Глава 8

Глава 8

ЗЕМЛЯ

Колыбель жизни

Всему свое время, и время всякой вещи под небом.

Экклесиаст 3:1

Образование звезд и планет присуще Вселенной так же, как и гравитация. Биохимия жизни, рассматриваемая как последовательность индивидуальных реакций, выглядит столь же естественной, как и законы химии и физики. Но переход от неорганической материи к живым организмам оказывается настолько сложным, что, как мы уже знаем, многие уважаемые и превосходные ученые пришли к выводу о неизбежности внеземного происхождения жизни.

Вопрос о том, зародилась ли жизнь на Земле сама по себе или была принесена на Землю извне, до сих пор остается без ответа. Но как бы то ни было, можно с уверенностью утверждать, что продолжение жизни на Земле и ее успешное развитие от простейших форм, найденных в ископаемых, возраст которых насчитывает 3,3 миллиарда лет, до сложнейших организмов, существующих сегодня, свидетельствует об исключительно благоприятных для жизни условиях на Земле. Все выглядит таким образом, как будто и сама Земля, и ее положение в солнечной системе были специально выбраны для того, чтобы она могла быть и материнским чревом, и колыбелью жизни.

То, что Земля так идеально подошла на роль колыбели жизни, целиком и полностью определяется характером формирования солнечной системы, происходившего 4,5 - 5 миллиардов лет назад. Предположения о том, как это формирование происходило, носят теоретический характер и выглядят следующим образом.

В спиральной галактике, которую мы называем Млечным Путем, на расстоянии около двух третей ее радиуса от центра (то есть, около 30 ООО световых лет), начало сгущаться массивное скопление газа и пылевидных частиц, состоявших из минералов и скальных пород. Это скопление представляло собой остатки когда-то взорвавшихся сверхновых. Будучи продуктом ядерных реакций в недрах взорвавшихся звезд, это скопление содержало все химические элементы, существующие во Вселенной. По мере того как оно сжималось вокруг центра, скорость его вращения возрастала подобно тому, как убыстряется вращение фигуриста, когда он прижимает руки к телу. Центробежная сила заставила быстро вращающееся скопление принять форму диска. Однако, в противовес центробежной силе, сила гравитации стянула большую часть массы скопления к его центру, где предстояло образоваться Солнцу.

Внутри уплощающегося диска частицы скал и льда, не попавшие в центральную область, стали собираться в сгустки и слипаться. По мере того, как эти сгустки росли, превращаясь в планеты, лед и замерзшие газы, покрывавшие поверхность твердых сгустков, становились частью этих планет.

Вероятно, потому, что внутри еще неоперившейся солнечной системы существовал определенный температурный градиент, планеты, образовавшиеся вблизи Солнца, оказались богаты менее летучей материей — такой, как скальные минеральные породы. На долю других, более удаленных от Солнца планет, достались в основном легкие газы, в особенности водород и гелий. Атмосфера Юпитера, самой большой планеты, содержит столько водорода, что ее давление у поверхности планеты в 3000 раз больше, чем атмосферное давление на Земле.

Некоторые статистические данные дают представление о физической структуре солнечной системы и о положении Земли в ней (табл. 3). Почти никакие из этих данных, если рассматривать их по отдельности, не указывают на то, что Земля обладает особыми свойствами. Если же взять эти данные в совокупности, то они могут показаться слишком благоприятными, чтобы это походило на правду - в особенности если целью было обеспечить условия для существования жизни. Все это выглядит так, будто Земля была создана специально для неизбежного появления жизни.

Таблица 3. Солнечная система

Слишком-благоприятная-чтобы-быть-правдой природа Земли фактически начала свое существование в первую секунду после сотворения и по сей день продолжает оставаться таковой. В первое мгновение существования Вселенной гомогенизирующая сила (которую мы обсуждали в гл. 5), упоминавшаяся в Библии

как «Дух Божий», который «носился над водою» («Бытие» 1:2), очень точно распределила энергию и материю в новорожденной расширяющейся Вселенной. Это позволило материи Вселенной расшириться (вспомним, что в начале вся материя Вселенной была сжата до объема, меньшего, чем горчичное зерно) и тем самым избежать образования тяжелых частиц, что привело бы к печальному результату - почти немедленному коллапсу Вселенной.

