Текст книги "Жизнь как она есть: её зарождение и сущность"

Глава 8. Другие подходящие планеты

Особый интерес для нас представляет жизнь, какой мы видим ее здесь, – жизнь, основанная на соединениях углерода, растворенных в воде. Мы сталкиваемся со Вселенной огромной величины, которая, главным образом, пуста, но в которой изредка встречаются особые места, подходящие для формы жизни, не похожей на нашу. Сколько в ней может быть таких мест?

Возможно, самое необходимое условие заключается в том, что там должна быть жидкая вода. Сама вода, вероятно, довольно распространенное соединение, но она должна присутствовать в окружающей среде, которая не столь холодна, чтобы вода существовала только в виде твердого льда и не столь горяча, чтобы вся она испарилась. Наиболее ясно эту проблему можно понять, выразив температуру в градусах Кельвина по так называемой абсолютной шкале. Эта шкала основывается на обычной стоградусной шкале или шкале Цельсия, по которой в обычных условиях давления чистая вода замерзает при 0°C и кипит при 100°C. По абсолютной шкале эта разница по-прежнему составляет 100°, но 0° принимается за абсолютный ноль температуры, нестрого говоря, за температуру, при которой все хаотическое движение прекращается. По такой шкале лед тает примерно при 273°K, а вода кипит при температуре на сто градусов выше, приблизительно при 373°K. Мы должны сопоставить две этих цифры с пустынной мерзлотой пространства, температура которой, весьма приблизительно, равна 4°K и лишь чуть-чуть превышает абсолютный нуль, и с температурой на поверхности Солнца, которая в округленных числах составляет 5000°K. Поскольку нам необходима температура в области 300°K, то сразу видно, что мы найдем такую температуру лишь достаточно близко к звезде, но не слишком близко. Большая часть Вселенной окажется не только слишком пустой, но также и слишком холодной. Приведенное выше простое доказательство допускает, что давление газа над водой будет, скорее, равно атмосферному давлению, которое имеется на поверхности Земли. Если бы давление было выше, то мы могли бы выдерживать несколько большую температуру и все еще иметь жидкую воду, хотя давление лишь в ограниченной степени меняет допустимую область колебания температуры.

Еще одно основное требование заключается в том, что молекулы воды не будут улетучиваться в космическое пространство. В атмосфере всегда будет присутствовать некоторое количество водяных паров над жидкой водой, какими бы ни были температура и давление, и если силы тяготения не достаточно велики, то скорость, создаваемая тепловым движением, позволит отдельным молекулам проноситься вверх с такой высокой скоростью, что они скорее улетучатся в космическое пространство, чем упадут снова под действием силы тяжести. Вторая космическая скорость ракеты, запущенной с поверхности Земли, составляет примерно семь миль в секунду, тогда как при комнатной температуре средняя молекулярная скорость молекул воды немногим больше скорости звука: около одной пятой мили в секунду. Но это только средняя скорость; значительная часть молекул в атмосфере будет перемещаться с намного большей скоростью, особенно при более высоких температурах, но запас прочности достаточно велик, поэтому довольно незначительное число молекул размера H₂O, O₂ или N₂ теряются в пространстве. Более легкие молекулы, такие как H₂, перемещаются намного быстрее, поскольку более крупные молекулы, с которыми они сталкиваются, ударяют их сильнее вследствие своей большей массы (масса Н₂ – 2, масса H₂O – 18, масса N₂ – 28). Молекулы молекулярного или атомного водорода постоянно выталкиваются из атмосферы. С другой стороны, масса Луны, несмотря на свой довольно приличный размер, слишком мала, чтобы удержать какой-либо из распространенных газов в течение хоть сколь-нибудь длительного времени. Если там и могла существовать какая-то атмосфера, то она уже утеряна в течение многих миллионов лет, прошедших со времени ее образования.

Когда подробнее знакомишься с проблемой планетарной атмосферы, то оказывается, что она довольно сложна и зависит не только от количества и вида энергии, излучаемой родительной звездой и расстояния до этой звезды, но также и от других факторов, таких как. количество энергии, отражаемой поверхностью планеты (которая отражается намного интенсивнее от снега или льда, чем от полей или лесов), и количества, отражаемого облаками. Она также зависит от молекулярного состава атмосферы. Слишком большой объем С02 может поглощать тепло, которое, в свою очередь, излучается планетой, вызывая таким образом «парниковый» эффект. Но, оставляя все это в стороне, мы можем увидеть, что минимальное требование заключается в том, что величина планеты должна быть больше определенного минимального размера (размера, одинакового с нашей Землей) и на таком расстоянии от своей родительской звезды, чтобы она была не слишком накалена (как Меркурий) и не слишком холодна, что имело бы место, находись она на таком же расстоянии, что и Юпитер, при отсутствии дополнительного источника тепла.

