Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Теерикор Пекка (читать книгу онлайн бесплатно полностью без регистрации .txt) 📗
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.
Мы уже знаем, что один из самых распространенных элементов, углерод, имеет как раз такие химические свойства, чтобы образовать четыре ковалентные связи и формировать длинные молекулы. К тому же оказалось, что самое распространенное соединение во Вселенной, Н2O, действует как оптимальный растворитель для обеспечения биохимических реакций. Похоже, что основные возможности для полного химического арсенала жизни аккумулированы в особых свойствах углерода и воды. В принципе, эти вещества должны быть на планетах по всей Галактике.
Одним из физических факторов, важных для образования первых звезд, было слегка неоднородное распределение плотности первичного излучения и ядерной плазмы, сформировавшихся в процессе Большого взрыва. Это привело к неоднородному распределению первичных водородно-гелиевых облаков, которое затем перешло в сжатие, создавшее первые звезды — «фабрики» по производству первых тяжелых элементов, необходимых для жизни.
Кроме субатомных параметров, важных для процессов, протекающих в недрах звезд, есть еще и слабая сила гравитации — строитель космических структур. Если бы эта сила была немного слабее или немного сильнее, то формирование звезд происходило бы иначе, чем сейчас. Будь эта сила слабее, не появились бы тяжелые элементы, а будь она сильнее, звезды эволюционировали бы так быстро, что у их планетных систем не имелось бы достаточно времени, чтобы на них могла возникнуть жизнь. И вновь мы видим, что иные вселенные, с иной гравитационной постоянной, были бы непригодны для жизни.
Критическое значение для существования жизни имеет возраст Вселенной и звезд. Если бы эволюция Вселенной протекала скоротечно (скажем, за миллион лет), то жизнь не успела бы даже за-родиться. Элементы жизни — углерод и другие — сформировались в ходе ядерных реакций внутри звезд и были выброшены в межзвездные облака при взрывах звезд. И для образования следующего поколения звезд и их планет тоже требуется время. Ведь планеты типа Земли не могут появиться у звезд, протопланетные диски вокруг которых лишены сложных химических элементов. Первое поколение звезд нашей Галактики не могло иметь планет, пригодных для жизни. Накопление необходимых элементов в газовых облаках, из которых позже образовались звезды и планеты, должно было происходить достаточно быстро, но сколько именно времени это заняло — не ясно.
Затем, после синтеза тяжелых элементов и формирования нового поколения звезд и их планетных систем, вобравших эти элементы, на некоторых из планет могла возникнуть жизнь. После этого началась эволюция ко все более сложным формам жизни, которая могла занять миллиарды лет, как это было в случае Земли. Мы знает, что это происходило постепенно, что долгий процесс предшествовал нашему появлению (рис. 33.2).
Рис. 33.2. Физические константы и законы природы таковы, что звезда типа Солнца светит около 10 млрд лет, позволяя жизни возникнуть и эволюционировать на подходящих планетах, обращающихся вокруг этой звезды. На этом фото Солнце предстает в необычном пейзаже: оно заходит за край марсианского кратера в 2005 году, когда это увидел марсоход «Спирит».
Но если эволюция жизни — от ее начальных элементов до клетки и сложной биохимии — происходит так долго, то для нее требовались особые условия. Вероятно, наша голубая планета как раз и была тем особым местом, где нашлись все условия для зарождения и развития жизни. Как в сказке про трех медведей, где Маша всегда выбирала все самое уютное. Действительно, Земля расположена на очень выгодном расстоянии от Солнца, которое, совместно с парниковым эффектом атмосферы, обеспечивает на ней такую температуру, что вода, по крайней мере большую часть времени, остается в жидком виде. Правда, эти благоприятные эпохи иногда прерывались, когда парниковые газы исчезали из атмосферы и температура на миллионы лет опускалась ниже точки замерзания. В эти ледниковые периоды температура долго оставалась настолько низкой, что вся планета покрывалась льдом. И эта «Заснеженная Земля» могла бы остаться такой навечно, если бы теплые недра нашей планеты не испускали газ CO2 в количестве, достаточном для восстановления парникового эффекта, способного нагреть атмосферу. Мы уже говорили, что плотность воды, к счастью, больше плотности льда. Поэтому замерзает только поверхность океанов, и жизнь имеет возможность продолжаться подо льдом в жидкой воде, защищенная от замерзания и высыхания, как мы это видим в озерах Антарктиды. Наконец, горячее расплавленное внешнее ядро и твердое железное внутреннее ядро Земли обеспечили нас магнитным полем, защищающим все живое от вредного космического излучения, угрожающего слабым росткам жизни на любой планете.
Падение комет и астероидов в раннюю эпоху тоже способствовало тому, чтобы Земля стала обитаемой: они принесли с собой большую часть той воды и газов, которыми мы сейчас пользуемся. Кроме того, чрезвычайно сильный удар по молодой планете на раннем этапе ее формирования наградил нас небесным спутником — Луной. Эти столкновения и сама Луна оказались для нас очень полезными. Они наклонили земную ось так, что оба полушария — северное и южное — поочередно поворачиваются к Солнцу, вызывая смену сезонов и способствуя выравниванию температур в разных частях планеты. Мощное столкновение определило вращение Земли. Раньше Земля вращалась еще быстрее, но постепенно она замедлилась до современного значения — один оборот за 24 часа, — создав нам суточный ритм смены дня и ночи. Присутствие Луны продолжает стабилизировать ось нашей планеты, поэтому общий климат не меняется случайным образом. Эти факторы, конечно, очень важны для условий жизни здесь, на Земле, но мы не знаем точно, насколько решающим является наличие крупного спутника для зарождения и длительного сохранения жизни. Не исключено, что это может ограничивать число пригодных для жизни мест даже среди планет, во всем остальном похожих на Землю.
Столкновения с кометами и астероидами имели как физические, так и биологические последствия. Они могли быть весьма благоприятными для жизни на молодой Земле, перенося семена жизни с одной планеты на другую в пределах внутренней области Солнечной системы (скажем, с Марса на Землю или наоборот). Они могли иметь большое значение и на более поздних этапах эволюции жизни, вызывая в биосфере неоднократные массовые вымирания и давая этим шанс для появления новых видов. Хотя это было катастрофой для вымерших видов (например, динозавров), оно оказывалось полезно для видов, получивших возможность развиваться (например, млекопитающих). Но слишком частые столкновения с кометами могут сделать существование любого сложного вида чересчур кратковременным. Возможностью нашей спокойной эволюции и безопасного (до сих пор) существования на Земле мы во многом обязаны планете-гиганту Юпитеру, сумевшему удалить большинство каменных тел, которые в эпоху молодости Солнечной системы являлись здесь частыми гостями. Столкновения с ними были как полезными, так и вредными; нам пока трудно оценить, каков оказался результирующий эффект.
