Джеймс Трефил, Майкл Саммерс

Воображаемая жизнь

Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных

Мы посвящаем эту книгу всем, кто борется с рассеянным склерозом или с болезнью Паркинсона.

Не сдавайтесь.

© Масленников К.Л., перевод на русский язык, 2024

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024

Предисловие

Мы живем в золотой век научных открытий. Одна за другой раскрываются перед нами великие тайны, над которыми ломали головы ученые прошлых веков. Сейчас мы, к примеру, знаем, что Вселенная начала свое существование 13,8 миллиарда лет назад, горячей и сверхплотной, и с тех пор все сильнее расширяется и все больше остывает. Знаем, что жизнь основана на химии и что химия жизни управляется молекулами, называемыми ДНК. Мы знаем и что сама поверхность нашей планеты постепенно меняет свою форму в такт хаотическим движениям огромных масс вещества в недрах, глубоко под нашими ногами. Наш взгляд на мир – и на наше место в нем – становится все яснее и осмысленнее.

И все же еще множество фундаментальных вопросов остается нерешенными. Одному из них – из числа наиболее древних и важных – посвящена эта книга. В самой простой из формулировок он звучит так: «Одиноки ли мы во Вселенной?»

По сути сейчас во всей Вселенной нам известна единственная форма жизни – та, что возникла на нашей собственной планете. Но мы не знаем, было появление этой жизни следствием рутинных химических и физических процессов, или то, что произошло на Земле, стало неким статистическим исключением, случайностью, ошибкой природы. Открытые за последние десятилетия тысячи прежде неведомых планет – обращающихся вокруг далеких звезд или странствующих по космосу в одиночестве – радикально изменили наши прежние представления. Теперь мы точно знаем, что наша Солнечная система – лишь одна из множества звездных систем нашей Галактики, а Земля – одна из миллиардов планет, достаточно благоприятных для зарождения и развития жизни. Но возникла ли в самом деле на этих планетах жизнь, и если да, то на что она похожа? Неужели мы – единственные мыслящие существа в Галактике?

В настоящий момент нам уже довольно много известно об этапах того пути, который привел к появлению жизни на Земле. Есть у нас и представления о том, как эволюционировала жизнь на нашей планете – от первого примитивного микроорганизма к нынешнему многообразию. Но большая часть истории жизни на Земле зависела от конкретных свойств окружающей среды, в которой происходило ее, жизни, поэтапное развитие, – от условий, сложившихся на нашей планете. Поэтому наш вопрос стоит сформулировать так: какими были бы эти этапы на экзопланетах – в условиях, радикально отличающихся от земных? Могла бы жизнь развиваться в этих условиях так же, как она развивалась на Земле? Или это развитие пошло бы совершенно иным путем? Насколько другим могло бы оно быть? И какие формы жизни могли бы возникнуть на множестве экзопланет, которых с каждым днем обнаруживается все больше и больше?

Конечно, размышляя над подобными вопросами, нельзя обойтись без изрядной доли фантастических допущений. Но есть, тем не менее, незыблемые законы природы, действующие во всей Вселенной одинаково, и на путях жизни, где бы эти пути ни пролегали, они ставят свои (хоть и не слишком жесткие) ограничения. Как университетские профессора (Джеймс Трефил – профессор физики, а Майк Саммерс – астрономии) мы обещаем в нашем повествовании держаться в этих границах и не нарушать их. И вы удивитесь, какое огромное разнообразие сценариев мы можем себе представить даже с учетом заданных нами рамок.

В первых пяти главах нашей книги мы рассказываем о ключевых принципах, на которых базируется наше исследование природы жизни. Мы поговорим об острейшей проблеме определения того, что вообще мы понимаем под словом жизнь (глава 3), затем обсудим «правила игры», по которым она зарождается и эволюционирует (глава 4). В главе 5 мы коснемся тех трудностей, с которыми сталкиваются ученые, когда пытаются обнаружить присутствие жизни на далекой планете.

После этого мы несколько изменим характер изложения – и здесь нам потребуются не только базовые научные знания, но и все богатство воображения. Мы рассмотрим несколько классов типичных экзопланет и попытаемся понять, как основные закономерности, управляющие развитием жизни, будут работать в существующих на этих планетах условиях. Мы поразмышляем также над вопросом о том, где и как могла бы зародиться жизнь в этих мирах, какие формы она могла бы принять, и наконец, как там могла бы появиться высокоразвитая технологическая цивилизация.

В конце каждой главы в этой части книги находится раздел «Майк и Джим», написанный в форме живого диалога авторов. В каждом из этих разделов мы фантазируем о том, как в мире, который мы описали, развилась не только жизнь, но и сложные технологии. И в каждом диалоге мы обмениваемся юмористическими аргументами, с помощью которых пытаемся доказать (или, наоборот, опровергнуть) утверждение, что тот вид жизни, который мы повстречали на только что описанной нами экзопланете, должен быть единственно возможной формой жизни во всей Вселенной. Идею этих диалогов подсказал нам написанный в 1941 году рассказ великого писателя‐фантаста Айзека Азимова «Приход ночи»: его сюжет разворачивается на воображаемой планете в системе шести звезд. По ходу повествования группа тамошних астрономов рассматривает теоретическую возможность существования жизни на планете, обращающейся вокруг одиночной звезды, и приходит к единогласному выводу – подобное совершенно невозможно! Ведь на такой планете живым существам приходилось бы проводить половину времени в темноте! Разговоры Майка и Джима написаны в том же ключе: они призваны помочь читателю избавиться от зашоренности и предрассудков в размышлениях о природе жизни и возможностях ее возникновения.

В наших странствиях по экзопланетам мы сосредоточимся изначально на поисках жизни «как у нас» – основанной на химии углеродосодержащих молекул. Однако в главе 15 мы расширим границы наших поисков еще сильнее. Сначала мы включаем в рассмотрение жизнь, «не такую, как у нас» – все еще основанную на химии, но не обязательно на химии углеродсодержащих молекул. Наконец, в главе 17 мы отбрасываем все ограничения и пытаемся представить себе жизнь «совсем не такую, как у нас» – жизнь, вообще не связанную с химическими процессами. Так мы обнаружим, что по мере того, как мы все сильнее и сильнее удаляемся от привычного нам мира, а научный фундамент нашей дискуссии становится все более шатким и неопределенным, наши картины гипотетической жизни все больше и больше напоминают сюжеты научной фантастики.

Скажем еще пару слов о единицах измерения. Когда мы приводим количественные данные, мы прежде всего озабочены тем, чтобы дать читателю общее представление о размерах объектов (планет, звезд, и т. п.), о которых идет речь.

И наконец прежде, чем мы отправимся в путешествие за пределы земного шара, нам осталось поблагодарить за советы друзей и коллег, в особенности доктора Джеффа Ньюмейера и доктора Ванду О’Брайен-Трефил. А за все ошибки, которые могут встретиться вам в книге, как обычно, несут ответственность только и исключительно сами авторы.

1

Heожиданная галактика

Кажется, сейчас буквально каждый день приносит нам известия об открытии во Вселенной чего‐то нового и неслыханного. Астрономы обнаруживают новые планеты – и даже целые системы планет – так часто, что за этими открытиями уже становится непросто уследить. Сводки новостей полны рассказов о новых планетах, новых свойствах нашего мироздания, новых способах, которыми Вселенная продолжает нас удивлять. Но нам хотелось бы кратно увеличить степень этого удивления и восхищения. Для этого мы просим вас подумать о живых существах, которые могли бы наряду с нами обитать в нашей Галактике – да и во всей остальной Вселенной за ее пределами. Представьте только, что кроме нас самих, кроме известных нам растений и животных, в этих бесчисленных новооткрытых мирах, существуют неизвестные нам формы жизни. И в качестве первого шага на этом пути мы предлагаем вам немного позаниматься арифметикой.

Немного математики

В нашей Галактике планет больше, чем звезд. Это вовсе не удивительно – стоит только вспомнить, что в Млечном Пути примерно 300 миллиардов звезд. Да, 300 000 000 000 – именно с таким количеством нулей. И даже у одной‐единственной из этих звезд, у нашего Солнца, уже общим числом больше 100 планет, лун и крупных астероидов. Каждое тело из этой системы имеет свои уникальные характеристики, и многие из них потенциально могут быть домом для живых организмов. Если эта ситуация типична и для других звезд нашей Галактики, то в ней должно быть примерно 30 триллионов таких объектов. Такие числа встречаются только в астрономии – ну, и еще при подсчете величины национального долга.

Из этих 30 триллионов гипотетических небесных тел мы к настоящему моменту открыли меньше 4000 – крохотную часть от общего числа. И все же, как говорится в нашей книге «Экзопланеты» (2017), даже в этом крохотном кусочке Вселенной разнообразие миров поражает воображение. Среди них есть планеты, орбиты которых лежат внутри атмосферы их материнской звезды, планеты, полностью покрытые водой, планеты, одиноко странствующие сквозь ледяную пустоту космоса и не связанные ни с какой звездой. Нам остается только с замиранием сердца пытаться угадать, какие еще удивительные миры будут открыты в будущем, когда наши инструменты станут еще точнее и чувствительнее.

Но из этих цифр можно сделать и более парадоксальный вывод. Попытайтесь представить себе мир настолько странный, насколько у вас хватит воображения, – мир, непохожий ни на один из тех, которые на сегодняшний день удалось обнаружить. Может быть, этот ваш мир отличается от Земли высокой концентрацией какого‐нибудь очень редкого элемента – скажем, иттербия. Возможно, при этом он представляет собой спутник бродячей планеты, вечно блуждающей в космическом мраке. Или же это мир вроде нашей Земли, где жизнь бурлит и на поверхности материков, и в глубинах океана, но полностью отличается по химическому составу. Или же пусть ваш воображаемый мир будет совершенно, абсолютно невероятным – может, его средняя плотность ниже, чем у воды, или наоборот, он сделан из чистого железа. Предположим, что вероятность возникновения такой планеты равна всего одному шансу из миллиона (кстати, примерно с такой же вероятностью в вас в этом году ударит молния). Так вот, даже при столь крохотной возможности того, что придуманный вами мир существует, вы можете твердо рассчитывать, что только в нашей Галактике найдется примерно 10 миллионов таких планет. Предположим, что шанс найти ваш фантастический мир упал до одного к триллиону – и все равно в Галактике останется «всего‐навсего» 10 000 таких планет. Так что, каким бы странным ни был ваш воображаемый мир, но, если в нем выполняются законы физики и химии, то среди реально существующих планет обязательно найдется что‐то очень на него похожее – настолько огромно число планет в нашей Галактике. По сути, мы можем объявить это главным тезисом, на котором будем строить наш разговор:

Если вы можете представить себе любой произвольный мир, в котором выполняются законы физики, то с заметной вероятностью такой мир действительно существует где‐то в нашей Галактике.

Ну а если эти цифры вас не очень впечатляют, вспомните тогда, что во Вселенной еще миллиарды галактик, похожих на нашу, и в каждой из них, скорее всего, расположилось примерно такое же число планет.

Что это говорит нам о жизни?

При столь невероятном разнообразии планет нам стоит ожидать, что на них мы обнаружим похожий или даже более высокий уровень разнообразия и изменчивости форм жизни. И это само по себе создает некоторую проблему: ведь нам знакома всего одна форма жизни – «как у нас», то есть основанная на химии углеродосодержащих молекул и требующая наличия жидкой воды. По сути, все биологическое разнообразие нашей Земли – результат одного‐единственного «эксперимента», проведенного всего в единственной из бесчисленного множества лабораторий Вселенной. Поэтому наша планета и все разнообразие земной жизни не помощники нам, когда, размышляя о невероятной сложности и разнообразии проявлений жизни в Млечном Пути, мы пытаемся задать какие‐то конкретные ориентиры. И все же наши ограниченные знания о жизни, как она устроена в пределах Земли, – все, чем мы располагаем. Поэтому мы обратимся к ним и постараемся извлечь из них всю возможную пользу.

Мы начнем наши исследования форм, которые жизнь теоретически могла бы принять в Галактике, с определения того, что мы назовем «правилами игры»: с основных принципов, следование которым сделало жизнь на Земле тем, чем она есть. Мы утверждаем, что важнейший из этих принципов – эволюция путем естественного отбора – должен работать почти в любых условиях в любом конце Галактики. Второй великий принцип – существование жизни на основе химии атомов углерода – скорее всего, окажется не настолько универсальным. И тем не менее – ведь проще иметь дело с чем‐то знакомым, – говоря о жизни, мы будем по возможности рассматривать варианты на основе привычной углеродной химии.

Итак, в нашем разговоре мы разделим все возможные формы жизни на три категории, уже упомянутые нами в предисловии: жизнь, похожая на нашу; жизнь, непохожая на нашу, и жизнь, совершенно непохожая на нашу. По очевидным причинам наибольшее и первоочередное внимание мы уделим первой категории. Определив основные правила, по которым мы исследуем вероятность возникновения и существования жизни, похожей на нашу, мы посмотрим, к каким результатам эти правила могли бы привести в различных средах, существующих на наших гипотетических экзопланетaх.

• Планета в обитаемой зоне: планета земного типа, расположенная на таком расстоянии от своей звезды, что на ее поверхности в течение продолжительного времени могут существовать океаны жидкой воды. Анализ условий на такой планете – самая простая задача, ведь одна планета в обитаемой зоне, сама Земля, уже достаточно хорошо нами изучена. Многие недавно открытые экзопланеты, такие, к примеру, как планета, вращающаяся вокруг ближайшей к Солнцу звезды, Проксимы Центавра, или три представительницы семейства из семи планет вокруг звезды TRAPPIST-1, находятся в обитаемой зоне, на таких расстояниях от своих звезд, что на поверхностях этих планет вода может достаточно долго оставаться в жидком состоянии.

• Планета с подповерхностным океаном: на такой планете океаны жидкой воды расположены между твердой каменной корой планеты и покрывающим воду сверху толстым слоем льда. Такие миры тоже существуют в нашей собственной Солнечной системе: подповерхностные океаны есть на Плутоне (см. раздел «Лингвистическое отступление» в главе 7) и некоторых спутниках внешних планет.

• Бродячая планета: планета, выброшенная из своей родной планетной системы и теперь блуждающая в межзвездном пространстве. Такие планеты‐изгнанницы вовсе не обязаны быть холодными и безжизненными – у них вполне могут быть такие же внутренние источники тепла, как и у других планет, и отсутствие света материнской звезды на притоке тепла от этих источников никак не сказывается.

