Текст книги "Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых"
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 17 страниц)
ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ
Солнце – звезда второго поколения благодаря существованию сверхновых. Это значит, что межзвездное облако, из которого оно вышло, состояло из четырех групп веществ.
Во-первых, это водород с гелием, составлявшие 97 % массы первоначального облака (хотя это облако второго поколения).
Во-вторых, это те тяжелые элементы, которые лишь ненамного тяжелее водорода и гелия, – углерод, азот и кислород (последний из них самый распространенный). Они соединились с водородом, образовав соответственно метан, аммиак и воду. Из этой триады первой замерзает вода, образуя лед.
При дальнейшем понижении температуры замерзает аммиак, потом метан, также по виду напоминающие лед. При той низкой температуре, при которой планеты приобретали первоначальный облик, все эти три соединения (вместе с другими им подобными, но более редкими) существовали, по-видимому, в замерзшем состоянии, и их обычно называют льдами.
В-третьих, это еще более тяжелые элементы: алюминий, магний, кремний, железо и никель. Первые три из них (вместе с другими, менее распространенными элементами), соединяясь с кислородом, образуют силикаты. Силикатами «вымощены» каменистые части Земли.
В-четвертых, это атомы железа и никеля, которые также могут участвовать в образовании силикатов, но часто они достаточно обильны, чтобы соединяться в относительно чистом виде с меньшими количествами других веществ. Это – металлы.
На первый взгляд может показаться, что из первоначального облака, состоящего на 97 % из водорода и гелия и незначительного количества тяжелых элементов, вряд ли можно «вылепить» такую планету, как Земля.
Напрасно мы связались со звездой второго поколения, лучше иметь дело со звездой первого поколения. Однако общая масса Солнечной системы в 343 600 раз больше массы Земли, и если даже 3 % этой общей массы – тяжелые элементы, то их хватит на 10 000 таких планет, как Земля, и еще останется.
Конечно, свыше 99 % тяжелых элементов заключено в Солнце, но вся, вместе взятая, материя планет, обращающаяся вокруг Солнца, – это 448 масс Земли. И если хотя бы 3 % из этой общей массы – тяжелые элементы, то все-таки имеющихся тяжелых элементов достаточно, чтобы построить более тринадцати планет размером с Землю.
Другими словами, в строительном материале нет дефицита, и планета типа нашей Земли вполне может образоваться возле звезды второго поколения, подобной Солнцу.
При образовании планет (при звезде второго поколения) камень и металл сращиваются первыми. Молекулы силикатов и атомы металла плотно соединяются друг с другом благодаря электромагнитным силам, существующим между их электронами. Удерживаясь вместе, они не зависят от гравитации. В небольших массах они нерасторжимы даже при очень высоких температурах (порядка двух-трех тысяч градусов).
По этой причине каждая планета имеет, по-видимому, каменно-металлическое ядро. Сначала металл и камень находятся в перемешанном состоянии, но по мере роста планеты и нагревания ее сердцевины им становится легче отделиться друг от друга, особенно металлу: с повышением температуры наступает плавление. Естественно, каменные породы имеют более высокую точку плавления, чем металлы; хотя камень может и не плавиться, но в раскаленном состоянии он становится относительно мягким.
Металл, – как более тяжелый, медленно перетекает вниз и, следовательно, собирается в центре планеты, а скальные вещества служат металлу своего рода футляром.
Таким образом, в Земле существует металлическое ядро в оболочке из камня. То же самое – на Меркурии и Венере. На Марсе и Луне по причине, которую мы еще не можем объяснить, металла относительно мало. Присутствующий там металл перемешан с силикатами, так что эти две планеты насквозь каменистые.
После образования ядра из металла и камня развивающимся планетам благодаря гравитационному полю уже гораздо легче собрать вокруг себя пояс льдов, а поверх льдов – пояс водорода с гелием. Судя по всему, планеты развиваются быстрее при звездах второго, а не первого поколения.
Что происходит, когда в последующем загорается Солнце? Поверхность планет, расположенных ближе к Солнцу, нагревается и противостоит обдуванию солнечным ветром. Весь водород с гелием, накопленный близкими к Солнцу планетами, вместе со всеми льдами (или подавляющей их частью) испаряется и уносится в пространство. Металлокаменные ядра планет, напротив, уплотняются еще сильнее, несмотря на воздействие жары и солнечного ветра.
