Распространненость жизни и уникальность разума?

Мосевицкий Марк Исаакович

Медленное вращение многих зрелых звезд, в том числе нашего Солнца, связывают с присутствием планет, которые берут на себя часть момента количества движения системы. Именно эти наблюдения позволили с достаточной степенью уверенности описать поэтапно процесс формирования из газовой туманности нашего Солнца и обращающихся вокруг него тел. С другой стороны, исследование Солнечной системы изнутри позволяет представить структуру других планетных систем, т. к. основные принципы их формирования должны быть общими. А это означает, что внутренние (ближайшие к звезде) планеты – небольшие и плотные (как Земля), а внешние – большие и рыхлые (как Юпитер и Сатурн). Крупные планеты уже обнаружены около многих звезд. При этом использованы такие методы как фотометрия (определялось периодическое снижение яркости звезды при прохождении планеты перед диском звезды), допплеровская техника, позволяющая определять изменения скорости приближения или удаления звезды при ее движении по орбите, вызванные взаимодействием звезды с крупной планетой (или планетами). В разных звездных системах уже обнаружено около двадцати планет, подобных Юпитеру, и даже более крупных. До настоящего времени не удалось выявить планеты, по размерам близкие Земле, обращающиеся вокруг других звезд или вокруг крупных планет, хотя существует полная уверенность, что они присутствуют во многих звездных системах (Lissauer, 1999). Для обнаружения этих планет необходимо существенно повысить чувствительность аппаратуры, в том числе оптических и радиотелескопов. Усовершенствование спектральных методов позволит не только обнаружить подобные Земле планеты, но и непосредственно их исследовать, в частности провести анализ поверхности планет и их атмосферы. По мнению многих специалистов, новых открытий следует ожидать уже в течение ближайших десяти-двадцати лет. Однако в настоящее время могут быть исследованы только объекты Солнечной системы и, в первую очередь, сама Земля.

2.2.

История ранней Земли. Образование Луны

Когда со времени образования Солнечной системы прошло около 100 млн лет, на поверхности первоначально расплавленной Земли стала образовываться твердая корка. Однако начавшийся было процесс формирования земной коры был прерван столкновением Земли с другой планетой, по массе близкой Марсу. В результате удара и вызванного мгновенным разогревом взрыва в космос было выброшено громадное количество вещества. Оно принадлежало, главным образом, планете-пришельцу, однако значительное количество вещества Земли также оказалось в космосе. Из этого материала сформировался наш единственный спутник – Луна, а на Земле осталась глубокая воронка, в которой впоследствии разместился самый большой и глубокий Тихий океан. Выделившееся при столкновении тепло было столь значительным, что поверхность Земли вновь оказалась расплавленной. Это произошло 4.45 млрд лет тому назад. (Newsom and Taylor, 1989). Предложена и несколько иная трактовка этого события (Asphaug et al., 2006). Согласно этой трактовке, тогда столкнулись две протопланеты (планетезимали). Именно при их столкновении и фактическом слиянии образовалась Земля, обращающаяся вокруг Солнца по почти круговой орбите. Тогда же из выброшенного в космос материала обеих протопланет сформировалась Луна.

Независимо от конкретных обстоятельств, приведших к образованию Луны, на этом событии в истории Земли следует остановиться более подробно. Луна оказала существенное влияние на поведение Земли и, как следствие, на ее климат. Столкновение с крупным телом и образование Луны вызвали наклон земной оси по отношению к орбите движения Земли вокруг Солнца. Именно этот наклон (около 23.5°) обусловливает смену времен года на нашей планете. От наклона земной оси зависит и климат в любом регионе планеты. Но воздействие среды – один из главных факторов, задающих направление эволюции живых существ. Первоначально Луна сформировалась очень близко от Земли – на расстоянии 20–30 тыс. км. В тот период Луна оказывала сильное возмущающее воздействие на атмосферу Земли и вызывала приливы сначала в расплавленной коре, а затем – в океанах и морях. В тот период Земля вращалась вокруг своей оси значительно быстрее, чем ныне: длина суток составляла около 6 часов. Приливные явления, создавая трение, замедляли вращение Земли, увеличивая длину суток. Вследствие этого (для сохранения момента импульса системы) Луна стала удаляться от Земли. Сейчас она находится на расстоянии около 380 тыс. км и продолжает удаляться со скоростью 3.5 см в год. 4 млрд лет тому назад Луна успела удалиться на 140 тыс. км, и ее воздействие на Землю перестало быть экстремальным.

