Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Этот туманный пояс на ночном небе считается символом постоянства, но если мы начинаем считать время миллионами лет, то понимаем, что в нашей звездной системе непрерывно что-то меняется. Диск Галактики содержит звезды разного возраста, а также газовые облака. Новые звезды постоянно рождаются в спиральных рукавах диска — в полосах, закрученных в форме спирали. Считается, что на том расстоянии от центра Галактики, где располагается орбита Солнца, спираль представляет собой волну плотности, распространяющуюся по звездному диску Галактики. Точнее говоря, волна движется вокруг центра Галактики медленнее, чем вокруг него обращаются звезды и газовые облака. Поэтому звезды и газовые облака проходят сквозь волну плотности один раз в 200 млн лет или около того. Звезды, идя сквозь волну, не особенно сильно ощущают ее влияние, зато газовые облака сжимаются волной, и этого сжатия достаточно для начала формирования новых звезд. Именно эти яркие молодые звезды и придают спиральному рукаву его впечатляющий вид.

Поскольку звезды и газ непрерывно обращаются вокруг галактического центра, в спиральной галактике продолжается формирование новых звезд. Но даже в спиральных галактиках частота формирования звезд постепенно снижается из-за уменьшения количества газа. В конце концов газ полностью закончится, и формирование звезд практически остановится.

Теперь мы можем полностью представить историю нашей Галактики. Дело было так: множество маленьких гало из темного вещества объединились и образовали темное гало Галактики. В эту «потенциальную яму» из темной материи стал падать газ из обычного вещества. Уже на ранней стадии его падения сформировалось некоторое количество звезд, и они образовали внешнюю часть звездного гало. Самые массивные из них взрывались и увеличивали долю тяжелых элементов в галактическом газе. Только что обогащенный газ вместе с газом, падающим снаружи, оседает и образует диск в центральной области темного гало. Из газа этого диска формируются новые звезды, и постепенно образуется звездный диск Галактики. Наше Солнце — это одна из тех довольно поздно сформировавшихся звезд диска, которые образовались из первичных легких элементов Большого взрыва и некоторого количества тяжелых элементов, родившихся в результате эволюции нескольких предыдущих поколений звезд. Содержание тяжелых элементов в веществе, окружающем эти звезды, оказалось достаточно высоким для того, чтобы из него сформировались планеты земного типа. И по крайней мере на одной из этих планет возник тот сложный комплекс явлений, который мы называем жизнью.

Наше современное представление о гравитационном формировании галактик и их гигантских скоплений производит глубокое впечатление. Оно вновь заставляет вспомнить слова Канта, который одним из первых пытался осмыслить происхождение планетных систем и природу туманностей. Он предсказывал, что устройство окружающей нас Вселенной скорее будет понято (на основе гравитации), чем происхождение даже простейших живых существ (в пример он приводил гусеницу) удастся объяснить с точки зрения механики.

Конечно, сейчас мы знаем о Вселенной и ее структуре гораздо больше, чем знал Кант, и понимаем, что гравитация — намного более изощренный архитектор, чем можно было предполагать на основе простого ньютоновского закона обратных квадратов. Мы знаем, что доля обычного вещества, из которого состоят звезды, планеты и живые существа, крошечна по сравнению с темным веществом и темной энергией, играющими важную роль в эволюции расширяющейся Вселенной и в формировании галактик, этих гигантских звездных сооружений.

Тем не менее все же мы согласны с Кантом, что жизнь — это более сложное явление, чем даже огромное скопление галактик с тысячами его членов, каждый из которых состоит из 1-100 млрд звезд и планетных систем. В теле человека около 100 триллионов (= 1014) клеток, в каждой из которых примерно столько же атомов. С мыслями об этом мы приступаем к последней части нашей книги, где обсудим происхождение планетных систем и вопросы астробиологии.

ЧАСТЬ IV ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ

Глава 28 Что такое жизнь?