Хотя Вселенная благополучно расширялась, свет и материя все еще представляли собой неразделимую смесь сталкивающихся фотонов и частиц. Этот «суп» продолжал существовать несколько сотен тысяч лет, до того момента, когда температура понизилась настолько, что электроны смогли оставаться на стабильных орбитах вокруг атомных ядер. Но интенсивная фотонная радиация дала свои результаты задолго до отделения света от материи. Нейтроны и протоны постоянно сталкивались, образуя ядра атомов гелия и других, более тяжелых элементов. Фотонная радиация тут же расщепляла эти только что образовавшиеся ядра на свободные протоны и нейтроны. И лишь когда температура упала до критического уровня, при котором связь нейтронов с протонами становилась прочной, они начали объединяться, образуя дейтерий, а затем и гелий. Эта стабильность ядер стала возможной при температуре чуть ниже 10⁹°К. К тому моменту Вселенная состояла на 75 процентов из водорода и на 25 процентов из гелия. Таков ее состав и сегодня, если не считать некоторого количества более тяжелых элементов, образовавшихся в процессе реакций синтеза в ядрах появившихся позже звезд.

В этой последовательности событий трудно усмотреть что-либо сверхудивитель-ное до тех пор, пока мы не проанализируем, какие последствия для развития материи могли бы иметь вариации в стабильности связи между нейтронами и протонами. Предположим, что устойчивая связь между ними наступала бы при температуре 10^ю или 10⁸ вместо общепризнанных сейчас 10⁹°К. Наша Вселенная была бы совершенно иной. (Вместо допущения о другой температуре стабилизации ядер мы могли бы в той же мере попытаться теоретизировать по поводу начальной температуры в момент сотворения; если бы она отличалась от той, какая была в тот момент, то Вселенная охладилась бы до 10⁹ °К раньше или позже, чем это произошло на самом деле. Это допущение позволяет нам избежать упрека в произвольном изменении величины одного из неотъемлемых свойств материи).

Если бы температура стабилизации составляла 10^ю К, то стабилизация наступила бы примерно через одну секунду после Большого Взрыва. Вселенная к этому моменту состояла бы на 25 процентов из нейтронов и на 75 процентов из протонов, и совместная плотность частиц и энергии Вселенной была бы в 400 ООО раз больше плотности воды. Такая высокая плотность вызвала бы быстрое слияние частиц и, следовательно, быстрое образование тяжелых элементов.

Каким образом это могло бы отразиться на нас? Ну прежде всего нас здесь, скорее всего, просто не было бы. Что же касается непосредственных результатов, то состав Вселенной изменился бы от своих теперешних 75 процентов водорода и 25 процентов гелия к соотношению 50/50 вследствие того, что избыточные свободные нейтроны соединились бы с протонами, образовав гелий. Высокая плотность частиц привела бы к тому, что намного больше водорода, может быть, даже весь водород превратился бы в ядра тяжелых элементов. Водорода осталось бы мало или вообще не осталось бы. Отсутствие водорода означает отсутствие существенной солнечной радиации. Звездные ядерные реакторы пылали бы не так, как это происходит сейчас, ибо энергия звезд генерируется почти полностью в процессе синтеза гелия из ядер водорода и нейтронов. Элементы тяжелее гелия, которые жизнь сейчас выискивает среди остатков сверхновых, имелись бы в избытке. Но не было бы тех горячих точек Вселенной, которые мы называем звездами и которые дают необходимую для жизни энергию.

Если ядерная стабильность наступила бы позже, при охлаждении Вселенной до температуры 10⁸°К, то вместо избытка тяжелых элементов и недостатка водорода, как это было в предыдущем сценарии, во Вселенной было бы вдоволь водорода и мало чего другого. До того момента, как расширение Вселенной понизило ее температуру до 10⁸°К, прошло примерно 300 минут. Хотя нейтроны, связанные в атомах, стабильны и не распадаются самопроизвольно, свободные нейтроны обладают радиоактивностью. Период их полураспада составляет 15 минут. Тех 300 минут, которые прошли до понижения температуры до 10⁸°К, оказалось бы достаточно для распада почти всех свободных нейтронов. А нейтроны необходимы для ядерного синтеза. Вселенная без нейтронов означает Вселенную, состоящую из водорода и более из ничего. В такой Вселенной нет места для жизни.