Меркурий становится таким горячим, а Луна такой маленькой, что с их поверхности все уносится подчистую. То же самое происходит и с астероидами (они к моменту зажигания Солнца были, наверное, меньше числом и гораздо крупнее). Венера и Земля будучи достаточно большими, а Марс достаточно удаленным от Солнца, удержали некоторую часть льдов, находящихся вероятно, в свободном соединении с силикатами. Они также сохранили вещества, которые теперь составляют их атмосферу.
Земле выпало быть крупнее Марса и прохладнее Венеры, поэтому она сохранила достаточно воды, чтобы превратить ее в свои океаны.
За поясом астероидов планеты не подверглись ощутимому влиянию солнечного ветра и излучения, они сохранили большую часть накопленных ими льдов и водородно-гелиевой оболочки. Так получились Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Если не считать в них ничтожных количеств тяжелых элементов, эти планеты точно такие, какими они могли быть, если бы возникли и обращались вокруг звезды первого поколения.
В безопасности и прохладе далекой окраины Солнечной системы смогли образоваться более мелкие тела. Некоторые из них сплошь каменисты, как Ио, самый близкий спутник Юпитера. Другие – сплошь ледяные, как Ганимед и Каллисто, два других его спутника. Далее Титан, спутник Сатурна, и очень отдаленные тела – Плутон и кометы. Некоторые из них состоят одновременно из камня и льда, как, например, Европа, четвертый спутник Юпитера.
Во всяком случае, Земля образовалась в том месте и с таким химическим составом, что стало возможным зарождение жизни, – жизни, которая была бы попросту невозможна, если бы не существование сверхновых,
ГЛАВА 9
ЖИЗНЬ И ЭВОЛЮЦИЯ
ИСКОПАЕМЫЕ
Наш глубочайший долг перед сверхновыми не начинается и не кончается образованием Земли. Мы должны учесть и ту роль, которую сверхновые играют в образовании и развитии самой жизни. Чтобы понять это, спустимся на минутку на Землю и обратимся к геологии и биологии. Давайте начнем с рассмотрения прошлого нашей планеты.
В течение последних двух столетий делались попытки определить возраст Земли, но только с открытием радиоактивности в 1896 г. геологи получили возможность делать нечто более дельное, чем строить бесконечные, более или менее удачные догадки.
В 1907 г. американский химик Бертрам Болтвуд (1870–1927) высказал предположение, что поскольку уран, распадаясь, превращается в свинец с постоянной хотя и очень медленной, но поддающейся расчету скоростью, то легко вычислить время, в течение которого данная порода оставалась в твердом нетронутом состоянии; достаточно определить в ней количество урана и свинца.
Для определения возраста были использованы методы, основанные на распаде урана и других медленных радиоактивных изменениях. Проведенными измерениями было наконец установлено, что возраст Солнечной системы, и в частности возраст Земли, равен 4,6 млрд. лет. Вот как давно первоначальное газопылевое облако сгустилось в измеримые твердые объекты, продолжающие существовать и поныне!
Поскольку Земля за свою жизнь претерпела столько всякого рода геологических изменений, очень маловероятно или даже почти невозможно выделить теперь породы, оставшиеся неизменными с самого начала существования планеты. Самые древние из всех найденных до сих пор пород имеют возраст 3,4 млрд. лет, и мы поэтому не имеем никаких прямых свидетельств первого миллиарда лет жизни Земли. Луна, которая меньше Земли по размерам и, геологически говоря, менее «живая», сохранила породы, имеющие возраст 4,4 млрд. лет. Однако даже Луна не осталась нетронутой со времен своего рождения. В первые несколько сот миллионов лет существования, когда процесс формирования обоих миров завершился, Земля и Луна испытывали жесточайшую бомбардировку со стороны меньших космических тел – метеоритов. Следов этой бомбардировки на Земле уже нет благодаря воздействию воды, ветра и жизни, но на Луне она оставила по себе живое напоминание в виде многочисленных кратеров, обозначивших место ударов.
К счастью, метеориты – это маленькие космические тела, оставшиеся такими, какими они были почти с самого начала, и их анализ – результат, являющийся лучшим подтверждением возраста Солнечной системы, – 4,6 млрд. лет.
Жизнь – не очень новое явление на Земле. Жизнь была на Земле на протяжении большего отрезка ее долгой истории. Прямым свидетельством тому служат обнаруживаемые в земле ископаемые. Эти ископаемые – окаменевшие остатки древних форм жизни, и, чем глубже слой, в котором их находят, тем они старше.