Здесь и сейчас, спустя 14 млрд лет после загадочного рождения Вселенной, во внешней области рядовой галактики, в планетной системе, сформировавшейся 5 млрд лет назад вокруг типичной звезды, мы наблюдаем совершенно особое явление: поверхность одной из планет покрыта биосферой, то есть сложной сетью органических соединений, существующих в водной среде. Эти химические реакции в основном осуществляются за счет энергии, поступающей от звезды, и поддерживают все разнообразие живых существ — от одноклеточных микробов до крупных растений и животных. Они объединены в сложные экологические сообщества с многоступенчатой последовательностью преобразования энергии (пищевая цепь), которая эффективно переносит соединения углерода между окисленным и восстановленным состояниями. В частности, зеленые растения и водоросли путем фотосинтеза, использующего солнечный свет, превращают окисленный углерод (СO2) в восстановленные соединения углерода (сахара), которые используются в том числе и другими организмами в качестве источника химической энергии. Фотосинтез связывает большое количество углерода в органические соединения (биомассу), а дыхание животных и гниение органических веществ возвращает СO2 обратно в воздух. Эти реакции сильно повлияли на содержание двуокиси углерода в атмосфере и таким образом — на климат. В процессе фотосинтеза для восстановления используются протоны из молекул воды (Н2O), при этом атмосфера планеты обеспечивается кислородом.

Живые существа состоят из вполне обычных химических элементов — кислорода, углерода, водорода, азота, кальция, фосфора и др. (Врезка 12.1). Несмотря на это, жизнь сильно отличается от окружающего ее неодушевленного мира. Она основана на очень сложных химических соединениях, и в ней все время происходят сложные биохимические реакции, которые невозможны в неживой окружающей среде. Таким образом, жизнь стимулирует резкое увеличение порядка в своих структурах по сравнению с простой совокупностью составляющих ее атомов. Иными словами, она уменьшает энтропию в своих системах (Врезка 28.1). Может показаться, что жизнь нарушает второй закон термодинамики. Но это не так. Порядок создается за счет энергии окружающей среды и контролируется обширной внутренней информацией, содержащейся в сложных молекулярных структурах. Между живой системой и ее окружением нет равновесия.

По собственному опыту мы знаем, что многие вещи постепенно теряют свой налаженный порядок или структуру, а некоторые вообще превращаются в пыль. Второй закон термодинамики утверждает, что если физический процесс протекает без взаимодействия с внешним миром, то в такой замкнутой системе величина, называемая энтропией, всегда увеличивается. Это совсем не похоже на поведение полной энергии, которая в замкнутой системе сохраняется (согласно Первому закону термодинамики).

Энтропия характеризует уровень порядка: чем выше энтропия, тем больше беспорядка, хаоса. Можно также сказать, что энтропия в некоторой степени характеризует число отдельных единиц в системе: то, что вначале было одним целым, стремится к концу разделиться на части и достичь наиболее вероятного состояния. Кроме того, эта тенденция определяет направление стрелы времени в реальной жизни, тогда как в простой механике понятие о направлении времени не существует.

Для того чтобы ощутить рост энтропии, обычно рассматривают сосуд, заполненный газом. Предположим, что начальное состояние было совершенно невероятным: в какой-то момент времени все молекулы оказались на одной поло-вире сосуда, а вторая его половина была совершенно пустая. Очевидно, что после этого момента молекулы будет стремиться заполнить сосуд целиком, распределившись в нем однородно. Такая ситуация наиболее вероятна и соответствует максимальной энтропии.

Заметим, что это естественное стремление к «хаосу» зависит от предположения, что система (сосуд плюс газ) замкнутая. Нетрудно представить себе внешнее воздействие, способное перевести систему из ее «наиболее вероятного» состояния в явно «невероятное». Жизнь — это такое явление, которое, на первый взгляд, нарушает закон возрастания энтропии. Но нужно помнить, что жизнь не может развиваться в изолированном сосуде, а целиком зависит от потока энергии из окружающей среды в живую систему и обратно. Если рассматривать биосферу и окружающую ее космическую среду (включая звезду, излучающую энергию), то энтропия всей этой области, естественно, возрастает.

Жизнь — это не только упорядоченная система, получающая энергию и химические питательные вещества из окружающей среды. Жизнь способна поддерживать себя и воспроизводиться, причем в процессе воспроизводства она обретает новые черты и приспосабливается к новым условиям. Эта способность к адаптации привела к разнообразию видов, к развитию новых качеств, таких как многоклеточность. Появление разнообразных стратегий выживания вызвало возрастание сложности организмов и экосистем. Развитие инстинктов и способности к обучению позвоночных видов усилило их адаптивность и выживаемость в новых экологических нишах. Рост умственных способностей привел к появлению социального поведения, любознательности и коммуникации внутри видов и даже между разными видами.