Воображаемая жизнь

Боже, какой же ты тяжёлый! Здесь всё кажется гораздо тяжелее. Растения, которые вы видите, толстые и низкорослые — они скорее прямоугольные, чем вытянутые и изящные, как на Земле. Хотя в данный момент вокруг нет ни одного животного, вы подозреваете, что они тоже должны быть прямоугольными и приземистыми. А чего ещё можно ожидать на планете, сила тяжести которой на 50 процентов больше земной?

На протяжении всей этой книги мы делали одно предположение — предположение, настолько глубоко укоренившееся в научном мировоззрении, что мы его почти не замечаем. Оно называется «принципом Коперника» в честь Николая Коперника, который первым установил, что Земля не является центром Вселенной. В своей простейшей формулировка принцип гласит, что в нашей планете или нашей солнечной системе не существует ничего особенного. Он говорит нам, что законы природы, которые мы видим работающими здесь и сейчас, действуют по всей Вселенной и действовали всегда.

Трудно переоценить важность этой идеи в науке. Как бы мы смогли прийти к пониманию Вселенной, если бы законы природы менялись от одной галактики к другой? Принцип Коперника является примером того, что антропологи называют глубинным мифом — убеждением, настолько глубоко укоренившимся в обществе, что оно никогда не излагается явно, а просто принимается как есть (хотя мы должны отметить, что в случае принципа Коперника существует множество доказательств в поддержку «мифа»). Однако, сказав это, мы должны признать, что, хотя в каждой планетной системе должны действовать одни и те же законы природы, это не означает, что все планетные системы должны быть одинаковыми. Тем не менее, у нашей Солнечной системы существует одна особенность, которая кажется несколько необычной: у нас не представлен тип планеты под названием суперземля.

Самый простой способ понять это утверждение — это посмотреть на массы планет в нашей солнечной системе. Существуют маленькие каменные планеты земной группы, среди которых самой большой является Земля, а далее следует разрыв, пока мы не добираемся до Урана (15 масс Земли) и Нептуна (17 масс Земли). После этого у нас есть ещё газовые гиганты Сатурн и Юпитер, имеющие 95 и 318 масс Земли соответственно.

Почему же существует разрыв? Ваша первая мысль может состоять в том, что по какой-то причине планеты в этом диапазоне масс просто не формируются. Однако открытия, сделанные космическим телескопом «Кеплер», показывают, что это не так. Планеты, занимающие промежуточное положение по массе между Землёй и Ураном, оказались довольно широко распространёнными в других системах. Вообще, сложилось неформальное соглашение, которое определяет различия между суперземлями (от 2 до 10 масс Земли, причём нижний предел слегка варьирует от одной группы астрономов к другой) и мега-землями (свыше 10 масс Земли).). Планеты в верхней части этой шкалы распределения масс можно также назвать мини-нептунами.

Первая суперземля, вращающаяся вокруг обычной звезды, была открыта в 2005 году. Она называется Глизе 876 d, что означает — это третья планета, найденная на орбите 876-й звезды в каталоге, составленном немецким астрономом Вильгельмом Глизе (1915-93). С 2005 года было открыто еще много суперземель, в том числе некоторые, находящиеся в ЗООЗ их звезды.

Когда астрономы используют термин «суперземля», он относится только к массе и не содержит никакой информации о размерах или обитаемости планеты. Суперземля может быть водным миром, подобным тому, что мы назвали Нептунией в главе 8, замёрзшим миром вроде того, который мы назвали Айсхеймом в главе 6, или миром наподобие того, который мы назвали миром Златовласки в главе 9, с океанами на поверхности и сушей. Из-за имеющихся в нашем распоряжении методов измерений каменистая суперземля с разреженной атмосферой, водяная суперземля с ледяным покрытием или без него и планета вроде Нептуна, с толстым внешним слоем газов вполне могут казаться нам одинаковыми. Однако, учитывая наше внимание к живым системам, в этой главе мы ограничим наше внимание типами суперземель, которые могли бы поддерживать жизнь.

Мы можем начать разговор, попытавшись ответить на вопрос, заданный выше: если такие миры настолько обычны в других системах, почему в нашей собственной системе такого нет?