Инфляционная стадия весьма тонко отрегулировала распределение материи во Вселенной, обеспечив ее расширение в веках. Вслед за этим ядерные силы не менее тонким образом отрегулировали ядерный синтез этой материи так, что он обеспечил нужное количество водорода, нужное количество нейтронов и нужное количество элементов, необходимых для жизни. Но и это еще не конец списка событий, слиш-ком-благоприятных-чтобы-быть-правдой.

Из таблицы 4 мы видим, что идущий в нужном направлении ядерный синтез производит углерод, стоящий четвертым в порядковом списке распространенности элементов, и он же - самый распространенный элемент, находящийся в твердом состоянии при температурах, при которых вода находится в жидком состоянии. Первые три наиболее распространенных элемента - газы. Два из них, первый и третий -водород и кислород, составные части воды¹.

Существенно ли это? Вы можете держать пари на свою жизнь, что да, существенно!

Жизнь основана на углероде и воде. Без углерода и воды не существовали бы ни вы, ни я, ни вся биосфера. Все живые организмы примерно на 80 процентов состоят из воды. Если удалить воду из наших тел, половина оставшегося сухого веса придется на долю углерода. И на то есть веская причина. Именно вода в жидком состоянии и есть та универсальная среда, в которой проходят как простые, так и сложные химические реакции. Углерод же ведет себя как элемент-мастер на все руки. По своим свойствам он находится на полпути между металлами и неметаллами. Это означает, что он может образовывать соединения с большинством других элементов. Еще более важно то, что углерод обладает способностью образовывать длинные цепи с разнообразными ответвлениями и замкнутыми участками. Из таких цепочек, состоящих иногда из сотен атомов углерода, построены все основные формы жизни.

Если бы случилось так, что ядерный синтез не произвел бы углерода и его роль пришлось бы играть кремнию, следующему по распространенности элементу из тех, что обладают свойствами металла и неметалла, существование жизни оказалось бы под вопросом. Хотя кремний, как и углерод, образует множество химических соединений (и потому доминирует в веществах минерального мира), он, в отличие от углерода, не обладает решающим для существования жизни свойством образовывать длинные цепочки. Молекулы, содержащие более двух-трех атомов кремния, встречаются очень редко, и поэтому такие длинные молекулы живой материи, как ДНК и белки, не могли бы основываться на кремнии. В отличие от многих углеродных соединений, почти все кремниевые соединения являются твердыми в том диапазоне температур, в котором вода представляет собой жидкость. Поэтому в системе, основанной на кремнии, водные реакции живой материи оказались бы невозможными.

Таблица 4. Относительная распространенность основных элементов Вселенной

Результаты этих различий хорошо видны в биосфере. Хотя космическая распространенность кремния составляет почти 10 процентов от распространенности углерода, нам не известны формы жизни, базирующиеся на кремнии. Углерод же подходит для этого по всем статьям, как никакой другой элемент.

По мере того как мы все больше и больше осознаем эти случайные обстоятельства нашего физического мира, мы все больше убеждаемся в том, что у нас было много шансов вообще не появиться на свет.

По имеющимся наблюдениям, звезды на ранних стадиях их существования теряют большую долю своей массы в результате одного сильного взрыва. Этот феномен известен под названием Т-Таури фазы в развитии звезды. По-видимому, Солнце не было исключением. Т-Таури фаза Солнца породила столь мощный солнечный ветер, что он буквально смел весь остаточный межпланетный газ в дальний космос. Но это опустошение коснулось не только межпланетной материи. Атмосферы планет тоже не уцелели и были снесены этим ветром. Тем не менее, мы пользуемся привилегией дышать обеспечивающей нашу жизнедеятельность смесью из 20 процентов кислорода и 80 процентов азота.