• Водная планета: планета, вовсе лишенная суши. В таком мире ключевой особенностью становится разница между слоями воды, располагающихся на разных глубинах мирового океана. В земных океанах такие слои создаются массами воды, имеющими разную температуру и соленость, но на экзопланетах решающую роль могут играть другие факторы (к примеру, давление). Мы рассмотрим любопытную возможность того, что в различных слоях мира‐океана могут развиваться различные виды жизни – и здесь приходят на ум поистине фантастические сценарии. Вообразите, к примеру, войну между обитателями разных слоев: существа верхнего слоя забрасывают нижних водяными бомбами, а те обороняются, посылая вверх огромные воздушные пузыри.

• Планета с синхронным вращением: такая планета всегда обращена к материнской звезде одной и той же стороной – как Луна, которая всегда повернута одной стороной к Земле. Многие из уже открытых нами миров, как, например, планеты системы TRAPPIST-1, по всей вероятности, относятся именно к этому типу. Отличительная особенность таких миров – одна сторона планеты горяча как адское пекло, тогда, как другая вечно пребывает во тьме и мраке. Жизнь здесь способна развиться только в узкой пограничной зоне между льдом и пламенем. Дополнительная особенность такой планеты – яростные ветры, переносящие тепло со стороны, обращенной к светилу, на холодную сторону.

• Сверхземля: каменистая планета размеров, промежуточных между Землей и Нептуном. Таких планет, судя по всему, во Вселенной очень много, и наша Солнечная система, возможно, уникальна именно тем, что в ней такой планеты не оказалось. Вследствие большой массы такой планеты ее ключевая природная особенность – мощнейшая гравитация. Если на подобной планете живые существа обитают в толще океанов, сверхгравитация им не страшна, но если они решатся выйти на сушу, им придется в ходе своей эволюции выработать какую‐то стратегию борьбы с огромной силой тяжести. На Земле, в условиях более умеренной гравитации, у разных форм жизни развилось много самых разных стратегий: у растений – капиллярные системы, у насекомых – экзоскелеты или панцири, у млекопитающих – собственно скелет. Но какие стратегии возникли бы на Земле, если бы ее притяжение было сильнее вдвое? Вдесятеро? И если бы рептилии приспособились к настолько мощной гравитации, обзаведясь в ходе эволюции плавательным пузырем, наподобие рыбьего, разве не могли бы они в конце концов превратиться в летающих драконов, способных парить в плотной атмосфере такой планеты?

Рассматривая подобные возможности, мы можем постепенно отступать от нашей первоначальной, достаточно жесткой и инвариантной картины мира все дальше и дальше, и задуматься уже о существовании жизни, совсем непохожей на нашу. Мы будем делать это поэтапно, одну за другой отбрасывая привычные и представляющиеся нам единственно удобными характеристики форм жизни.

Что, если мы рассмотрим возможность существования жизни на основе не углерода, а чего-нибудь другого? Возьмем, к примеру, кремний: он расположен в периодической таблице сразу под углеродом. У них много похожих свойств, и из‐за этого кремнийорганическая жизнь уже несколько десятилетий остается популярной темой в научной фантастике. Один из самых известных примеров – вышедший в 1967 году эпизод сериала «Star Trek» («Звездный путь»), в котором шахтеры на далекой планете натыкаются на живущих в толще камня и поначалу настроенных к людям враждебно кремнийорганических существ. Мы подробно поговорим о планетах, на которых могли бы появиться на свет подобные существа.

Зададимся мы и еще рядом вопросов: например, смогли бы мы распознать жизнь в таких существах, если бы увидели их? Восприняли бы мы формы жизни на основе кремния как живых существ, или сочли бы их простыми булыжниками? Чем дальше от привычных форм жизни мы отходим, тем сложнее становится отвечать на такие вопросы: ведь жизнь могла бы основываться в числе прочего на элементах, редко встречающихся на Земле, но широко распространенных за ее пределами. К такому выводу ученые пришли совсем недавно, опубликовав труд, в котором каталогизированы встречающиеся в составе других звезд (а значит, по всей вероятности, и в составе планет, обращающихся вокруг них) различные химические соединения. И если дать волю воображению, мы сможем представить себе самые разные формы жизни, совершенно непохожей на привычные нам, – жизнь нехимическую, жизнь, не следующую законам естественного отбора. В конечном счете главный вопрос, интересующий нас, мы можем сформулировать так: при всей невероятной сложности и разнообразии, уже открытых и гипотетически возможных экзопланет, обнаружим ли мы такие же сложность и разнообразие среди живых существ на этих планетах?

2

Возможности и ограничения

Вселенная, управляемая законами

Наше исследование потенциального возникновения жизни где‐нибудь еще в Галактике, за пределами Земли, возможно благодаря двум общим принципам, и они же определяют границы такого исследования. Вот эти принципы:

1. Физическая Вселенная управляется относительно малым числом общих законов.

2. Физические законы, которые действуют сейчас на Земле, применимы к любой точке Вселенной во все времена.

Эти идеи являются основой мышления любого ученого. Они с самого начала были значимой частью образования авторов этой книги. По сути, эти идеи – пример того, что антропологи называют «базовыми убеждениями». Эти убеждения настолько важны для племени или другой группы людей, что их даже не принято лишний раз проговаривать. Их просто принимают на веру и разделяют всей группой безо всяких вопросов.

Авторы, однако, постепенно осознали, что эти два базовых убеждения не так уж хорошо известны широкой публике и уж тем более не являются для нее какими‐то аксиомами. Не то чтобы большинство людей считало их неверными – просто, когда люди задумываются о глобальных вопросах, таких как существование внеземной жизни, эти правила просто не приходят им в голову. Поэтому, вероятно, следует уделить немного времени обсуждению базовых принципов – чему и посвящена данная глава. Ниже мы поговорим об основных законах физики и химии, которыми мы и будем руководствоваться на всем протяжении этой книги, размышляя о гипотетической внеземной жизни.

Общие правила

Начнем с тех аспектов науки, которые описывают окружающий нас привычный мир: мир объектов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Законы, которые управляют нашим привычным миром, часто называют «классической физикой». Их можно представить себе как три гигантских столпа, на которых держатся все наши знания о мире. Давайте же взглянем на эти законы, прежде чем двинуться в более сокровенные области познания.

Механика

Первая система законов, которые управляют нашей повседневной жизнью, была сформулирована английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727). Эти законы описывают движение материальных объектов, а соответствующая им область науки называется механикой. Возможно, это один из древнейших предметов интереса физиков. Со времен Древней Греции мыслители пытались дать исчерпывающее описание движения, но не слишком‐то в этом преуспели. Ньютон же разработал новый математический аппарат, который мы теперь называем дифференциальным и интегральным исчислением, и при его помощи наконец‐то сумел вывести законы движения летящих тел (то есть объектов, брошенных или как‐то иначе запущенных в воздух). Сформулированные им правила – мы называем их законами движения Ньютона – довольно просты:

1. Объект сохраняет свое состояние движения или покоя, пока на него не подействует сила.

2. Ускорение объекта пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе.

3. Всякое действие вызывает равное ему по силе противодействие.

Эти законы верны для любого движущегося объекта, в любом месте Вселенной – важный пункт, к которому мы скоро вернемся. По сути, первый закон объясняет нам, как понять, что на объект действует сила, а второй – что именно происходит, когда она действует. Однако в таком виде эти законы ничего не говорят нам о том, какие силы вообще могут существовать в природе; только объясняют, как именно силы влияют на движение объектов. Поэтому дальше мы рассмотрим те силы, которые управляют поведением планет.

Закон всемирного тяготения – возможно, самый прославленный вклад Ньютона в науку. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной существует сила притяжения – мы называем ее тяготением или гравитацией, – пропорциональная массам этих двух объектов и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. (Другими словами, если вы удвоите массу одного из объектов, вы удвоите и действующую между этими объектами силу; удвойте расстояние между объектами, и сила притяжения между ними уменьшится вчетверо.)

Вот и все, именно настолько просто. Но Ньютон даже не предполагал, что, пользуясь его законами, мы сможем определять массы планет, обращающихся вокруг звезд за много триллионов миль от Земли. Например, как мы будем говорить в главе 5, один из самых эффективных способов регистрации экзопланет состоит в том, что мы наблюдаем слабое потускнение звезды, когда экзопланета проходит между своей звездой и нами. Мы называем это явление прохождением. Определив время между последовательными прохождениями, мы можем на основании законов Ньютона рассчитать, насколько далеко от материнской звезды располагается планета. Объединив эту информацию с известной нам температурой поверхности звезды, мы получим ответы на такой вопрос, как «Может ли на поверхности этой планеты существовать жидкая вода?» А на основании этого мы сможем говорить о гипотетически возможной жизни в других мирах.

Такого применения законов Ньютона его современники не могли себе даже представить! При этом, однако, мы должны подчеркнуть: значение ньютоновской картины Вселенной гораздо больше решения прикладной задачи поиска экзопланет. Можно, по сути, утверждать, что появление и развитие ньютоновской механики заложило основы само́й современной науки, определило границы ее возможностей: от теоретических предсказаний эффектов, которые еще только предстоит открыть и изучить, до проверки этих предсказаний на практике, в суровых условиях реального мира. В каком‐то смысле все технические достижения современной цивилизации есть прямое следствие ньютоновского подхода к изучению природы.

Можно пойти и еще дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы мы можем уподобить точным часам. Движение планет похоже на движение часовых стрелок, законы, которым подчиняется это движение, – на слаженную работу шестеренок часового механизма. Если же мы приложим эту мысленную схему ко всей Вселенной, перед нами предстанет мир упорядоченный, правильный и предсказуемый. Ньютоновский мир напоминает огромный часовой механизм, в котором попросту невозможны неожиданности, непредвиденные события и внезапные повороты. К примеру, летающие драконы, которых мы описали в предыдущей главе, смогли бы держаться в воздухе, только если бы подъемная сила их модифицированных плавательных пузырей оказалась бы больше силы тяготения планеты. А их способность управлять собственным полетом зависела бы одновременно от подъемной силы их крыльев и от собственной массы наших драконов. Даже волшебные сказки – и те подчиняются законам Ньютона!

Взгляд на мироздание как на высокоточный механизм распространился далеко за пределы естественных наук, да и науки в целом. Некоторые ученые даже заявляют, что своей конституцией Соединенные Штаты Америки тоже обязаны Исааку Ньютону! Согласно их концепции, отцы‐основатели верили, что если Ньютон сумел открыть законы, которым неукоснительно подчиняется вся Вселенная, то и они смогут понять и сформулировать законы, на основании которых можно будет построить идеальное общество. Увы! Очень скоро увидим, что XX век не пощадил представление о царящем в природе порядке и предсказуемости. Но прежде, чем ученые с сожалениями отказались от этого тезиса, на основе идеи концепции Вселенной – часового механизма успели развиться еще две крупнейших области науки – остальные два столпа, на которые мы будем опираться, продолжая разговор о жизни на экзопланетах.

Электричество и магнетизм

Как статическое электричество (сила, из‐за которой шерстяные носки и махровые полотенца после сушки в стиральной машинке цепляются друг за друга), так и магнетизм (сила, благодаря которой можно вешать магнитики на дверцу холодильника) известны людям с глубокой древности. Древние греки считали электричество весьма любопытным природным явлением; они даже знали о том, что электрический заряд бывает двух разных видов (сегодня мы называем их положительными и отрицательными) и что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Однако до самого XVIII столетия этим знания людей об электричестве, в общем, и ограничивались – все равно никакой практической пользы извлечь из существования статического электричества не получалось.

С магнетизмом дело обстояло иначе. Во‐первых, довольно быстро люди обнаружили природные магниты – оксид железа, более известный нам как магнетит или магнитный железняк. Об открытии природных магнитов существует множество легенд. Согласно одной из них, один древнегреческий (по другой версии – македонский) пастух по имени Магнес заметил, что мелкая каменная крошка пристает к гвоздям на его подметках. (От его имени, по этой легенде, и возникло само слово «магнетизм».) Другая история рассказывает, что где‐то в Эгейском море был остров, полностью состоявший из магнетита, и если корабль подходил к нему слишком близко, то железные гвозди, которыми были сшиты деревянные части корабля, тут же выскакивали наружу.

Легенды легендами, но у природных магнитов было одно крайне важное и полезное свойство. Кусочки магнетита всегда принимали строго определенное положение относительно севера и юга, и их можно было использовать в качестве компаса. А компас был очень полезным инструментом – он позволял людям ориентироваться по сторонам света даже в совершенно незнакомой местности. Компас стал поистине бесценным для моряков в открытом океане или каравана, бредущего через пустыню. В Китае простейшие компасы из магнитного железняка использовались еще в IV веке до нашей эры. А позже, в IX и X столетиях нашей эры, когда викинги из Скандинавии устраивали набеги на Европу, они тоже ориентировались в море или в густом тумане при помощи компасов, сделанных из железняка.

Последующее изучение электричества и магнетизма выявило два их ключевых свойства. Родившийся примерно за 100 лет до Ньютона английский ученый Уильям Гильберт (1544–1603), придворный медик королевы Елизаветы I, открыл основной закон, управляющий поведением магнитов. Магнитные полюса не могут существовать самостоятельно, в отрыве друг от друга – поэтому у каждого магнита всегда есть оба полюса (сейчас мы называем их северным и южным). Затем родившийся почти 10 лет спустя после кончины Ньютона французский ученый Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) тщательно изучил силу, возникающую между электрическими зарядами, и выяснил, что ее действие можно описать простым уравнением, очень похожим на ньютоновские законы тяготения. (Так как в дальнейшем это уравнение нам не понадобится, мы не станем его здесь приводить.)

Так обстояли дела, когда началась промышленная революция. У людей было некоторое общее представление о статическом электричестве и магнетизме, но какой‐то связи между этими явлениями природы никто не видел. Понимание этой связи появилось, как это часто происходит в науке, как результат новых достижений в технике. Итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1837) изобрел устройство, которое он назвал «электрическим столбом», а мы называем батареей. Это устройство вырабатывало подвижные электрические заряды – проще говоря, электрический ток. Это была новая, прежде неведомая форма электричества. Эксперименты с электрическим током и привели в конечном счете к глубокому пониманию природы электричества и магнетизма.

Стена, с давних времен разделявшая в представлении людей электричество и магнетизм, дала трещину во время лекции по физике в Копенгагене. Лектор, датский физик Ханс Христиан Эрстед (1777–1851), демонстрируя студентам новое устройство Вольты, вдруг заметил, что каждый раз, когда батарея Вольты дает ток, стрелка лежавшего поблизости компаса приходит в движение. Таким образом оказалось, что движущиеся электрические заряды обладают магнетическими свойствами! Электричество и магнетизм оказались связанными явлениями! Но на установление природы этой связи ушло еще много времени.

