигар.

Только в начале XX века ученые, создавшие новую научную дисциплину, квантовую механику, смогли наконец понять, как именно атомы создают соответствующие им спектры. В этом им помогла ими же составленная упрощенная схема атома: в отличие от вращающихся вокруг Солнца планет, электроны в атоме не могут располагаться на произвольных орбитах. Они могут находиться только на определенных расстояниях от ядер – на так называемых разрешенных орбитах, или орбиталях. Каждая из этих орбит соответствует некоторой конкретной энергии, так что, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, атом испускает или поглощает определенное количество излучения, соответствующего разности их энергий. Излучение испускается, если электрон движется по направлению к ядру и поглощается, если электрон движется от ядра. Так как атомы различных химических элементов имеют уникальные наборы орбиталей, каждый химический элемент поглощает и испускает уникальный набор цветов излучения. Так и образуются спектры.

Однако не только атомы излучают спектры. Любая система, в составе которой присутствуют различные энергетические уровни, может создавать характерный «отпечаток пальцев». Сложные молекулы, например, способны вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждое из этих состояний дает характерный спектр. Таким образом, спектроскопия дает нам идеальный способ для поиска молекул, характерных для живых систем на далеких экзопланетах. Нам нужно просто отыскать в спектрах экзопланет признаки присутствия биологических молекул, и мы получим однозначное свидетельство существования там жизни.

Возьмем, например, Землю: наличие на планете жизни оказывает огромное влияние на химический состав ее атмосферы. Фактически, из многих сотен известных атмосферных газов лишь немногие не подверглись влиянию живых существ. Гелий, например, составляющий около одного процента состава атмосферы, возник еще в ходе Большого взрыва. Аргон присутствует на Земле в еще меньших количествах – он образуется при радиоактивном распаде калия в глубине земных недр. Прочие же атмосферные газы образуются, разрушаются или изменяют свой состав под воздействием биологических факторов.

Кислород, которым мы дышим, получается вследствие фотосинтеза; растения при участии солнечного света преобразуют воду и диоксид углерода в углеводороды. Солнечный ультрафиолет разрушает продуцируемый растениями молекулярный кислород – пару атомов кислорода, крепко связанных друг с другом, – на отдельные атомы, а те, реагируя с молекулярным кислородом, образуют озон (O₃). Во время процессов дыхания и разложения организмов образуется диоксид углерода, иначе называемый углекислым газом, – происходит процесс, обратный фотосинтезу. Ряд газов, например сероводород, является продуктом жизнедеятельности сине‐зеленых водорослей. Определенные виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. В составе земной атмосферы видимо‐невидимо следов наличия жизни на ней. Мы называем эти следы биологического происхождения химическими маркерами или биологическими признаками наличия жизни на Земле.

Можно подумать, что было бы несложно, пользуясь спектроскопическими методами, поискать подобные химические вещества в атмосферах экзопланет и по их наличию определить, есть ли там жизнь. Но на этом пути нас ожидает целых три проблемы.

Первая из них заключается в том, что экзопланеты – невероятно слабые источники света. Мы можем наблюдать их лишь потому, что они отражают свет своих материнских звезд. Увидеть отраженный планетой свет на тех расстояниях, которые отделяют нас даже от ближайших к нашей системе звезд, фантастически трудно. Тем не менее в последние годы астрономы сумели исследовать излучение многих экзопланет, используя высокочувствительные приемники и сложные методы наблюдений. Наилучшие результаты дал следующий способ: сначала мы измеряем характеристики света материнской звезды, когда планета полностью скрывается за ней, а затем измеряем их суммарное излучение, когда экзопланета находится перед своей звездой. После чего вычитаем первое измерение из последнего и получаем характеристики, описывающие свет самой экзопланеты, – ее спектр.

Вторая проблема – распознать маркеры наличия конкретных молекул в спектре экзопланеты. Как уже было сказано, каждый элемент и каждая молекула имеет уникальный световой «отпечаток». Но чаще всего уникальная часть спектра, по которой идентифицируется тот или иной биомаркер, составляет крайне малую часть общего спектра экзопланеты. Это значит, что нам необходимо получить от экзопланеты как можно больше света, для чего обычно требуются гигантские телескопы.