Согласно преобладающим ныне представлениям, глобальное плавление коры в истории Земли происходило, как минимум, еще один раз. В отличие от всех событий, происходивших на Земле ранее, это происшествие “документировано” благодаря появлению Луны, которая быстро растеряла свою первоначальную атмосферу. Вода также испарилась, по крайней мере, из поверхностных слоев. Благодаря этому на Луне почти с самого ее возникновения не было ветровой и водной эрозии, и самые древние детали рельефа, близкие по возрасту самой Луне, сохранились до наших дней. Наблюдение систем перекрывающихся лунных кратеров и лавовых потоков, а также анализ доставленных на Землю проб лунного грунта позволили установить, что сильнейшие метеоритные ливни обрушились на Луну 4.1–3.8 млрд лет тому назад (Maurer et. al., 1978; Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005). Судя по кратерам, размеры некоторых метеоритов превышали 10 км. Однако центр тяжести системы Земля-Луна находится в Земле. Поэтому основные потоки метеоритов принимала на себя Земля. Согласно подтвержденной расчетами гипотезе, в тот период происходили выплескивания материала астероидного пояса, вызванные нарушениями орбитального движения планет-гигантов (Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005; Tsiganis, 2005). По мнению некоторых авторов, в этот период кора Земли вновь расплавилась, а уже существовавший до того океан испарился (Chyba, 1993; Wilde, 2001). Эти сведения из ранней истории Земли имеют прямое отношение к вопросу о возникновении жизни на Земле, т. к. вызванное сильнейшим разогревом (до тысячи градусов и более) плавление коры каждый раз приводило бы к ее стерилизации. Если на Земле ранее уже были осуществлены какие-то шаги на пути становления жизни, т. е. были синтезированы сложные органические соединения или даже присутствовали живые организмы, то после очередного стерилизующего события все должно было начинаться сначала. Принято считать, что линия жизни на Земле, продолженная до наших дней, могла иметь начало не ранее 3.9–3.8 млрд лет тому назад, ибо именно с тех пор тотального плавления земной коры не было ни разу. Этот срок обозначен геологами на основании исследования древнейших скальных пород как вулканического, так и осадочного происхождения, выходы которых обнаружены на разных континентах: в Гренландии, Австралии, Южной Африке, Восточной Сибири. Метод определения возраста минералов основан на количественном определении газообразных продуктов радиоактивного распада, накапливающихся в толще минерала. Из расплава эти продукты улетучиваются, и отсчет возраста минерала начинается после его затвердевания. Подходящим для такого исследования является семейство ⁴⁰K (К-захват) -> ⁴⁰Ar. Период полураспада ⁴⁰K составляет 1.3x10⁹лет. Определение содержания в минерале инертного газа ⁴⁰Ar относительно ⁴⁰K позволяет определить время, прошедшее после последнего плавления минерала. Именно так, по возрасту самых древних минералов, был определен промежуток времени после последнего глобального плавления Земли – почти 4 млрд лет.

К тому времени в центральной области Земли сформировалось расплавленное железо-никелевое ядро, в котором, по последним данным, присутствуют и силикаты (Elliott, 2007). Его окаймляет расплавленная мантия, образованная, главным образом, силикатами, окислами металлов, базальтами и насыщенная разнообразными газами. Затвердевшая кора 4 млрд лет тому назад была тоньше нынешней. Присутствующая в верхних слоях мантии магма во многих местах прорывала кору и разливалась на поверхности. Вместе с лавой наружу прорывались газы, которые формировали раннюю атмосферу Земли. Представлять как можно точнее состав ранней атмосферы принципиально важно для правильного направления рассуждений о химических реакциях, протекавших тогда в атмосфере, и, в первую очередь, о синтезах органических соединений, которые являлись необходимыми стадиями формирования среды, в которой могла появиться жизнь.

