Воображаемая жизнь

Так приятно откинуться на спинку кресла, впитывать тёплые солнечные лучи и слушать мягкий шум волн, набегающих на песчаный пляж. Зелёные растения шелестят на тихом ветерке и весь мир, кажется, говорит вам, что нужно расслабиться и наслаждаться жизнью. Вдалеке лениво кружит в небе один из летучих драконов этой планеты. Если бы не дракон, можно было бы подумать, что это место не так уж и сильно отличается от Земли.

Все мы помним детскую сказку «Златовласка и три медведя». Мы с удовольствием рассказываем нашим детям и внукам о том, как каша папы Медведя была слишком горячей, каша мамы Медведицы — слишком холодной, но каша Медвежонка была как раз в меру тёплой. Поэтому неудивительно, что, когда учёные начали задумываться о том факте, что океаны Земли должны были оставаться жидкими на протяжении миллиардов лет, чтобы жизнь могла выжить — температура планеты должна была быть не слишком высокой и не слишком низкой, а как раз в меру — они окрестили её первой «планетой Златовласки».

Взгляните на это с другой стороны: как и все звёзды своего типа, наше Солнце постепенно становилось ярче на протяжении 4,5 миллиардов лет, прошедших с момента его образования. Около 4 миллиардов лет назад, когда на Земле впервые образовались океаны, Солнце было примерно на 30 процентов тусклее, чем сейчас, поэтому планете приходилось удерживать гораздо больше поступающей солнечной энергии, чтобы её океаны не замерзали. С течением времени, когда Солнце начало изливать на Землю всё больше и больше энергии, состав атмосферы планеты также менялся, влияя на температуру через парниковый эффект. (Напоминаем вам, что парниковый газ поглощает любое инфракрасное излучение, пытающееся уйти в космос с поверхности планеты, а затем переизлучает его. Поскольку часть этой переизлучённой энергии направлена вниз, воздействие газа выражается в нагревании планеты.) Тем не менее, несмотря на всё это, оказалось, что на протяжении всей истории Земли температура океанов оставалась всего лишь на несколько градусов выше точки замерзания. Не слишком холодно, но и не слишком жарко.

Чтобы привести всего лишь один пример изменений в атмосфере, скажем, что 3,5 миллиарда лет назад океаны Земли были населены процветающими колониями цианобактерий — очень похожих на то, что мы называем зелёной прудовой тиной. В то время в атмосфере практически не было свободного кислорода, но бактерии выделяли кислород как побочный продукт фотосинтеза (растения до сих пор занимаются тем же самым). Вначале этот кислород удалялся путём химических реакций вроде ржавления железа в породах на поверхности, но около 2,5 миллиардов лет назад его содержание начало расти в результате процесса, который некоторые учёные называют Кислородной катастрофой. Предположительно, многие первоначальные обитатели планеты, которые не обладали устойчивостью к кислороду, после этого вымерли, утонув в отходах собственной жизнедеятельности. Однако другие приспособились и смогли использовать кислород, чтобы запустить дыхательный цикл, который в наши дни поддерживает вашу жизнь и жизнь любого другого животного на планете.

В качестве отступления отметим, что многие из крупнейших месторождений железа на Земле, например, в горнодобывающем районе Месаби в Миннесоте, отложились в это время, когда выделявшийся в изобилии кислород соединялся с железом в океанах, а затем выпадал на океанское дно, образовав богатые железом слои осадочных пород. Металл в соседней с вами машине, которую вы видите, проезжая по улице, на самом деле может быть сделан из материала, который является памятью о Кислородной катастрофе.