Третья проблема сложнее двух предыдущих. Как нам понять, какие именно биомаркеры действительно будут свидетельством того, что на экзопланете есть жизнь? Как мы уже говорили, большинство газов в земной атмосфере возникает или изменяется под воздействием живых организмов. Казалось бы, чтобы обнаружить признаки жизни в атмосферах планет, вращающихся вокруг далеких звезд, надо просто поискать в этих атмосферах такие же газы. Но это, опять‐таки, далеко не так просто, как кажется.

Проблема в том, что практически каждая молекула в атмосфере Земли, которую мы считаем биомаркером, может возникнуть и в ходе небиологических процессов. Возьмем, например, кислород. Ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляет молекулы воды в атмосфере, высвобождая атомы кислорода, которые могут заново соединяться друг с другом, образуя молекулярный кислород. Поэтому хотя почти весь молекулярный кислород в атмосфере образуется в результате фотосинтеза – но все же не весь. Или, например, метан. Как мы уже говорили, образование метана может происходить множеством способов, и большинство из них не имеет отношения к биологии. То же самое можно сказать и о сероводороде (имеющем характерный запах тухлого яйца): он образуется в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий, обитающих на Земле в экстремальных условиях, – но кроме того, он выделяется при различных вулканических процессах. Этот список можно было бы продолжить, но наша мысль уже должна быть понятна: почти у каждой молекулы, которую мы могли бы счесть потенциальным биомаркером, свидетельством наличия жизни на экзопланете, помимо биологического существует и небиологический механизм образования.

Некоторые ученые предлагают использовать для поисков жизни комбинации молекул биологического происхождения. Возьмем для примера кислород и метан. Концентрация метана на Земле нестабильна, потому что он окисляется (сгорает) в атмосфере. Но он там очевидным образом присутствует, так как легко образуется в ходе биологических процессов наравне с кислородом. Если бы мы могли «выключить» всю жизнедеятельность на Земле, метан исчез бы из ее атмосферы всего за насколько десятков лет. Кислород, если бы вся жизнь на Земле исчезла, продержался бы дольше, целых несколько тысячелетий, но тоже в конце концов исчез бы, поглощенный различными минералами в ходе процесса окисления. Таким образом, одновременное присутствие кислорода и метана могло бы служить биомаркером, даже несмотря на то, что по отдельности наличие этих газов ничего нам не дает.

Находить биомаркеры на экзопланетах, конечно, гораздо труднее, чем просто искать газы, возникающие в ходе биологических процессов на Земле. Это активно развивающаяся область исследований и предмет постоянных дискуссий среди исследователей экзопланет. Промежуточный итог этих дебатов на сегодняшний день выглядит так: мы не можем с полной уверенностью говорить о том, что обнаружили признаки жизни на экзопланете на основе наличия в ее атмосфере спектральных линий отдельных атомов и молекул – по крайней мере не на основе тех атомов и молекул, которые мы на настоящий момент там реально наблюдаем. По‐видимому, наиболее перспективный путь подобных поисков – поиск сочетаний газов биологического происхождения.

Следующий шаг

Итак, резюмируем, что нам известно к концу этой главы: мы уже знаем, что жизнь на почти любой из экзопланет должна развиваться путем естественного отбора (дарвиновской эволюции), и мы успели понять, как трудно найти действительно неопровержимое доказательство того, что жизнь там на самом деле существует. Давайте, однако, на время отложим эту проблему в сторону и сосредоточимся на том, как законы естественного отбора могли бы работать в тех многообразных условиях самых разных экзопланет, о которых нам уже известно. Наконец‐то обратимся к тому, что мы и называем исследованием воображаемой жизни.

В следующих главах мы представим вам ряд кратких фантастических очерков, в которых говорится о том, как человек, надлежащим образом защищенный и обеспеченный высокочувствительной измерительной аппаратурой, мог бы воспринимать условия окружающей его среды на самых разных экзопланетах, оказавшись там. Мы выбрали такой способ знакомства с новыми планетами по одной простой причине: как мы уже много раз повторяли, в настоящий момент земная жизнь – единственная разновидность жизни, о которой нам известно. Человек же – единственный вид живых организмов, о чьей реакции на новую среду мы можем более‐менее успешно догадываться.

