Новая история происхождения жизни на Земле

С 1990-х годов к настоящему моменту произошли два важных изменения, совершенно особенных и перестроивших всю систему знаний об истории жизни на планете. Во-первых, до недавнего времени геологи и палеонтологи почти не обращали внимания на тот факт, что наша планета — лишь одна из многих планет. А во-вторых, в соответствии с этим первым «модным» представлением, внимание не уделялось и тому, что жизнь также может быть не уникальна, а иметь аналоги в необъятном космосе. Открытие планет, вращающихся вокруг других звезд, полностью изменило такой порядок вещей как для науки, так и для всего человеческого общества[22]. Поменялись исследовательские приоритеты, и сейчас научный интерес, помимо Земли, направлен и на другие планеты, которые назвали экзопланетами. Перемены в научных взглядах затронули не только астрономию и специализированные отрасли геологии, но и биологию, и даже религию. Джефф Марси, один из первых исследователей экзопланет, вспоминает, что среди множества телефонных звонков, которые на него посыпались после тех памятных открытий, одним из первых был звонок из Ватикана. Католическая церковь, искушенная в астрономии, хотела знать, может ли существовать жизнь на недавно открытой планете и какие последствия для религии это будет иметь.

Самая первая экзопланета была обнаружена в 1992 году (вращается вокруг звезды-пульсара)[23], затем — в 1995 году — обнаружили планету, которая вращается вокруг звезды главной последовательности, то есть такой, которая скорее будет способствовать возникновению и поддержанию жизни, чем пульсары, поскольку у последних есть дурная привычка выбрасывать на соседние планеты большие потоки уничтожающей жизнь энергии. А всего лишь год спустя после обнаружения этой второй планеты было сделано еще одно астрономическое открытие, подстегнувшее дискуссии в науке, а также в политике и обществе: из NASA сообщили о метеорите с Марса[24], на котором нашли возможные признаки жизни (а может, и ископаемые останки микробов). Последовательность этих открытий положила начало новому научному направлению — астробиологии.

На исследования в области истории развития жизни были выделены огромные суммы, в том числе на изучение таких проблем, которые раньше очень скудно финансировались, например, происхождение и природа первой жизни на Земле. Все это произошло в конце 1990-х, и к началу нового века названные отрасли науки стали одними из самых быстро развивающихся. События эти трансформировали науку в целом и продолжают оказывать влияние на историю развития жизни на Земле, тему данной книги и на наше представление о возможной жизни на других планетах и об истории этой «другой» жизни.

Итак, то, что наша планета — лишь одна из многих возможно обитаемых, и что жизнь есть лишь один из возможных результатов химического процесса — все это на сегодня является известной всем данностью[25].

Что такое «землеподобная планета»?

Вероятно, это такой земной шовинизм, но вероятно также и то, что во Вселенной возможна только жизнь, подобная земной. Так или иначе, но приоритетом в исследованиях экзопланет является обнаружение планет, похожих на нашу. Возникает вопрос: а что такое планета, подобная Земле?

Есть множество определений. В самых обстоятельных указано, что такие планеты имеют скальную поверхность (не ледовую) и очень плотное ядро. В наиболее исчерпывающем варианте определения отмечается, что планета должна иметь необходимые условия для жизни, «какой мы ее знаем», включая умеренные температуры и атмосферу, которые бы позволяли образовываться жидкой воде на планетарной поверхности. Понятие «землеподобная» часто используется для обозначения планеты, похожей на нашу в ее современном состоянии, однако мы же знаем, что Земля очень изменилась за последние 4,567 млрд лет — с момента возникновения. В разные периоды своего бытия наша «землеподобная» планета не могла иметь вообще никакой жизни, и на протяжении более чем половины ее истории усложненная жизнь, вроде многоклеточных животных и высших растений, существовать не могла.