Вероятно, за один только сегодняшний день вы, сами того не зная, уже неоднократно воспользовались результатами открытия Эрстеда: ведь из него логически следует изобретение электромотора. И когда вы, нажав кнопку, поднимаете стекло в окне вашей машины или делаете в миксере томатное пюре, вы – даже не задумываясь – пожинаете плоды этого открытия.

Спустя еще десятилетие английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) наконец поставил на место последний кусочек этой мозаики. Он обнаружил, что, если вы изменяете магнитное поле вблизи провода (например, положив магнит в петлю из медной проволоки), по проводу проходит ток, даже если к нему не подсоединен никакой источник электроэнергии.

Таким образом, разговор об электричестве мы можем кратко изложить в виде четырех тезисов:

1. Разноименные электрические заряды притягиваются; одноименные отталкиваются (закон Кулона).

2. Не существует изолированных магнитных полюсов.

3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля.

4. Переменные магнитные поля порождают электрические токи.

Эти четыре тезиса, записанные в виде формул, играют в области электричества и магнетизма такую же роль, какую законы Ньютона играют в механике. Они исчерпывающе описывают все, что нам известно об этих явлениях. Таким образом, мы возвращаемся к ситуации, когда множество сложных природных явлений описывается несколькими простыми короткими законами.

Мы еще много раз будем обращаться к сформулированным выше тезисам об электричестве и магнетизме, рассуждая о возможности жизни на экзопланетах. В главе 13, например, мы поговорим о том, как могут повлиять на биосферу планеты корональные выбросы массы – гигантские пузыри ионизованного газа, вырывающиеся из недр Солнца. Их образование и движение описываются именно законами электромагнетизма – а ведь они способны разрушить даже высокоразвитую технологическую цивилизацию вроде нашей за какие‐то несколько часов. Поговорим мы и о том, что у Марса, в отличие от Земли, нет магнитного поля. Это позволяет солнечному излучению воздействовать непосредственно на поверхность планеты и, с вероятностью, уничтожать на ней любые возможные проявления жизни. Законы электричества и магнетизма будут особенно важны, когда мы будем говорить о развитии жизни, совершенно непохожей на нашу, – ведь взаимодействие электрических и магнитных полей позволяет нам задать и описать тот уровень сложности, который мы видим в жизни, существующей по законам химии. Но истинная важность этих тезисов состоит в том, что они – самый ценный инструмент в наборе средств, с помощью которого мы выбираем направления для поиска жизни во Вселенной и который позволяет нам осознать ограничения, накладываемые природой на возможность возникновения и развития жизни на различных экзопланетах.

Записанные нами законы обычно называют уравнениями Максвелла, в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879). Хотя сам он не открыл ни одного из этих законов, но именно он первым осознал, что эти законы представляют собой стройную математическую систему, связывающую воедино электричество и магнетизм. Максвелл был одним из ведущих математиков своего времени – он работал над теми разделами высшей математики, которые мы сейчас называем частными дифференциальными уравнениями и векторным анализом. Когда он применил эти методы исчисления к математической формулировке четырех законов электромагнетизма, то получил поистине удивительный результат. Из его уравнений логически следовало, что, когда электрические заряды ускоряются, они должны излучать некие волны. Такие волны, в свою очередь, должны состоять из колеблющихся электрического и магнитного полей и перемещаться в пространстве со скоростью, определяемой воздействием сил, возникающих между электрическими зарядами и магнитными полюсами, – а так как эти силы были известны, то и скорость можно было вычислить.

Должно быть, Максвелл был потрясен, когда рассчитал численное значение этой скорости – она оказалась равной скорости света, примерно 300 000 км/с. Свет оказался еще одной формой электромагнитного излучения. Таким образом, носок, прилипший к полотенцу, магнит, удерживающий список неотложных дел на дверце холодильника, и ваша возможность читать этот текст – поскольку именно свет позволяет вам видеть и распознавать буквы – связаны напрямую и являются проявлениями одного и того же физического явления.

И это еще не все. Видимый свет состоит из волн, длина которых составляет от примерно 4000 до 8000 атомов. Но из уравнений Максвелла следует, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. В конце XIX века была открыта целая плеяда таких волн – сначала открыли радиоволны, потом и другие диапазоны электромагнитного спектра: как микроволновые и инфракрасные лучи, обладающие большей длиной волны, чем видимый спектр, так и более коротковолновые ультрафиолетовые, рентгеновские и наконец гамма‐лучи. Кроме того, выяснилось, что с уменьшением длины волны увеличивается энергия, которую эта волна переносит. Иначе говоря, возьмите волну видимого света и растяните ее – получится радиоволна; сожмите – и вот перед вами рентгеновские лучи.

Электромагнитные волны дают нам основную часть информации, которую мы в принципе можем получить об экзопланетах. Эти волны летят к нам со скоростью света. Каждая разновидность излучения описывает отдельное явление или ряд явлений – например, рентгеновские лучи рассказывают о событиях, сопровождающихся выделением огромного количества энергии, а инфракрасное излучение – о явлениях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако почти все эти лучи, кроме радиоволн и видимого света, обычно поглощаются атмосферой Земли. Поэтому так много необходимых нам научных данных о космических телах мы получаем с приборов и датчиков, установленных на обращающихся вокруг Земли искусственных спутниках, и путем наблюдения через наземные телескопы. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого впервые было описано уравнениями Максвелла, – наш основной инструмент для изучения условий на экзопланетах и (о чем мы будем говорить в главе 5) поиска жизни во Вселенной за пределами Солнечной системы.

Термодинамика

Последний столп, на который опирается здание классической науки, – термодинамика. Это название происходит от сочетания корней термо (тепло) и динамика (наука о движении.) Таким образом, термодинамика как наука описывает движение (то есть передачу) тепла (а в более широком смысле – и других форм энергии). Как и с механикой, электричеством и магнетизмом, наши знания в этой области науки тоже можно сформулировать в виде достаточно небольшого числа законов – в общем случае мы будем говорить о двух. Они называются первым и вторым законами (или «началами») термодинамики:

1. Различные формы энергии могут переходить друг в друга, но полная энергия изолированной системы должна оставаться постоянной (сохраняться) с течением времени.

2. В изолированной системе величина энтропии (меры беспорядка) со временем может увеличиваться или оставаться неизменной, но не уменьшаться.

Первый из этих законов является одним из ключевых моментов в понимании устройства Вселенной, поскольку он гласит, что энергию вообще нельзя создать или уничтожить – она может только переходить из одной формы в другую. Таким образом, энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой экзопланете), нам имеет смысл представлять себе в виде некоторого потока. Он откуда‐то (если говорить о Земле – от Солнца) приходит, проходит через биосферу и в конце концов возвращается в космическое пространство в виде инфракрасного излучения. В каждом отдельном случае гипотетической инопланетной жизни, который мы будем рассматривать в этой книге, одним из первых наших действий будет подсчет и исследование всех имеющихся источников энергии. В ряде случаев в роли основного источника энергии будет выступать материнская звезда. Но могут существовать и другие варианты. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, не зависящие от Солнца, – они располагаются на дне океана в глубоководных расщелинах, к которым из недр Земли поднимается тепловая и химическая энергия. Похожие структуры наверняка возможны и на экзопланетах, и в наших рассуждениях о внеземной жизни мы еще будем о них вспоминать.

Второе начало термодинамики будет для нас принципиально важно, когда мы займемся определением самого понятия жизни (глава 3), а также когда станем говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16.) Здесь дело в том, что все живые системы, из чего бы они ни состояли, должны быть в высокой степени упорядочены, а второй закон термодинамики как раз говорит о категории порядка как таковой. Основное правило, которое следует из этого закона и является ярчайшим его проявлением, заключается в том, что если вы создаете в одном месте упорядоченную систему – а именно ею и является жизнь, – то вы должны заплатить за это увеличением беспорядка в каком‐то другом месте.

Итак, подведем итог. В классической ньютоновской картине мира Вселенная функционирует, подчиняясь девяти законам природы: трем законам механики, четырем законам электричества и магнетизма и двум законами термодинамик. Все, что происходит в любой точке Вселенной, в конечном счете можно описать и объяснить системой уравнений, которая легко поместится на футболке. И тем не менее эта картина Вселенной, при всей ее красоте и убедительности, оказывается в конечном счете слишком упрощенной.

Новая физика

Можно иногда услышать, что главные открытия физики XX века – теория относительности и квантовая механика – доказали, что ньютоновское мировоззрение полностью ошибочно. Мы категорически не согласны. Ньютоновский взгляд на Вселенную основан на результатах экспериментов, производимых над объектами, которые, как мы уже говорили выше, можно отнести в категорию предметов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Новая физика расширила кругозор научного мировоззрения, вынесла его далеко за эти пределы. Теория относительности, например, рассматривает объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, или обладающие огромной массой. Квантовая механика, напротив, занимается изучением объектов атомного или субатомного масштаба. Но если мы применим законы обеих этих областей науки к предметам нормальных размеров, движущимся с нормальной скоростью, то перед нами предстанут уже знакомые законы ньютоновской Вселенной, которые мы перечислили выше. Поэтому инженеры, проектирующие скоростные автомагистрали и железнодорожные мосты, продолжают изучать ньютоновскую механику.

Получается, что в лучшем случае новые области науки могут разве что добавить парочку новых законов к уже сформулированной «великолепной девятке». Теория относительности, к примеру, построена на следующем базовом принципе: законы природы неизменны во всех системах отсчета. В оставшейся части нашей книги мы довольно редко будем обращаться к этой теории – но она играет важную роль в поисках планет, странствующих в межзвездном пространстве в одиночку. Мы называем такие планеты бродячими (см. главу 11.)

Квантовая механика очень отличается от теории относительности. Внутри атома физические явления протекают совершенно иначе, не так, как в нашем повседневном бытовом опыте. В мире квантов нет ничего постоянного и непрерывного, и при этом почти все явления взаимосвязаны и влияют друг на друга. И хотя пока ученые не пришли к единому мнению о том, как интерпретировать получаемые в этой странной области знаний результаты, в большинстве случаев мы будем касаться всего нескольких общих принципов, которые тоже можно добавить к нашему списку законов, описывающих устройство Вселенной.

Самые важные для наших целей открытия квантовой механики состоят в том, как она объясняет излучение и поглощение света атомами. В отличие от планет, обращающихся по орбитам вокруг звезд, электроны неспособны занимать любую произвольную орбиту вокруг ядра атома. Их выбор ограничен строго определенными вариантами. Атом испускает электромагнитное излучение (в том числе – видимый свет), когда электрон перемещается с более далекой от ядра орбиты на более близкую. Верно и обратное: атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота этого излучения, испускаемого или поглощаемого, – для видимого света она соответствует цвету лучей – зависит от разности энергий на исходной и конечной орбитах. Так возможные положения орбит у атомов одного химического элемента отличаются от их положений у атомов другого, спектр испускаемого или поглощаемого атомом излучения выступает в роли своеобразного «отпечатка пальца», помогая нам распознать присутствие тех или иных атомов. На этом базируется целая область науки, называемая спектроскопией, – мы поговорим о ней в главе 5. Там мы расскажем, о том, как данное частное следствие квантовой механики дает нам прекрасный инструмент для определения возможности жизни возле других звезд.

Итак, представление об устройстве Вселенной сводится к поиску немногочисленных универсальных законов наподобие тех, о которых мы уже говорили выше. Громадное упрощение картины мира, начавшееся с законов Ньютона, дает нам надежду на то, что упрощение того же типа произойдет и в будущем, когда мы лучше разберемся в новых областях физики. Эта надежда ведет современных физиков в их попытках создать то, что (отчасти в шутку) называют «теорией всего». Этот идеал – единое уравнение, из которого можно было бы вывести как все уже перечисленные принципы, так и те, что еще только предстоит открыть. Такая теория, как следует из самого ее названия, объяснила бы все.

Конечно, пока очень далеко от создания подобной теории, а многие серьезные ученые вообще сомневаются в том, что она может существовать. Кроме того, в наших поисках внеземной жизни эта теория нам совершенно не нужна. Но согласитесь, интересно пофантазировать, как может выглядеть техника будущего, основанная на достижениях «теории всего».

Принцип Коперника

Еще один глобальный принцип, который будет указывать нам путь в исследованиях внеземной жизни, тесно связан с именем польского клирика Николая Коперника (1473–1543), прославившегося созданием математической модели Солнечной системы с Солнцем, а не Землей в качестве центра. Это стало первым шагом на долгом пути к пониманию того очевидного для нас сейчас факта, что наша родная планета не представляет из собой ничего особенного и уникального. Это просто каменный шар, обращающийся вокруг совершенно обычной звезды в ничем не примечательной части такой же заурядной галактики – одной из миллиардов галактик в только наблюдаемой части Вселенной. Некоторых людей такой взгляд на Вселенную глубоко огорчает – по их мнению, он каким‐то образом принижает человечество. Мы предпочитаем смотреть на этот шаг на пути познания мира иначе: для нас в осознании заурядности нашей планеты таится драгоценный дар. Ведь из него следует, что законы природы, которые мы открываем сегодня и сейчас, действуют во всей Вселенной и остаются верными во все времена.

Древние греки, первопроходцы на пути человечества к современной науке, представляли себе Вселенную совершенно иначе. В их космологии Земля находилась в центре мироздания и занимала особое, отличное от всего остального мира положение. Вся материя на Земле состояла из четырех элементов: собственно земли, огня, воздуха и воды. В небесах, однако, существовал еще один, пятый, элемент, называемый эфиром или квинтэссенцией. Кроме того, на небесах все было идеальным – небесные сферы несли планеты и звезды по (более или менее) круговым маршрутам, и, в отличие от Земли, небесные тела не имели никакого изъяна. (Таким образом, обнаруженные Галилеем при помощи его телескопа лунные кратеры и пятна на Солнце не умещались в стройную картину аристотелевской космологии.) Другими словами, у древних греков было две системы законов природы – одна действовала на Земле, другая на небе.