В 1978 году астрофизик Майкл Харт, работавший в то время в Университете Тринити в Техасе, опубликовал компьютерную модель, описывающую историю атмосферы Земли. В этой модели слабому теплу раннего Солнца помогал парниковый эффект, создаваемый аммиаком и метаном в атмосфере (оба они, как и более знакомый углекислый газ, CO₂, являются парниковыми газами). По мере того как Солнце светило ярче, кислород, вырабатываемый живыми организмами, разрушал эти соединения, снижая парниковый эффект и тем самым компенсируя повышенное излучение Солнца. В итоге возникла наша нынешняя атмосфера, где парниковый эффект обусловлен углекислым газом и водяным паром. По сути, Земля прошла по лезвию ножа между бесконтрольным парниковым эффектом с одной стороны и полным промерзанием с другой.

Однако важнейшая с нашей точки зрения часть расчётов Харта проистекала из анализа того, что произошло бы, если бы Земля находилась на ином расстоянии от Солнца, нежели то, какое имеет место в реальном мире. Согласно его модели, если бы Земля была на 1 процент дальше или на 5 процентов ближе к Солнцу, хрупкий баланс, который позволял океанам оставаться в жидкой форме, был бы утрачен. Таким образом, соображения об эволюции атмосферы нашей планеты привели к мысли о том, что вокруг звезды существует пояс, в пределах которого океаны на поверхности могут оставаться жидкими на протяжении миллиардов лет. Этот пояс называется зоной обитаемости в окрестностях звезды (ЗООЗ), и стал одной из основных идей, определяющих мысли учёных относительно жизни на экзопланетах.

Зоны обитаемости в окрестностях звёзд и способность поддерживать жизнь

Первое, что мы можем сказать о ЗООЗ — это то, что она будет у каждой звезды. Иными словами, вокруг звезды всегда будет существовать пояс, в котором энергетический баланс мог бы сохранять температуру поверхности планеты между точками замерзания и кипения воды. Для маленьких тусклых звёзд этот пояс узок и близок к звезде. Например, многие из известных экзопланет, находящиеся в ЗООЗ своей звезды, расположены ближе к этой звезде, чем Меркурий к Солнцу. Аналогичным образом ЗООЗ больших ярких звёзд шире и располагается дальше от них. Кроме того, как уже отмечалось выше, излучение энергии звездой увеличивается с течением времени, поэтому по мере старения звезды обитаемая зона фактически смещается кнаружи. Однако здесь есть важный момент: из-за того, что где-то вокруг каждой звезды имеется ЗООЗ, мы ожидаем, что просто волей случая некоторые планеты сформируются именно в этих зонах.

Но, сделав это замечание, мы должны добавить, что за последние одно-два десятилетия учёные пришли к пониманию того, что ЗООЗ необходимо рассматривать гораздо тщательнее, чем позволяет простой расчёт температурного баланса. Как отмечает астрофизик Массачусетского технологического института Сара Сигер, присутствие планеты в зоне обитаемости ещё не гарантирует того, что она действительно пригодна для жизни. На самом деле существует множество факторов, которые могут повлиять на возможность жизни в мирах в ЗООЗ.

По мере прогресса в исследованиях экзопланет поиск планеты земного типа в ЗООЗ стал чем-то вроде Святого Грааля в астрономическом сообществе. Но в настоящее время мы поняли, что обитаемость планеты зависит не только от расположения её орбиты. В главах 6 и 7, например, мы рассмотрели миры, которые не находились в ЗООЗ своих звёзд, не имели на поверхности океанов жидкой воды, однако представляли собой возможный дом для жизни и даже развитой цивилизации. Подобного рода соображения заставили учёных гораздо шире взглянуть на условия, необходимые для возникновения жизни.

Тип материнской звезды

Тип звезды, вокруг которой вращается планета, может иметь важные последствия для развития жизни, даже для планет в ЗООЗ. Например, маленькие тусклые звёзды, которые называются красными карликами и составляют наибольшую долю звёзд Млечного Пути, часто переживают периоды чрезвычайно высокой активности. Звёздные вспышки и выбросы огромного количества заряженных частиц весьма усложнили бы жизнь на любой поверхности планеты — неважно, находилась ли планета в ЗООЗ, или же нет. В таких системах жизнь, скорее всего, должна оставаться на дне океана или под землёй, чтобы выжить. В таких ситуациях понятие ЗООЗ становится просто неактуальным.

