Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

От случайного наблюдения резкой перемены в летописи морских окаменелостей в 1860 году (Филлипс) до геохимического исследования этой границы в 1980 году (Альварес и др.) и прямых записей хаотического разрушения в 2019 году (Де Пальма и др.²⁰) перед нами раскрылась драма последнего массового вымирания. Наши историки-атомы позволили установить дату катастрофы, определить место разрушительного удара и восстановить последовательность событий – от нескольких минут после падения астероида до тысячелетия спустя, когда жизнь восстанавливалась на суше и в море. В этой жизни уже не было места динозаврам, правившим Землей в течение двухсот миллионов лет, и экологическая ниша опустела, благодаря чему смогли процветать маленькие пушистые млекопитающие, от которых 66 миллионов лет спустя произошел вид, сумевший воссоздать эту волнительную историю в мельчайших подробностях.

Глава 13

Эволюция: от метеоритов до цианобактерий

В

главах 3 и 4 мы уже показали, что девяносто четыре элемента, обнаруживаемые нами на Земле, идентичны тем, которые встречаются во Вселенной. Все звезды, планеты и газопылевые облака состоят из одного и того же вещества, хотя и взятого в разных пропорциях. Если бы я сумел собрать хороший образец вещества со всей нашей Галактики, то оказалось бы, что из каждого миллиона атомов 923 346 приходится на Водород, 74 980 – на Гелий, 812 – на Кислород, 470 – на Углерод, а доля остальных девяноста элементов составила бы менее 100 миллионных долей (ppm), иными словами, менее 0,01 %. Причину столь радикальной асимметрии в распределении мы раскроем в главе 16.

В Солнечной системе баланс столь же значительно смещен в сторону двух легчайших элементов: доля H + He составляет 99,86 %, при этом содержание Кислорода и Углерода – соответственно 477 и 326 ppm; Азот (102) и Неон (100) едва перешагнули отметку в 100 ppm. Это неудивительно, поскольку наша Солнечная система сформировалась из исходного материала Галактики.

Однако на поверхности нашей планеты дела обстоят совершенно иначе. С нее улетучиваются почти все изначальные атомы Водорода и Гелия – самые легкие частицы движутся быстрее всего (см. гл. 3 и далее) и, в данном случае, достаточно быстро, чтобы покинуть Землю, если только Водород не связан с Кислородом в воде или с некоторыми другими атомами в газе или минерале. Поэтому Кислород – это наиболее распространенный элемент в земной коре (467 100 ppm), за ним следуют Кремний (276 900 ppm), Алюминий (80 700 ppm), Железо (50 500 ppm), Кальций (36 500 ppm), Натрий (27 500 ppm), Калий (25 800 ppm), Магний (20 800 ppm), Титан (6 200 ppm), Водород (1400 ppm) и Фосфор (1300 ppm), а все остальное составляет менее 1000 ppm (0,1 %). Обратите внимание, что Углерод, четвертый по распространенности элемент во Вселенной, присутствует в концентрации всего 900 ppm (0,09 %)¹.

Поскольку 71 % Земли покрыт океаном, мы завершим перечисление, указав содержание элементов в морской воде: Водород (66 444 ppm), Кислород (32 945 ppm – примерно в соотношении 1:2 с Водородом, поскольку почти все их соединения представлены в виде H₂O), Хлор (3400 ppm), Натрий (2100 ppm – хлорид натрия, NaCl – одна из солей в соленой воде), Магний (330 ppm – MgCl – еще одна соль), Сера (170 ppm), и все остальное меньше 100 ppm, в том числе и Углерод, на долю которого приходится всего 19 ppm. Повторим, что Углерод, «строительный блок жизни», – это четвертый по распространенности элемент во Вселенной, но, к сожалению, на поверхности Земли он довольно истощен.

Химические предшественники

Помимо того что физика всех атомов – их массы, изотопы, энергетические уровни электронов и так далее – одинакова во всем космосе, идентична и их химия (притяжение и отталкивание других атомов, сила связей и тому подобное). В сущности, мы обнаружили более 200 молекул в межзвездном пространстве и во внешней атмосфере звезд, более холодных, чем Солнце, причем самые крупные молекулы содержат до семидесяти атомов. Все эти молекулы встречаются и на Земле². Большая их часть состоит из трех наиболее распространенных во Вселенной элементов, способных образовывать связи: это Водород, Кислород и Углерод. Более того, 75 % трех- и четырехатомных молекул содержат Углерод, как и почти все из восьмидесяти восьми более крупных молекул (кроме одной, исключение – SiH₄). Многие молекулы, странствующие в космосе, распространены и на Земле, в том числе вода (H₂O), формальдегид (H₂CO), аммиак (NH₃), этанол (CH₃CH₂OH), ацетон (C₂H₆CO) и мочевина (N₂H₄CO). Химически наша планета едина со Вселенной³.

Но, несмотря на все эти атомные и молекулярные сходства, на Земле есть кое-что уникальное, по крайней мере на данный момент. На ней есть жизнь.

Если исходный материал, как и способы сочетаний, везде одинаковы, то в чем же нюанс? Почему наша бледно-голубая точка – единственное место, где зародилась жизнь?

Мы, конечно, не уверены в своей «неповторимости». В Солнечной системе есть несколько близких к нашей планете мест, где возможно возникновение жизни: недра Марса, теплые соленые океаны под ледяными шапками Европы, спутника Юпитера, и Энцелада, спутника Сатурна или озера жидкого метана на Титане. Ни одно из них нам так до сих пор и не удалось тщательно исследовать.