Устранил это двузаконие наш старый друг Исаак Ньютон. Если верить народной истории, в том виде, в каком она дошла до нас много лет спустя, однажды, прогуливаясь в родительском саду, Ньютон увидел, как с ветки упало яблоко. Тут же, подняв глаза к небу, он разглядел в небе Луну. Он знал, что яблоки падают под действием притяжения Змли – силы, подробно изученной и описанной Галилеем и другими учеными. Однако кроме этого Ньютону было известно, что Луна движется не по прямой линии, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) Ньютон сделал вывод, что на Луну должна действовать сила для того, чтобы она оставалась на своей орбите, – иначе Луна тут же улетела бы в космическое пространство. И тогда Ньютон задал себе вопрос, который нам теперь кажется очевидным, но от того, кто задает его в первый раз, требует гениальности: не может ли быть так, что сила, которая заставляет яблоко падать вниз, и сила, которая удерживает и Луну на ее орбите, – это одна и та же сила?

Ответ на этот вопрос, конечно же, утвердительный. В наши дни мы отлично понимаем, что сила, описанная Ньютоном, и есть та самая сила, описываемая законом всемирного тяготения. Иначе говоря, между притяжением тел небесных и земных нет совершенно никакой разницы. Это открытие и стало первым доказательством, подтверждавшим принцип Коперника – что законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, точно так же выполняются повсюду во всей Вселенной.

С XVII века было накоплено огромное количество данных, только подкрепляющих это утверждение. Мы можем сравнить свет, испускаемый определенным атомом в лаборатории на поверхности Земли, со светом, испускаемым таким же атомом в какой‐нибудь отдаленной области нашей Галактики (или даже в какой‐нибудь другой галактике), – и этот свет будет точно таким же. Мы можем пронаблюдать распад радиоактивных ядер, происходящий при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиардов световых лет от нас, и сравнить его с распадом ядер тех же элементов в собственной лаборатории – и вновь получим совершенно одинаковые результаты. Все данные предельно четко свидетельствуют – Земля не представляет собой совершенно ничего особенного; физические законы, действующие на Земле, ничем не отличаются от тех, что действуют повсюду. Точка.

Кроме того, нельзя забывать, что когда мы смотрим на галактику в 1 000 000 000 световых лет от нас, мы видим свет, испущенный 1 000 000 000 лет назад и все это время добиравшийся до нас сквозь космос. Другими словами, мы смотрим в прошлое. Но тем не менее гора доказательств, с вершины которой мы можем теперь посмотреть на мир, свидетельствует: атом, испустивший свой свет миллиард лет назад в другой галактике, ничем не отличается от точно такого же атома, излучение которого мы сейчас регистрируем в нашей лаборатории. Законы физики и химии, действующие сегодня, действовали миллиарды лет назад, действовали всегда. Снова точка.

Итак, как говорилось в предыдущей главе, мы уже много знаем об условиях на экзопланетах. Мы знаем, что краткий список законов, перечисленных выше, работает на всевозможных экзопланетах точно так же, как и на Земле. Эта информация позволит нам, с одной стороны, сделать некоторые выводы о свойствах гипотетических форм жизни, возможных на этих экзопланетах, а с другой стороны, наложить некоторые ограничения на наше воображение. Скажем, придуманный нами летающий дракон, о котором мы уже говорили раньше, вполне может существовать – ведь он не противоречит ньютоновским законам движения, а уж насколько экзотически он выглядит, дело второстепенное. Иначе говоря, возможны будут только такие формы жизни, которые могут быть описаны известными нам законами. А теперь, вооружившись этим знанием и сохраняя его в памяти, поговорим о законах, управляющих живыми системами.

3

Жизнь – что это вообще такое?

Все мы уверены, что прекрасно знаем, что такое «жизнь», и даже не сомневаемся, что непременно распознаем ее, как только увидим, – но объяснить, что же это такое, всегда оказывается дьявольски трудно. Что именно определяет явление, которое мы называем жизнью? Главная проблема состоит, прежде всего, в том, что жизнь на Земле (единственная, о которой мы знаем) невероятно сложна и разнообразна. Вдобавок, между живым и неживым зияет пропасть – и для этой пропасти тоже должны найтись и описание, и объяснение в любом определении жизни.

Нетрудно догадаться, что размышления о том, что же такое жизнь и как это объяснить, имеют многовековую историю. Аристотель, например, утверждал, что все живое должно обладать как материальным телом, так и некоей нематериальной сущностью – «душой». Это представление позже развилось в идею о том, что живое отличается от неживого именно наличием этой нематериальной жизненной силы. Витализм – учение о том, что существование жизни требует присутствия некоей таинственной силы, – был развенчан и отвергнут только с появлением в XIX и XX столетиях клеточной и молекулярной биологии. Сейчас мы понимаем, что на молекулярном уровне живые системы функционируют в соответствии все с теми же законами химии, которые действуют во всей Вселенной, – просто в этом случае все обычно устроено намного сложнее.

Тем не менее огромное разнообразие форм жизни на Земле делает поиски простого определения для этого термина крайне сложными – и многие современные ученые считают, что простое определение жизни дать в принципе невозможно. Для наших целей нам в целом достаточно будет знания о том, что на сегодняшний день существует три основных подхода к решению этого вопроса: определения жизни, основанные на перечислении ее свойств; определения, основанные на описании жизни как процесса, и определения, сформулированные на основе законов термодинамики. Посмотрим же на каждую из этих групп определений по отдельности.

Определения на основе перечисления свойств жизни

Те, кто формулирует определения жизни в рамках этого подхода, составляют списки качеств, свойственных живым объектам, и затем все обладающее всеми этими свойствами (или хотя бы их большей частью) объявляют живым. И наоборот, все, что не имеет всех (или по крайней мере большей части) качеств живого объекта, живым быть не может. Такой список – его можно найти в любом типичном учебнике биологии – обычно гласит, что живая система должна обладать следующими свойствами и способностями:

1. Адаптивность: способность изменяться в ответ на долговременные изменения внешних условий.

2. Рост и развитие: способность изменяться и развиваться с течением времени.

3. Саморегуляция: способность сохранять устойчивое внутреннее состояние (например, температуру тела).

4. Обмен веществ: способность усваивать и перерабатывать внешние ресурсы (например, переваривать пищу).

5. Клеточное строение: структура, состоящая из одной или более клеток.

6. Самовоспроизводство: способность к воспроизведению себе подобных.

7. Раздражимость: способность реагировать на кратковременные изменения окружающих условий.

Конечно, при составлении таких списков всегда возникает одна и та же проблема: как только мы составляем исчерпывающий список необходимых свойств жизни, мы тут же находим тот или иной пример существа несомненно живого, но не обладающего одним или даже несколькими из этих качеств. Например, мул – помесь лошади и осла – несомненно, живое существо, но способностью к воспроизводству не обладает. Физик Дэниел Кошленд привел еще более забавный пример: один кролик неспособен к воспроизводству и, стало быть, согласно приведенному нами списку, живым не является, зато кролик с крольчихой вполне с этой задачей справляются, и значит, вместе они живые. Таким образом, с включением способности к воспроизводству в наш список еще предстоит разбираться.

Один из способов обойти эту трудность – принять тезис о том, что нечто является живым, если удовлетворяет большинству критериев списка, но может не соответствовать списку целиком, то есть, по сути, принять юридический стандарт «перевеса доказательств». Но в этом случае, конечно, вы тут же оказываетесь лицом к лицу с новой трудностью: вам придется решить, какими пунктами вашего списка можно пренебречь, а какими – ни в коем случае нельзя.

Ярким примером того, какие трудности могут ждать нас при применении принципа «перевеса доказательств», служат поиски жизни на Марсе. Когда посадочные модули миссии Viking в 1976 году опустились на поверхность Красной планеты, надежд на то, что они найдут там следы существования жизни, было очень много. Программы работы спускаемых аппаратов включали не менее четырех экспериментов, нацеленных на поиски в марсианской окружающей среде химических следов жизнедеятельности земного типа. Мы подробно поговорим об этих экспериментах чуть позже, а сейчас просто отметим, что базовая логика программы «Викингов» строилась на определении жизни в соответствии со «списком свойств», состоявшим из единственного элемента – обмена веществ земного типа. Как только начали поступать данные, многие ученые обнаружили, что запланированные эксперименты могут давать положительные результаты даже в тех случаях, когда анализу подвергаются заведомо неживые объекты – например, когда происходят определенные химические реакции в марсианской почве. Как утверждают многие ученые, растянувшиеся на несколько десятилетий споры вокруг результатов, полученных посадочными модулями «Викингов», были, по крайней мере отчасти, связаны именно с ограниченным определением жизни, использовавшимся при планировании экспериментов.

Ярко иллюстрирует недостатки «списочного» подхода к определению понятия жизни эпизод из сериала «Звездный путь: Следующее поколение», в котором робот‐андроид по имени Дэйта утверждает, что огонь вполне можно считать живым существом. В конце концов, почему бы и нет – огонь потребляет вещества из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он способен расти, самовоспроизводиться и отвечать на изменения внешних условий. То есть огонь удовлетворяет большинству критериев нашего списка (за исключением, разве что, саморегуляции) – и все-таки мало кто готов признать его живым.

Недавно возникшая наука экология указывает нам иной способ применения списков для определения того, что такое жизнь. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог обращает внимание на то, как этот организм включается в сложную сеть отношений, составляющих экосистему, частью которой данный организм является. Возможно, наиболее известный пример этой позиции – так называемая гипотеза Геи. Выдвинувший ее эколог Джеймс Лавлок рассматривает всю Землю в целом, включая равно и «живые», и «неживые» ее составляющие, как некий единый организм. На основе этой гипотезы обычно выдвигается предположение о том, что различные экосистемы Земли будут функционировать совместно во имя создания устойчивой среды, благоприятствующей развитию жизни. (Здесь стоит вспомнить, кто такая Гея в древнегреческой мифологии – богиня‐прародительница, древняя праматерь всего живого.)

Гипотезу Геи неоднократно критиковали – ведь реальная геологическая история Земли полнится катастрофами, которые вряд ли стыкуются с представлением о нашей планете как об итоге тщательного и планомерного создания экологического равновесия. В ее истории были, например, эпизоды, когда вся Земля представляла собой гигантский «снежок» – промерзшая поверхность планеты (включая океаны) была целиком покрыта снегом и льдом, которые растапливали только огромной мощности извержения вулканов. Так что, хотя мы и не можем отрицать, что все живые организмы на Земле входят в состав обширных экосистем, все, что экологический подход может нам дать в плане определения понятия жизни, – добавление еще одного пункта в наш список свойств живого: «чтобы считаться живым, надо быть частью обширной экосистемы». Однако, если для живых организмов на Земле это, возможно, и соответствует действительности, нет никаких причин считать это свойство обязательным для жизни на экзопланетах.

То же самое можно сказать и о тезисе, гласящем что живые системы должны состоять из клеток. Хотя жизнь, похожую на нашу, нам привычно представлять состоящей из клеток, нет никаких оснований полагать, что жизнь на экзопланетах должна быть похожа на нашу именно по этому параметру.

Проще говоря, большинство свойств из вышеприведенного списка несомненно присущи живым организмам Земли, но столь же несомненно, что внеземная жизнь совершенно не обязана ими обладать. Поэтому, когда мы наконец отправимся в путешествие по Галактике, мы можем на всякий случай захватить наш список с собой, но не будем слишком рассчитывать на то, что в наших поисках он нам пригодится.

Определения, основанные на описании жизни как процесса

В 1994, когда в NASA решили возвратиться к поискам жизни на просторах Галактики, была создана группа ученых‐экспертов, целью которой стала разработка критериев определения этого понятия. Следуя предложению, выдвинутому астрофизиком из Корнелльского университета Карлом Саганом, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции». Эта формулировка вошла в историю науки как «определение NASA», и, хотя она очевидно геоцентрична, мы, размышляя о возможных формах жизни на экзопланетах, увидим, что эта формулировка, несомненно, полезна.

Процесс дарвиновской эволюции называют также естественным отбором. Мы утверждаем, что, по всей вероятности, этот процесс должен действовать на подавляющем большинстве экзопланет.

Вот как он протекает на Земле. Каждый организм получает от своих родителей генетический материал, который влияет на свойства и качества этого организма. Эти свойства, в свою очередь, играют основную роль в определении того, проживет ли организм достаточно долго, чтобы передать генетический материал следующему поколению, – вам может быть знакома формулировка «выживает сильнейший» (или «наиболее приспособленный».) Постепенно в популяции будут накапливаться признаки, способствующие выживанию. Таким образом, с течением времени естественный отбор создаст организмы, хорошо приспособленные к окружающей их среде. Именно так и возникло то разнообразие форм жизни, которое мы видим на нашей планете.

Но хотя все живые организмы на Земле и являются продуктами естественного отбора, из этого не следует напрямую, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим несколько вариантов таких ситуаций в главе 16, когда будем говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу.

Фактически, определение NASA – лишь одна из множества попыток дать определение жизни в терминах процессов, в результате которых она появляется. Это определение, в сущности, говорит, что для того, чтобы узнать, является ли что‐то живым, мы должны узнать, как оно появилось. Если организм возник в результате естественного отбора, то, в соответствии с этим определением, он живой. Рассматриваемый под таким углом, естественный отбор становится способом определения живого.

Для определения жизни пытались использовать и другие процессы. Один из самых интересных примеров связан с теорией систем: речь идет о так называемом свойстве эмерджентности. В этом случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем.

Пример, на котором проще всего объяснить, что такое эмерджентность, – куча песчинок. Представьте себе, что вы собираете кучу, добавляя к ней по одной песчинке. По мере увеличения числа песчинок взаимодействие сил внутри кучи становится все более и более сложным, хотя эти силы возникают в результате контактов между песчинками и ничего больше. В конце концов – скажем, на миллионной песчинке – происходит нечто новое: мы добавляем эту песчинку, и вдруг с какой‐то стороны кучи сходит оползень. Этот оползень – эмерджентное свойство песчинок. Суть здесь в том, что одна песчинка не станет причиной миллионной доли оползня, но при этом для того, чтобы куча песка пришла в движение, вам потребуется сначала собрать 1 000 000 песчинок.

Таким образом, сторонники этого определения заявляют, что жизнь есть проявление некоей химической лавины. Усложните химическую систему в достаточной степени, и вы, по всей вероятности, получите жизнь.

Главная сложность этого типа определений состоит в том, что они требуют весьма подробного и четкого знания о том, как именно рассматриваемая система пришла к состоянию, в котором сейчас находится. В главе 5 мы обсудим более сложные проблемы, которые ожидают нас при поиске следов жизни на других планетах, не говоря уж о том, чтобы выяснить, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы можем посылать спускаемые аппараты и зонды и проводить измерения in situ, отыскать достаточно убедительные доказательства того, что жизнь там существует (или существовала), оказалось крайне трудно. Представьте, насколько трудно было бы не только обнаружить жизнь, но и проследить за ее эволюцией на далекой экзопланете.