Влага же, скорее всего, была на Земле почти всегда. За 100 млн лет формирования Луны, когда в еще только образующуюся Землю врезалось небесное тело, похожее на Марс, на нашей планете точно была жидкая вода. В крошечных песчинках были найдены остатки циркона[26], возраст которого с помощью радиометрии датируется 4,4 млрд лет. В них есть изотопные признаки океанической воды, которую впитала мантия Земли в процессе плитотектонической активности. Хотя Солнце на ранних этапах земной истории было не таким активным, тем не менее присутствовало много газов, которые создавали парниковый эффект и согревали поверхность планеты. Еще более важной была вулканическая деятельность молодой Земли — в десятки раз более мощная, чем солнечная активность, и поэтому пары, вырывающееся из недр, согревали и океан, и сушу. Некоторые астробиологи считают, что жизнь не могла возникнуть на планете, пока та сильно не остыла за первый миллиард лет своей истории, а это является причиной полагать, что жизнь, возможно, зародилась на другой планете, такой как Марс. Но есть еще одна землеподобная планета в Солнечной системе — Венера.

Раньше Венера, скорее всего, находилась в обитаемом поясе Солнечной системы[27], хотя теперь температура ее поверхности равна около +500 °C из-за парникового эффекта, который, вероятно, уничтожил все живое на поверхности (некоторые думают, что в атмосфере Венеры возможно существование живых микробов, хотя мы считаем, что вряд ли). Геологические пласты Марса однозначно свидетельствуют о наличии в какой-то из периодов его истории жидкой воды, даже рек и ручьев, которые могли обкатывать камни и образовывать веерообразные дельты[28]. Сегодня вода на Марсе исчезла либо существует в виде льда или редкого пара в атмосфере, почти равной вакууму. Предположительно, меньшая масса Марса не позволила развиться плитотектоническим процессам, необходимым для перемещения планетарной коры, это ослабило температуру в его ядре, состоящем из металлов, что привело к невозможности сформировать магнитное поле, способное удерживать атмосферу, и из-за большей удаленности от Солнца. Красная планета легко превратилась в постоянную «планету-снежок». Если на Марсе и существовала когда-то жизнь, то теперь она сохранилась только под поверхностью, поддерживаемая слабой геохимической активностью радиоактивного распада.

Около 4,6 млрд лет назад[29] Земля образовалась слиянием нескольких планетных «кирпичиков», или малых тел, состоящих из твердых пород и застывших газов, конденсированных в плоскости эклиптики. 4,567 млрд лет назад (и датировать оказалось проще, и запомнить легче) в формирующуюся Землю, по всей вероятности, врезался небесный объект с Марс величиной, что привело к смешению никелево-железных ядер сплавленных в Протоземлю планет. Тогда же образовалась Луна — из кремниевых паров, возникших сразу после столкновения. Следующие несколько сотен миллионов лет планету безжалостно бомбардировали многочисленные метеориты.

Температуры, подходящие скорее для кипящей лавы, и энергетические выбросы от постоянной метеоритной бомбежки, естественно, создали невыносимые для существования жизни условия на поверхности Земли[30]. Энергия, возникающая от бесконечного потока астероидов и метеоритов, около 4,4 млрд лет назад порождала температуру, способную плавить скалы и держать их в таком расплавленном состоянии. Не было никаких шансов, чтобы на поверхности сохранялась жидкая вода.

Новая планета стала быстро изменяться после основного слияния исходных тел. Около 4,56 млрд лет назад у Земли начали образовываться различные слои. Внутри из железа и никеля сформировалось ядро, которое окружила мантия — менее плотный слой. Над мантией возник тонкий, быстро затвердевающий и еще менее плотный слой земной коры, состоящий из твердых горных пород, а над ним клубилась атмосфера — пар и углекислый газ. Несмотря на то что поверхность оставалась безводной, большие запасы воды оказались заперты внутри планеты и вырывались наружу в виде пара. Поскольку более легкие элементы поднимались наверх, а более тяжелые опускались, вода и другие летучие соединения были извергнуты из недр Земли и заполнили атмосферу[31].

22

В NASA организовали обсуждение взглядов на проблему (science1.nasa.gov-science-news-science-at-nasa-2003-020ct_goldilocks-are). Также к ознакомлению рекомендуется следующий источник: S. Dick, «Extraterrestrials and Objective Knowledge» в работе A. Tough, When SETI Succeeds: The Impact of High-Information Contact (Foundation for the Future, 2000): 47–48.