Момент, когда на планеты обрушился этот все сметающий на своем пути солнечный «ураган», оказался весьма благоприятным. Т-Таури ветер, который унес массу, равную двум-трем массам сегодняшнего Солнца, состоялся «вовремя» — не слишком рано, но и не слишком поздно. Под «слишком рано» имеется в виду время, когда не произошла еще агломерация материи в планеты. Если бы солнечный ветер пришел в этот период, замерзшие газы, находившиеся в твердом виде на поверхности пылевых и скальных частиц (из скоплений которых и должны были образоваться планеты), испарились бы и унеслись в космическое пространство. В результате этого Земля осталась бы без воды. Кислород, по-видимому, остался бы. Имеющиеся свидетельства говорят о том, что кислород стал составной частью Земли в виде твердых металлических окислов. Но вода не появилась бы, а в отсутствие воды зарождение жизни маловероятно.

Т-Таури ветер мог бы обрушиться на планеты не только «слишком рано», но и «слишком поздно». Можно предположить, что приход этого ветра после образования планет должен был быть менее опасным для их дальнейшего развития. Большая часть воды и других-летучих веществ была бы к этому времени погребена в глубинах планеты и была бы защищена от губительного воздействия ветра. Но такое представление - лишь иллюзия.

Океаны и атмосфера образовались, в значительной степени, из газов и паров, высвободившихся в процессе вулканических извержений. Поскольку Т-Таури ветер на самом деле пришел после агломерации планетарного вещества, но перед массовым вулканическим выделением газов, которое сопровождало процесс расплавления молодой Земли, вода и другие летучие вещества были защищены в ее глубинах от воздействия ветра. Если бы Земля расплавилась до наступления Т-Таури фазы Солнца, летучие вещества находились бы на поверхности Земли и опустошительная мощь ветра смела бы и воду, и газы в космос. Если бы все произошло именно таким образом, наша планета выглядела бы, как Марс, — безжизненный пейзаж с небольшим количеством воды на поверхности и лишь со следами водяного пара в атмосфере столь разреженной, что ее давление на поверхности Марса составляет один процент от атмосферного давления Земли.

Поверхность Марса несет на себе явные следы давно ушедшей эпохи, когда водяная эрозия почвы была довольно интенсивной². Эта фаза марсианской истории была запечатлена в виде извилистых каналов, испещряющих ныне сухую почву. Фотографии этих каналов легко спутать с фотографиями пересохших речных русел на юго-западе Соединенных Штатов. Некоторая часть марсианской воды, возможно, сохранилась глубоко под поверхностью планеты. На Земле есть обширные подземные резервуары воды. Если подобное наблюдается и на Марсе, то не исключена и вероятность существования жизни на этой пыльной планете — если не на ее поверхности, то «под землей» .

Мы видим, что по счастливому стечению обстоятельств Земля оказалась обладательницей правильной массы и расположилась на правильном расстоянии от Солнца.

Среднее расстояние от нас до Солнца составляет примерно 150 миллионов километров. Расстояние между Венерой и Солнцем всего на 30 процентов меньше, но эта разница оказалась критической. Температура на поверхности Венеры достигает 500°С. При этой температуре цинк и свинец находятся в расплавленном состоянии, дерево самовозгорается, а стекло становится пастообразным. Не так уж много шансов для жизни в таких условиях!

Годовые колебания расстояния от Земли до Солнца составляют всего 4,5 миллиона км, то есть только 3 процента от полного расстояния (мы ближе к Солнцу на 3 процента в январе). Эти небольшие вариации в расстоянии означают, что форма орбиты Земли близка к круговой. Орбита Марса, следующей за нами планеты, имеет сильно эллиптическую форму — годовые вариции расстояния от Марса до Солнца равны 50 миллионам км (примерно 16 процентов). Если бы орбита Земли обладала подобным отклонением от круга, ее кора прожаривалась бы в каждом январе на приличную глубину. И в самом деле если бы расстояние от Земли до Солнца было на 10 миллионов км меньше (разница в расстоянии всего лишь 7 процентов), то, согласно расчетам, водяной пар из-за увеличенного поступления тепла от Солнца не смог бы конденсироваться. Не было бы ни дождей, ни океанов. Мы все привыкли жаловаться на погоду, но на самом деле мы должны радоваться, что она такая, какая есть.