Эти ископаемые находили и в древности, однако почти на всем протяжении истории Земли им не придавали значения или же объясняли самым фантастическим образом. Ведь долгое время людям казалась незыблемой мысль, что Земле, а с ней и всей Вселенной всего несколько тысяч лет. Даже ученые не желали отступиться от этой догмы или противоречить ей.
Однако в течение 1800-х годов ученые были вынуждены признать, что Земля очень стара. Тогда еще невозможно было определить абсолютный возраст ископаемых, а только относительный, т. е. уверенно можно было сказать, какая, например, из пород более старая, судя по тому, как глубоко под поверхностью лежит слой (или стратум), в котором оказалась данная порода. Казалось естественным, что осадочные отложения постепенно, очень медленно с течением веков покрывали земную поверхность, поэтому чем глубже в земле пролег слой определенной породы, тем старше и сама эта порода. И если был найден относительный возраст слоя, то относительный возраст ископаемых остатков можно было определить, просто отметив слой, в котором было найдено данное ископаемое.
Древнейшие породы, хранящие в себе ископаемые остатки, получили название кембрийских. Дал им такое название английский геолог Адам Седжвик (1785–1873) в честь Кембрии, старинного римского названия области Англии, которая ныне зовется Уэльсом. (Седжвик впервые столкнулся с породами этого типа в Уэльсе.)
Кембрийские ископаемые, по всей очевидности, были остатками морских организмов: в ископаемых остатках того периода нет ни единого признака земной жизни. Преобладающей формой жизни были различные разновидности моллюсков, получившие название трилобитов. Из живущих ныне животных наиболее близко напоминает нам трилобита мечехвост.
Все породы более древние, чем кембрийские, назвали общим словом «докембрий».
С появлением техники измерения возраста методом радиоактивного распада выяснилось, что древнейшим кембрийским породам, а значит, и древнейшим ископаемым – 600 млн. лет. Возраст неслыханный, но все-таки эти древнейшие ископаемые относительно молоды в сравнении с возрастом Земли.
В породах, сложившихся в течение первых 4 млрд. лет истории Земли (семь восьмых всей ее жизни), ископаемых остатков найти не удается. Означает ли это, что жизнь существует на Земле только в последней, наиболее близкой к нам одной восьмой ее возраста?
Биологи этому не верят. Образование ископаемого, рассуждают они, – это слишком случайная, деликатная вещь, возможная лишь в необычных, неординарных обстоятельствах. Несчетные миллиарды организмов жили и, умерев, не оставили после себя ничего, что могло бы окаменеть и сохраниться в виде ископаемого. Весьма вероятно, целые классы организмов ничего не оставили после себя, что могло бы, хотя бы в виде окаменелости, пролежать до наших дней и быть случайно обнаруженным. С другой стороны, другие, менее распространенные немногочисленные организмы могли случайно оставить после себя целые россыпи ископаемых остатков.
Надо заметить, не все части организмов становятся ископаемым. Зубы, кости, раковины – все твердые части более вероятно станут ископаемым остатком, чем мягкие ткани. Так 50 000 – 4 000 000 лет назад в пространствах Африки и Евразии бродили стаи человекоподобных существ, но мы располагаем лишь очень немногими их ископаемыми остатками (они были слишком смышлеными, чтобы умереть в условиях, подходящих для превращения в окаменелость, а те остатки, которые есть, – это в большинстве своем окаменелые твердые части организма: черепа, зубы).
Трилобиты – самые ранние ископаемые, уже облаченные в раковины, – имели довольно сложное строение.
Вообще, чем старше ископаемый организм, тем он менее развит и более прост в строении. Есть предположение, что в докембрии должны были существовать еще более древние формы жизни, менее развитые, чем трилобиты, настолько менее развитые, что не имели твердых покровов, были насквозь мягкими, как теперешние слизни или земные черви. Они наверняка не оставили после себя никаких следов, поэтому отсутствие докембрийских ископаемых не означает «не было», но скорее «не было твердых частей».
В 1950 г. американский биолог Элсо Баргхурн (1915–1984) обнаружил следы окаменевших колоний синезеленых водорослей близ озера Лэйк Супериор. Сине-зеленые водоросли относятся к простейшим ныне существующим формам клеточной жизни. Они очень близки к бактериям, за исключением одного: в синезеленых водорослях присутствует хлорофилл, в бактериях его нет.
