Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Теерикор Пекка

Учитывая, что наблюдаемая Вселенная имеет размер миллиарды световых лет, что ее возраст составляет миллиарды лет и что она содержит сотни миллиардов галактик, во многих из которых сотни миллиардов звезд, мы ясно представляем себе ничтожность нашей роли в развитии этого огромного мира. Так что, на первый взгляд, может показаться, что человечество и даже вся жизнь на Земле ничего не значат для Вселенной.

Начав со старых представлений о божественном происхождении жизни, которые оставляли без ответа многие вопросы, мы рассказали, как современные биологи представляют себе зарождение и эволюцию жизни в специфическом, но естественном процессе, происходившем здесь, на Земле. Мы описали современные взгляды на то, как в подходящих условиях жизнь могла самопроизвольно возникнуть благодаря химическим реакциям между некоторыми распространенными элементами и их

соединениями. Пока мы не знаем точно, как это может происходить, и происходит ли это просто или требует особых условий. В любом случае, космос так велик и он имел столько времени для осуществления различных химических процессов в совершенно разных местах, что вполне возможно, что «химия жизни» зарождалась много раз в различных уголках Вселенной. Вполне вероятно, что если жизнь где-либо зародилась и условия долго оставались благоприятными, то эволюция смогла создать там сложные живые организмы (рис. 33.1).

Рис. 33.1. В нашей Галактике может существовать великое разнообразие живых существ, а может быть, мы одиноки — пока мы этого не знаем. На встрече инопланетян, придуманной Жоржем Патурелем, с равным успехом эти слова можно было бы вложишь в уста представителя нашего вида (всё относительно…), но нам интересно, найдется ли где-нибудь кто-то, хотя бы отдаленно напоминающий нас.

С другой стороны: тонко настроенная Вселенная с уникальной жизнью.

Множество факторов определяют результат эволюции: мы не знаем, чрезвычайно ли сложен процесс зарождения жизни или же крайне редко встречаются необходимые для него условия. В зависимости от этих факторов мы либо можем быть рядовыми представителями огромного разнообразия биосфер на планетах, рассыпанных по Галактике и Вселенной, либо мы единственные и являемся уникальным продуктом космической химии. Поэтому, даже если мы знаем, что земная жизнь — малозаметный фактор в космическом масштабе, мы все еще не представляем себе роль и возможности жизни в целом.

Тем не менее существует один аспект, придающий разумной жизни космическое значение. Только сознательное, разумное существо может изучить Вселенную и понять ее естественные законы. Вероятно, через мыслительный процесс разумных существ Вселенная начинает познавать себя.

Разумные существа могут выявить связь между физическими законами и своим существованием, то есть определить те первичные условия, которые привели к их появлению во Вселенной. С этой точки зрения мы осознали, что наш тип жизни критически зависит от многих физических параметров — как в космическом масштабе, так и в локальном масштабе нашей планетной системы. Даже если жизнь есть результат космической химии, то эта химия и физика работают именно так, что способствуют возникновению и развитию жизни. Почти очевидно, что жизнь есть особый продукт космической эволюции Вселенной, а не локальное и случайное событие.

Если наряду с нашей Вселенной существуют и другие вселенные, с другими космическими постоянными и параметрами, то в них не должна возникать жизнь, или уж, по крайней мере, жизнь в них должна быть совершенно непохожа на нашу, земную. Мы не знаем, может ли жизнь в этих недоступных мирах быть разумной. Становится все более и более очевидным: раз мы такие, какие есть, то мы должны жить именно в такой Вселенной, как наша. Любой другой, хотя бы чуть-чуть отличающийся от нашего мир не дал бы нам ни малейшего шанса к существованию. Но означает ли это, что наша Вселенная именно такая, потому что у нее была цель сотворить такую разумную жизнь, как мы? Это было бы слишком эгоцентрично для нас, научившихся в результате коперниканской революции смотреть на себя как на пылинку в огромном космосе. Если законы и структура Вселенной отражают наше существование, то только лишь потому, что, будь они другими, нас бы здесь не было и некому было бы рассуждать об этом предмете. Этот так называемый антропный принцип довольно популярен среди ученых.