Помня об этом, давайте отправимся наконец в мир, который мы назовем Айсхейм – Царство льда.

6
Айсхейм – царство льда

Жизнь в морозилке

Вы в длинном темном туннеле. Его стены – из твердого, как камень, льда. Единственным источником слабого света служит далекое жерло вулкана – оттуда из недр планеты прямо в туннель извергается расплавленное вещество. У себя под ногами вы с трудом различаете трубу, проложенную по направлению к выходу из туннеля. От нее поднимается горячий влажный воздух, и вы понимаете, что по ней течет горячая вода, протапливающая во льду проход от кратера к выходу. У вас урчит в животе: по пути сюда вы успели проголодаться. Неподалеку от вулканического кратера вы замечаете колонии белых и красных кольчатых червей. Берете одного на пробу – неплохо. Может, они станут для вас основным блюдом – здесь, на странной планете Айсхейм.

Мы начнем наше исследование гипотетически возможной жизни на экзопланетах с водных миров – таких как наш Айсхейм. Этот мир относительно просто устроен, и анализировать его тоже несложно. Эта планета напоминает слоеный пирог (с поправкой на шарообразность): в самой середине ее расположено сферическое ядро, состоящее из тяжелых элементов – железа и никеля. Слой вокруг ядра сложен из более легких материалов, в целом похожих на те горные породы, из которых состоят мантия и кора Земли. Поверх этого слоя – слой воды, а над ним газовая атмосфера.

У такого «слоеного пирога» может быть множество вариантов. Если водяной слой замерз полностью, до самой коры, мы получим ледяной мир, вроде Айсхейма. Если замерзла только самая поверхность воды, а под ней расположился жидкий океан, возникнет мир, который мы подробно опишем в главе 7 под именем Новой Европы. Если вся поверхность планеты покрыта водой, без малейших признаков суши – это будет полностью водный мир, наподобие Нептунии, о которой речь пойдет в главе 8. И наконец, если там удастся обнаружить и сушу, и океаны, просуществовавшие миллиарды лет, перед нами планета земного типа (глава 9), более или менее такая же, как наша Земля.

Важно понимать – и мы часто будем вспоминать об этом, – что границы между этими типами планет в изрядной степени размыты. Если бы океаны Земли замерзли, она из планеты земного типа превратилась бы в мир наподобие Новой Европы, а промерзни они до самого дна – и Земля станет Айсхеймом.

Озвучив все необходимые предупреждения, перейдем наконец к изучению нашего первого из водных миров – наиболее просто устроенного. Это мир, в котором внешний водяной слой промерз до самой земной коры. Мы назвали его Айсхеймом потому, что его морозные просторы вызывают в памяти истории о жизни норманнов и викингов на нашей родной планете. Это название (суффикс «-хейм» означает «дом») также само по себе намекает на то, что подобная планета вполне способна быть домом для развитой жизни.

Существует ли такой мир на самом деле? Как мы уже обсудили в главе 1, где‐то в пределах Млечного Пути чисто статистически может и должен существовать примерно любой мир, какой вообще можно себе представить, – если только его существование не противоречит законам физики. Наш гипотетический Айсхейм этим законам совершенно не противоречит. Собственно говоря, может выясниться, что планеты наподобие Айсхейма в нашей Галактике распространены довольно широко.

Понять это становится гораздо проще, если вспомнить, как образовались планеты в Солнечной системе. Они появлялись в процессе накопления вещества внутри сплющенного, похожего на блин газового облака, вращавшегося вокруг свежеобразовавшегося Солнца. Во внутренней части Солнечной системы планеты образовывались из самых разных материалов, от тяжелых металлов, таких как никель и железо, до легчайших газов: водорода и водяного пара. В процессе формирования каждой из этих планет попадающее на ее поверхность в ходе метеоритных бомбардировок вещество выделяло тепло, которого было так много, что вещество самой планеты плавилось и превращалось в горячую плотную магму. Наиболее тяжелые вещества, металлы, опускались к центру планеты, а более легкие, из которых потом образовались горные породы, поднимались наверх.

