Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее - Александр Потупа

Примерно через миллиард лет после завершения архея, в середине следующего за ним протерозоя (около 1,5 млрд. лет назад), происходит новый качественный сдвиг в развитии живых организмов. Появляются эукариоты клетки с выраженной ядерной структурой, способные к окислительному метаболизму. Цианобактерии и сине-зеленые водоросли (прокариоты) успели к этому времени сильно переработать земную атмосферу — за счет их преимущественного бродильного метаболизма в атмосфере стал накапливаться кислород, и вступление в эру эукариотов произошло, по-видимому, когда «газ жизни» достиг уровня 0,5–1 процента относительно его современного содержания. Между прочим, кислород, сильнейший окислитель, в некотором отношении оказался чистой отравой для окружающей среды и полностью пресек дальнейший переход из химической в биологическую фазу. Неживая природа выключилась как прямой генератор жизни и стала источником питания. В этом плане и можно говорить об экологической катастрофе.

Где-то полмиллиарда лет спустя, эукариоты преодолевают микроскопический масштаб жизни, формируя многоклеточные организмы — нечто принципиально отличное от колоний прокариотов[144]. Начинается эволюция собственно животного и растительного мира. 500–600 миллионов лет назад наша планета вступает в фанерозой (эпоху «явной жизни»), к концу которого появился человек.

Мы не имеем возможности сколь-нибудь подробно останавливаться на интереснейшей и далеко не во всем понятной дистанции от одноклеточных до человека. Общепринятый факт состоит в том, что в условиях Земли данная дистанция была успешно пройдена, и пока не видно причин, по которым основные ее этапы принципиально не укладывались бы в теорию естественного отбора.

В основе этой теории лежит представление о преимуществе более приспособленных организмов, причем лучший вариант адаптации закрепляется наследственно и приводит к формированию новых видов, семейств и даже типов животных.

Различные варианты организмов появляются под действием мутаций внешние физико-химические факторы или случайные ошибки при молекулярной репликации вызывают небольшие изменения нуклеиновых наследственных структур, из-за чего и возникают мутанты. Организмы, изменившиеся в одном или нескольких поколениях, например из-за повышенного уровня радиации или увеличенной концентрации каких-то кислот, могут успешно выжить и даже лучше приспособиться к окружающей среде, чем их домутантные предки, но могут и быстро сойти на нет. Именно успешная адаптация выуживает среди мутантов новые удачные побеги эволюционной ветви.

На этом пути обитатели Земли преодолевали ряд принципиально важных этапов — формировался тип позвоночных, класс млекопитающих, отряд приматов, семейство гоминид, род Homo и, наконец, наш вид — Homo sapiens. Каждая из этих ступенек определяет свою вершину эволюции — в целом наилучшим образом адаптированный класс, отряд, вид. Причем не просто приспособленный, не просто погрузившийся в уютную экологическую нишу, но обладающий хорошим потенциалом прогрессивного усложнения, прогрессивно адаптированный, если можно так выразиться… Процесс восхождения по этим ступенькам, разумеется, выглядит вполне естественно, однако мы не слишком хорошо представляем себе, сколь мало следовало бы изменить условия, чтобы, скажем, мутации, связанные с потерей клыков и увеличением объема мозга, стали вредными. Иными словами, даже в более или менее схожих условиях эволюция могла бы долго топтаться, варьируя семейства обезьян вроде гиббоновых и понгид. Трудно оценить и вероятность появления полезных мутагенных факторов, например, образования естественных ядерных реакторов в зоне высокой концентрации гоминоидов[145].

Однако нет оснований отказываться от своеобразного закона, согласно которому природа всегда стремится реализовать наиболее сложные формы организации вещества, допустимые в данных условиях. Поэтому мы обычно верим, что, если вблизи звезды типа Солнца сформировались планеты с параметрами, очень близкими к земным, то и основные этапы химической и биологической эволюции должны выглядеть очень схоже.