Существует также ограничение и на тип звезды. Скорость, с которой звезда расходует свое ядерное топливо, во многом зависит от ее массы. Массивная звезда поглощает свое топливо очень быстро. Поэтому она очень раскалена и излучает при этом много энергии в окружающее ее пространство. Любая планета, имеющая на поверхности очень много жидкой воды, должна находится от такой звезды дальше, чем мы от Солнца. Само по себе это не вызывает проблем. Трудность заключается в относительно коротком промежутке времени, в течение которого звезда испускает свет и тепло. Достаточно массивная звезда может жить всего лишь десять миллионов лет. Вряд ли этот срок представляется достаточно долгим для развития жизни в каком-либо значительном объеме. С другой стороны, Солнце излучает энергию достаточно устойчиво в течение четырех миллиардов лет и, вероятно, будет светить еще столько же.

Звезды, масса которых намного меньше Солнца, накладывают другое ограничение. Они могут устойчиво светиться в течение более длительного периода времени, поэтому у нас нет необходимости беспокоиться относительно времени, имеющегося для развития жизни. Поскольку такая звезда выделяет меньше энергии, то любая подходящая планета должна будет находится к ней ближе, чем мы к Солнцу. По этой причине здесь есть лишь довольно небольшие пределы расстояний, если планета должна иметь необходимые нам условия. Немного ближе, и планета раскалится настолько, что вода закипит. Немного дальше, и вся вода обратится в лед. Таким образом, мы можем надеяться найти несколько небольших звезд с подходящими планетами, но их будет очень немного, потому что строгие условия намного труднее выполнить. Даже для звезд, размером с Солнце, диапазон может быть так мал, что лишь в редкой планетарной системе планета окажется как раз в нужном месте; именно это, по-видимому, и произошло в нашей Солнечной системе.

Итак, нам нужна звезда, которая не слишком велика, иначе время ее жизни окажется слишком коротким, и которая не слишком мала, иначе вероятность, что она имеет подходящую планету, будет слишком незначительной. К счастью, Солнце – звезда довольно средней величины. Оказывается, что многие звезды имеют вполне приемлемые размеры. Что нам сейчас нужно узнать, так это есть ли обыкновенно у этих звезд планеты, которые вращаются вокруг них.

Несмотря на все те новые экспериментальные данные, которые были накоплены за последние десять и более лет при исследовании космоса, общепринятой теории возникновения Солнечной системы, к сожалению, не существует. В самом начале нашего века было высказано предположение, что Солнечная система образовалась из длинной узкой полосы материи, вытянутой из Солнца при сближении с другой звездой. По существу, это должно было быть очень необычным событием, и, следовательно, лишь немногие звезды, вероятно, имеют планетарную систему. Более тщательная теоретическая проработка показала, что такое событие вряд ли приведет к возникновению таких планет, какие мы знаем сегодня. Более поздние идеи связаны с возникновением самого Солнца. Считается, что оно сгустилось под действием силы тяжести из медленно вращающегося облака пыли и газа, вращение которого ускорялось по мере уменьшения диаметров системы, вследствие сохранения углового момента. Это вращение создало сплющенный диск материи, из которого, как считается, возникли планеты путем дальнейшего сгущения, вновь вызванного гравитационным притяжением. Как именно это произошло, например: необходим ли был поблизости взрыв сверхновой звезды для того, чтобы привести в движение систему, не вполне ясно. Поэтому невозможно сказать с полной уверенностью, лишь на основании теоретических положений, что планетарные системы могут быть распространенными, хотя можно предполагать, что дело обстоит именно так. Поэтому мы должны изучить экспериментальные данные.

Оказывается, что они очень скудные. Планеты слишком малы, и свет, который они отражают от своей родительской звезды слишком тусклый, чтобы мы могли обнаружить с помощью непосредственного наблюдения даже те из них, которые вращаются вокруг ближайших звезд. Крупная планета слегка повлияет на орбиту звезды, вокруг которой она вращается; они обе будут вращаться вокруг точки, которая является их общим центром тяжести. При очень благоприятных условиях обнаружить смещение такой звезды можно, и, действительно, в одном случае возникло предположение, что такое колебание смогли обнаружить. Однако сейчас все сильнее становится уверенность, что наблюдаемые эффекты возникли из-за ошибки в эксперименте, потому что ожидаемое смещение слишком мало.