Определения, сформулированные на основании законов термодинамики

Когда физики рассматривают какую‐то проблему, например определение жизни, их ключевой подход состоит в том, чтобы докопаться до самых базовых законов природы, действующих в исследуемой ими системе, какой бы эта система ни была. Этот метод известен нам по крайней мере со времен Исаака Ньютона, который обнаружил, что движение любого объекта, где бы во Вселенной он ни находился, можно описать тремя открытыми им законами. Как мы уже говорили в предыдущей главе, можно сказать, что цель физики – свести законы бытия Вселенной к системе уравнений, которая поместилась бы на футболке. Таким образом, когда физик думает о жизни на Земле, он вспоминает прежде всего о двух ключевых параметрах: энергии и энтропии. Эти параметры – сфера изучения термодинамики, науки, которая возникла и получила свое развитие в XIX веке. В предыдущей главе мы уже говорили о первом и втором законах термодинамики (не забыли про футболку?), которые можно сформулировать так:

Первый закон: Энергия может принимать множество переходящих друг в друга форм, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон: Мера беспорядка в замкнутой системе со временем остается неизменной или растет, но не уменьшается.

Второй закон часто формулируется в терминах энтропии – величины, которую можно определить как меру беспорядка в системе: высокая энтропия соответствует высокой степени беспорядка, низкая – высокой степени упорядоченности.

Типичная аналогия, иллюстрирующая законы термодинамики, – спальня подростка. С течением времени комната становится все более и более захламленной (т. е., степень беспорядка в ней повышается, или, что, по сути, то же самое, она переходит в состояние со все более высокой энтропией). Мы можем представить себе захламленность как естественное «равновесное» состояние этой системы. Единственный способ избежать этой захламленности и тем самым удерживать систему в состоянии, далеком от равновесия, – постоянно заниматься уборкой. Этот процесс требует затрат энергии, а энергия, скорее всего, будет получена из еды, которую подросток (или, что более вероятно, его родители) ест. Избыток этой энергии будет – после того как уборка в комнате закончится – рассеян в пространстве в виде тепла. Это следует из первого закона – энергия, полученная из еды, должна куда‐то деваться и не может просто исчезнуть. Следовательно, чтобы поддерживать состояние высокой упорядоченности (или низкой энтропии), нам необходимо иметь постоянный приток энергии, проходящей через систему. На языке физиков мы говорим, что приток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далеком от равновесия.

Живая система, такая, как человеческое тело, находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, напоминающем чисто убранную спальню. Будучи предоставленными сами себе, атомы вашего тела быстро превратились бы в груду неструктурированного материала, наподобие захламленной спальни. Приток энергии, попадающей в организм во время приема пищи, а в конечном счете – поступающей от Солнца, удерживает тело в состоянии, далеком от равновесия – то есть кучки неупорядоченных атомов. Резюмируя все вышесказанное, мы можем заключить, что живая система – это система, которую приток энергии удерживает в состоянии, далеком от равновесия.

Впрочем, это даст нам не столько определение жизни, сколько ключевое свойство живой системы, свойство, которое может говорить о возможности жизни как таковой. На языке логики это необходимое, но не достаточное условие жизни. Другими словами, все живые системы должны иметь приток энергии для поддержания состояния с высокой степенью организованности – но не все системы, обладающие таким свойством, будут живыми. Растущая снежинка, к примеру, – высокоупорядоченная система, задействующая для своего роста энергию тепла, но она не живая.

Концепция жизни, определенной в терминах термодинамики, очень пригодится нам, когда мы будем обсуждать возможность жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16).

Немного о технике

В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, во время раскопок в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении обломков каменных инструментов. Гоминид, позже названный Homo habilis («человек умелый»), был первым из наших далеких предков, кто использовал окружающие его предметы и материалы для изготовления орудий – в данном случае для того, чтобы заострить осколки камней. Homo habilis, мозг которого был примерно вдвое меньше, чем у современного человека, первым ступил на путь технологического развития, ведущий к современному высокоразвитому обществу.

Когда‐то считалось, что изготовление орудий – одна из тех характеристик, которые, наравне с языком, отличают человека от других животных. Сегодня мы понимаем, что границы такого рода размыты гораздо сильнее, чем мы думали раньше. Мы можем наблюдать, как животные пользуются примитивными инструментами – шимпанзе, например, чтобы выманить термитов наружу и съесть их, втыкают палку в термитник. Однако утверждать, что эта палка и, скажем, «Боинг-747» в каком‐то смысле одно и то же, не слишком разумно. Как и с множеством других признаков, отличающих человека от остальных живых существ, в изготовлении орудий главное – степень проявления этого отличия, а не само отличие как таковое.

Вполне очевидно, что способность применять материалы окружающей среды для изготовления орудий – необходимое условие для возникновения технологического общества. Однако, когда мы задумываемся о жизни на экзопланетах, в этой связи возникает интересный вопрос. На Земле возможность изготавливать всё более сложные инструменты нашим предкам дала повсеместная доступность самых разных видов камня. То же самое относится и к работе с легкоплавкими металлами, в большом количестве присутствующими прямо на поверхности Земли или на достаточно небольшой глубине. Не будь этих металлов, мы бы все еще жили в каменном веке.

Но ведь наличие легкодоступных материалов для изготовления орудий не обязательно должно быть особенностью, присущей всем экзопланетам. В мире, покрытом водой, о котором мы поговорим в главе 8, камни и металлы вполне могут оказаться в дефиците, и развитие того, что мы могли бы назвать технологической цивилизацией, может стать по меньшей мере затруднительным. Таким образом, мы должны обращать внимание не только на присутствие жизни на экзопланетах, но и на наличие встречающихся там материалов, из которых местные формы жизни могли бы изготовить орудия труда и, таким образом, в конечном итоге создать технологическую цивилизацию.

4

Правила игры

Как должна работать каждая живая система

Как ни странно, несмотря на то, что определить, что такое жизнь, очень трудно, если вообще возможно, сформулировать свойства, которыми должна обладать жизнь на далеких планетах, – гораздо более простая задача. Дело в том, что мы довольно хорошо понимаем, как развивается и функционирует жизнь – по крайней мере, похожая на нашу – в том окружении, в котором она оказывается. К тому же, как мы расскажем ниже, «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, должны быть верными для большинства видов жизни – и не только основанной на соединениях углерода. Таким образом, мы можем сформулировать правила, управляющие любым гипотетическим видом жизни в любой точке Галактики, если сможем понять, каковы эти правила здесь, на Земле. На основе этого понимания – и того, что зарождение жизни на Земле пока что остается единственным известным нам процессом ее возникновения, – в этой главе мы сначала поговорим о том, что нам известно о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить себе, как подобные процессы могли бы происходить в экзотических условиях экзопланет.

Таким образом, чтобы понять, как жизнь на нашей планете стала такой, какой она есть, нам потребуются ответы на два глобальных вопроса, а уже для того, чтобы получить она них ответы, пригодятся знания из самых разных областей науки. Первый из наших вопросов таков: как что‐то живое появилось из заведомо неживых составляющих, и известен нам как вопрос о происхождении жизни. Второй вопрос звучит следующим образом: уже после того, как возникли первые живые существа, каким образом развивались те разнообразие и сложность видов жизни, которые мы сейчас видим? Второй из этих вопросов несколько ближе к теме нашего разговора о гипотетической жизни на экзопланетах – и, к счастью, мы довольно неплохо понимаем, как этот процесс происходил на Земле. Наши современные представления о развитии жизни основаны на теории естественного отбора (или, что то же самое, дарвиновской теории эволюции), которую мы обсуждали в предыдущей главе в связи с определением жизни, данным NASA.

Происхождение жизни на Земле

Прежде чем мы приступим к подробному изучению происхождения жизни, следует сказать одну очень важную вещь. Живые системы на Земле в наши дни невероятно сложно устроены: они являются результатом миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на нашей планете – мы можем назвать его универсальным общим предком – нисколько не было похоже на тех живых существ, которых мы видим вокруг себя сегодня. Оно должно было быть крайне примитивным и, вероятно, обладало лишь малой частью свойств современных клеток. Мы обнаружим, что всю сложность современных живых существ эти примитивные первоорганизмы обрели позже, в процессе естественного отбора.

В самом начале своей истории наша планета была дрейфующим в космическом пространстве расплавленным шаром – на ней не было ни внятной атмосферы, ни океанов, ни, тем более, какой бы то ни было жизни. Обращаясь вокруг Солнца по своей орбите, молодая Земля подвергалась постоянной бомбардировке космическими обломками – по сути, именно эти столкновения и давали ей количество тепла, достаточное для поддержания ее поверхности в расплавленном состоянии. Собственно, интересующий нас вопрос о происхождении жизни проще всего сформулировать следующим образом: как Земля пришла из этого состояния к появлению на ней хотя бы одного живого организма? При этом мы предполагаем, что большинство экзопланет земного типа (то есть небольших планет, на значительную часть состоящих из камня) имели схожие начальные условия – так, что наши рассуждения о происхождении жизни на этих планетах будут опираться на прошлое Земли.

Мы считаем, что образование газовых гигантов, наподобие Юпитера или Сатурна, шло другим путем: у них вокруг относительно небольшого твердого ядра быстро накапливались водород и гелий. Мы еще обсудим, значит ли это, что жизнь на подобных планетах могла возникнуть способом, отличным от того, как она появилась на Земле. Мы, однако, считаем, что внутренние структуры клеток обитателей газового гиганта будут отличаться от клеток существ, населяющих Землю, – некоторые из таких структур, например, могут напрямую управлять плавучестью.

Итак, первое, что произошло с Землей, когда она вышла из своего первичного расплавленного состояния, – она остыла, и ее наружный слой отвердел, превратившись в камень. Вода – частью из недр планеты, частью принесенная кометами и астероидами в виде льда – заполнила океанические впадины, подготовив тем самым почву для появления жизни. Некоторые геологические находки, например циркониевые кристаллы, внутри которых содержится вода, свидетельствуют о том, что 4,2 миллиарда лет назад жидкая вода на Земле уже была распространена повсеместно. Палеонтологические данные говорят, что жизнь появилась на Земле вскоре после того, как завершилась бомбардировка планеты крупными астероидами – самое позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, тот, кто оказался бы на нашей планете 3,8 миллиарда лет назад, увидел бы океаны, кишащие цианобактериями (плотными сине‐зелеными водорослями). То есть можно сказать, что на Земле жизнь появилась очень быстро – буквально при первой возможности.

Это приводит нас к любопытной мысли. В эпоху «великой бомбардировки» ранней Земли были, вероятно, периоды – возможно даже, протяженностью в миллионы лет, – когда крупных столкновений с астероидами не происходило. И, если бы на протяжении одного из этих спокойных периодов на Земле развилась жизнь, она была бы затем уничтожена очередным ударом крупного астероида. Небесное тело размером всего лишь со штат Огайо, например, уже принесло бы с собой достаточное количество энергии, чтобы вскипятить все океаны Земли и на 1000 лет превратить ее атмосферу в сплошной раскаленный пар. Ни одна из форм примитивной жизни не пережила бы такого столкновения. А, насколько мы можем судить, подобные сценарии могли проигрываться в ранней истории Земли больше одного раза. Другими словами, наши микробиологические предки, вполне вероятно, не были первой формой жизни на нашей планете – они просто оказались первыми, кто сумел выжить и продолжить развиваться после последней крупной космической катастрофы. На протяжении ранней истории Земли жизнь могла возникать и исчезать десятки раз, но у нас сохранились свидетельства развития только той ее формы, которая уцелела после последнего из стерилизовавших планету астероидных ударов.

Первый шаг на пути зарождения жизни представлял собой процесс возникновения сложных молекул, содержащих атомы углерода. Раньше считалось, что сборка сложных углеродных цепочек, которые мы можем наблюдать в составе живых систем, была крайне сложным процессом – по сути, до середины XX века ученые старались просто обходить эту область исследований. По‐видимому, наиболее распространенным в научной среде оставалось мнение, что тема происхождения жизни в целом слишком запутанна (и, возможно, является скорее предметом интереса философии), чтобы стать частью научного мейнстрима.

Можно сказать, что изучение происхождения жизни сдвинул с мертвой точки один‐единственный эксперимент, проведенный в подвале здания химического факультета Чикагского университета в 1952 году. Нобелевский лауреат, химик Гарольд Юри (1893–1981) и его тогдашний аспирант Стенли Миллер (1930–2007) предприняли попытку воссоздать условия, которые могли существовать на юной Земле. Их установка была довольно несложной: она состояла из фляжки с водой (в роли океана), источника тепла (изображавшего воздействие Солнца), электрического разрядника (моделировавшего удары молний) и смеси водяного пара, метана, водорода и аммиака (что, по мнению Миллера и Юри, приблизительно соответствовало составу первичной атмосферы Земли). Экспериментаторы включили источник тепла и разрядник и оставили установку в таком виде на несколько недель. По прошествии этого времени вода превратилась в мутную темно‐бордовую смесь, и анализ показал присутствие в ней молекул аминокислот.

Здесь следует кое‐что пояснить. Одним из наиболее важных видов молекул, существующих в живых системах, являются белки – именно они управляют химическими реакциями во всех живых организмах на Земле. Белки состоят из аминокислот. По сути, молекулу белка можно представить в виде цепочки, каждое звено которой – какая‐либо аминокислота. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут привести к возникновению основных «строительных кирпичиков» живых систем из материалов, совершенно очевидным образом не живых, но, по всеобщему мнению, в изобилии присутствовавших на ранней Земле.

Этот результат имел огромное влияние на изучение проблемы происхождения жизни – уже хотя бы потому, что перевел эту проблему из области философии в сферу науки. В проведенных вслед за экспериментом Миллера – Юри сериях аналогичных опытов были последовательно получены практически все важные молекулы, присутствующие в живых системах, включая участки цепочек ДНК и сложные белки. Как ни удивительно, но то, что, по мнению современных ученых, в своем эксперименте Миллер и Юри исходили из неверных представлений о составе первичной земной атмосферы, не имеет значения. Опыты с различными составами атмосферы и источниками энергии давали в целом сходные результаты, хотя и отличающиеся количественно, в соответствии с выбранным количественным составом атмосферы. Более того, сложные органические молекулы (в том числе аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, межзвездных пылевых облаках и даже в состоящих из обломков околозвездных дисках, в которых образуются экзопланеты. То есть оказалось, что против всех ожиданий основные молекулярные «строительные кирпичики» жизни – довольно рядовой элемент Вселенной; по сути, они встречаются повсюду.