Когда рост такой планеты заканчивался, она начинала остывать. У планеты, которая формировалась по типу Земли, ядро (или, по крайней мере, какие‐то его части) способно оставаться жидким много миллиардов лет – если размеры этой планеты сопоставимы с земными. Если эта планета поменьше, вроде Марса, она может остыть и затвердеть быстрее. В Солнечной системе к настоящему моменту жидкое ядро сохранилось только у Земли и Венеры; ядра остальных планет давно остыли и полностью затвердели. Таким образом, мы предполагаем, что планеты земного типа имеют ядро из тяжелых металлов – твердое, частично или полностью жидкое. Здесь нужно заметить, что именно движением вещества жидкого ядра обусловлено существование магнитного поля Земли, а отсутствием жидкого ядра у Марса – отсутствие магнитного поля у этой планеты.

Итак, как мы помним, в нашей Галактике вода встречается повсеместно. Доля планет, на которых вода составляет по меньшей мере несколько процентов от общей массы, может доходить до пяти сотых от общего числа всех обнаруженных на сегодняшний день экзопланет. (Отметим, что если в Галактике действительно примерно 30 триллионов планет, как мы подсчитали в главе 1, то планет упомянутого типа должно существовать больше триллиона.) И любой из таких миров, если он расположен достаточно далеко от своей материнской звезды, рано или поздно остынет до того состояния, при котором слой воды на нем превратится в лед.

Нам уже известно несколько экзопланет, которые могут оказаться очень похожими на наш воображаемый Айсхейм. Наиболее яркий пример – одновременно самая далекая из открытых на сегодняшний день экзопланет OGLE 2005-BLG-390Lb (аббревиатура означает, что планета была открыта в ходе эксперимента по наблюдению оптического гравитационного линзирования OGLE – Optical Gravitational Lensing Experiment). Планета эта находится в созвездии Скорпиона на расстоянии около 21 500 световых лет от Земли. По массе она превосходит Землю примерно в 5,5 раз, а температура ее поверхности −218 °C. Первооткрыватели назвали ее Хот – она напомнила им ледяной мир из «Звездных войн».

Итак, запомним, что планеты с металлическим ядром и каменной мантией в оболочке из воды в том или ином состоянии могут встречаться достаточно часто. И, возвращаясь к Айсхейму, мы начнем изучать ключевые особенности жизни, которая могла бы на подобной планете возникнуть.

Энергия

Для зарождения и существования жизни прежде всего необходима энергия. Попробуем же посмотреть на потенциальные источники энергии, которые мы можем обнаружить на поверхности и в недрах любой планеты. Конечно, первой в голову нам придет энергия их материнской звезды. Благодаря этому типу энергии существует большая часть биосферы Земли. Помня об ужасном холоде, царящем на поверхности Айсхейма, вы могли бы решить, что эта планета расположена достаточно далеко от своей звезды. Но это совершенно не обязательно. Например, если бы не наличие в атмосфере Земли диоксида углерода и других парниковых газов, то средняя температура на ее поверхности составила бы около −18 °C, и земная поверхность, включая океаны, замерзла бы несмотря на то, что Земля находится относительно близко от Солнца. Как мы уже говорили в главе 3, в геологическом прошлом нашей планеты уже была пара периодов, на протяжении которых она превращалась в огромный «снежок». Эти периоды завершались, когда благодаря вулканической активности в атмосфере снова появлялся углекислый газ – это приводило к сильному парниковому эффекту, и всемирный ледниковый щит таял.

Такие периоды оледенения, однако, никогда не затягивались настолько, чтобы океаны промерзли насквозь, до самого дна, и таким образом наша планета никогда не превращалась в ледяной мир, подобный Айсхейму. В периоды бытия «планетой‐снежком» на Земле сохранялся океан, скрытый под коркой льда, вроде того, который сейчас существует на спутнике Юпитера, Европе. Но о таких мирах мы поговорим в следующей главе.

Следующий (и, как нам кажется, более важный) источник энергии жизни на Айсхейме – это тепло ядра самой планеты, скрытого под ледяным щитом. Этот тип источников энергии мы можем разделить на несколько подтипов в зависимости от возраста и размеров ядра нашей ледяной планеты.