Тогда, на первый взгляд, задача выглядит безнадежной. Если дело обстоит именно так, то мы только можем ничего не делать и ждать появления новых или значительно усовершенствованных методов обнаружения. Но есть одно явление, которое можно наблюдать достаточно легко и которое может дать своего рода ключ. Распределение углового момента (грубо говоря, количества вращения, сумма которого в закрытой системе должна оставаться постоянной) в нашей Солнечной системе довольно странное. Большая часть определенного таким способом вращения приходится на планеты, и довольно небольшое количество – на само Солнце. Кажется вполне вероятным, что протосолнце первоначально вращалось намного быстрее, при этом облако пыли, которое вращалось вокруг Солнца, перемещалось, соответственно, медленнее. С помощью некоего механизма (и высказаны глубокие предположения, как это могло случиться), вращение передалось от Солнца к облаку пыли, замедляя таким образом первое и ускоряя последнее.

По счастливой случайности, часто можно определить скорость вращения звезды с помощью тщательного исследования света, который она излучает, поскольку на одной из ее кромок вещество вращающейся звезды может двигаться по направлению к нам, а на другой – удаляться от нас. Эти смещения, из-за эффекта Доплера, изменяют частоты света, который доходит до нас. Экспериментально установлено, что звезды, размером примерно с Солнце, делятся приблизительно на два класса. Некоторые из них вращаются очень быстро, что, как можно предположить, обусловлено способом их первоначального формирования, тогда как другие, по-видимому, вращаются намного медленнее. Считать, что последний тип звезд замедлился, потому что он имеет планетарную систему, весьма заманчиво. Если этот ход рассуждений верен, тогда планеты окажутся вполне распространенным явлением.

К сожалению, это действительно единственное доказательство существования планет, которым мы располагаем. В науке всегда чувствуешь себя комфортнее, если два или более различных направления рассуждений приводят к одному и тому же выводу. Здесь мы располагаем только одним. Опыт доказал, что такое заключение можно принимать с оговоркой. Сказав это, необходимо признать, что прямое доказательство вращения звезд действительно очень убедительно, вывод о существовании планет, двигающихся по орбите вокруг медленно вращающихся звезд, довольно достоверен и совместим с нашими общими теориями о том, как могли возникнуть звезды и планеты. С учетом всего вышесказанного, по-видимому, более вероятно, что планеты скорее являются достаточно распространенным явлением, нежели очень редким.

Есть еще один фактор, который мы должны рассмотреть относительно возможных планетарных систем. Поскольку на основании подробного исследования света, который звезда нам посылает, довольно легко обнаружить ее вращение, то точно так же мы можем обнаружить двойные звезды, то есть, две звезды, находящиеся довольно близко к друг другу, которые вращаются друг вокруг друга и удерживаются на своих орбитах взаимным гравитационным притяжением. Обе звезды не обязательно должны быть одинакового размера или типа, и на поверку они часто несколько отличаются друг от друга. Оказывается, что такие сложные системы довольно распространены, являясь скорее почти правилом, чем исключением. Итак, планетарная система, вращающаяся вокруг пары звезд, которые вращаются друг вокруг друга, вероятно, окажется несколько менее устойчивой по сравнению с такой как наша, которая имеет в своем центре только одиночную звезду. Двойные звезды, если они не находятся очень близко к друг другу (в этом случае их гравитационное воздействие на планеты приближается к действию одиночной звезды), могут возмущать орбиты планет, поскольку иногда планета будет находиться ближе к одной звезде, а затем, немного позже, к другой. Это не только приведет к тому, что энергия, падающая на определенную планету, может периодически изменяться, но, что еще важнее, возрастет опасность столкновения планет друг с другом. Постоянные условия в течение длительных периодов времени, которые, как мы полагаем, необходимы для развития высших форм жизни, не могут с легкостью возникнуть в таких планетарных системах. Таким образом, несмотря на то, что многие двойные звезды могут иметь планеты, они могут оказаться не идеальными для развития жизни. Конечно, некоторые колебания, как мы знаем, могут оказаться полезной вещью, и время от времени могут резко двигать эволюцию вперед, но трудно поверить, что какая-либо форма жизни переживет реальное столкновение двух планет.