Есть несколько вариантов ответа на этот вопрос. Один из них — просто заметить, что существует ряд систем, в которых суперземель нет, и утверждать, что наша просто случайно является одной из них. Другой подход состоит в изучении компьютерных моделей, описывающих формирование Солнечной системы, и в поиске процессов, которые могли бы уничтожить какие-то суперземли, которые в ней когда-то были. В некоторых моделях, например, движение планет-гигантов смещает суперземли в сторону Солнца. В других случаях гравитационное «перетягивание каната», продолжавшееся во времена образования планет, выбросило суперземли из системы, превратив их в планеты-сироты, которые мы обсуждали в предыдущей главе. Однако какова бы ни была причина — образовались ли они, а затем были уничтожены, или же вообще никогда не образовывались, — в настоящее время в нашей Солнечной системе суперземель нет.

Это не является нарушением принципа Коперника. В нашей планетной системе действуют те же законы, что и везде, но в особенностях того, как зарождалась наша система, есть нечто, породившее иной результат по сравнению с тем, что мы наблюдаем в других системах. Возможно, распределение массы в облаке туманности нашей системы было немного иным; возможно, проходящая звезда потревожила газы в туманности во время формирования планет. Какова бы ни была та причина, рядом с нами нет суперземли, которую можно изучать.

Очень сильная гравитация

Отсутствие суперземель в Солнечной системе не означает, что мы не можем установить, какие условия могли бы существовать на одной из этих планет. Давайте начнём с наиболее очевидного различия между суперземлёй и нашей Землёй: с гравитации. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, сила притяжения, действующая на любой объект, прямо пропорциональна его массе — удвойте массу планеты, сохранив при этом её геометрические размеры, и вы удвоите силу тяготения на её поверхности. Закон также гласит, что сила уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния — удвойте радиус планеты, сохранив её массу неизменной, и сила притяжения на её поверхности составит четверть от той, что была.

Эти две характеристики определяют силу тяжести на поверхности любой планеты. Например, прямо сейчас Земля воздействует на вас направленной вниз силой тяготения — вот почему вы не улетаете в космос. Величина силы зависит от массы Земли и вашего расстояния от центра Земли (т. е. радиуса планеты). Фактически, одним из величайших триумфов закона Ньютона является то, что если вы примените его к массе и радиусу Земли, вы получите стандартные 32 фута в секунду в квадрате (9,8 м/сек2), что соответствует ускорению любого объекта, падающего на поверхность Земли.

Таким образом, определение силы тяжести на гипотетической планете предполагает простой ньютоновский расчёт. Рассмотрим, например, суперземлю в восемь раз массивнее Земли, но с той же плотностью. Её радиус был бы в два раза больше земного. Таким образом, при определении силы тяжести на поверхности планеты необходимо было бы учитывать два конкурирующих эффекта: большая масса увеличивает силу, в то время как больший радиус уменьшает её. В результате на этой планете вы будете весить в два раза больше, чем здесь, на Земле.

Вполне возможно, ситуация на настоящей суперземле была бы не такой простой. Увеличенная сила тяжести, скорее всего, сжала бы материалы в теле планеты, так что её радиус превышал бы земной меньше, чем в два раза. Это, в свою очередь, приведёт к увеличению силы тяжести на поверхности и, следовательно, к увеличению вашего веса.

Увеличенная сила тяжести также повлияла бы на состав атмосферы на суперземле. Например, она усложнила бы диссипацию атмосферы, которую мы обсуждали для планеты Златовласки в главе 9. Таким образом, вполне вероятно, что атмосфера суперземли сохранит такие лёгкие газы, как гелий и водород, собственный запас которых Земля большей частью растеряла.

Кроме того, возросшая сила тяжести увеличила бы давление на атмосферу и океаны планеты. Самый простой способ убедиться в этом — вернуться к примеру, который мы использовали в главе 8, где мы говорили о колонне с основанием в виде квадрата со стороной в 1 дюйм (около 2,5 см), которая поднимается от вашей руки до космоса. Давление на этот 1 квадратный дюйм вашей руки будет равно весу воды и воздуха в колонке. Это означает, что если бы в атмосфере суперземли находилась та же масса воздуха и воды, что и на Земле, где давление в колонне составляет 14,7 фунтов (6,5 кг), то давление на 1 квадратный дюйм вашей руки составляло бы около 30 фунтов (14 кг). Это, в свою очередь, означает, что явление, которое мы назвали пределом льда X в главе 8, на суперземлях будет наблюдаться в более мелких океанах, чем на планете вроде той, что мы назвали Нептунией.

Жизнь и выход на сушу

Давайте чисто теоретически рассмотрим суперземлю в восемь раз массивнее, чем Земля, но с той же плотностью — планету того типа, о котором мы говорили в предыдущем разделе. Давайте предположим, что она находится в центре ЗООЗ своей звезды, и на её поверхности есть океаны жидкой воды. Мы назовём эту планету Здоровяком.