2.3. Атмосфера ранней Земли и ее роль в доклеточной эволюции

Самым распространенным элементом во Вселенной является водород. В газово-пылевой туманности, из которой сформировалась Солнечная система, также преобладал водород. Поэтому естественной была гипотеза Опарина и Юри о преобладании в ранней атмосфере Земли водорода. Это означало бы, что другие атомы и молекулы находились в максимально восстановленном состоянии. Так, металлы должны были существовать, в основном, в чистом виде, а не в форме окислов. В атмосфере преобладали бы соединения, богатые водородом: метан (CH₄), аммиак (NH₃), сероводород (SH₂). В присутствии паров воды восстановительная атмосфера благоприятна для синтеза сложных органических соединений. В источниках энергии, необходимой для осуществления реакций, также не было недостатка. Благодаря отсутствию в атмосфере свободного кислорода (и, соответственно, озона) она не являлась препятствием для интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца, которое практически без потерь достигало поверхности Земли. Другими источниками энергии были мощные разряды атмосферного электричества, потоки ионизирующих частиц с Солнца и из дальнего космоса и, наконец, тепло, доставлявшееся раскаленной лавой, горячими источниками, все еще многочисленными метеоритами, энергия торможения которых освобождалась в форме тепла. По идее Опарина и Юри образовавшиеся в атмосфере органические вещества накапливались в водоемах (“первичный бульон”). Юри и Миллер первыми поставили эксперименты, моделирующие процессы, которые могли идти на ранней Земле в описанных выше условиях (Miller and Urey, 1956; Miller, 1986). Они пропускали электрические разряды через обладающую восстановительными свойствами смесь газов в герметически закрытой колбе, снабженной электродами. В смеси обычно присутствовали водород, метан, аммиак, пары воды и др. Продуктами реакций оказались формальдегид, аминокислоты, жирные кислоты и даже более сложные соединения. Расчеты показали, что благодаря высокой эффективности синтеза органических соединений в атмосфере подобного состава в течение нескольких миллионов лет на Земле могло накопиться достаточно разнообразной органики для образования концентрированного “первичного бульона”, что позволило бы осуществиться взаимодействиям, ведущим к образованию еще более сложных молекул, в том числе полимеров. Первоначально образование коротких белковых молекул (пептидов) в смеси аминокислот удалось надежно зафиксировать лишь при использовании повышенной температуры (110–120 °C) в безводной среде (Fox and Middlebrook, 1954). Осуществление процесса в безводной среде обусловлено тем, что при образовании пептидной связи освобождается молекула воды. Поэтому в соответствии с законом действующих масс в водной среде равновесие реакции смещено в сторону разрыва связи, сопровождающегося связыванием молекулы воды (гидролиз). Однако позже было показано, что при ориентированной сорбции реагентов на твердой поверхности реакции, в том числе образование пептидной связи, осуществляются в значительно более мягких условиях. Большое значение могло иметь присутствие веществ, способных связывать воду, как карбодиимид, цианоген и др. Недавно был продемонстрирован способ образования пептидов из аминокислот в присутствии карбонил сульфида (COS). Примечательно, что этот процесс эффективен в водной среде при комнатной температуре (Leman et al., 2004). Авторы подчеркивают, что COS является распространенным вулканическим газом, и, следовательно, этот процесс мог осуществляться в предбиологический период вблизи выходов лавы и горячих источников, а также на океаническом дне. В целом модельные эксперименты подтвердили практическую осуществимость химической эволюции, т. е. добиологического образования сложных органических молекул, из которых и могли быть сформированы первые живые организмы. Только позже, уже в ходе клеточной эволюции по мере освоения клетками все более сложных органических синтезов необходимость в поступлении соответствующих продуктов из среды отпала.