Так каковы же свойства нашей Вселенной, делающие возможной жизнь, и что особого потребовалось для появления разумной жизни? Когда мы знакомились с Солнечной системой, мы с интересом узнали, что Венера — «сестра Земли», — расположившись немного ближе к Солнцу, оказалась совершенно непригодной для жизни. То же и с Марсом: хотя, возможно, в прошлом он был пригоден для жизни, но сейчас это весьма недружелюбное для жизни место. С другой стороны, изучая земную жизнь, мы обнаружили «черные курильщики» на дне океана и даже области, расположенные глубоко под землей, где процветают архаичные микроорганизмы. Эти находки расширяют границы пригодных для жизни условий, особенно там, где существуют источники энергии и жидкая вода, например на спутниках планет-гигантов.

Огромный возраст Земли доказывает, что потребовался длительный срок, чтобы здесь возникла разумная, технологически развитая форма жизни. Одним словом, чтобы на планете появился разум, ей требуется достаточно долго обращаться вокруг своей звезды по стабильной орбите, давая возможность эволюции медленно двигаться вперед. Хотя уже обнаружено множество других планетных систем, ближайшие к звезде планеты-гиганты препятствуют существованию планет земного типа на стабильных орбитах на нужном расстоянии от звезды. Впрочем, пока еще планеты с массами много меньше, чем у Юпитера, расположенные не очень близко от звезды, обнаруживаются с большим трудом, поэтому вполне вероятно, что многие или даже большинство планетных систем похожи на нашу Солнечную систему, то есть содержат планеты типа Земли.

Обсуждая размерность пространства (см. главу 18), мы уже говорили, что стабильные планетные орбиты не могут существовать во вселенной, имеющей более трех пространственных измерений. Точно так же и орбиты электронов в атомах были бы нестабильными, что сделало бы невозможными химические связи, необходимые для формирования сложных органических молекул — основы жизни. В некоторых теориях предполагается, что сначала Вселенная имела больше измерений, но большинство из них свернулось еще на ранней стадии эволюции Вселенной, оставив нам три пространственных и одно временное измерение. Мы можем себе представить другие вселенные, имеющие четыре, пять или больше пространственных измерений, но жизнь, как мы ее представляем, была бы невозможна в таких экзотических мирах.

Естественные законы и универсальные постоянные.

Не только размерность пространства, но также и законы природы и значения физических постоянных оказались как раз такими, какие позволили совершиться химической эволюции от Большого взрыва до Человека. Например, если бы во время Большого взрыва весь водород превратился в гелий, то сейчас во Вселенной не было бы ни воды, ни жизни. А это случилось бы, если бы ядерная сила, связывающая протоны и нейтроны, оказалась немного сильнее, чем она есть. В нашей реальной Вселенной ядерная сила достаточно велика, чтобы связать протон и нейтрон в ядро дейтерия, но недостаточно сильна, чтобы удержать рядом два протона, превысив их электростатическое отталкивание. Но можно представить себе вселенную, в которой ядерное взаимодействие всего на 3,4 % сильнее: это стабилизировало бы систему из двух протонов, то есть позволило бы образоваться ядру ²Не. Такие легкие ядра гелия без труда рождались бы во время Большого взрыва, и почти весь водород превратился бы в гелий. В этой гипотетической вселенной не было бы соединений водорода и долгоживущих звезд, которые используют водород как топливо.

С другой стороны, если бы ядерная сила была всего на 9 % слабее, она не могла бы удержать частицы в ядре дейтерия — главном звене в цепи превращения водорода в более тяжелые элементы. Без дейтерия у нас не оказалось бы углерода, а значит, и таких соединений, как белки и нуклеиновые кислоты. Как видим, сила ядерного взаимодействия с точностью до нескольких процентов должна быть именно такой как есть, чтобы возникла жизнь.

Важность точного значения ядерной силы первым понял Фред Хойл. В 1950-х годах он показал, что реакция ядерного синтеза углерода (из трех ядер гелия) происходит эффективно только в том случае, если ядерная сила имеет вполне определенное значение. Основываясь на том, что наша форма жизни базируется на углероде, Хойл теоретически вычислил значение константы ядерного взаимодействия. Через несколько лет физики-ядерщики на основе экспериментов подтвердили, что Хойл прав: образование углерода в звездах действительно строго зависит от значения ядерной силы. Хойл продемонстрировал и другое счастливое совпадение: превращение углерода в кислород в звездах происходит не так эффективно, как образование самого углерода, что и приводит к накоплению углерода в природе. Жизни трудно было бы процветать в том в мире, где кислорода больше, чем углерода. Если существует много вселенных, то эти уникальные параметры делают нашу Вселенную более благоприятным для жизни местом, чем большинство других.