Нет никаких причин, по которым на Здоровяке не повторились бы те же самые процессы, которые привели к появлению жизни на Земле. Возможно, там жизнь зародилась бы в первичном бульоне или вокруг гидротермальных источников срединно-океанических хребтов, а затем переселилась бы на поверхность. Возможно, фотосинтез насытил бы атмосферу кислородом, и в океанах распространилась бы многоклеточная жизнь. Увеличенная сила тяжести Здоровяка не оказала бы значительного влияния ни на один из этих процессов.

Однако она имела бы большое значение во время расселения жизни на сушу. Чтобы понять, почему это происходит, нам нужно вернуться к древним грекам. Архимед Сиракузский (ум. 212 г. до н.э.) — первый человек, о котором известно, что он открыл закон плавучести. Представьте себе, если хотите, куб, который ограничивает блок воды на поверхности океана. Вода в кубе имеет определённый вес, и давление, оказываемое снизу вверх на дно куба океаном, находящимся под ним, просто поддерживает этот вес. Это называется выталкивающей силой.

Если мы заменим куб воды кубом, содержащим какой-либо другой материал, существуют два возможных последствия: новый куб весит либо больше, чем старый, либо меньше. Если он весит больше, выталкивающая сила не сможет уравновесить силу тяжести, воздействующую на материал, и объект утонет. С другой стороны, если новый материал весит меньше, чем вытесненная вода, выталкивающая сила будет больше, чем сила тяжести, воздействующая на новый материал, и он будет продолжать плавать на поверхности океана.

Обратите внимание, что здесь имеет значение количество вытесненной воды — в нашем примере это объём куба. Вот почему стальной корабль будет плавать, даже если стальной стержень без воздуха внутри утонет: корабль вытесняет объём воды, равный объёму как самого корпуса, так и воздуха внутри корпуса, который весит значительно меньше, чем вода.

Когда жизнь, будь то микробная или многоклеточная, ограничивается океаном, выталкивающая сила всегда будет поддерживать её, потому что физические объекты всегда будут вытеснять определённое количество воды. Однако когда жизнь выходит на сушу, всё меняется: лишенные поддержки выталкивающей силы воды, живые существа должны найти способ поддерживать себя в условиях действия силы тяжести.

Мы можем получить некоторое представление о том, как происходит этот переход, взглянув, как процесс выхода на сушу происходил на Земле. Точная дата его по-прежнему является предметом дискуссий. Генетический анализ показывает, что зелёные водоросли образовали слизистый слой на прибрежных скалах ещё 610 миллионов лет назад, и существуют ископаемые свидетельства наличия спор (присутствие которых указывает на процветание наземной растительной жизни) около 450 миллионов лет назад. Однако мы знаем, что растения (а позже и животные) выработали в процессе эволюции стратегии борьбы с утратой опоры в виде выталкивающей силы. По нашим представлениям, они подразделяются на два противоположных друг другу класса, которые мы схематично представим как омар против скелета или, для тех, кого больше интересует архитектура, как романская церковь против современного небоскрёба.

Суть такова: у каждого живого существа на суше должна быть какая-то граница, которая отделяет его от окружающей среды, и оно должно каким-то образом поддерживать себя и противостоять силе тяжести. Вопрос здесь в том, выполняет ли эти две функции один и тот же структурный элемент, или же разные.

Экзоскелет омара (и других организмов, например, насекомых) и стены романской церкви выполняют обе эти функции одновременно: они отделяют внутреннюю среду от внешней и поддерживают вес тела. В противоположность им, человеческий скелет и стальной каркас современного небоскрёба держат на себе вес, но оставляют функцию разграничения другим структурам. В случае с людьми кожа отделяет нас от окружающей среды, но не играет никакой роли в противодействии силе тяжести. То же самое можно сказать и о стеклянных ненесущих стенах, которые так часто используются в современных небоскребах. Мы не видим причин, по которым живые системы на Здоровяке не могли бы использовать стратегии обоих типов: мы ожидаем, что скелеты живых существ там будут более мощными, чем у их земных собратьев, а «кожа» обладающих скелетом существ планеты, вероятно, должна быть толще нашей, чтобы выдерживать свой собственный вес.

Чтобы получить некоторое представление о том, как могли бы эволюционировать живые организмы на Здоровяке, мы можем вернуться к 17 веку и работе Галилео Галилея. Хотите верьте, хотите нет, но последняя из написанных им книг, «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (1638), очень важна для обсуждения жизни на суперземлях. «Две новых отрасли науки», упомянутые в названии, — это то, что мы сегодня назвали бы наукой о материалах, и наукой о движении брошенного тела. Нас интересует первая из них.