Первым в этом списке будет остаточное тепло, сохранившееся со времен формирования планеты. На заре своей истории протопланета, ставшая впоследствии Айсхеймом, обращалась по своей орбите, притягивая к себе любые фрагменты вещества, оказавшиеся от нее достаточно близко. Окажись вы в это время на ее поверхности, вы бы увидели постоянно обрушивающийся на нее «дождь» из метеоритов. Энергия, которую они несли с собой, превращалась в тепло. (Как мы уже рассказывали, на Земле этого тепла оказалось достаточно, чтобы планета полностью расплавилась.) Однако как только метеоритное вещество полностью перемешалось с материалом новорожденной планеты, началось их неизбежное охлаждение. На Земле этот процесс длится до сих пор, спустя 4,5 миллиарда лет после образования нашей планеты – примерно половина тепла земных недр представляет собой энергию так и не застывшего полностью первоначального расплава.

Еще один источник тепла, скрытый в недрах планеты, – распад радиоактивных элементов. Период полураспада некоторых из них довольно долог, так что они снабжают ядро планеты энергией на протяжении достаточно длительного времени. Например, период полураспада урана-238 составляет примерно 4,5 миллиарда лет, что сопоставимо с возрастом Земли. Таким образом, в недрах Земли на настоящий момент осталось около половины исходного количества этого, как ни удивительно, весьма распространенного элемента. По оценке ученых, вторая половина тепла, излучаемого недрами Земли, возникает как раз вследствии распада таких долгоживущих радиоактивных элементов, как уран-238.

Количество радиоактивных веществ на Айсхейме будет зависеть от исходного химического состава облака межзвездной пыли, из которого эта планета сформировалась, а состав этого облака, в свой черед, – в первую очередь, от того, из остатков сверхновых каких типов это облако образовалось. Звезды, возникшие из облаков, состоявших преимущественно из первичного водорода, – так называемые звезды первого поколения – не содержали в своем составе сколько‐нибудь значительного количества радиоактивных веществ. И напротив, следует ожидать, что в системах, возникших из облаков, порожденных несколькими поколениями ядерного горения, содержание таких элементов будет гораздо выше, и таким образом, в недрах планет этих систем большая часть тепла возникает вследствие ядерного распада. Наше Солнце обычно причисляют к третьему поколению звезд – этот факт объясняет высокий уровень радиоактивности земного ядра и наличествующее на нашей планете разнообразие химических элементов.

Рассмотрев оба источника собственного тепла планеты, мы ясно поймем, что размеры ее ядра имеют в этом вопросе решающее значение, и на этот фактор мы всегда можем опереться, исследуя небесные тела Солнечной системы. Динамику тепла в ядре планеты удобно рассматривать на примере кастрюли с водой, стоящей на плите. Если зажечь конфорку, вода сначала остается в спокойном состоянии, но, если поднести руку к ее поверхности, можно почувствовать исходящее от нее тепло. Тепло передается от конфорки через воду посредством столкновения молекул – этот процесс мы называем кондукцией или теплопередачей. Однако в конце концов тепла накапливается так много, что кондукции становится недостаточно для передачи возникающего тепла, и вода начинает кипеть. Вода, нагретая раскаленным дном кастрюли, поднимается на поверхность, где выпускает свою энергию в пространство комнаты и, охлаждаясь, опускается обратно на дно. Этот процесс называется конвекцией – он начинается, когда тепла становится слишком много и одной только кондукцией с его передачей уже не справиться.

Если ядро у Айсхейма достаточно небольшое, как у Меркурия, Марса и нашей Луны, тепло недр планеты будет передаваться к ее поверхности посредством кондукции, планета будет остывать достаточно быстро, и Айсхейм довольно скоро станет неподвижным мертвым миром. Однако если ядро у Айсхейма побольше, как у Земли или Венеры, вот тут‐то и начнется самое интересное.

Собственно, наша Земля – отличный пример работы конвекции. На протяжении сотен миллионов лет скальные породы в мантии нашей планеты «кипели», поднимая расплавленную магму из недр на поверхность. Вообще, чем больше размеры ядра, тем большее количество энергии будет вынесено из него конвекцией. Однако для нас сейчас самым важным в этом процессе будет формирование каналов, посредством которых расплавленные вещества вместе с энергией тепла поступают на поверхность. Именно так возник Срединно-Атлантический хребет – подводная горная цепь, протянувшаяся от Исландии до побережий Антарктики. Этот хребет состоит из слоев магмы, которая вытекала наружу из жерл подводных вулканов, расположенных на дне океана вдоль центральной рифтовой долины хребта, и постепенно остывала. Если у Айсхейма ядро будет достаточно крупным, мы можем быть уверены, что подо льдом там также будут скрываться жерла вулканов – и это будет очень важно для описания гипотетической жизни на этой планете.