Учёные начинают отказываться от идеи о том, что жизнь должна эволюционировать и сохраняться на поверхности планет. Например, многие современные доказательства заставляют сделать вывод о том, что какие-либо живые организмы на Марсе будут обнаружены под поверхностью. Кроме того, если жизнь существует в подповерхностных океанах во внешних районах Солнечной системы, например в океанах Европы и Энцелада, то она уже по определению будет находиться под поверхностью. Даже на Земле, похоже, под поверхностью планеты может находиться больше биомассы, чем на ней. Так что интенсивная радиационная обстановка, идущая в комплекте с маленькими звёздами, не обязательно должна препятствовать развитию жизни, хотя эту жизнь, вероятно, было бы невозможно обнаружить напрямую с помощью технологий, которыми мы располагаем в настоящее время.

С другой стороны, более массивные звёзды обеспечивают более благоприятную радиационную обстановку, но время их жизни может быть относительно коротким. В некоторых случаях они могут прожить всего 30 миллионов лет. Маловероятно, что за такой короткий промежуток времени на планете могло развиться что-то помимо простой микробной жизни. Кроме того, такие звёзды заканчивают свою жизнь мощным взрывом, который называется сверхновая и наверняка уничтожит любые близлежащие планеты. Таким образом, даже если бы жизнь действительно смогла развиться в ЗООЗ такой звезды, все её следы были бы уничтожены после гибели звезды.

Именно из-за этих ограничений охотники за экзопланетами сосредоточили свое внимание на планетах в зоне звёзд среднего размера наподобие Солнца.

Эволюция атмосферы

Второй источник сложностей при обсуждении обитаемости появляется из-за того, что атмосферы планет не являются стабильными, неизменными системами, а развиваются с течением времени. Описанная выше Кислородная катастрофа Земли является лишь одним из примеров процессов такого рода. Конечно, есть и другие, и ниже мы обсудим некоторые из них, особенно важные для планет земной группы.

Для малых планет вроде Марса большую роль играет диссипация атмосферы. Вот как работает этот процесс: молекулы, составляющие атмосферу планеты, всегда находятся в движении, и чем выше температура, тем быстрее они движутся. Однако независимо от температуры всегда найдутся какие-то молекулы, которые движутся быстрее или медленнее среднего. Если более быстрые молекулы наберут достаточную скорость и будут двигаться в направлении, перпендикулярном поверхности планеты, они смогут преодолеть силу притяжения планеты и вырваться в космос.

Чем больше планета, тем больше её сила притяжения и тем легче ей удерживать атмосферу. Например, на Земле для того, чтобы покинуть планету, молекула должна была бы двигаться со скоростью около 7 миль в секунду (11 км/сек). Важно отметить, что разгонять до высокой скорости тяжёлые молекулы сложнее, чем лёгкие. Это означает, что более лёгкие молекулы с большей вероятностью, чем тяжёлые, будут утрачены из-за диссипации атмосферы. Земля, например, потеряла большое количество изначально присутствовавших в ней водорода и гелия — самых лёгких элементов своей атмосферы, ну а Марс потерял ещё более тяжёлые газы — кислород и азот.

Сходный механизм рассеивания атмосферы под названием «фотодиссоциация» особенно важен для молекул воды. Если на поверхности планеты есть вода, то в атмосфере будет присутствовать некоторое количество водяного пара. Ультрафиолетовое излучение звезды планеты разрушит молекулы воды, которые окажутся в верхних слоях атмосферы. Получившийся водород, будучи лёгким газом, окажется утраченным в результате диссипации атмосферы, а кислород соединится с атомами на поверхности планеты, образуя различные окисленные минералы. Мы считаем, например, что именно таким образом Марс потерял океан, который существовал на нём в начале его истории, и что красный цвет планеты является результатом окисления (коррозии) железа в его поверхностных породах.

