Жизнь на других планетах?
Из нашего печатного архива: Несмотря на часы, проведенные в супер-шпионских очках, астрономам пока не удалось обнаружить маленьких зеленых человечков на Марсе или любой другой планете. Но они сделали несколько довольно убедительных наблюдений, подтверждающих существование жизни на других планетах.
Есть ли жизнь на других планетах? Если на других планетах может существовать жизнь в том химическом виде, в котором мы знаем ее на Земле, то как это связано с происхождением самой жизни? Ученые уже давно рассуждают о том, что жизнь в ее самой примитивной форме может быть следующим шагом в космической эволюции после образования планет. Хотя это все еще только теория, новые идеи о происхождении планет и недавние открытия в области химии подкрепляют ее.
Например, на расстоянии сорока миллионов миль от Земли находится Марс - планета, более холодная, чем Земля, без кислорода в атмосфере и с небольшим количеством воды на поверхности. Человек, доставленный на Марс, задохнулся бы и умер, и большинство других привычных организмов также погибли бы.
Тем не менее, уже более полувека астрономы наблюдают небольшие сезонные изменения цвета на планете; эти изменения, очевидно, совпадают с наличием воды. Они были интерпретированы как свидетельство наличия растительной жизни на Марсе, жизни, специально приспособленной к суровым условиям марсианской среды. Если зарегистрированные изменения цвета реальны, то, похоже, нет другой разумной интерпретации.
Кроме того, краевые спектроскопические наблюдения В. М. Синтона позволяют предположить, что на поверхности Марса могут существовать молекулы со связями C-H. Углерод и водород являются фундаментальными элементами для всех земных организмов, а химическая связь, объединяющая их, необходима для структуры белков, нуклеиновых кислот и других биологических строительных блоков. Возможно ли, что один и тот же вид жизни, схожий по своему основному химическому составу, дважды зародился в одной и той же Солнечной системе? Несмотря на то, что некоторые детали являются спекулятивными, общая схема космической эволюции достаточно хорошо известна.
Космическая эволюция начинается с огромного облака космической пыли, подобного тому, что существует сегодня между звездами. Такое облако имеет "космическое" изобилие элементов, состоящее в основном из водорода и гелия, с небольшой примесью более тяжелых элементов. Здесь и там материя будет несколько более плотной, чем в соседних областях. Более диффузные области будут гравитационно притягиваться к более плотной области, которая, как следствие, будет увеличиваться в размерах и массе. По мере того как материя будет стекаться к конденсирующемуся центральному ядру, сохранение углового момента заставит всю область, ядро и стекающую материю, вращаться все быстрее и быстрее.
Кроме того, поскольку большое количество материи продолжает сталкиваться с ядром, его температура будет неуклонно повышаться. Возможно, через сто миллионов лет температура в центре облака поднимется примерно до пятнадцати миллионов градусов. Это температура воспламенения для термоядерных реакций (таких, как превращение водорода в гелий в водородной бомбе). В это время ядро облака станет звездой, "включится" и будет излучать свет и тепло в близлежащее пространство. Если вращение достаточно быстрое, формирующаяся звезда при определенных условиях разделится на более мелкие части, образуя двойную или кратную звездную систему.
Сейчас, когда звезда формируется, вокруг нее все еще находится большое пылевое облако, вращающееся вместе с ней. В этом облаке, солнечной туманности, маленькие, более плотные области начинают притягивать близлежащую материю, как при формировании звезды. Однако протопланеты, которые вырастают из этих областей (в гравитационном поле близлежащей звезды), никогда не поднимаются в результате столкновений до температуры термоядерного воспламенения, и поэтому становятся планетами, а не звездами.
Джерард П. Куйпер, профессор астрономии в Йеркской обсерватории, в последние годы описал, как формируются планеты таким образом. В формирующихся протопланетах существует тенденция к тому, чтобы более тяжелые элементы опускались к центру, оставляя гораздо более распространенные водород и гелий в качестве основных составляющих атмосферы, окружающей новые планеты. Когда новообразованная звезда "включится", давление радиации будет стремиться разрушить эту атмосферу.