Остается проблема атмосферы планеты. Мы уже обсуждали ее в главе 6. Здесь мы должны расширить рамки обсуждения, чтобы охватить планеты за пределами Солнечной системы. Как мы уже видели, в настоящее время трудно решить, какой именно была древняя атмосфера Земли. Еще труднее это сделать, если мы даже не знаем размер звезды, точный размер планеты и насколько они удалены друг от друга. В Солнечной системе Венера не слишком отличается от Земли, при этом она находится немного ближе к Солнцу и немного меньше по размеру. Несмотря на это, ее атмосфера очень отличается от нашей: она очень горячая, очень плотная (давление на поверхности более чем в сто раз превышает атмосферное давление здесь) и состоит главным образом из СО2– Высокая концентрация углекислого газа создает парниковый эффект, который поглощает излучение, пытающееся проникнуть в космическое пространство, и это, наряду с более интенсивным потоком энергии от Солнца, повышает температуру почти до 720°K. Именно эта высокая температура приводит к такому значительному количеству CO2 в атмосфере, так как она достаточно высока, чтобы из горных пород испарялось некоторое количество солей угольной кислоты. На Земле, несмотря на довольно значительные запасы углекислой соли, как, например, в белых утесах Дувра, температура просто достаточно низкая, и она почти вся остается в твердом состоянии или растворяется в океанах. Короче говоря, относительно небольшое различие в планетарных условиях может вызвать значительную разницу атмосферы планет.

Вероятно поэтому, можно было бы найти планету, которая массивнее Земли, хотя она находится на таком расстоянии от своей звезды, что может иметь на своей поверхности жидкую воду. Если планета достаточно массивна, то распространенный в облаке пыли водород мог бы удержаться на планете (как на наших внешних планетах, таких как Юпитер) или, по крайней мере, улетучиваться намного медленнее. Появившаяся в результате атмосфера, будучи восстановительной, может быть очень благоприятна для производства хорошего «вкусного» бульона на ее поверхности. И поэтому, по крайней мере, возможно, что во Вселенной есть больше подходящих мест для зарождения жизни, чем найдено в нашей собственной Солнечной системе.

Хотя Земля выглядит как довольно средняя планета, вращающаяся вокруг довольно средней звезды, мы не можем быть уверены, что у нее нет каких-то особенностей, которые сделали условия для зарождения жизни особенно благоприятными. Возможный пример этого – наша Луна. Луны достаточно часто встречаются у планет Солнечной системы, но, по аналогии с другими планетами, можно было бы предположить, что Земля имела, скорее, несколько лун меньшего размера, а не одну большую Луну, которую мы видим, сияющей над собой. Как возникла Луна, все еще не установлено. Представляется маловероятным, что она откололась от Земли. Сформировалась ли она одновременно с Землей или была захвачена Землей позднее, образовавшись где-то в другом месте Солнечной системы? Возможно, наша Луна появилась в процессе слияния существовавших ранее нескольких лун.

Как бы ни возникла Луна, можно с уверенностью предположить, что в те древние времена она находилась гораздо ближе к Земле. Луна вызывает на Земле приливы. Это трение не только замедляет вращение Земли, которое в те времена, должно быть, было значительно быстрее, но с помощью обратного воздействия постепенно увеличивает орбиту Луны до большего радиуса. Когда Луна находилась ближе к Земле, приливы были больше. Насколько именно больше, зависит от того, как возникла Луна и как она изменила свою орбиту. Возможно, что впервые она была захвачена, когда вращалась в обратном направлении, затем эта орбита постепенно стянулась и направление вращения изменилось на существующее в настоящее время, при чем в этом процессе полюса поменялись местами. Если дело обстояло именно так, то приливы тогда были очень большими. Это могло вызвать последствия любого рода. Если бы их не было, то над всеми водами Земли мог бы образоваться очень толстый слой углеводородов. Эти древние приливы могли вспенить его в эмульсию, создав, возможно, более благоприятные условия для появления примитивных клеток. Такие большие приливы могли создать непрерывное смачивание и высушивание в довольно большом масштабе в водоемах около берегов океанов и морей. К тому же, это могло вызвать более благоприятные условия для пребиотического синтеза. В общем, большие приливы переносили предметы с места на место и создавали больше разнообразия на поверхности первозданной Земли.