Другой важный вид изменений относится к двуокиси углерода, важному парниковому газу (наряду с водяным паром) в атмосфере Земли. Каждый раз, когда на Земле извергается вулкан, углекислый газ выделяется из глубин мантии и закачивается в атмосферу. В ходе сложного процесса, известного как глубинный углеродный цикл, углекислый газ попадает в океан и связывается в составе таких материалов, как известняк, после чего может, помимо прочего, вернуться обратно в недра Земли. Таким образом, преобладающие геологические процессы на планете могут воздействовать на количество углекислого газа в её атмосфере, а это, в свою очередь, повлияет на её температуру. Мы полагаем, что какие-то океаны на поверхности, существовавшие на Венере в начале её истории, испарились из-за высокой температуры планеты, вызванной её близостью к Солнцу. Таким образом, у Венеры не было возможности удалить углекислый газ из своей атмосферы, и без глубинного углеродного цикла планета страдала от накопления этого газа в результате так называемого бесконтрольного парникового эффекта.

Эти примеры показывают, что изменения в атмосфере экзопланеты — изменения, которые, стоит особо отметить, мы не можем наблюдать с помощью современных телескопических приборов, — могут оказать значительное влияние на её обитаемость. Приведу только один пример: планета, которая находилась в центре ЗООЗ своей звезды, но имела очень мало воды, могла бы пострадать от бесконтрольного парникового эффекта и оказалась бы похожей на Венеру. Издалека было бы очень трудно понять, случилось это, или нет.

Разум и технологии

Тот факт, что у нас есть довольно хорошее понимание, как и когда развилась жизнь в одном из миров Златовласки (Земля), позволяет вывести некоторые предположения из дискуссий о развитии жизни на планетах такого рода. Хотя химия инопланетной жизни не обязательно должна основываться на системе ДНК-РНК, которая действует в жизни на Земле, будет не так уж сложно предположить, что формы жизни из других миров Златовласки будут аналогичным образом зависеть от сложной информации, заключённой в большие молекулы на основе углерода. В главе 15 мы поговорим о том, почему углерод занимает особое место в этом отношении. На данный момент мы просто обращаем внимание, что углерод может образовывать прочные и стабильные цепочки и кольца атомов, которые идеально подходят для использования в качестве биомолекул, несущих информацию.

Кроме того, нам не нужно допускать существование стандартной научно-фантастической галактики, населённой говорящими по-английски двуногими гоминидами, чтобы понять, как может работать естественный отбор в других мирах Златовласки. Мы можем посмотреть на развитие разума и технологий на Земле и провести возможные аналогии со сходными планетами Златовласки в галактике.

Ключевой момент естественного отбора, на который мы должны обратить внимание, заключается в следующем: это не процесс отбора по доброте или моральной ценности. Для того, чтобы донести эту мысль до своих студентов, один из авторов (Дж. Т.) использует старую шутку:

Не имеет значения, что более медленный бегун — это добрый человек, который помогает старушкам перейти улицу. Естественному отбору всё равно. Единственное, что имеет значение, — то, что его спутник быстрее. Это те гены, которые перейдут в следующее поколение[8].

Итак, что это говорит нам о типах форм жизни, которые будут развиваться в мирах Златовласки? Мы боимся, что ответ не очень обнадёживающий, поскольку наиболее вероятным результатом будет то, что они, вероятно, будут не более мягкими и добрыми, чем Homo sapiens. Если взглянуть на историю нашего вида и отметить исчезновение более 20 видов гоминид, которые были обнаружены в летописи окаменелостей, нам не стоит питать особых надежд на возможность встречи с технологически развитым видом, который будет миролюбивее нас. Любой, кого мы там обнаружим, будет, скорее всего, не более нравственным или не менее воинственным, чем мы сами. Жуть!