И бактерии, и синезеленые водоросли состоят из одной чрезвычайно мелкой клетки, не имеющей четко выраженного отдельного ядра: вещество ядра рассеяно в них по всей клетке. Биологи называют их прокариоты, дословно с греческого «вместо ядра». Все остальные клетки (от одноклеточных растений и животных до составляющих многоклеточные организмы, включая нас самих) – это эукариоты, дословно с греческого «полностью ядерный».
Ископаемые синезеленые водоросли не так-то просто было обнаружить. Они настолько крохотны, что рассмотреть их можно через микроскоп, а признать в этих миниатюрных клеточках биологическое живое начало в отличие от минерального можно лишь по едва уловимым следам их структуры. Это было нелегким делом, но Баргхурн справился с ним, приведя самые скрупулезные, в высшей степени убедительные свидетельства. Первые открытые и изученные им микроископаемые были обнаружены в породах возрастом 2 млрд. лет. Хорошо определив цели и задачи, Баргхурн открывал теперь признаки простейшей микроскопической жизни во все более старых пластах. Так, в 1977 г. он обнаружил микроископаемые в Южной Африке, в породах, чей возраст оценивается в 3,4 млрд. лет.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
Земля, как теперь известно, образовалась 4,6 млрд. лет назад, но в течении первых нескольких сот миллионов лет ее поверхность пребывала в постоянном хаосе из-за непрерывной бомбардировки обломками вещества, которые все еще кружились вокруг Солнца по земной орбите, периодически сталкиваясь с Землей и Луной.
Около 4 млрд. лет назад Земля наконец осталась в покое, приобретя более или менее современный свой вид, и была готова стать обитаемым миром. Через полмиллиарда лет здесь зародилась первая примитивная жизнь. В течение последующих 3,5 млрд. лет (три четверти всего существования) Земля постоянно заселена разнообразными формами живых организмов.
Каким образом впервые образовалась жизнь?
Единственно возможный научный ответ (не связанный со сверхъестественным бездоказательным актом) состоит в том, что беспорядочные комбинации простых молекул, существовавших в земной атмосфере и океане, постепенно создавали все более сложные молекулы, и эти молекулы, с течением времени став чрезвычайно сложными, в процессе эволюции сформировали в себе такие свойства, которые мы ассоциируем с жизнью.
Разумеется, процесс эволюции мы не можем наблюдать непосредственно ни здесь, на Земле (от этого события мы отделены миллиардами лет), ни в других мирах (ближайший возможно обитаемый мир удален от нас на расстояние многих световых лет пространства). И все же мы можем получить косвенные свидетельства.
Прежде всего нужно установить, какие именно простые молекулы могли существовать на первозданной Земле. Это были молекулы, из которых формировался лед, и среди ученых в этом есть полное согласие. (Хотя имеется спорный пункт относительно их точного строения.) Вода присутствовала безусловно, так же как и молекулы, содержащие азот, углерод и другие элементы.
На Юпитере и других внешних планетах Солнечной системы углерод и азот присутствуют в соединении с водородом. Это соответственно метан и аммиак. На Венере и Марсе углерод находится в соединении с кислородом (углекислый газ), а азот существует в виде молекул в парах атмосферы.
Одни ученые считают, что первичная атмосфера Земли состояла из аммиака, метана и водяных паров, причем аммиак в большом количестве был растворен в океане. Другие полагают, что нашей первозданной атмосферой были углекислый газ, азот и водяной пар, причем в океане была растворена значительная доля углекислого газа. Возможно, что эта атмосфера, изначально состоявшая из аммиака, метана и водяного пара (атмосфера-1), затем в ходе естественных процессов, не связанных с жизнью, обратилась в углекислый газ, азот и водяной пар (атмосфера-2).
Выбор между этими двумя атмосферами не является категорическим. В каждой из них имеются атомы водорода, углерода, азота и кислорода (которые составляют 99 %. атомов, входящих в мягкие ткани любого организма). Атомы, из которых состоят ископаемые остатки этих тканей, включая атомы, делающие ткани твердыми, должны присутствовать в виде раствора в первозданном океане.
Какие процессы при наличии данных простых молекул (какими бы они ни были) должны были произойти, чтобы из них сформировались молекулы более сложного порядка? Простые столкновения и хаотический взаимообмен для этого были бы уже недостаточны. Превращение простых молекул в более сложные – это изменение, требующее затраты энергии. Иначе говоря, чтобы сделать такое превращение возможным, к системе должна поступать энергия.