Для всех форм жизни, которые нам известны, вода в жидком виде абсолютно необходима. На поверхности Земли вода существует в жидком состоянии при температурах между 0°С и 100°С. Этот температурный диапазон, хотя он и представляет в масштабе человеческих ощущений шкалу от ледяного холода до опаляющего жара, составляет менее 2 процентов от полного диапазона температур в нашей солнечной системе. Существует веская причина для того, чтобы этот сравнительно узкий температурный диапазон ограничивался с обеих сторон ощущениями дискомфорта. Наша нервная система сообщает нам, что жизнь не может существовать за пределами этих не столь уж предельных температур.

Положение Земли относительно Солнца представляет собой нечто вроде космического двойного захвата. Земля должна быть достаточно близка к Солнцу, чтобы поддерживать жизнь теплом, получаемым от Солнца. Однако вместе с живительным теплом солнечного света на Землю приходит жесткое ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовое излучение настолько смертоносно, что его используют при стерилизации разделочных столов (для приготовления пищи). На том расстоянии от Солнца, на котором температура благоприятна для жизни, интенсивность ультрафиолетовой радиации оказывается разрушительной для организмов, не защищенных от нее. Жизнь, купающаяся в ультрафиолетовом свете, долго существовать не может.

Ранняя атмосфера Земли была образована вулканическими газами. В ней было много углекислого газа. Со временем появилась растительная жизнь и стала, в процессе фотосинтеза, выделять в атмосферу кислород, которым дышим мы. Кислород под воздействием ультрафиолетового излучения преобразуется в озон, который обладает замечательным свойством — будучи прозрачным для видимого света, он поглощает ультрафиолетовые лучи. Слой озона, расположенный в^ верхних слоях атмосферы, защищает жизнь на поверхности Земли от смертоносного ультрафиолетового излучения, в то время как животворный видимый свет доходит до поверхности, принося ей тепло и обеспечивая необходимую энергию для фотосинтеза.

Ультрафиолетовое излучение способно преодолеть слой воды толщиной лишь в несколько миллиметров. Это обстоятельство предоставило жизни шанс развиться в океанах до того, как в атмосфере появился кислород. Кислород, выработанный водорослями, образовал начальный озоновый слой. После этого жизнь смогла выйти из своей защищенной водяной колыбели на сушу.

Тонкое равновесие, характеризующее состав Земли, особенно хорошо иллюстрируется другим параметром планеты, которую мы зовем своим домом — ее радиоактивностью. Молодая Земля обладала достаточной радиоактивностью для того, чтобы разогреться и расплавиться на начальных этапах своего развития. Свидетельством этого внутреннего нагрева служит повышение температуры по мере углубления в недра Земли. При углублении на 1 км, как, например, в алмазных и золотых копях Южной Африки, пребывание в шахтах становится возможным только при кондиционировании воздуха. Если сравнить глубину этих шахт с радиусом Земли, становится очевид

ным, что речь идет о тончайшей кожуре на поверхности планеты. На глубине 300 км температура превышает 1500°С, а в центре нашей планеты она достигает 4200°С.

Тепло, которое расплавило молодую Землю, пришло из двух источников: кинетической энергии частиц, стремившихся к центру под воздействием гравитации в процессе формирования Земли, и радиоактивного распада ядер, содержащихся в этих частицах. Кинетическая энергия была одноразовым фактором, внесшим свой вклад в наш тепловой баланс. Радиоактивность же представляет собой фактор постоянный, но непрерывно ослабевающий.

Ввиду того, что радиоактивность Земли с течением времени уменьшилась, она в настоящее время обладает твердой корой. Однако тот факт, что ядро планеты остается в расплавленном состоянии, оставляет неизгладимый отпечаток на нашей повседневной жизни.

Движение расплавленной железной массы в ядре Земли создает магнитное поле, с которым знаком каждый. Это магнитное поле играет значительно большую роль, чем только предоставление нам возможности пользоваться компасом. Его сила отводит большую часть потенциально смертоносного излучения, попадающего в окрестности Земли из космоса. Мы в буквальном смысле слова живем под магнитным зонтиком. Если бы эта космическая радиация не отводилась, она омывала бы поверхность Земли непрерывным дождем опасной для жизни ионизации. По иронии судьбы, до сих пор не существует рационального объяснения происхождения магнитного поля Земли. Непрерывное движение железного ядра поддерживает магнетизм, но исследователи не могут найти причину, его породившую.