Однако, если протопланета очень массивна или находится очень далеко от Солнца, гравитационное притяжение протопланеты к молекуле газа может оказаться сильнее, чем сила излучения, стремящаяся сдуть ее, и протопланета может сохранить атмосферу. Эта атмосфера может быть остаточной от протоатмосферы, а может быть обусловлена газообразными выделениями из недр планеты. Например, современная атмосфера Земли обусловлена выдохами; современная атмосфера Юпитера - остаточная.
Таким образом, в целом можно понять, что такое атмосферы планет Солнечной системы:
1. Меркурий: Не массивный, близок к Солнцу, сохраняет незначительную атмосферу.
2. Венера: Более массивная, чем Меркурий, находится дальше от Солнца, сохраняет только тяжелый газ, углекислый газ.
3. Земля: Сохраняет более легкие газы, азот, кислород и водяной пар, но потеряла почти весь водород и гелий.
4. Марс: Хотя он находится дальше от Солнца, он менее массивный, чем Земля или Венера, и поэтому сохраняет в основном только тяжелый газ - углекислый газ.
5. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун: Гораздо дальше от Солнца и очень массивные, они сохранили много водорода и гелия, в то время как другие планеты их потеряли.
Один факт о нашей солнечной системе, который стал звонком в колокол многих космогоний, заключается в том, что хотя более 99 процентов массы солнечной системы находится в Солнце, более 98 процентов углового момента системы находится в планетах. Как будто вращательная инерция была передана от Солнца планетам. Х. Альфвен объяснил это магнитным торможением вращения Солнца, обусловленным взаимодействием "его магнитного поля с ионизированной солнечной туманностью". Исходя из этого, существование солнечной туманности, из которой формируются планетные системы, будет заставлять центральную звезду вращаться все медленнее и медленнее.
Теперь возникновение планет должно зависеть от температуры центральной звезды. Если она слишком холодная, то атмосфера протопланет не будет сдуваться, что, возможно, приведет к образованию системы планет, похожих на Юпитер, но еще более крупных и массивных. С другой стороны, если звезда слишком горячая, давление радиации быстро разгонит солнечную туманность, оставив, если что, маленькие планеты без атмосферы или систему из миллионов крошечных астероидов. Для образования планет температура звезды должна находиться между этими крайностями.
Есть еще одна причина считать, что у горячих звезд нет планет. Если образование планетных систем и замедление вращения звезд происходит из-за существования солнечных туманностей, то следует ожидать, что горячие звезды, которые рассеивают свои солнечные туманности и не образуют планет, будут вращаться быстрее. Именно это и наблюдается! Чем горячее звезда, тем быстрее ее вращение. Более холодные звезды вращаются медленнее, чем можно было бы ожидать.
При температуре около 7000 градусов, характерной для так называемых F-звезд, происходит внезапное значительное снижение средней скорости вращения, и возможно, что ниже этой температуры все звезды сохраняют достаточно солнечных туманностей для образования планет (при условии, что они не израсходовали свои солнечные туманности на формирование двойных или кратных солнечных систем).
Число таких звезд составляет от одного до десяти процентов от общего числа звезд, что позволяет предположить, что только в нашей галактике существует до десяти миллиардов солнечных систем. Из них, возможно, один процент, или 100 миллионов, имеют планеты, подобные Земле. Какова вероятность существования жизни на этих планетах?
Поскольку самым распространенным элементом в космосе является водород, атмосфера ранних протопланет любой системы должна содержать много водорода и водородных соединений. Водородные соединения углерода, азота и кислорода, вероятно, являются самыми распространенными водородными соединениями в протоатмосфере. Это, соответственно, метан, CH4, аммиак, NH3, и водяной пар, H20.
В 1953 году Стэнли Миллер, PhD'54, тогда еще аспирант, работавший под руководством профессора Гарольда К. Урея, показал, что при смешивании водорода, метана, аммиака и водяного пара и подведении к ним энергии образуются некоторые фундаментальные органические соединения. (Источником энергии в протоатмосферах, вероятно, является ультрафиолетовый свет от Солнца, вокруг которого вращается протопланета).