Сотворенная Земля имела многочисленные источники энергии – тепло от вулканической деятельности, электрическую энергию молний, поскольку вполне вероятно, что первоначально Земля была более бурным местом, чем теперь (извержения вулканов и грозы следовали, видимо, непрерывно).
Кроме того, конечно, была энергия радиоактивности, и в начале, надо помнить, интенсивность ее была гораздо значительнее, чем теперь, так как за те миллиарды лет, что прошли с момента образования Земли, значительная часть первоначального запаса радиоактивных атомов распалась.
Наконец, был ультрафиолетовый свет Солнца. В наши дни лишь немногие ультрафиолетовые лучи, летящие от Солнца, достигают земной поверхности, потому что кислород атмосферы (его молекулы состоят из двух атомов) высоко над Землей превращается в озон (состоящий из молекул, имеющих по три атома кислорода). Озоновый слой, висящий на высоте около 25 км над Землей, непрозрачен для большинства ультрафиолетовых лучей, поэтому лишь небольшая их часть достигает земной поверхности.
Кислород, однако, не является одной из естественных, данных от века составляющих атмосферы. Он чересчур активен и легко соединяется со многими другими веществами. Поэтому кислород очень быстро должен исчезнуть из атмосферы. Единственная причина, по которой он не исчезает, – это зеленые растения, которые постоянно вырабатывают кислород, компенсируя его убыль. Растения, используя энергию солнечного света, соединяют в себе углекислый газ и воду, идущие на образование листвы и побегов, а кислород возникает и выливается в атмосферу как побочный продукт этого процесса.
На только что сотворенной, первозданной Земле, до того как появилась жизнь, зеленых растений не было, как и не было кислородообразующих процессов. Поэтому кислорода в атмосфере не было, а в ее верхних слоях не было озона. Это означало, что ультрафиолетовое излучение Солнца могло свободно проникать до самой поверхности Земли.
В 1952 г. американский химик Стэнли Миллер (р. 1930 г.) сделал следующий опыт. Он тщательно очистил и стерилизовал воду и добавил в нее «атмосферу» из водорода, аммиака и метана, копируя таким образом состав атмосферы-1. Смесь, которую Миллер пропускал через свою аппаратуру, подвергалась воздействию электрических разрядов, которые должны были имитировать эффект грозовых разрядов. Так продолжалось в течение недели. Когда затем он разделил компоненты своего водного раствора, он обнаружил вновь образованные простые органические соединения, в том числе несколько аминокислот, являющихся кирпичиками, из которых состоят белки – важнейшие компоненты живой ткани.
Другие повторили этот же эксперимент, но с ультрафиолетовыми лучами в качестве источника энергии, и получили во многом сходный результат. Брали и варианты атмосферы-2 и тоже получали органические сложные молекулы.
Американский биохимик шриланкийского происхождения Сирил Поннамперума (р. 1923 г.) был наиболее настойчив в проведении этих опытов. Он добился образования нуклеотидов из простых соединений (эти нуклеотиды служат строительным материалом для нуклеиновых кислот – другого важнейшего компонента живой ткани). Он получил также аденозинтрифосфат (АТФ), который в энергетическом отношении является ключевым веществом живой ткани.
Все соединения получены абиогенетически (т. е. без вмешательства жизни, за исключением, конечно, самого экспериментатора) из образцов тех материалов, которые могли составлять первичную атмосферу; эти соединения и были, очевидно, началом пути, приведшего к образованию живой ткани и жизни.
Американский химик Сидней Фокс (р. 1912 г.) шел в другом направлении: составляя смеси аминокислот и подвергая их нагреву, получал протеиноподобные вещества. Последние, будучи растворены в воде, образовывали крошечные шарики, обнаруживающие свойства, присущие живым клеткам.
Конечно, эксперименты эти никоим образом не приблизили нас к системе, которую можно было бы рассматривать как живую, пусть даже в самой простейшей форме. С другой стороны, в условиях лаборатории, когда работа велась на малых количествах веществ в ограниченных промежутках времени, эти результаты можно назвать поразительными; во всяком случае, это уже заметный, большой шаг в направлении к жизни.
Давайте вообразим себе целый океан простых соединений, которые подвергаются воздействию различных видов энергии в течение сотен миллионов лет! Тогда мы легко представим себе и поймем период химической эволюции, который кончился с появлением первых живых клеток 3,5 млрд. лет назад.