Таким образом, проблема происхождения жизни свелась к вопросу, как именно эти «строительные кирпичики» собираются в нечто, что мы однозначно воспринимаем как жизнь. Уже разработано множество теорий того, как это происходит, но ни одна из них до сих пор не получила всеобщего одобрения. Во всяком случае, опираясь на пример Земли, мы уверенно можем заключить одно: как бы конкретно эта сборка неживого в живое ни происходила, она происходила очень быстро.

Первичный бульон

В теориях, которые стали появляться после эксперимента Миллера – Юри, утверждалось, что в результате смоделированных Миллером и Юри процессов в атмосфере первичной Земли должны были возникнуть дожди из органических молекул, превративших океаны планеты в густую органическую среду – ее стали называть первичным бульоном. Вычисления показали, что это должно было произойти за несколько сотен тысяч лет – по геологической шкале времени практически за мгновение ока. Затем, утверждали теоретики, случайные взаимодействия между органическими молекулами должны были рано или поздно породить химическую конструкцию, способную к поглощению вещества из окружающей среды и к самовоспроизводству, – того самого универсального общего предка. За достаточно долгое время, заключали теории, что‐то вроде этого просто не могло не произойти. Дошло доже до того, что Смитсоновский институт спродюсировал фильм, в котором популярная ведущая кулинарных телепрограмм Джулия Чайльд смешивала первичный бульон у себя на кухне.

Увидело свет сразу несколько вариантов сценария с первичным бульоном: все они рассматривали те или иные варианты появления универсального общего предка. Чарльз Дарвин, например, когда‐то предполагал, что жизнь могла зародиться в «маленьком теплом пруду». Развивая эту идею, некоторые ученые утверждали, что при каждом высоком приливе богатая органическими молекулами вода должна была переливаться в прибрежные лужи. Из них вода постепенно испарялась, оставляя на дне лужи слой органических молекул. Таким образом, именно постепенно растущая концентрация молекул в луже и должна была привести к образованию случайной комбинации молекул – первому живому существу.

Довольно быстро возникли и другие теории. Каждая из них пыталась описать некое условие, облегчающее переход от «строительных кирпичиков» к самовоспроизводящимся клеткам. Была, например, высказана идея, что роль катализатора, запустившего первые необходимые для жизни химические реакции, могли играть электрические заряды на поверхности глинистых отложений. Другие теоретики полагали, что каждый пузырек океанской пены (или, в другой версии, каждую капельку жира в первичном бульоне) можно представить себе как самостоятельный химический эксперимент – ведь каждая такая капелька содержала внутри себя некое уникальное сочетание молекул. Согласно еще одному сценарию, жизнь зародилась внутри полости в камне вблизи глубоководной океанской впадины. (Преимущество этой схемы в том, что в ней нет необходимости в наличии первого общего предка как обладателя клеточной мембраны или клеточной стенки и, таким образом, необходимости в клеточном устройстве живого организма – ведь функционал клеточной мембраны выполняло бы само расположение полости внутри камня.)

Все эти модели происхождения жизни можно классифицировать как варианты теории «замороженной случайности». Их основное содержание состоит в том, что произвольные сочетания молекул продолжали появляться до тех пор, пока одно из них совершенно случайно не оказалось способным к самовоспроизводству. Как только это случилось, колесо жизни завертелось и процесс естественного отбора начался. Первое сочетание молекул, с которого все это началось, оказалось «заморожено», а все возможные конкуренты и опоздавшие остались ни с чем.

Вы можете всю жизнь жить рядом с «замороженной случайностью», даже не догадываясь об этом. Взгляните на клавиатуру вашего компьютера. Видите сочетание букв QWERTY в верхнем ряду клавишей? Эти так называемые QWERTY-клавиатуры были введены в употребление в XIX веке, чтобы уменьшить зацепление рычагов пишущих машинок друг за друга. По сути, эта раскладка оказалась той самой «замороженной случайностью» – хотя клавишами уже давно управляет электроника, а не механические рычаги, мы сохраняем первоначальную раскладку: слишком хлопотно было бы ее менять. Точно так же, если верить этим теориям, первая успешно воспроизводящаяся клетка стала основой всей последующей жизни – не потому, что она была лучшим вариантом из возможных, а потому, что оказалась первой.

Можно было бы продолжать рассказывать о других теориях «замороженной случайности», но вы, наверно, уже уловили главную мысль. Опыт Миллера – Юри породил настоящую лавину идей и гипотез в области происхождения жизни. Но по мере того, как ученые все больше узнавали об основах химии жизни, в этой области стали доминировать два крупных теоретических подхода. Мы назовем их «Мир РНК» и «Сначала обмен веществ».

Мир РНК

Современные клетки функционируют достаточно своеобразно. Для того, чтобы в них могли идти химические реакции, поддерживающие в клетках жизнь, требуются особые молекулы, называемые ферментами или энзимами. В живых системах на Земле ферментами служат белки – это объясняет, почему публикация результатов опыта Миллера – Юри вызвала такой ажиотаж. В клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, из которых состоят белки, закодирована в сложной молекуле, называемой ДНК; эта информация передается белкам еще одной системой сложных молекул – РНК. Но при этом первый шаг в процессе передачи данных представляет собой чтение кода ДНК, а для чтения кода опять‐таки требуются белки. Таким образом, перед нами классическая дилемма курицы и яйца. Чтобы декодировать ДНК, нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не декодируем ДНК.

Возможный способ решения этой проблемы был обнаружен в начале 1980‐х, когда ученые открыли, что некоторые виды молекул РНК, помимо своей обычной роли в раскодировании ДНК, могут выступать также в роли ферментов (такие разновидности РНК называются рибозимы). Это открытие привело к еще одной версии теории «замороженной случайности»: предполагается, что случайным образом возникла некая версия прото-РНК, а затем эта прото-РНК стала функционировать в первых формах жизни одновременно и как фермент, и как шестеренка в цепочке производства белка. Эта гипотеза, названная «миром РНК», – в настоящий момент, вероятно, наиболее распространенная среди ученых теория происхождения жизни.

Ключевым для этой гипотезы является предположение о том, что как только появилась прото-РНК, первая примитивная клетка смогла использовать ее для выживания и для воспроизводства. Эта клетка и стала, таким образом, универсальным общим предком. Сложность же современной клетки – результат миллиардов лет последовавшего за этим событием естественного отбора.

Сначала обмен веществ

Противоположная точка зрения – ее можно назвать «Сначала обмен веществ» – полностью отрицает идею «замороженной случайности». Согласно этой теории, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ни ДНК, ни РНК. Она прошла через ряд простых химических реакций без участия сложных ферментов, исключительно посредством каталитического действия малых молекул. И лишь гораздо позже, в ходе естественного отбора, развилась химия современной клетки.

Вот простой пример, позволяющий представить, как это должно работать. Рассмотрим сеть федеральных скоростных автомагистралей в Америке. Невероятно сложная система, включающая огромную сеть дорог, гигантскую индустрию, обеспечивающую снабжение автомобилей горючим, собственно автомобильную промышленность и так далее. Если бы нам потребовалось объяснить, что представляет собой эта система сегодня, мы начали бы не с нанесения на карту уже существующей сети магистралей и попыток распределить по ним потоки автомобилей. Вместо этого мы бы вернулись в доколумбову Америку и изучили бы самую примитивную транспортную сеть, вроде сети пешеходных индейских троп. Потом поговорили бы о том, как эти тропы сменились немощеными дорогами, по которым ходили первые фургоны, как по ним поехали первые автомобили, как затем дороги стали мостить, строить на них заправочные станции, и так далее. Таким образом, шаг за шагом, мы бы в конце концов добрались и до нынешней системы во всей ее сложности, причем нам не понадобилось бы обращаться ни к каким маловероятным случайным событиям.

Какой из этих двух сценариев – «Мир РНК» или «Сначала обмен веществ» – реализовался на самом деле в ранней истории Земли, нам еще предстоит выяснить. Может быть, на самом деле обе этих гипотезы ошибочны? Все, что мы сейчас можем твердо сказать о том, как на нашей планете появилась жизнь, сводится к двум тезисам: 1) на Земле были богатые запасы основных молекулярных «строительных кирпичиков», необходимых для появления полноценных живых систем, и (2) как бы конкретно ни происходила «сборка» первого живого существа, она произошла быстро.

Другое происхождение, другая жизнь

Как бы ни зарождалась жизнь на Земле – по одному из упомянутых нами сценариев или как‐то совершенно иначе, – это не значит, что во всех остальных уголках Галактики жизнь может появиться таким и только таким путем. Даже в мирах, где существуют океаны жидкой воды, вполне возможны быть десятки, сотни, а может, и миллионы способов возникновения жизни. В этих мирах могут существовать различные молекулы, несущие разный генетический код и различные белки, управляющие химическими реакциями. И в нашем дальнейшем повествовании мы должны по возможности избегать того, что можно назвать «земным шовинизмом» – представления, что повсюду во Вселенной жизнь должна так или иначе походить на жизнь на Земле. Давайте посмотрим на некоторые возможные проявления таких различий.

Молекулы чего?

Даже жизнь «как у нас» – то есть жизнь, основанная на химических реакциях, задействующих соединения углерода и происходящих в жидкой водной среде, – не обязательно должна быть точно такой же, как та, к которой мы привыкли на Земле. Взять хотя бы один пример – структуру белков, молекул, действующих как ферменты и управляющих химическими реакциями в земных живых системах.

Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как цепочки, звенья которых – молекулы меньшего размера, называемые аминокислотами. В лаборатории можно создать множество аминокислот – и это крупная и постоянно развивающаяся область исследований. Создаваемые таким способом белки, в которые входят не встречающиеся в природе аминокислоты, можно использовать для самых разных целей, от создания новых лекарств до производства биоразлагаемых контейнеров. Однако при этом в земных живых системах встречается довольно небольшое количество аминокислот (по разным версиям подсчетов, всего 20 или 22). Почему так? Может быть, это результат еще одной «замороженной случайности» в ранней истории Земли? Если это действительно так, то стоит ожидать, что живые организмы на других планетах состоят из белков на основе других аминокислот, не тех, что у нас, а значит, имеющих совершенно иную химию. Но если все же имела место какая‐то (пока неизвестная) причина, по которой конкретный набор аминокислот, на основе которого развилась жизнь на Земле, приобрел огромное эволюционное преимущество, тогда нам следует ожидать, что вся углеродная жизнь имеет генетический код, сходный с нашим. Подобные вопросы можно задавать почти о любом химическом свойстве земной жизни.

Что за жидкость?

Вода широко распространена во Вселенной. Но нужна ли она для успешного существования углеродной жизни? Посмотрим на Юпитер: оказывается, это самое сухое место в нашей Солнечной системе – этакая пустыня Сахара планетарного масштаба. (Это сравнение вполне корректно: данные космической миссии Galileo показывают, что процентное содержание водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставимо с его содержанием в Сахаре.) Однако мы знаем, что довольно сложные органические молекулы, вроде бензола, спокойно образуются в атмосфере Юпитера вследствие реакций, протекающих под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Это значит, что сложные молекулы могут образовываться и в средах, бедных водой. Мог ли процесс такого типа привести к реакциям, аналогичным опыту Миллера – Юри и в конечном счете – к появлению жизни?

Мы склонны считать, что в основе жизни должна лежать вода, потому что мы привыкли к этому на Земле и потому что вода – среда, крайне благоприятная для химических реакций. В конце концов, чтобы молекулы взаимодействовали, они должны иметь возможность двигаться и сталкиваться, а это, конечно, намного проще в жидкой среде. Но вода – не единственная жидкость в мире. На спутнике Сатурна, Титане, например, есть океаны, состоящие из жидкого этана и метана. Химические реакции в таких ультрахолодных средах должны, конечно, идти очень медленно, но нет никаких поводов предполагать, что жизнь обязательно должна быть ограничена такими же временны́ми рамками, как на Земле. На другом же конце интервала возможных температур мы можем представить себе планеты, раскаленные достаточно сильно, чтобы там могли существовать океаны жидкой магмы (лавы). Известные нам молекулы не могли уцелеть в таком аду, зато неизвестные, может, и могли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы встречаем больше вопросов, чем ответов.

Что за атомы?

Когда мы обращаемся к разговору о жизни, непохожей на нашу, – то есть жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, – вопросы становятся более сложными. Мы довольно много знаем о том, как возникали или теоретически могли бы возникнуть основные «строительные кирпичики» углеродной жизни. Но вопрос о возникновении и развитии жизни на основе других видов молекул исследован очень мало. Нетрудно, однако, представить себе, что где‐то живет инопланетный ученый, организм которого состоит из кремния (или, скорее, из соединений кремния), и что он ставит опыт, эквивалентный эксперименту Миллера – Юри, чтобы понять, как возникла его разновидность жизни.

А если уж говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу, нам придется распрощаться со всей нашей молекулярной химией раз и навсегда – химических «строительных кирпичиков» мы можем здесь не встретить вовсе. В главе 16, где мы обсуждаем концепцию электромагнитной жизни, мы говорим о том, что в устройстве и работе электрического и магнитного полей мы разбираемся в настоящий момент гораздо лучше, чем в молекулярной биохимии. Мы давно и хорошо знаем, что движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля, а переменные магнитные поля создают поля электрические. Однако эти знания могут оказаться совершенно бесполезными для описания сложных живых систем, которые могли бы зародиться при электромагнитных взаимодействиях.

Естественный отбор как инструмент эволюции

Коль скоро вопрос о происхождении жизни в данном конкретном мире решен и сборка самовоспроизводящейся единицы произошла, на сцену выходит совершенно новая группа механизмов. Представьте себе, что темп развития жизни резко переключился на другую скорость. Мы уже упоминали этот момент в предыдущей главе, когда говорили об определении жизни, данном NASA, и знакомились с дарвиновской теорией эволюции. В этом разделе мы расскажем, как этот процесс сформировал жизнь на Земле, приведем убедительные доказательства этой теории и аргументы в пользу того, что именно эволюционный процесс должен быть главным фактором, задающим вектор развития жизни на любой экзопланете.

Доводы в пользу существования естественного отбора базируются на двух довольно простых (и настолько же очевидных) фактах:

• Отдельные особи какого‐либо вида имеют различные характеристики, и эти характеристики могут передаваться от одного поколения к следующему (включая возможные случайные изменения, вроде мутаций земной ДНК).

• Особи каждого конкретного вида будут конкурировать за все ресурсы, доступные в окружающей их среде.