Еще одно трудноуловимое влияние могло быть вызвано дрейфом материков. Но из-за тектоники плит (перемещений различных плит по поверхности Земли) на ней могло отсутствовать горообразование. В этом случае постоянное выветривание разрушало сушу, унося обломки пород в море, как это делают сейчас реки, до тех пор пока, наконец, вся суша не оказалась ниже уровня океана. Это не могло бы полностью исключить появление жизни, но если это случилось довольно давно, то это могло бы затруднить зарождение жизни. Если это произошло не так давно, то высшие организмы, вероятно, развились бы совершенно иначе. Нелегко представить, как возникла бы современная наука, если бы совсем не было суши, хотя было бы опрометчиво говорить о том, что такого не могло случиться.

Вероятно, горообразование происходит потому, что внутренние области Земли довольно жидкие, а породы близко к поверхности достаточно пластичны, чтобы допустить выход этой массы с заметной скоростью. Эти условия возникают, поскольку внутренняя часть Земли довольно горячая (по весьма приблизительной оценке эта температура примерно равняется температуре на поверхности Солнца). Вероятно, это зависит, среди прочего, от радиоактивности пород, особенно от радиоактивности изотопов урана, тория и калия. Процент радиоактивных атомов в породах не так высок, но на Земле такое количество этих веществ, что в сумме он возрастает до значительной величины. Более того, такой радиоактивный распад создает относительно большое количество энергии. Это тепло, наряду с теплом, оставшимся со времени агрегации Земли, сдерживается значительной толщиной земной коры и ее низкой проводимостью тепла, поэтому, благодаря столь хорошей изоляции, этот небольшой внутренний запас тепла может сохранять очень высокую температуру.

Имея в виду все эти сложности, вернемся назад и попытаемся вывести очень приблизительную оценку количества планет в галактике, которые имеют на своей поверхности водный раствор органических соединений, жидкий бульон, в котором предположительно могла появиться жизнь. Подсчитано, что общее количество звезд всех типов в нашей галактике составляет приблизительно 10й (сто миллиардов). Только часть из них окажется нужного размера, и из этого числа только небольшая часть не окажется двойными звездами. Возможно, одна звезда на сто может удовлетворить обоим этим условиям. У нас осталось 10⁹ возможных звезд. Даже если лишь одна десятая из них имеет планетарные системы как раз нужного характера, у нас все еще останется 10⁸ звезд. Более сложно подсчитать, какая именно их часть имеет планету подходящей величины как раз на нужном расстоянии от своей звезды, но, возможно, осторожной оценкой могла бы быть одна на сотню. Это все еще оставляет нам миллион планет в нашей галактике, на которых мы можем надеяться найти океаны жидкого бульона в ожидании, когда в них зародится жизнь.

Как можно тотчас же понять по приближенному методу выполнения этих расчетов, остается еще значительный простор для споров относительно наиболее вероятных значений каждой из этих цифр. Наша оценка в миллион может быть отчасти слишком заниженной. Важный момент состоит в том, что трудно посчитать ее слишком завышенной на такой большой коэффициент, что где-нибудь в галактике больше нет другой планеты, похожей на Землю. Ибо если это окажется правдой, то наши оценки оказались бы завышены, по крайней мере, в миллион раз. Конечно, мы можем полностью ошибаться насчет планетарных систем. Предположительно, они могут встречаться крайне редко; это будет означать, что медленное вращение звезд, похожих на Солнце, имеет какое-то другое объяснение. Там могут быть какие-то трудноуловимые условия, которые мы не заметили, поэтому, несмотря на то, что планетарные системы широко распространены, Земля действительно необычна, и планеты, похожие на нее, встречаются крайне редко, если они вообще есть. Испытывая недостаток прямых экспериментальных данных, мы никогда не можем быть уверены, что наши приблизительные оценки не содержат в себе некоторых крупных упущений. Небольшая ошибка не имеет значения. Даже если наша оценка завышена в сто раз, она все же допускает существование десяти тысяч подходящих планет в галактике. В настоящее время есть только один разумный вывод, каким бы хрупким он не был. Планеты с подходящим бульоном, вероятно, достаточно широко распространены в нашей галактике.

Это не означает, что они будут находиться достаточно близко друг от друга. Даже если их миллион, то среднее расстояние между ними составит несколько сотен световых лет. Если же их только десять тысяч, то расстояние между ними окажется примерно в десять раз больше этого. Конечно, наши довольно умеренные оценки могут оказаться слишком заниженными, в этом случае они могут находиться друг от друга всего лишь на расстоянии десяти световых лет, но такое маленькое расстояние представляется весьма маловероятным. Даже если это так, то ракете, чтобы преодолеть такое расстояние, понадобится лететь со скоростью одной сотой скорости света в течение тысячи лет.