Одну из проблем, к которым обращался в этой книге Галилей, подсказало его давнее сотрудничество с Венецианским Арсеналом, Пентагоном тех времён. Её можно сформулировать просто: когда инженеры хотели построить судно большего размера, они брали конструкцию судна меньшего размера, которая идеально соответствовала требуемым характеристикам, и просто удваивали все размеры. К их удивлению, судно большего размера показывало себя уже не так хорошо. Объяснение этого факта было, по сути, одной из «новых наук», которые изучал Галилей. Его результаты играют решающую роль в определении того, как будут развиваться организмы на суперземле вроде Здоровяка.

Чтобы понять его доводы, начните с того, что представьте себе куб из какого-то материала с длиной стороны 1 фут (около 30 см). На нижнюю поверхность этого блока должен приходиться вес только одного этого блока. Теперь удвойте все размеры, сложив другие блоки со сторонй в 1 фут, чтобы у нас получился куб из восьми блоков с длиной стороны 2 фута (около 60 см). Теперь вес, приходящийся на нижнюю поверхность исходного блока, будет вдвое больше, чем был раньше — он должен выдерживать и собственный вес, и вес блока сверху. Ещё раз удвойте размеры, сложив в куб 64 блока (длина стороны 4 фута, или 1,2 метра), и нижняя грань исходного 1-футового блока должна будет выдерживать вес уже четырёх таких блоков. Продолжайте увеличивать размер штабеля по вертикали, и вес, приходящийся на нижнюю поверхность исходного блока, будет продолжать увелчиваться.

В итоге мы достигнем точки, где прочность материала исходного блока уже не сможет выдерживать накопившийся на нём вес, и исходный блок рассыплется. Это означает, что существует максимальная высота, до которой может увеличиться куб, прежде чем начнёт разрушаться. Это, кстати, объясняет, почему на Земле нет гор высотой более 5 миль (7,5 км) — высота горы Эверест. Нагромождение ещё большего количества материала на высокую гору привело бы к растрескиванию и разрушению нижележащих скальных пород, поэтому высота гора не могла бы увеличиваться дальше. К тому же это говорит ещё и о том, что самые высокие горы на Здоровяке будут достигать высоты примерно 13 000 футов (4 км) или около того — где-то вдвое меньше высоты Эвереста. (Для читателей с математическим складом мышления отметим, что довод Галилея основывается на том факте, что объём и, следовательно, масса конструкции зависят от куба, тогда как размер площади опоры — от квадрата её размеров.)[11]

Одним из следствий этого является то, что, захотев создать постройку или организм большего размера, мы не можем просто увеличить все их размеры. Мы должны дополнительно изменить ещё и форму конструкции. Например, в случае со сложенными блоками мы могли бы наложить их ещё больше, если бы нижняя часть конструкции представляла собой прямоугольник, а не куб. Чем больше штабель, который мы хотели бы сложить, тем шире мы должны сделать его основание.

Мы видим, как этот принцип действует у животных на Земле. Сравните, например, форму тела муравья, чей крошечный вес могут выдерживать тонкие ноги, и очертания слона, которому нужны толстые ноги и большие ступни, способные выдерживать его массу. На Здоровяке, где всё, что находится на суше, должно противостоять его увеличенной силе тяжести, мы ожидаем, что живые существа — как растения, так и животные — будут низкорослыми и приземистыми. Единственным исключением из этого правила, как на Здоровяке, так и на Земле, были бы организмы вроде китов, которые живут в океане, могут пользоваться преимуществами принципа плавучести, и могут быть, по сути, какого угодно облика.

Мимоходом отметим, что один из авторов (Дж. Т.) является поклонником классических научно-фантастических фильмов 1950-х годов. В них часто встречаются злобные гигантские насекомые, но это насекомые, которые просто увеличены по сравнению с их нормальным размером при сохрении тех же очертаний. И всё же одной вещи Галилей нас научил: гигантские муравьи не просто не смогут угрожать героиням таких фильмов — они рухнут под собственным весом.

Если бы наземные организмы на Здоровяке избрали для противодействия гравитации стратегию скелета, мы могли бы поинтересоваться, каково было бы строение этого скелета. Ответ может оказаться довольно сложным. Это, безусловно, относится к людям: дело в том, что кость принадлежит к числу самых сложных и загадочных конструкционных материалов, которые нам известны. Начнём с простого вопроса: почему у людей на Земле так часто бывают переломы костей? Можно подумать, что при той чрезвычайной угрозе для выживания, которую может представлять сломанная кость для гоминида, естественный отбор привёл бы к появлению костей, сломать которые гораздо труднее, чем те, которыми снабжены мы.