История выяснения того, откуда на Земле взялась вода, может служить примером хорошего урока по геофизике. В течение десятилетий после того, как было установлено, что Земля когда-то находилась в расплавленном состоянии, предполагалось, что вода земных океанов явилась результатом конденсации водяного пара, входившего в состав первичного облака, окутывавшего расплавленную Землю. Геофизические ограничения на размер этого облака заключаются в том, что верхняя граница его должна была иметь достаточно высокую температуру, чтобы вода продолжала оставаться в парообразном состоянии; в то же время граница эта должна была находиться достаточно близко к поверхности Земли, чтобы силы гравитации не позволили водяному пару улететь в космическое пространство. Эти требования ограничивают максимальные размеры облака. Расчеты, проведенные в начале 1950-х годов, показали, что количество воды, содержащееся в таком облаке, составило бы лишь малую долю - от 1400 000 000 кубических километров воды, находящихся в сегодняшних океанах Земли³. Пришлось искать другое объяснение существования воды на Земле.

Библейская версия происхождения воды на Земле не упоминает о первичном облаке. В ней написано: «Но пар поднимался с земли, и орошал все лице земли» («Бытие» 2:6). То есть в Библии утверждалось, что каким-то образом Земля была источником пара, который, поднимаясь, конденсировался и орошал землю.

В 1931 году Р.В. Гарансон обнаружил, что вода легко растворяется в расплавленных силикатных, базальтовых и гранитных скальных породах. Эти породы составляют большую долю вулканической лавы. Доля растворенной воды в расплавленной породе может доходить до 5 процентов от ее веса. Однако по мере затвердевания породы вода выделяется в виде пара. Количество пара, поступившего из вулканов охлаждающейся Земли, может соответствовать количеству воды в наших океанах. Химическое тождество вулканического пара и океанской воды указывает на то, что именно этот пар, поднимающийся из охлаждающейся Земли, и был самым вероятным источником воды океанов. Воистину, правота стиха 2:6 книги «Бытие» «вырастает из Земли».

Но если некоторая вулканическая активность оказалась положительным фактором, то ее избыток не был бы так уж хорош. Внутренний нагрев Земли вызвал такую вулканическую активность, которая была достаточна для высвобождения воды, необходимой для образования океанов, выделения газов, нужных для формирования атмосферы, и создания железного расплавленного ядра, обеспечивающего существование магнитного щита; но в то же время нагрев оказался недостаточно сильным для того, чтобы вулканы и землетрясения превратились бы в постоянно действующий фактор. Результатом чрезмерной вулканической активности вполне могла быть запыленная и малопрозрачная атмосфера, возможно, такая, которая, как полагают, и была причиной вымирания динозавров.

В бескрайних просторах Вселенной, быть может, есть много планет, подходящих для появления жизни. Существует ли на них жизнь на самом деле - это вопрос другой. Возникновение жизни в результате случайных химических реакций на них так же маловероятно, как и здесь, на Земле. Но если примитивная жизнь действительно появилась на других планетах, вращающихся вокруг других звезд, то физические законы Вселенной - ядерные, электромагнитные и гравитационные силы, ставшие неотъемлемым свойством всей материи с момента сотворения ~ могли бы теоретически привести эту молодую жизнь от ее простейших форм, появившихся в момент зарождения, к тем сложнейшим существам, которые обитают в самом подходящем для жизни доме — на нашей Земле. Все это может быть объяснено и доказано с помощью теоретических, свободных от эмоций уравнений из учебника физики.

Но все это не может помочь нам найти те физические законы, которые были бы в состоянии перебросить мост над громадной пропастью, отделяющей самые сложные неорганические молекулы от той гармонии, которая характеризует даже самые простые формы жизни.

ПРИМЕЧАНИЯ

1.    Цифры в таблице 4 рассчитаны на основе данных, приведенных в статье Дикерсона «Химическая эволюция и происхождение жизни» в книге Добжанского и др. «Эволюция» (Dickerson, «Chemical evolution and the origin of life», in DobzhanSky et al., Evolution).

2.    Шварц. «Свидетельство из грязи» (Schwartz, «Muddy evidence», Scientific American

260 (June 1989):13).

3.    Фон Арке. «Введение в физическую океанографию» (Von Arx, An Introduction to Physical Oceanography).