Эти соединения почти все являются аминокислотами, биохимическими строительными блоками, из которых строится белок. Есть также некоторые основания полагать, что аминокислоты приводят к образованию пуринов и пиримидинов, которые, в свою очередь, являются строительными блоками для нуклеиновых кислот. Белки и нуклеиновые кислоты являются двумя основными составляющими жизни, какой мы ее знаем на Земле; наследственные материалы, такие как гены и хромосомы, состоят, возможно, исключительно из нуклеиновых кислот и белков. Кроме того, ферменты, которые катализируют медленные химические реакции и тем самым делают возможными сложные формы жизни, всегда являются белками.
Эксперименты, сравнимые по важности с экспериментами Миллера, были проведены С. В. Фоксом. Фокс применял тепло в диапазоне от 100 до 200 градусов Цельсия к простым молекулам, таким как синтезированные Миллером. Эта простая процедура позволила получить небольшие количества сложных органических молекул, которые, как оказалось, широко распространены во всех наземных организмах. В частности, Фокс произвел уреидосукциновую кислоту, ключевой промежуточный продукт в синтезе нуклеиновых кислот. Температуры, необходимые Фоксу, могут быть легко обеспечены радиоактивным нагревом коры планеты. Существуют доказательства того, что такой радиоактивный нагрев является нормальной частью ранней эволюции всех планет.
Теперь действительно поразительно, что молекулы, полученные Миллером и Фоксом, являются именно теми молекулами, которые необходимы для формирования жизни, как мы ее знаем. Почти не было получено молекул, которые не участвовали бы в современных земных организмах.
Процессы, описанные Миллером и Фоксом, вероятно, происходят по крайней мере на одной планете каждой звезды с умеренной температурой. Все, что требуется, - это способ собрать молекулы, образующиеся в результате этих процессов, в одном месте, где они могут взаимодействовать. Жидкая среда на поверхности планеты прекрасно подходит для этой цели. Молекулы, образующиеся в атмосфере, попадают в эти жидкие тела, а молекулы, образующиеся на суше под действием тепла, также попадают в них. Хотя для этой цели подойдут моря жидкого аммиака или плавиковой кислоты, можно показать, что моря воды будут наиболее эффективны для сбора и сохранения биомолекул.
Одна планета в каждой системе, которую мы рассматриваем, вероятно, обладала морями жидкой воды в начале своей истории, и поэтому на таких планетах можно ожидать производства белков и нуклеиновых кислот.
Протеины и нуклеиновые кислоты обладают необычными свойствами, которые, насколько нам известно, не встречаются ни у каких других молекул. Они могут образовывать новую молекулу, которая не только может создавать другие идентичные молекулы из материи, плавающей в море вокруг нее, но и, будучи измененной каким-то образом, может также создавать копии своей измененной структуры. Такая мутирующая, самовоспроизводящаяся молекула или набор молекул должны пройти естественный отбор. По этим причинам она должна быть идентифицирована как первое живое существо на рассматриваемой планете.
Процессы, описанные Миллером и Фоксом, вероятно, происходят по крайней мере на одной планете каждой звезды с умеренной температурой. Все, что требуется, - это способ собрать молекулы, образующиеся в результате этих процессов, в одном месте, где они могут взаимодействовать. Жидкая среда на поверхности планеты прекрасно подходит для этой цели. Молекулы, образующиеся в атмосфере, попадают в эти жидкие тела, а молекулы, образующиеся на суше под действием тепла, также попадают в них. Хотя для этой цели подойдут моря жидкого аммиака или плавиковой кислоты, можно показать, что моря воды будут наиболее эффективны для сбора и сохранения биомолекул.
Одна планета в каждой системе, которую мы рассматриваем, вероятно, обладала морями жидкой воды в начале своей истории, и поэтому на таких планетах можно ожидать производства белков и нуклеиновых кислот.
Протеины и нуклеиновые кислоты обладают необычными свойствами, которые, насколько нам известно, не встречаются ни у каких других молекул. Они могут образовывать новую молекулу, которая не только может создавать другие идентичные молекулы из материи, плавающей в море вокруг нее, но и, будучи измененной каким-то образом, может также создавать копии своей измененной структуры. Такая мутирующая, самовоспроизводящаяся молекула или набор молекул должны пройти естественный отбор. По этим причинам она должна быть идентифицирована как первое живое существо на рассматриваемой планете.