Существует два основных вида энергии, которую гидротермальные трубки будут выносить из недр на поверхность Айсхейма. Во‐первых, это уже упомянутое нами тепло. Вполне вероятно, что из недр его будет подниматься достаточно, чтобы расплавить лед и создать вокруг жерла обширные пузыри жидкой воды. В этих пузырях, вполне вероятно, будут происходить те же типы молекулярных процессов, что привели к возникновению жизни вокруг геотермальных источников на дне земных океанов.

Второй тип энергии, поступающий из недр планеты на поверхность, будет иметь химическую природу. Мы знаем, что на Земле по подводным вулканическим каналам (эти геотермальные источники называют также «черными курильщиками»), помимо магмы, проходит сложная смесь химических элементов, создающих все богатство и разнообразие глубоководного биоценоза. Окрестности подводных термальных источников на Земле изобилуют живыми организмами, от бактерий до гигантских кольчатых червей‐погонофоров и крабов. В основе метаболизма местных бактерий будет не фотосинтез, как на поверхности земли, а хемосинтез, основанный на растворенных в гидротермальных потоках соединениях метана, серы и различных минералов. В конечном счете эта энергия питает целые биоценозы.

Очевидный вторичный источник энергии на Айсхейме – излучение его материнской звезды. На Земле основная энергия, поддерживающая на ней жизнь, поступает от Солнца. Но поскольку температура поверхности Айсхейма ниже точки замерзания воды, следует полагать, что эта планета либо обращается вокруг достаточно маленькой и тусклой звезды, либо расположена от своей звезды довольно далеко. Само по себе это не является непреодолимым препятствием для развития жизни – это просто значит, что все, что собирает и потребляет энергию, должно иметь размеры куда большие, чем те, к которым мы привыкли на Земле. Чтобы собрать количество энергии, которое на Земле падает на лист площадью в один квадратный дюйм (примерно 6 квадратных сантиметров), на Плутоне потребуется «лист» размером в квадратный метр! (Это, кстати, объясняет, почему космические корабли, отправляемые во внешние области Солнечной системы, оснащаются источниками питания на основе радиоактивного плутония, а не солнечными панелями – последние были бы огромными и потому слишком тяжелыми.) На Айсхейме свет материнской звезды быстро поглощал бы поверхностный лед и, вероятно, тепло от этого света проникало бы в толщу этого льда самое большее на несколько метров.

Помимо света, звезда может испускать также потоки частиц в виде солнечных вспышек или «солнечного ветра», который мы наблюдаем на Солнце. Выбросы, однако, случаются нерегулярно, и, вероятнее всего, жизни на поверхности Айсхейма они приносят больше вреда, чем пользы. Однако к постоянному солнечному – вернее, звездному – ветру жизнь на поверхности этой планеты, если бы она когда‐нибудь возникла, вероятно, смогла бы адаптироваться, как это случилось с жизнью на поверхности Земли. И уж тому подавно такие явления вряд ли смогли бы повлиять на жизнь, скрытую под слоем льда.

Таким образом, с точки зрения наблюдателя, находящегося внутри ледяного слоя планеты, баланс энергии на Айсхейме довольно прост. Тепло от ядра планеты поступает к нижней поверхности ледяного щита, сквозь его толщу пробивается наверх и в конце концов уходит в космическое пространство в виде инфракрасного излучения. Одновременно с этим верхнюю поверхность слоя льда нагревает свет материнской звезды. А теперь перед нами стоит задача: понять, как в такой среде могла бы развиваться жизнь.

Зарождение жизни и первые этапы эволюции

Начнем с подводного гидротермального источника. Как мы уже говорили, из недр планеты будет поступать энергия двух видов: собственно тепло и химическая энергия. Тепло создаст вокруг гидротермального жерла пузырь жидкой воды. Такие пузыри могут быть довольно большими – в конце концов, подводные гидротермальные каналы на Земле тянутся на тысячи миль. Собственно говоря, вполне возможно, что туннель – более логичный вариант внешнего вида области вокруг айсхейсмской гидротермальной трубки, чем пузырь.