Собственно, все настолько просто. На Земле, например, разные особи какого‐либо вида несомненно имеют разные характеристики. Одни кролики способны бегать быстрее других; форма клюва одних птиц позволяет им добывать пищу лучше, чем другим; часть баранов способна спариваться чаще, чем другие. Когда Дарвин выдвинул свою теорию эволюции, он не имел никакого представления ни о том, почему все происходит именно так, ни о том, как именно признаки передаются от одного поколения к следующему. Но он знал, что индивиды отличаются друг от друга и что эти отличия могут наследоваться. Один из поводов испытать от чтения книги Дарвина «О происхождении видов» огромное наслаждение – внимательно следить за тем, как подробно автор обсуждает подробности разведения голубей, и представлять себе, как он часами сидит в местном пабе, разговаривая об этом с другими голубятниками. (Дарвин и в самом деле разводил голубей.)

Простой тезис, лежащий в основе дарвиновской теории, состоит в следующем: некоторые гены обеспечивают особи характеристики, которые повышают вероятность того, что организм, обладающий ими, проживет достаточно долго, чтобы произвести потомство. Это, в свою очередь, означает, что эти гены с большей вероятностью, чем другие, будут переданы следующему поколению. На языке палеонтологов мы говорим, что эти гены отбираются. В конечном счете отобранные гены становятся доминантными, и, если это повторяется достаточное количество раз, появляются новые особи. И хотя Дарвин не знал о существовании генетики, когда придумывал название для своей книги, он говорил в ней именно о происхождении видов посредством передачи генов.

Сначала Дарвин не употреблял выражения «выживает сильнейший», но оно стало популярным кратким описанием эволюционного процесса. Дело в том, что категория «сильнейших» или «наиболее приспособленных» в дарвиновском смысле определяется средой, в которой оказывается организм. Если, например, кролик живет в среде, в которой обитают хищники, то гены, которые помогают ему бегать быстрее, с высокой вероятностью будут переданы по наследству. С другой стороны, если он живет в среде, где мало пищи, более важными могут стать другие признаки, например острый нюх. Иначе говоря, не существует единого определения приспособленности – она полностью зависит от того, какие признаки дают организму преимущество в конкретной среде.

Из неспешности и постепенности эволюционных изменений следует еще одна довольно важная вещь. Когда мы пытаемся представить себе процесс эволюции организма под влиянием окружающей среды, мы должны думать о постепенном пошаговом процессе, в котором каждый шаг – это развитие какой‐либо черты, дающей эволюционное преимущество. Нет смысла говорить, что свиньи бы выиграли, если бы у них были, к примеру, крылья. Вы должны подумать, как выглядел бы пошаговый процесс, который привел бы к появлению крыльев и в котором каждое изменение делало особь более приспособленной к окружающей среде. Шаги, приводящие нас к появлению крыльев, могли бы быть, например, такими: сначала выступы на боках у свиньи помогают ей регулировать температуру тела, затем – дают ей возможность парить в воздухе, и наконец превращаются в полноценные крылья. Необходимость обосновывать каждый шаг на пути развития вида будет очень важна для нас, когда мы будем говорить о вариантах возможной эволюции в причудливых условиях экзопланет.

Прежде чем мы закончим с доказательствами в пользу теории эволюции, мы должны обсудить еще один вопрос – о скорости, с которой происходит процесс эволюции. Здесь существует две крайности. Одна состоит в том, что крупные эволюционные сдвиги происходят вследствие накопления критической суммы малых изменений, – эта теория известна нам как градуализм. Вторая, противоположная ей – теория прерывистого равновесия. Согласно этой теории, большинство видов остаются практически неизменными на протяжении достаточно долгих отрезков времени, а затем за короткое время претерпевают стремительные изменения. Зная, что развитие и возникновение видов происходит из‐за изменений в молекуле ДНК, мы можем представить себе, как могла бы воплотиться в жизнь каждая из этих теорий. Мутация, которая затрагивает отдельный ген (и, следовательно, запускает конкретную химическую реакцию), чаще всего приводит лишь к незначительным изменениям в исходном организме. Однако, как нам известно, в числе прочего существуют такие участки ДНК, которые не кодируют белки, но действуют как некие переключатели для групп генов. Мутация в этих областях ДНК вполне могла бы запустить цепочку серьезных изменений – и этот тип изменений вполне похож на то, о чем говорит теория прерывистого равновесия. Как это часто случается в подобных ситуациях, правильным ответом на вопрос «Развивалась ли жизнь на Земле постепенно или резкими скачками?» будет «Да». Будет ли это утверждение корректным и для жизни на экзопланетах, зависит от конкретного механизма, посредством которого тамошние живые существа передают характеристики от поколения к поколению.

Существует много аргументов, выдвигаемых в качестве доказательств теории эволюции, но мы будем кратки и поговорим только о двух наиболее важных: палеонтологических данных и результатах секвенирования ДНК. Из множества видов окаменелостей, конечно же, наиболее впечатляющие – это отпечатавшиеся в камне скелеты и прочие окаменевшие останки давно умерших животных. Они позволяют нам представить полную картину развития жизни в прошлом; каждая открытая нами к этому дню разновидность вымерших животных представляет собой отдельную ветвь сложного древа жизни. Были обнаружены и другие виды окаменелостей, например отпечатки фрагментов растений, а за последние несколько десятилетий – даже останки одноклеточных организмов в очень старых камнях. Именно это открытие и позволило нам, как мы уже говорили выше, приблизительно вычислить время, за которое на ранней Земле развилась жизнь.

В ДНК содержится «слепок» того живого существа, которому эта ДНК принадлежит, и умение читать записанную в ней последовательность кодов дает нам еще один способ реконструкции истории развития жизни на Земле. Базовый принцип, лежащий в основе такой реконструкции, состоит в том, что чем больше различие в ДНК между двумя организмами, тем дальше от них в прошлое отстоит их общий предок. Оцените скорость, с которой происходят мутации (так называемые молекулярные часы), и вы можете использовать эту информацию, чтобы сконструировать еще одно генеалогическое древо, на котором отобразится развитие жизни на Земле.

С нашей точки зрения тот факт, что генеалогическое древо, построенное на основании изучения окаменелостей, и древо, построенное на базе результатов секвенирования ДНК, совпадают, – наиболее весомое свидетельство в пользу дарвиновской теории, которое можно было бы разыскать. Поэтому мы считаем, что дарвиновская эволюция должна стать частью списка принципов, описывающих устройство Вселенной, наравне с такими явлениями, как, например, гравитация.

Естественный отбор повсюду

Там, где существует процесс, посредством которого характеристики передаются из поколения в поколение, и способы изменения этих характеристик, вполне очевидно должен возникнуть и естественный отбор. Если мы говорим о жизни на основе химических соединений – углерода или какого‐нибудь другого элемента, – то в окружающей среде всегда обнаружатся факторы, способные вызывать то или иное подобие мутаций, – первыми в этом списке будут воздействие температуры, ультрафиолета и собственно химические реакции. Таким образом в популяции постоянно будут появляться особи, способные приспособиться к окружающей среде лучше других, – а этого вполне достаточно, чтобы запустить механизм естественного отбора. И здесь мы приходим к мысли о том, что, говоря о жизни на экзопланетах, вполне уместно начинать наши рассуждения с теории эволюции.

Следует подчеркнуть еще один важный момент: хотя естественный отбор всегда остается ключевым законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, варианты живых систем, к появлению которых этот закон нас приведет, в различных средах будут очень сильно отличаться. Если, например, мы говорим о жизни во внешней атмосфере газового гиганта, то способность управлять собственной плавучестью может стать серьезным преимуществом – она позволила бы организму перемещаться между слоями атмосферы в поисках пищи (вспомним еще раз нашего летающего дракона). С другой стороны, на планете с синхронным вращением (см. главу 10) способность противостоять свирепым ветрам, бушующим на поверхности планеты, могла бы обеспечить эволюционное преимущество низкорослым существам с обтекаемыми формами. В следующих главах мы поговорим об условиях на разных экзопланетах и посмотрим, как они повлияют на то направление, в котором будет вести нашу гипотетическую жизнь естественный отбор.

Но, честно говоря, следует признать, что гораздо интереснее поговорить о ситуациях, в которых естественный отбор может не действовать. Вот вам пара примеров подобных ситуаций.

Обойдемся без отдельных организмов

Естественный отбор требует конкуренции за ресурсы между особями. Но что, если форма жизни на экзопланете такова, что отдельных индивидов вообще не существует, а есть лишь единое целое?

Самое крупное живое существо на Земле – гриб Armillaria ostoye, обнаруженный в Орегоне. Это единый организм размером более 3 километров в поперечнике. Нетрудно представить себе, как подобный организм занимает планету целиком. В этом случае никаких индивидов, конкурирующих друг с другом, на планете бы не оказалось. Значит ли это, что на ней не могло было бы быть и естественного отбора?

Это сложный вопрос, и он требует тщательного анализа. Упомянутый гриб состоит из клеток, которые при росте организма делятся – и на этот процесс могут влиять вышеперечисленные факторы окружающей среды. В организме, занимающем планету целиком, процессы роста и деления клеток останутся такими же, как и в организмах поменьше. Таким образом, если бы в клетках этого гигантского организма происходили какие‐то мутации, у нас могла бы возникнуть ситуация, в которой клетки в разных частях организма по‐разному адаптировались к окружающей среде. Другими словами, вместо того чтобы действовать на отдельных особей одного вида, в этом случае естественный отбор действовал бы на различные части одной особи.

Единственный способ обойти этот аргумент – предположить, что сложный организм размером с планету появился спонтанно, уже полностью сформировавшимся. Однако эта возможность настолько маловероятна, что мы можем ее спокойно проигнорировать.

Планета Совершенство

Главный фактор, поддерживающий ход естественного отбора на Земле, – это постоянные изменения на поверхности планеты, вызываемые процессами в ее ядре. Поэтому земные организмы всегда находятся в движении, постоянно пытаясь приспособиться к новым окружающим условиям. Но что, если на каких‐то планетах дела обстоят иначе? Что, если на какой‐нибудь экзопланете все оставалось без изменений на протяжении миллиардов лет?

Если бы на такой планете – назовем ее планетой Совершенство – появилась жизнь, она бы развивалась в соответствии с законами естественного отбора до момента достижения равновесия. В этой точке эволюционное давление исчезло бы. Это не значило бы, что прекратились бы мутации – нет, они шли бы в своем обычном темпе. Просто ни одна мутация уже не могла бы сделать жизнь на планете Совершенство лучше. Поэтому мутации постепенно сошли бы на нет и жизнь окончательно вошла бы в состояние стагнации.

Похожую ситуацию иногда можно увидеть и на Земле. Каждая мутация на нашей планете порождает явление, которое немецкий генетик Ричард Гольдшмидт (1878–1958) назвал «счастливыми уродами». Мутации у большинства таких «уродов» никак не влияют на их шансы на выживание – поэтому такие мутации полностью исчезают за несколько поколений. Эту ситуацию нетрудно развить до того предела, за которым «счастливые уроды» рано или поздно полностью исчезнут – и именно так выглядела бы жизнь на планете Совершенство, если бы она существовала.

Смысл этих двух примеров – в том, чтобы мы вняли вот какому предостережению: когда мы отправимся на поиски жизни в Галактике, нам придется тщательно и многократно обдумывать почти все правила, которыми мы будем при этом пользоваться, и не спешить с выводами. Ничего не поделаешь. Так уж устроена Вселенная. Нам остается только принять этот факт и порадоваться ему.

5

В поисках жизни

Есть кто-нибудь?

В списке внеземных объектов, на которых, казалось бы, несложно разыскать свидетельства наличия живых организмов, первым, несомненно, идет Марс. За последние полстолетия к Красной планете отправилась целая армада космических аппаратов. Посадочные модули опускались на поверхность Марса в десятках разных мест. В ту самую минуту, когда мы пишем эти слова, марсоход Curiosity карабкается по склону заинтересовавшей геологов горы в районе марсианского экватора. И к настоящему моменту нам уж давно пора бы получить четкий ответ на вопрос: есть ли жизнь на Марсе? Была ли она здесь в прошлом?

Но не тут‐то было. С 1976 года, когда посадочные модули миссий Viking первыми из числа отправленных человеком космических аппаратов приземлились на поверхность Марса, в научном сообществе продолжаются вялые споры о доказательствах (или отсутствии доказательств) наличия жизни, добытых этими аппаратами. Значение этих споров трудно переоценить. Если только нам не удастся в ближайшем будущем изобрести что‐нибудь наподобие варп‐двигателя, как в сериале «Star Trek», мы вряд ли сможем исследовать какую‐нибудь еще планету так же тщательно, как мы исследовали Марс. Но если за полвека активного изучения Марса мы так и не можем сказать, есть ли – или хотя бы была ли – на нем жизнь, то как мы можем надеяться получить ответ на аналогичный вопрос о планете, расстояние до которой измеряется в световых годах?

Поиски жизни на Марсе можно без преувеличений назвать историей разочарований. Раз за разом мы обнаруживаем там явления, которые, казалось бы, однозначно свидетельствуют о наличии жизни, – и тут же оказывается, что с таким же успехом эти явления можно объяснить и обычными химическими реакциями. Мы всё пополняем и пополняем коллекцию зацепок и подсказок, но до сих пор не получили ни одного четкого ответа. Сплошные разочарования.

Марсианские хроники

В 1976 году на поверхность Марса в двух разных ее точках успешно приземлилось два спускаемых модуля миссии Viking. Каждый из них нес на борту оборудование для проведения четырех экспериментов, целью которых был поиск свидетельств существования жизни. Вот список этих экспериментов:

• фиксация и исследование молекулярного состава при помощи газового хроматографа – масс‐спектрометра;

• эксперимент с газообменом: марсианская почва cмешивалась с водой и питательными веществами, и затем отслеживалась вероятная биологическая активность;

• эксперимент с пиролизом: марсианская почва подвергалась воздействию углеродосодержащих газов, а затем нагревалась; далее отслеживались возможные признаки фотосинтеза;

• эксперимент по поиску органических веществ, о котором мы подробно поговорим ниже.

Результаты первых трех экспериментов оказались вполне однозначными: не было обнаружено никаких признаков биологической активности. Фактически, не было зафиксировано присутствия вообще каких бы то ни было органических молекул. Однако все эти эксперименты были разработаны на основе предположения, что жизнь на Марсе должна обладать обменом веществ, сходным с земным. Как мы отмечали в главе 3, это предположение могло оказаться верным, а могло и не оказаться. Кроме того, для экспериментов планировалось брать для анализов образцы только из самых верхних слоев марсианской почвы, не глубже примерно дюйма (2,5 см).