Посмотрим на это с другой стороны: если мы сожмём историю Вселенной в один год, то Земля и наша Солнечная система сформировались примерно в День Труда[9], а развитие науки занимает не более нескольких последних секунд года. Крайне маловероятно, что ни один другой вид существ не развил бы науку в течение всего «года» до появления Homo sapiens. Законы физики и химии не являются малопонятными или скрытыми — их может открыть любая умеренно разумная цивилизация. По крайней мере, какие-то из этих цивилизаций Златовласки должны были бы это сделать. Наверное, где-то какой-то инопланетный Исаак Ньютон дал толчок к развитию технологической цивилизации. Самый тревожный факт здесь — то, что мы не можем найти никаких свидетельств существования ни одной из таких цивилизаций. Даже если у нас не будет сверхсветового варп-двигателя и значительных успехов в технологиях, расчёты показывают, что через 30 миллионов лет — это менее одного дня в нашем вселенском году — человеческая раса может распространиться по всей галактике. Если мы сможем это сделать, то на это способна и любая другая цивилизация, такая же развитая, как мы сами.

Так где же эти другие цивилизации? Этот вопрос является выражением так называемого парадокса Ферми (названного в честь Энрико Ферми [1901-54], одного из ведущих физиков 20 века). Кто-то однажды сообщил ему о расчётах, которые предполагают, что в галактике существуют миллионы развитых цивилизаций. Ферми на мгновение задумался, а затем спросил: «И где же все?» Иными словами, почему они ещё не здесь? Почему мы ощущаем то, что учёные называют «Великим молчанием», когда речь заходит об инопланетянах?

Учёные и писатели-фантасты, наделённые богатым воображением, выдвинули множество возможных объяснений. Вот несколько самых популярных:

Мы могли бы продолжить, но думаем, что вы уловили суть. Проблема, однако, состоит в том, что, хотя мы можем представить себе развитие по одному из этих сценариев в каких-то внеземных цивилизациях, рассматривать любой из них как неизбежный результат развития жизни — очень сложная задача. Чтобы понять важность этого момента, вернитесь к разделу «Математика» главы 1. В ЗООЗ у звёзд должно существовать много миллионов планет размером с Землю — эта гипотеза подтверждается тем фактом, что мы уже обнаружили пару десятков таких в нашей небольшой выборке из нескольких тысяч экзопланет. Крайне маловероятно, что все они примут, например, нечто вроде Первой директивы из «Звёздного пути». Мы боимся, что самый логичный ответ на вопрос о том, почему мы не знаем о существовании развитых внеземных цивилизаций, состоит в том, что этих цивилизаций там нет. Насколько мы можем видеть, единственное объяснение этого, связанное с законами природы (см. главу 11), зависит от действия естественного отбора.

Это подводит нас к очень мрачным размышлениям относительно судьбы жизни в мирах Златовласки. Учитывая тенденцию естественного отбора к созданию агрессивных видов — видов, подобных Homo sapiens, — возможно, что вся история Вселенной была занята процессом эволюции, производящим разумные формы жизни на одной планете Златовласки за другой, но лишь для того, чтобы эти формы жизни уничтожали сами себя, едва открыв для себя науку. Иными словами, вполне возможно, что существовало огромное количество цивилизаций, достигших нашего уровня, но все они уничтожили себя ещё до того, как смогли колонизировать ближайшие звёзды. Этот сценарий конца света является распространённым объяснением парадокса Ферми.

Эта мысль заставляет содрогнуться. Однако, сказав это, мы должны отметить, что открытия, сделанные в межзвёздной среде во время написания этой книги, могут предложить иное возможное решение, которое, как и описанный выше сценарий, основано на фундаментальных законах природы. Эти открытия, наряду с другими вопросами, пока ещё не получившими ответов, обозначены в главе 17.

Настоящие Майк и Джим

Майк: Неважно, как много мы узнаём о жизни в галактике; мы гарантируем, что уже на следующий год вас удивит что-то новое и неожиданное.

Джим: Наверное, всё случится именно так. Это будет нечто настолько странное, что мы даже не сможем предположить, что это может быть, пока не обнаружим эту штуку.