Многие ученые считают, что жизнь на Земле зародилась именно вокруг таких гидротермальных источников, и мы не видим, почему бы тот же сценарий не мог повториться на Айсхейме. Можно предположить, что здесь также первым делом образовались одноклеточные организмы. Чисто теоретически допустим, что переход к многоклеточным формам жизни также уже случился. А коль скоро появилась многоклеточная жизнь, можно взглянуть на окружающую ее среду и попытаться понять, как жизнь в этой среде могла бы развиваться.

Первое, что стоит отметить, – это тот факт, что вдоль гидротермальной трубки непременно обнаружатся участки, где необходимые для жизни питательные вещества будут поступать из недр планеты в бо́льших концентрациях, чем в любых других местах. Это значит, что вдоль трубки образуется распределение: количество питательных веществ будет расти по мере приближения к областям их высокой концентрации. Способность перемещаться по направлению к более богатым ресурсами областям дает очевидное эволюционное преимущество, и, таким образом, следует ожидать, что в процессе естественного отбора появится и закрепится именно это свойство живых организмов. Такие формы жизни стали бы конечным продуктом длинной цепочки развития, каждый шаг по которой позволял бы этим существам перемещаться к зонам, богатым питательными веществами, чуть быстрее. Требование, которое мы выдвинули в главе 4, говоря о правилах естественного отбора, было бы полностью удовлетворено: каждый шаг в цепочке событий приносил бы нашим гипотетическим организмам эволюционное преимущество.

Формы жизни, способные передвигаться самостоятельно, как рыбы в земных океанах, уже одним этим фактом становятся более приспособленными. Но способность к самостоятельному передвижению – не единственный возможный способ адаптации к зональному распределению питательных веществ. Немобильные формы жизни (вспомним устриц) могут размещать каждое следующее поколение потомства в области, более богатой ресурсами: например, выбрасывать споры предпочтительно в направлении увеличения концентрации питательных веществ. В этом случае каждая отдельная особь останется привязанной к своему месту, но область обитания популяции в целом будет с течением времени смещаться.

Какая из этих двух стратегий будет доминировать, может зависеть от того, как быстро будет изменяться расположение областей, богатых питательными веществами. Более быстрые изменения способствовали бы развитию способности к самостоятельному передвижению отдельных особей, тогда как более медленные – постепенному перемещению всей популяции. Нам кажется, что здесь вполне вероятно развитие обеих ветвей эволюции, и у нас должны появиться как «рыбы», так и «устрицы».

В гидротермальных туннелях вполне вероятно существование еще одного распределения – распределения температур. Вода в непосредственной близости от жерла будет довольно горячей. На Земле, например, температура воды в таких местах может быть выше 400 °C – кипеть ей мешает давление расположенных выше слоев океана. Одновременно с этим рядом с коркой льда температура должна опускаться ниже нуля. Таким образом, в гидротермальном туннеле на Айсхейме должны присутствовать области с различными уровнями температуры, как это происходит на Земле. Таким образом, следует ожидать, что в результате эволюции будут появляться разные виды, каждый из которых будет адаптирован к определенному температурному режиму (вспомним тигров и белых медведей).

Что же можно сказать о жизни на поверхности такой планеты? Прежде всего – что все развитие жизни «как у нас» и даже жизни «не как у нас» происходит на основе химических реакций в жидкой среде. Так как на поверхности Айсхейма нет жидкостей, мы вынуждены будем сделать вывод, что в этих условиях самостоятельная жизнь развиться не может. С другой стороны, ученые утверждают, что некоторые формы земной жизни, зародившиеся у геотермальных источников на дне океана, позже мигрировали к поверхности. Процесс подобного рода – по‐видимому, единственный способ, которым жизнь может оказаться на поверхности Айсхейма.