Обычный довод, который слышится по этому поводу от сторонников теории эволюции, состоит в том, что построение костей — очень затратный процесс, поэтому естественный отбор проводит своего рода анализ затрат и выгод. Польза от более прочных костей должна уравновешивать пользу, которую можно получить при использовании необходимой для этого энергии в какой-либо иных целях (например, для улучшения зрения). Справедливое замечание, хотя это будет слабым утешением для тех из наших собратьев, которых мы видим разгуливающими с гипсом и бандажами.

Но что случится, если мы используем этот довод в ходе обсуждения жизни на Здоровяке? Удвоение силы тяжести склоняет анализ затрат и выгод в сторону решения с более прочными костями. Взглянем на это с другой стороны: если на Здоровяке некто упадёт с дерева, он ударится о землю на 40 процентов быстрее, чем некто, упавший с той же высоты на Земле. Таким образом, к любым костям, которые коснутся поверхности земли первыми, будет приложена сила, превышающая таковую на Земле. Это означает, что в дополнение к большей площади опоры скелетные формы жизни на Здоровяке, несомненно, будут обладать более толстыми и прочными костями по сравнению с нами. То же самое справедливо и для живых организмов с экзоскелетами. Съесть омара на Здоровяке было бы гораздо сложнее, чем здесь, на Земле, потому что взломать его панцирь было бы очень трудно!

Можно лишь гадать, будут ли кости живых организмов на Здоровяке обладать биологическими свойствами, аналогичными свойствам костей на Земле. Например, красные кровяные тельца вырабатываются в нашем костном мозге. Кроме того, кости на Земле изменяют свою форму в ответ на внешние воздействия, поэтому они принципиально отличаются от конструктивных элементов здания, даже если выполняют некоторые из тех же опорных функций.

Технология

Повышенная сила тяжести на поверхности Здоровяка препятствует развитию космических путешествий на этой планете. Создать там ракетный корабль, способный покинуть планету, было бы сложнее, чем создать аналогичный корабль здесь, на Земле. Та же сила, которая позволяет атмосфере удерживать лёгкие элементы (это явление мы рассматривали выше), заставит инженеров Здоровяка столкнуться с гораздо более сложной проблемой, когда они попытаются вывести в космос полезные грузы. Например, им было бы сложнее использовать для связи орбитальные спутники, поэтому они могли бы в большей степени, чем мы, зависеть от волоконной оптики. Кстати, если бы всё так и было, то здесь возник бы побочный эффект, значительно затрудняющий разумными видами из других солнечных систем обнаружение присутствия развитой жизни на Здоровяке, потому что планета не посылала бы в космос электромагнитные волны.

С другой стороны, повышенная сила тяжести вполне может оказать положительное влияние на такие процессы, как выработка энергии. Она будет сжимать воздух, делая его более плотным вблизи поверхности. Это означает, что ветры будут нести больший импульс, чем на Земле, а это, в свою очередь, увеличит выработку энергии ветряными мельницами. Как и инженеры Гало (см. главу 10), инженеры Здоровяка вполне могли бы разработать ветряные мельницы для выработки электроэнергии до того, как ими будет разработан двигатель внутреннего сгорания.

Аналогичным образом, вода, текущая по водопаду или водосбросу плотины, достигая дна, будет двигаться быстрее, чем в аналогичной ситуации на Земле. Если бы эта вода использовалась для вращения лопасти турбины, её более высокая энергия означала бы большее количество вырабатываемой электроэнергии. В зависимости от геологии Здоровяка нетрудно представить себе технологию, построенную исключительно на использовании дешёвой электроэнергии, а не ископаемого топлива, как у нас.

Майк и Джим

Майк: Видел ту статью в последнем номере «Журнала исследований гигантских планет», где пишут, что на одной из внутренних планет может существовать развитая цивилизация?

Джим: Ты имеешь в виду ту мелочь? Ту, у которой почти нет гравитации? Это же просто глупость — как такая маленькая планета смогла бы сохранить свою атмосферу?

М.: В статье утверждают, что некоторые из них, возможно, потеряли только лёгкие элементы — там говорится об атмосфере, состоящей в основном из азота.

Дж.: Но такая атмосфера была бы недостаточно плотной, чтобы вырабатывать электроэнергию при помощи ветряных турбин. Откуда эта цивилизация рассчитывает получать свою энергию?

М.: Да — там может существовать примитивная жизнь, но все мы знаем, что цивилизация зависит от силы тяжести.

Дж.: Это точно.