Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом
Шрифт:
Эволюция с изначальных времен
В наши дни жизнь на Земле можно разделить на три отдельных надцарства: бактерии и археи – два домена одноклеточных организмов, не имеющих клеточного ядра, и эукариоты – домен, куда входят все остальные, от одноклеточных диатомей до человека. Мы направили немало усилий на то, чтобы описать нашего последнего универсального общего предка (LUCA)20 и установить его возраст – в первую очередь мы пытались опознать гены, наиболее распространенные во всех надцарствах, а затем, исходя из белковых продуктов, кодируемых ими, представить, на что был похож этот одноклеточный организм. К сожалению, на сегодняшний день не существует ни тикающих атомных часов, ни уникальной химической сигнатуры, способной помочь нам в этом
Однако ясно одно. Вскоре после того, как возникла жизнь, вступила в действие магия дарвиновского естественного отбора, и новые формы начали быстро осваивать самые разнообразные экологические ниши, доступные на планете, благодаря чему Земля, по сути, стала биологическим местом – таким, где жизнь формировала среду, а среда формировала жизнь. В следующей главе мы рассмотрим некоторые из этих симбиотических взаимодействий.
Глава 14
Что там, в воздухе? Эволюция земной атмосферы
То, что жизнь возникла на Земле, а не на другой планете Солнечной системы (предположим, что там она все-таки не возникла), – это не случайное совпадение. Сложные и довольно хрупкие молекулы жизни нуждаются в питательной среде, в которой они могли бы формироваться и развиваться. Самый важный момент – температура. Если слишком жарко, атомы и молекулы движутся быстро, и столкновения между быстрыми молекулами, скорее всего, разорвут их на части. Если слишком холодно, все конденсируется в твердую фазу, в которой атомы зафиксированы на месте, поэтому им трудно перемещаться и находить себе товарищей, с которыми можно соединиться, чтобы образовать молекулы.
Уравнение «поступившая энергия = выделенная энергия», представленное в главе 11, позволяет оценить температуру любой планеты, учитывая мощность ее родительской звезды и ее расстояние от этой звезды. Земля – единственная планета в Солнечной системе, на которой эта оценка температуры находится в зоне Златовласки – не слишком жарко и не слишком холодно. Однако, как отмечалось в главе 11, расчеты для голой Земли дают немного более прохладную температуру в –5 °C для большей части планеты. Наш атмосферный покров делает климат идеальным.
Атмосфера Земли находится в зоне Златовласки и по количеству воздуха, которым мы располагаем. Плотность атмосферы Венеры в 100 раз выше, а из-за неконтролируемого парникового эффекта (см. ниже) температура ее поверхности составляет почти 480 °C. Марс имеет только 1 % земной атмосферы, и поскольку он к тому же располагается дальше от Солнца, температура его поверхности составляет –60 °C. Наш воздух, простирающийся над поверхностью лишь на 1 % радиуса Земли и содержащий лишь 1 миллионную долю массы планеты, как раз подходит для создания оптимальных условий для формирования и развития сложных молекул. Так было не всегда, и более того, само существование жизни сильно изменило состав нашей атмосферы и продолжает делать это по сей день.
Первозданная атмосфера
Как отмечалось в последней главе, Солнечная система состоит преимущественно из Водорода и Гелия. Как следствие, в атмосфере каждой планеты изначально преобладали именно эти два элемента, а также простые молекулы, которые Водород может образовывать со следующими по распространенности элементами: Кислородом, Углеродом и Азотом: вода (H2O), метан (CH4) и аммиак (NH3). Обратите внимание, что изобильно встречающийся Водород присоединяется к каждому атому с достаточным количеством друзей, чтобы заполнить пустоту на внешней электронной оболочке своих более тяжелых «спутников» – два его атома вступают в связь с Кислородом, три – с Азотом и четыре – с Углеродом, как показано в главе 3. Сегодня в земном воздухе содержится 77,9 % N2, 20,9 % O2 и 0,9 % Аргона. Пять изначальных атомов и молекул в совокупности составляют менее 0,25 % современной атмосферы Земли, и большая часть этой массы – это итог испарения H2O из океанов, покрывающих 71 % планеты. Содержание Гелия составляет всего 5 миллионных долей (ppm); метана – 1,9 ppm; H2–0,5 ppm; а на долю аммиака, впервые обнаруженного в воздухе только в 2016 году, приходится 0,000033 ppm. Что привело к таким радикальным изменениям?