Прошло всего двадцать пять лет с тех пор, как мы обнаружили, что наша Солнечная система не уникальна. У большинства из сотен миллиардов звезд в нашей Галактике есть свои планетные системы. К моменту выхода этой книги в печать подтверждено существование более 5000 планет, и каждый день открываются новые. Иногда новые миры очень похожи на Землю по размеру и плотности, а некоторые из них находятся на таких расстояниях от своих материнских звезд, что на них, как ожидается, будут преобладать температуры, подобные земным. Нам даже удалось распознать в атмосферах некоторых из этих планет воду и углекислый газ, хотя подробно изучить их очень сложно: вести наблюдение за планетой земного типа, вращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце, в окрестностях Солнца в сотне световых лет от нас – это как рассматривать лампочку на рождественской елке мощностью 0,5 Вт на фоне нью-йоркской Таймс-сквер, освещенность которой в двадцать раз больше, причем из Вашингтона, округ Колумбия. Найти микробов на такой планете мы сейчас не в силах, хотя, если их будет достаточно много, чтобы изменить состав атмосферы своей планеты, как это произошло на Земле, мы вполне можем совершить подобное открытие в ближайшее десятилетие.

Древнейшая жизнь

Впрочем, сейчас у нас только одна-единственная планета, на которой есть жизнь. Как быстро она возникла? И сколько времени потребовалось, чтобы появились существа, способные задать этот вопрос?

Как покажут наши атомные часы в главе 14, Земле 4,567 миллиарда лет. Из-за постоянного движения континентальных плит, которые сталкиваются, расходятся и меняют ландшафт, в наши дни на земной поверхности нет столь старых пород (по крайней мере среди обнаруженных – мы датируем образование Земли по возрасту метеоритов, о чем подробно рассказано в главе 15). Более того, самые древние кристаллы, найденные на Земле, – это цирконы (о них мы говорили в главе 12) из Западной Австралии. Как оказалось, возраст одного темно-фиолетового циркона диаметром всего 0,2 мм, установленный при помощи уран-свинцового датирования, составил 4,404 ± 0,008 миллиарда лет. Кроме того, в этом кристалле наблюдалось высокое соотношение ¹⁸O/¹⁶O, что позволило сделать вывод о наличии большого количества жидкой воды во время его формирования. Таким образом, менее чем через 170 миллионов лет после формирования планеты (на сегодняшний день это всего лишь 4 % ее жизни) у нас появились затвердевающая кора и океаны⁴.

Эти крошечные кристаллы циркона пережили разрушение горных пород, в которых образовались. Древнейшие цельные породы континентальной коры были найдены около десяти лет назад в северной части Квебека в Канаде. Установить их возраст нам помогли два редкоземельных элемента: Самарий (Sm) и Неодим (Nd). Самарий, 62-й элемент, имеет пять стабильных изотопов и два очень долгоживущих радиоактивных изотопа: ¹⁴⁷Sm (t _1/2 = 105 миллиардов лет) и ¹⁴⁸Sm, который живет в 75 000 раз дольше (пока что он практически неотличим от стабильного). ¹⁴⁷Sm претерпевает альфа-распад до ¹⁴³Nd. С момента возникновения Солнечной системы распалось лишь 2,9 % этого изотопа, но этого достаточно, чтобы увеличить количество ¹⁴³Nd в метеорах, обнаруженных сегодня, по сравнению с более молодыми земными породами, в которых Самарий присутствовал не так долго и, таким образом, произвел меньше Неодима. Определять возраст горных пород нам помогают «изохроны» – немного сложная процедура, которую мы объясним в главе 14, когда будем говорить о рождении Солнечной системы. Но применение этого радиоактивного хронометра к обнажениям магматических пород на севере Квебека дает возраст от 4,3 до 4,4 миллиарда лет. Они лишь немного моложе австралийских цирконов, и это также доказывает, что Земля уже тогда – спустя всего лишь 0,2 миллиарда лет после своего образования – была похожа на себя нынешнюю⁵.

Сколько времени потребовалось, чтобы появилась жизнь? Как и следовало ожидать, поиск древнейших свидетельств жизни порождает немало споров и конкурентных предположений. На момент выхода этой книги в печать самая старая из этих гипотез основана на анализе соотношения изотопов Углерода в графите, обнаруженном в старых горных породах на канадском острове Ньюфаундленд. Уран-свинцовое датирование цирконов в этом обнажении, трансформированном из осадочных пород, показывает, что их возраст составляет 3,95 миллиарда лет. Исследователи извлекли Углерод из карбонатных пород, а также из найденного в камнях графита, и обнаружили, что соотношение ¹³C/¹²C в карбонате более чем на 2,5 % превышает соотношение в графите (–0,26 % против –2,82 % по сравнению со стандартным значением). Как мы показали в главе 10, в ходе химического встраивания Углерода из окружающей среды в свои молекулы живые существа систематически отвергают более медленный и тяжелый изотоп ¹³C. Изучив все геологические процессы, затронувшие эти породы за почти 4 миллиарда лет, исследователи пришли к выводу, что графит, по всей видимости, произвели одноклеточные организмы, извлекавшие питательные вещества непосредственно из окружающей среды (так называемые автотрофы)⁶. Впрочем, с такой трактовкой согласны далеко не все.