Однако со временем представление о составе, а следовательно, и свойствах ранней атмосферы Земли существенно изменилось (Kerr, 1980; Pace, 1991; Kasting and Ackerman, 1986). Поводом для такого пересмотра явились результаты геохимического анализа древнейших осадочных пород, возраст которых 3.9–3.8 млрд лет. Эти породы в значительной степени сложены из известняков, что указывает на высокое содержание углекислоты (CO₂) в атмосфере, достигавшее 70 %. Это значение многократно выше содержания CO₂ в нынешней атмосфере. Таким образом, ранняя атмосфера Земли не обладала сильными восстановительными свойствами. На это указывает и присутствие в древнейших минералах окислов металлов (Summers and Chang, 1993). В образовании этих минералов мог участвовать кислород, освобождающийся при радиолизе воды, а также окись азота, образующаяся в атмосфере при электрических разрядах. Именно благодаря связыванию кислорода в окислах металлов он не накапливался в значительном количестве в атмосфере Земли. Модельные эксперименты показали, что под действием электрического разряда, ультрафиолетового излучения или других видов энергии в газовой смеси, модифицированной присутствием СО₂ и кислорода, возникали разнообразные органические соединения, причем выходы их были сопоставимы с выходами в газовой смеси с сильно восстановительными свойствами (Schlesinger and Miller, 1983; Miyakawa et al., 2002). Однако остается много вопросов. Для эффективного протекания синтетических процессов концентрация реагентов должна быть достаточно высока (не менее 10^{– 5} М, т. е. порядка 10¹⁸– 10¹⁹ молекул в литре). Была ли достижима эта пороговая концентрация на ранней Земле при осуществлении синтезов в близких к нейтральным условиях? Следует также иметь в виду, что наряду с синтетическими процессами под действием тех же источников энергии должны были идти обратные процессы деструкции. Их интенсивность зависела от разных обстоятельств, которые полностью учесть невозможно. По современным оценкам на ранней Земле синтезировалось более 2 млн тонн формальдегида в год, что обеспечивало его концентрацию в “первичном бульоне” около 0.02 М. В значительном количестве поступал также цианистый водород и другие реакционно-способные соединения, что обеспечивало осуществление все более и более сложных синтезов в ходе химической эволюции (Taillades, et al., 1998).

Описанные выше результаты модельных экспериментов подтверждают принципиальную возможность сложных органических синтезов в предполагаемых на ранней Земле условиях, но не могут служить доказательством, что эти процессы действительно имели место. В древнейших осадочных породах аминокислоты, азотистые основания и другие сложные органические соединения не обнаружены. Однако это не доказывает отсутствие этих соединений в тот период, ибо из-за тепловых и других воздействий они могли не сохраниться. Тем не менее, весьма убедительные свидетельства присутствия этих веществ на ранней Земле получены. Упали они, в буквальном смысле этого слова, с неба. В 1969 году вблизи города Марчинсон в Австралии “приземлился” метеорит, имевший в поперечнике около 50 см. Марчинсонский метеорит принадлежит к углистым хондритам. Такое наименование обязано высокому содержанию в углистых хондритах углерода (30 %) и присутствию хондрул – зернистых структур, образованных, главным образом, силикатами, но содержащих также окислы и соли металлов. Углистые хондриты богаты водой (до 20 %). Они являются древнейшими минералами Солнечной системы: радио-изотопные методы показывают, что их возраст около 4.6 млрд лет. Следовательно, они образовались в период формирования планет (McSween 1989). В Марчинсонском метеорите, в других метеоритах этого типа был обнаружен широкий набор аминокислот, а также азотистые основания, сахара, жирные кислоты, другие сложные органические соединения, в том числе порфирины (Pizzarello, 2004; Meierhenrich et al., 2004). Принятые меры предосторожности полностью исключили возможность заноса продуктов жизнедеятельности земных организмов. К тому же в земных организмах отсутствуют некоторые аминокислоты и другие органические вещества, обнаруженные в метеоритах. Многие из них получены в модельных экспериментах, о которых говорилось выше, хотя набор “космических” аминокислот богаче, и в нем присутствуют аминокислоты с более сложными боковыми группами. Воспроизведен также “космический” синтез как аминокислот (Nuevo et al., 2008), так и сложных гетероциклических соединений – предшественников порфиринов и других биологических кофакторов (Mierhenrich et al., 2005). Из самого факта обнаружения сложной органики в углистых хондритах, как и в материале комет, также образовавшихся в период формирования Солнечной системы, следует однозначный вывод: в газово-пылевой атмосфере молодого Солнца уже были осуществлены как ранние (т. е. использующие непосредственно газы атмосферы), так и дальнейшие стадии химической эволюции. Этот вывод подтверждается прямыми наблюдениями. Спектральный анализ показал, что в межзвездных газовых скоплениях присутствуют разнообразные органические вещества. Возможно, что часть органики, обнаруженной в метеоритах и кометах, была образована еще до формирования Солнечной Системы (Irvine, 1998; Busemann et al., 2006).