Как говорилось в главе 3, все атомы находятся в движении, а температура – это всего лишь мера кинетической энергии атомов и молекул, составляющих вещество. Атмосферные частицы на любой планете движутся со скоростью, соответствующей ее температуре, – на Земле при средней температуре поверхности 16 °C их средняя скорость составляет примерно 450 м/с (1600 км/ч) для молекул N2. На Земле эти стремительные частицы удерживает гравитация, сила которой на поверхности определяется массой и диаметром планеты. Как показывает тот факт, что мы отправили ракеты на Луну, на другие планеты и даже за пределы Солнечной системы1, можно достичь достаточно большой скорости, чтобы навсегда освободиться от пут земного притяжения и оторваться от поверхности Земли, – такая скорость должна составить 11,2 км/с (40 320 км/ч). Любой атом или молекула, достигшая ее, покинет планету и никогда не вернется.
Средняя скорость даже самой легкой молекулы Водорода составляет всего 1,8 км/с (около 6275 км/ч), поэтому может показаться, что ни атомы, ни молекулы не в силах ускользнуть (по крайней мере, без помощи NASA). Но вспомните из главы 3, что, хотя многие молекулы группируются со средней скоростью, некоторые движутся гораздо быстрее (именно благодаря этому высыхает ваша посуда, оставленная на ночь на полке). Поэтому часть первозданного легкого H2 улетучивалась уже изначально. Кроме того, не только столкновения с соседями позволяют частицам достигать высоких скоростей, есть и другие способы. Если атомы или молекулы получают энергию за счет поглощения высокоэнергетических фотонов ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, или за счет столкновений с высокоскоростными частицами, выбрасываемыми нашей звездой, то может возникнуть планетарный ветер, который унесет в космос много атмосферного вещества. При этом самые легкие частицы увлекут за собой и ряд более массивных частиц, точно так же, как ветер может сметать более тяжелые пылинки.
В молодости наше Солнце было намного активнее, чем сейчас. Оно вращалось гораздо быстрее, создавая более сильное магнитное поле, которое, в свою очередь, поддерживало гигантские вспышки и сильный солнечный ветер, рождавшие хаос в первозданной атмосфере. Кроме того, постоянная бомбардировка Земли массивными астероидами, проходившая в течение первых нескольких сотен миллионов лет, могла испарить целые океаны, вытеснив облака пара в верхние слои атмосферы, где ультрафиолетовое излучение могло бы разъединить молекулы H2O, позволяя Водороду уйти (см. ниже). 4 миллиарда лет назад большая часть первичной атмосферы исчезла. Доказательства утечки можно найти в соотношениях изотопов благородных газов; согласно этому сценарию, улетучивание более легких изотопов (и атомов) должно происходить свободнее. Более того, оказалось, что соотношение изотопов Неона 20Ne/22Ne на Земле составляет 0,102, что на 16 % ниже, чем в исходной солнечной туманности, из которой сформировались планеты и их атмосферы. Отношение Неона (атомная масса 20) к Аргону (атомная масса 40) на Марсе, Земле и Венере в каждом случае составляет лишь 1 % от того, какое характерно для Солнца, что указывает на предпочтительное высвобождение более легких атомов2.
В то время как первичная атмосфера удалялась с планеты, извергающиеся вулканы и непрестанные столкновения с астероидами приносили к нам молекулы Азота (N2), оксида Углерода (CO), углекислого газа (CO2), воды (H2O) и других молекул в меньших количествах. В океанах с жидкой водой CO2 может вступать в реакцию с Магнием и Кальцием с образованием карбонатных пород – так забирается большая часть атмосферного CO2 и запускается углеродный цикл, который остается активным и по сей день (атмосферный CO2 – > карбонаты в океане -> известняк на дне океана -> известняк на суше из-за тектоники плит -> выветривание горных пород, вулканы -> CO2 в атмосфере и океанах).