Другой вопрос — значительное разнообразие в эволюционных путях самих планет. В доступных прямому исследованию условиях Солнечной системы Земля включается в целую группу тел наряду с Меркурием, Венерой, Марсом и Луной, чей исходный состав, а отчасти и этапы формирования довольно схожи. Но при всем том, Меркурий и Луна лишены атмосферы. Атмосфера Венеры, геологическое строение которой очень близко к земному, почти в 50 раз плотнее земной, температура у поверхности достигает 500 градусов, а давление — 90 атмосфер. Но самое важное — различие в составах. Если земная атмосфера, грубо говоря, состоит из азота и кислорода (в пропорции 78:21), то венерианская атмосфера — смесь углекислого газа с азотом (примерно 95:4). В той степени, в какой мы считаем третичную атмосферу Земли «искусственной», то есть обязанной своим происхождением фотосинтетическому производству кислорода прокариотами и более сложной растительностью, можно утверждать, что ничего подобного на Венере не происходило, во всяком случае, организмы, потребляющие углекислоту и производящие кислород, сколь-нибудь заметного развития там не получили[146].

Еще более разительно Земля отличается от больших планет. Дело не только в простом отличии таких параметров, как радиус и масса Юпитера и Земли. За существенно иной массой (МЮп/ Мã = 318) кроется совершенно иной ход эволюции. Исходным материалом юпитерианского протопланетного облака послужил водород и гелий, что неплохо отражается в составе его нынешней атмосферы (примерно 87 частей водорода на 13 частей гелия). Фактически Юпитер — «недоразвитая звезда», окажись его исходная масса раз в 10 больше, мы имели бы счастье стать обитателями двойной звездной системы. По современным расчетам, юпитерианское протопланетное облако было примерно в 1000 раз больше современного Юпитера, и его светимость достигала почти 1024 Вт (т. е. нескольких десятых процента от современной светимости Солнца!). Переход в наблюдаемое состояние за счет гравитационного сжатия произошел довольно быстро — примерно за 10 млн. лет. Но и теперь Юпитер, сжимаясь на 10 сантиметров за столетие, обеспечивает высокое избыточное излучение. Его судьба позволяет понять, что происходит с протооблаком недостаточно высокой массы, неспособным войти в режим термоядерного реактора. Под водородно-гелиевой атмосферой толщиной порядка 1400 км, располагается океан жидкого водорода «глубиной» около 16 тысяч километров (в нем могла бы легко потонуть Земля). Когда давление достигает 3 млн. бар, водород переходит твердую фазу. Толщина сферической оболочки из металлического водорода более 43 тыс. километров, наконец, в центре располагается относительно небольшое (R ~ 11 тыс. км) ядро из горных пород. Очень похожим строением, видимо, обладает и Сатурн.

Разумеется, было бы нелепо ожидать от планет такого рода сколь-нибудь похожей на земную химико-биологической эволюции. Тем более трудно предположить нечто подобное для слишком далеких от Солнца Урана и трансурановых планет.

В целом современная точка зрения сводится к тому, что ни на одной из планет Солнечной системы не может существовать жизни земного образца. Уникальность земной жизни неплохо объясняется положением протоземного облака относительно центрального светила и исходным химическим составом этого облака, хотя в схеме объяснения наверняка есть немало весьма дискуссионных мест. Конечно же, конденсация силикатно-железной пыли массой порядка Мã на расстоянии порядка одной астрономической единицы от желтого карлика не ведет к однозначному выводу о появлении там через 4–5 миллиардов лет разумных существ, но зато ни на одном из этапов такой эволюции не видно пока слишком невероятных событий, разрывающих рассмотренную цепочку.

Зоогоническая фаза как космологический закон

Хотя мы вовсе не уверены, что появление жизни во Вселенной представляет собой столь же универсальное явление, как образование галактик, звезд и планетных систем, необходимо тем или иным образом задать этот феномен как закономерное следствие предшествующих стадий эволюции.

Последовательность событий, приводящая к зарождению и развитию жизни, представляется чем-то вроде цепочки реакторов.

Самый мощный из них — Сингулярность (или, вероятней всего, ее планковская окрестность) — работает не слишком понятным для нас образом, но в результате работы этого гравитационного суперреактора появляется пространство-время и зародыши будущих элементарных частиц (а возможно, и непосредственно некоторые частицы — фотоны, лептоны, кварки и гравитоны, если не выяснится их более тонкая структура). В эпоху t ~ 10-6-10-5 сек. Вселенная начинает работать как реактор адронного синтеза — из кварков образуются адроны. Позднее, в более холодной ситуации Вселенная становится термоядерным реактором, осуществляющим синтез водорода в гелий-4.