В том, что касается миграции жизни к поверхности планеты, между Землей и Айсхеймом мы увидим одно ключевое различие. На Земле путь от геотермальной трубки пролегает сквозь толщу воды, и все, что требуется для подобного перехода, – чтобы организм был способен выдержать резкое изменение давления с уменьшением глубины. На Айсхейме же путь наверх лежит сквозь слой твердого льда – барьер гораздо более труднопреодолимый.

Вот здесь‐то в игру и вступают особенности естественного отбора. Энергия, поступающая от материнской звезды в тонкий приповерхностный слой льда, может оказаться полезной для форм жизни, развивающихся вокруг гидротермальных каналов. Проблема в том, что для получения энергии из этого источника живые существа должны проделать ряд шагов, посредством которых они 1) выберутся на поверхность и 2) на каждом шаге будут приобретать то или иное эволюционное преимущество.

Во льду может, например, располагаться сеть микроскопических трещин, в которые может поступать горячая, богатая минералами вода из гидротермального канала, неся с собой микробов. Если такие трещины дотянулись до той области, куда попадает свет материнской звезды, то наши микробы могли бы развиться в многоклеточные фотосинтезирующие организмы так же, как это произошло на Земле. Но ключевой момент этой истории заключается вот в чем: для того, чтобы живые организмы смогли освоить всю поверхность планеты, в целом достаточно, чтобы трещины вышли на эту самую поверхность в каком‐нибудь одном месте. Если отыщется точка, где лед особенно тонок, пробираться сквозь ле�

Скачать книгу

Предисловие

1
Heожиданная галактика

Немного математики

Если вы можете представить себе любой произвольный мир, в котором выполняются законы физики, то с заметной вероятностью такой мир действительно существует где‐то в нашей Галактике.

Что это говорит нам о жизни?

2
Возможности и ограничения

Вселенная, управляемая законами

1. Физическая Вселенная управляется относительно малым числом общих законов.

2. Физические законы, которые действуют сейчас на Земле, применимы к любой точке Вселенной во все времена.

Общие правила

Механика

1. Объект сохраняет свое состояние движения или покоя, пока на него не подействует сила.

2. Ускорение объекта пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе.

3. Всякое действие вызывает равное ему по силе противодействие.

Электричество и магнетизм

Таким образом, разговор об электричестве мы можем кратко изложить в виде четырех тезисов:

1. Разноименные электрические заряды притягиваются; одноименные отталкиваются (закон Кулона).

2. Не существует изолированных магнитных полюсов.

3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля.

4. Переменные магнитные поля порождают электрические токи.

Термодинамика

Новая физика

Принцип Коперника

Скачать книгу

Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных бесплатное чтение

Джеймс Трефил, Майкл Саммерс Воображаемая жизнь Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных

Предисловие

1 Heожиданная галактика

Немного математики

Что это говорит нам о жизни?

2 Возможности и ограничения

Вселенная, управляемая законами

Общие правила

Механика

Электричество и магнетизм

Термодинамика

Новая физика

Принцип Коперника

3 Жизнь – что это вообще такое?

Определения на основе перечисления свойств жизни

Определения, основанные на описании жизни как процесса

Определения, сформулированные на основании законов термодинамики

Немного о технике

4 Правила игры

Как должна работать каждая живая система

Происхождение жизни на Земле

Первичный бульон

Мир РНК

Сначала обмен веществ

Другое происхождение, другая жизнь

Молекулы чего?

Что за жидкость?

Что за атомы?

Естественный отбор как инструмент эволюции

Естественный отбор повсюду

Обойдемся без отдельных организмов

Планета Совершенство

5 В поисках жизни

Есть кто-нибудь?

Марсианские хроники

Удивительная история ALH 84001

Последняя надежда – спектроскопия

Следующий шаг

6 Айсхейм – царство льда

Жизнь в морозилке

Энергия

Зарождение жизни и первые этапы эволюции

Предисловие

1Heожиданная галактика

Немного математики

Что это говорит нам о жизни?

2Возможности и ограничения

Вселенная, управляемая законами

Общие правила

Принцип Коперника

Джеймс Трефил, Майкл Саммерс
Воображаемая жизнь
Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных

1
Heожиданная галактика

2
Возможности и ограничения

3
Жизнь – что это вообще такое?

4
Правила игры

5
В поисках жизни

6
Айсхейм – царство льда

1
Heожиданная галактика

2
Возможности и ограничения