В результате слипания пылинок органика оказалась замурованной в минералах, а также во льду и замерзшей углекислоте. Сохранение в метеоритах сложных органических соединений в течение 4.6 млрд лет можно объяснить рядом факторов, в первую очередь низкой температурой, глубоким вакуумом, защищенностью от излучений в толще минерала. В ранних, да и в не очень ранних осадочных породах земного происхождения сложные органические вещества (аминокислоты, азотистые основания, сахара, липиды и др.), как таковые, не сохранились, т. к. не могли избежать деструкции и других химических превращений при земных температурах. Вследствие этого органика в земных минералах обнаруживается только в форме керогенов – конгламератов плохо растворимых органических веществ, в основном углеводородов.

Мы уже говорили о грандиозных метеоритных потоках, выпавших на Землю около 4.0 млрд лет тому назад. Многие исследователи считают, что углистые хондриты, преобладавшие в этих потоках, а также кометы, захваченные Землей, принесли значительную часть воды, присутствующей на планете. С этим же материалом на Землю попало много космической органики. Подсчитано, что практически весь ныне присутствующий на Земле углерод мог быть занесен из космоса именно в тот период (Pflug, 1984; Oro et al., 1990; Chyba and Sagan, 1992). Значительная часть органики, доставленной метеоритами, должна была подвергнуться пиролизу из-за разогрева при прохождении атмосферы и взрывном столкновении с Землей, поверхность которой, к тому же, могла быть расплавлена предыдущими столкновениями. Однако органика, выброшенная при взрыве в верхние слои атмосферы, могла сохраниться. Основной же приток органики на Землю мог идти с плавно оседавшей космической пылью (Raulin and Greenberg, 1997). Существенно, что пылинки размером до нескольких десятков микрон легко тормозятся практически без разогрева еще в верхних слоях атмосферы и надолго в ней задерживаются (Anders, 1989). Важным источником достигавшей Земли космической органики были кометы. 4 млрд лет тому назад засоренность межпланетного пространства разного калибра и состава “камнями”, в том числе кометами, была многократно выше, чем в наше время. Их газово-пылевые хвосты формируются из материала кометы, освобожденного благодаря таянию ледяной шубы и испарению твердой углекислоты при сближении кометы с Солнцем. В этом материале значительную долю составляет (и составляла) органика. Изрядно “похудевшие” кометы удалялись, а их хвосты рассеивались во внутренних областях Солнечной системы, пополняя запас космической пыли. Присутствие большого количества органики в материале комет доказано прямыми исследованиями кометы Галлея. В 1986 г. с нею сблизилась космическая станция Вега 1, с борта которой были проведены спектральные анализы. Тогда же были взяты пробы материала хвоста кометы. Оказалось, что значительную часть кометной органики составляют ненасыщенные углеводы, азот-содержащие (в том числе циклические) и другие весьма реакционноспособные соединения. Космическая пыль оседает на Землю непрерывно с момента ее появления. В наши дни ее приток составляет по одним данным 3 тыс. тонн в год, по другим – не менее 10 тыс. тонн в год. 10 % космической пыли составляет органика. 4 млрд лет тому назад запыленность околосолнечного пространства была в сотни раз больше. Соответственно, приток органики из космоса был многократно выше. (Chyba, 1993; Cooper, 2001; Llorca, 2004; Cockell and Bland, 2005).