23

Хотя статья Джеффри Марси не относится к революционным, данная работа позволяет получить достаточное представление о теме: G. Marcy et al. «Observed Properties of Exoplanets: Masses, Orbits and Metallicities,» Progress of Theoretical Physics Supplement no. 158 (2005): 24–42.

24

D. McKay et al., «Search for Past Life on Mars: Possible Relic Biogenic Activity in Martian Meteorite AL84001,» Science 273, no. 5277 (1996): 924-30.

25

P. Ward, Life as We Do Not Know It: The NASA Search for and Synthesis of Alien Life (New York: Viking, 2005); P. Ward and S. Benner, «Alternative Chemistry of Life,» in W. Sullivan and J. Baross, eds. Planets and Life: The Emerging Science of Astrobiology (Cambridge: Cambridge University Press, 2008): 537-44.

26

W. K. Hartmann and D. R. Davis, «Satellite-Sized Planetesimals and Lunar Origin,» Icarus 24, no. 4 (1975): 504-14; R. Canup and E. Asphaug, «Origin of the Moon in a Giant Impact Near the End of the Earths Formation,» Nature 412, no. 6845 (2001): 708-12; A. N. Halliday, «Terrestrial Accretion Rates and the Origin of the Moon,» Earth and Planetary Science Letters 176, no. 1 (2000): 17–30; D. Stoffler and G. Ryder, «Stratigraphy and Isotope Ages of Lunar Geological Units: Chronological Standards for the Inner Solar System,» Space Science Reviews 96 (2001): 9–54.

27

A. T. Basilevsky and J. W. Head, «The Surface of Venus,» Reports on Progress in Physics 66, no. 10 (2003): 1699 1734; J. F. Kasting, «Runaway and Moist Greenhouse Atmospheres and the Evolution of Earth and Venus,» Icarus 74, no 3 (1985): 472–94.

28

D. H. Grinspoon and M. A. Bullock, «Searching for Evidence of Past Oceans on Venus,» Bulletin of the American Astronomical Society 39 (2007): 540.

29

Общие сведения о возрасте Земли можно почерпнуть из источника: G. B. Daliymple, The Age of the Earth (Redwood City’: Stanford University Press, 1994). Более детально данный вопрос рассматривается им же в «The Age of the Earth in the Twentieth Century: A Problem (Mostly) Solved,» Special Publications, Geological Society of London 190 (2001): 205–21.

30

Удары космических тел о поверхность Земли могли сильно повлиять на раннюю историю планеты и развитие живых организмов — именно этой проблеме Кевин Мейер и Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института впервые адресовали короткое письмо в редакцию Nature в 1988 г. («Impact Frustration of the Origin of Life,» Nature 331, no. 6157 (1988): 612–14.) Многие поддержали данный вопрос, включая Кевина Занли и Норма Слипа: K. Zahnle et al., «Cratering Rates in the Outer Solar System,» Icarus 163 (2003): 263–89; F. Tera et al., «Isotopic Evidence for a Terminal Lunar Cataclysm,» Earth and Planetary Science Letters 22, no. 1 (1974): 1–21. Проблему источников подобных ударов в недавнем времени обсуждали вновь. При этом учитывалось и возможное смещение внешних планет через несколько миллионов лет после столкновений (время, датируемое прохождением Солнца его главной последовательности): W. F. Bottke et al., «An Archaean Heavy Bombardment from a Destabilized Extension of the Asteroid Belt,» Nature 485 (2012): 78–81; G. Ryder et al., «Heavy Bombardment on the Earth at -3.85 Ga: The Search for Petrographic and Geochemical Evidence,» in Origin of the Earth and Moon, R. M. Canup and K. L. Tighter, eds. (Tucson: University of Arizona Press, 2000): 475–92.

31

О происхождении земной атмосферы было написано много книг, www.amnh.org-leam-pd-earth-pdf-evoliition_earth_atmosphere.pdf — хороший веб-сайт, посвященный роли живых организмов в этом процессе. Статья на тему: K. Zahnle et al., «Earths Earliest Atmospheres,» Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2, no. 10 (2010).