Однако результаты экспериментов по поиску органических веществ привлекли огромное внимание. Споры вокруг них длились еще полвека. Вот в чем эти эксперименты заключались: образец приповерхностной почвы помещался в камеру, куда добавлялась смесь воды и питательных веществ. В молекулах питательных веществ содержалось большое количество атомов углерода-14 (тяжелого изотопа, вместо более распространенного углерода-12). Углерод-14 преимущественно обладает теми же свойствами и вступает в те же химические реакции, что и обычный углерод-12, но он радиоактивен, и поэтому его присутствие в любом образце легко зафиксировать. Логика эксперимента была проста: если бы в марсианской почве оказались микробы, они бы усваивали питательные вещества, выделяя при этом радиоактивный диоксид углерода, которая можно было бы отследить в составе газов в камере. И – о, чудо! – оба спускаемых модуля показали присутствие газа, содержащего «помеченный» диоксид углерода.

Увы, восторги по поводу опубликованных результатов эксперимента длились недолго. Когда в камеру были повторно добавлены питательные вещества, на второй и на третий раз никаких следов радиоактивного диоксида углерода зарегистрировано не было. Если бы исходно диоксид углерода появился в камере из‐за метаболизма микроорганизмов, рассуждали ученые, их популяция стала бы увеличиваться и каждый раз, когда в камеру добавляли питательный раствор, должно было бы выделяться все больше газа. И наоборот, если выделение диоксида углерода стало следствием небиологической химической реакции, то реагенты по итогам этой реакции оказались бы израсходованы и на этом реакция закончилась и больше не повторялась. Именно такой исход эксперимента и был зафиксирован. Поэтому и тогда, и сейчас решено было признать, что спускаемые модули Viking не обнаружили однозначных свидетельств жизни на Марсе. Более того, последующие эксперименты показали, какие конкретно химические реакции в марсианской почве и каким именно образом могли привести к выделению «помеченного» диоксида углерода.

На этом, однако, наша история не заканчивается. С самого 1976 года небольшая, но весьма активная группа ученых говорит о том, что данные модулей Viking, если их правильно интерпретировать, фактически зафиксировали наличие микроскопической жизни на Красной планете. Например, на прошедшей в 2016 году крупной конференции NASA по вопросам внеземной жизни почти все время, отведенное на вопросы и ответы после одной из презентаций, оказалось потрачено на жаркое (порой даже слишком жаркое) обсуждение результатов миссии Viking.

Но надежды на то, что наличие жизни на Марсе все-таки будет подтверждено, поддерживают не только результаты исследований аппаратов Viking. Еще в 1971 году космический аппарат Mariner 9, вращаясь по орбите вокруг Марса, отправил на Землю фотографии марсианской поверхности, которые поразили весь мир сходством с земными речными сетями. С тех пор много раз отправлявшиеся к Марсу орбитальные и спускаемые космические аппараты фиксировали неопровержимые свидетельства того, что по поверхности этой планеты когда‐то текла вода, а в ранней истории Марса в его северном полушарии располагался океан. Так как это происходило примерно в то же время, когда жизнь начинала развиваться на поверхности Земли, мысль о том, что на заре марсианской истории на нем тоже могла цвести жизнь, получила широкое распространение. Даже если эта жизнь исчезла, когда планета лишилась своих океанов и атмосферы, говорили сторонники этой теории, мы сможем отыскать ее ископаемые останки.

Но у Марса есть одна характеристика, которая заставляет ученых относиться скептически к вере в то, что следы когда‐либо существовавшей на нем жизни могли сохраниться до наших дней в виде органических молекул. Так как Марс не имеет магнитного поля, его поверхность непрерывно подвергается интенсивному излучению Солнца. В результате образуются высокие концентрации перекиси водорода (H_2O_2), мощного дезинфицирующего средства. Таким образом, марсианская поверхность, по мнению ученых, фактически постоянно дезинфицируется, и это разрушает любые органические молекулы, оставшиеся от гипотетических живых организмов прошлого.

Однако в 2018 году марсоход Curiosity обнаружил органические молекулы в камнях, образовавшихся, когда Красную планету все еще покрывали океаны. И хотя эти молекулы, вероятно, не были итогом жизнедеятельности каких‐либо ныне существующих организмов, их присутствие все же дает нам надежду на то, что молекулы, в прошлом входившие в состав живых систем, могли все-таки сохраниться до сегодняшнего дня.

Но все-таки, точно ли на Марсе сейчас нет жизни? Мы ведь исследовали образцы только самого верхнего слоя поверхности планеты, проникнув в ее грунт самое большее на несколько дюймов. Не может ли быть скрыто что‐то важное на большей глубине? Пока марсоход Curiosity медленно пробирался сквозь марсианские теснины, «орбитальный разведчик», Mars Reconnaissance Orbiter, с большой высоты сфотографировал на поверхности Марса следы потоков, темнеющие со сменой времен года. Эти разводы могли быть образованы спонтанными выбросами соленой воды из марсианских недр, хотя ряд ученых в настоящий момент и строят предположения о том, что эти разводы могут быть образованы перемещением масс песка, а не воды. В дополнение к предыдущим снимкам, в 2018 году, анализируя данные, полученные с орбитального модуля Mars Express Orbiter, ученые предположили, что озеро жидкой воды может располагаться прямо под северным полюсом планеты. А если под поверхностью Марса существует запас жидкой воды, вполне разумно задаться вопросом, не может ли в этой воде существовать и микроскопическая жизнь? Это еще одна вероятность, которую следует рассмотреть.

Кроме всего прочего, на Марсе был обнаружен метан. Молекула метана проста: один атом углерода на четыре атома водорода. У нас на Земле метан – природный газ, с помощью которого мы обогреваем дома и получаем электричество. В малых количествах он содержится и в земной атмосфере: чуть больше 1800 частей на 1 000 000 000 (т. е., примерно 0.00018 процента). Около 95 процентов земного метана производится вследствие жизнедеятельности микробов, но он может выделяться и в результате небиологических процессов: например, при взаимодействии грунтовых вод с магмой в кратерах вулканов или – с намного меньшей скоростью – при превращении окиси железа (ржавчины) в некоторые другие виды минералов.

В 2003 году при помощи наземных телескопов астрономы зарегистрировали наличие метана в марсианской атмосфере, пользуясь методами спектроскопии – мы расскажем о них немного позже. Метана оказалось совсем немного – всего 10 частей на 1 000 000 000 по объему, гораздо меньше, чем на Земле, – но мы можем быть уверены, что он там есть. Потом, когда в конце 2013 – начале 2014 года марсоход Curiosity путешествовал по поверхности Марса, произошло нечто необъяснимое: количество метана в атмосфере внезапно увеличилось в 10 раз, а пару месяцев спустя – упало до прежнего уровня.

Чем могло быть вызвано это странное событие (ученые окрестили его «метановым всплеском»)? Это мог быть выброс в атмосферу метанового пузыря, возникшего вследствие обычных небиологических реакций. Но равновероятно и что метановый всплеск стал результатом резкого роста популяции подповерхностных микробов. Так что, хотя само наличие метана – факт, над которым стоит задуматься, оно определенно не является доказательством существования жизни в недрах Марса. Еще один намек, еще одно разочарование.

Удивительная история ALH 84001

Аллан-Хиллс – богом забытая группа холмов в Антарктике примерно в 200 километрах к югу от главной американской антарктической базы в заливе Мак-Мердо. Оказавшись там, вы не увидите ровным счетом ничего, кроме бескрайних ледяных плато и ледников, медленно наползающих на гряду низких холмов. Большинство людей реагирует на здешние края на удивление одинаково: зачем кому‐то может прийти в голову мысль сюда тащиться? Ответ на этот вопрос столь же удивительно прост – за метеоритами.

Здесь следует кое‐что пояснить. Когда метеорит падает на поверхность ледника в районе Аллан-Хиллс, он уходит глубоко в лед. Перемещаясь, ледник тащит метеорит за собой. Когда ледник начинает карабкаться на пологие склоны холмов, ветра сдувают все с ледяной поверхности (этот процесс называется абляцией), и метеорит оказывается на виду. Ледяное поле, таким образом, служит чем‐то вроде конвейера, который захватывает метеориты и доставляет их на поверхность горного хребта.

В 1984 году ученые, проезжая на снегоходе по поверхности ледника, обнаружили здесь метеорит. Он выглядел не слишком впечатляюще – размером с грейпфрут и весом примерно 1,8 кг. Он был покрыт черной коркой, которая появляется, когда метеориты, раскаляясь, летят сквозь атмосферу Земли. Метеорит получил обозначение ALH 84001: ALH означало «Аллан‐Хиллс», номер 84001 – что это первый метеорит, найденный в 1984 году. Затем в лаборатории его положили в ящик и забыли о нем почти на десятилетие.

Однако, когда в середине 1990‐х его в конце концов достали и подвергли анализу, он оказался настоящим сокровищем. Во‐первых, пузырьки газа, сохранившиеся в его толще, по химическому составу оказались идентичны атмосфере Марса – судя по всему, метеорит образовался именно там. В самом этом факте не было ничего особенно необычного – ученые обнаружили уже больше сотни обломков камня, выброшенных с марсианской поверхности ударами астероидов и долетевших до Земли. Внимание исследователей привлек возраст ALH 84001. Радиометрическое датирование показало, что камень образовался примерно 4 000 000 000 лет назад, когда на Марсе было довольно много воды. Около 17 000 000 лет назад он был выброшен с Марса ударом метеорита и путешествовал вокруг Солнца, пока примерно 13 000 лет назад не оказался наконец в Антарктике. Иначе говоря, ALH 84001 образовался на Марсе именно в ту эпоху, когда там могла существовать жизнь. Он – молчаливый свидетель той поры, когда наш космический сосед был очень похож на Землю.

И вот в 1996 году группа ученых из NASA под руководством астронома Дэвида Маккея (1936–2013) сделала потрясающее заявление. Изучив ALH 84001, они пришли к выводу, что метеорит содержит окаменевшие останки живых существ, некогда обитавших на Марсе. Их заявление основывалось на четырех сделанных ими открытиях:

• наличие в составе метеорита органических молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ);

• физическое сходство между минеральными структурами метеорита и окаменевшими останками земных микробов;

• сходство между комбинациями минералов в метеорите и теми, которые образуют земные бактерии;

• присутствие в метеорите цепочек кристаллов магнетита, похожих на те, которые входят в состав некоторых земных микробов.

Трудно подобрать слова, чтобы описать, какое впечатление произвело это заявление на научный мир и на общество в целом. В Белом доме им заинтересовался тогдашний президент США Билл Клинтон, что, вероятно, повлияло на создание в NASA программы астробиологии, успешно дожившей до наших дней. Но с течением времени у группы Маккей появились и неизбежные оппоненты.

Они заявляли, например, что молекулы ПАУ распространены во Вселенной повсеместно. Эти молекулы были обнаружены в составе комет и даже в межзвездном пространстве, где никакой жизни нет и в помине. Что же до физического сходства «окаменелостей» с земными – было отмечено, что некоторые известные нам земные минеральные образования небиологического происхождения по форме очень напоминают клетки. Вдобавок найденные в метеорите «биологические структуры» были примерно в сотню раз меньше тех, что существуют в любых известных земных клетках. Теоретически они могли бы быть примерами новой разновидности живых организмов, нанобактерий – теоретически возможных, но никогда прежде не встречавшихся в природе. Наконец, было сделано предположение, что некоторые из минеральных комбинаций, найденных авторами открытия, возникли в результате манипуляций, совершавшихся при препарировании образцов метеорита для исследования под электронным микроскопом.

Некоторое время главным доводом в пользу гипотезы о марсианском происхождении «окаменелостей» оставались магнетитовые цепочки. В составе земных бактерий эти цепочки выполняют роль компаса и помогают по направлению магнитного поля отличать верх от низа в мутной воде. Поскольку на Марсе на ранних стадиях его истории могло существовать магнитное поле (сейчас его нет), наличие в составе бактерий подобных цепочек могло бы иметь смысл и на Красной планете. Однако ученые доказали, что магнетитовые кристаллы, подобные обнаруженным в составе в ALH84001, могли возникнуть в ходе небиологических процессов, а именно при прохождении метеорита сквозь атмосферу Земли до столкновения с ее поверхностью.

Итак, мы снова встретились с доказательствами сомнительными и неоднозначными. Структуры, обнаруженные в составе ALH84001, могли равно быть и марсианскими окаменелостями, и результатом небиологических процессов. И снова мы ничего не можем сказать о наличии – в настоящем или хотя бы в прошлом – жизни на планете, которую исследовали со всей возможной тщательностью. Как же, скажите на милость, мы собираемся искать жизнь на далеких и недоступных экзопланетах?

Последняя надежда – спектроскопия

На заре XIX столетия французский философ Огюст Конт (1798–1857), основатель науки, которую он называл социальной физикой, а мы – социологией, составил список загадок науки, которые никогда не будут решены. Одним из важнейших пунктов этого списка было исследование химического состава звезд.

Конт рассуждал просто. В то время единственной возможностью определить химический состав любого вещества был анализ этого вещества в химической лаборатории. Конт говорил: поскольку мы никогда не сможем положить на лабораторный стол кусочек «звездного вещества», нам никогда не удастся узнать, из чего сделаны звезды. Легко можно представить себе, что он сказал бы об экзопланетах: поскольку долететь до них мы не можем, их химического состава мы также никогда не узнаем.

Однако в 1859 году пара немецких ученых – оба они были известны достижениями в совсем других областях – встретились в лаборатории в Гейдельберге и полностью перевернули наши представления о способах исследования Вселенной. Густав Кирхгоф (1824–1877) известен в первую очередь студентам‐физикам как автор алгоритмов анализа сложных электрических цепей. А Роберт Бунзен (1811–1899) изобрел газовую горелку Бунзена, устройство, необходимое в любой химической лаборатории. Вместе они провели серию экспериментов, в ходе которых свет от нагретого образца какого‐либо чистого вещества пропускался сквозь стеклянную призму и разлагался на отдельные цвета. Вместо непрерывного спектра (наподобие радуги), который они надеялись получить, они обнаружили, что каждый химический элемент дает характерный именно для него, уникальный и четко определенный ряд цветов. Это сочетание цветов мы сейчас называем эмиссионным спектром. Кроме того, существует аналогичного типа спектр поглощения, связанный с поглощением фотонами определенных энергий. Область науки, посвященная изучению таких спектров, называется спектроскопией.

На самом деле вам прекрасно известно из практики, что разные химические элементы излучают свет разных цветов. Вы ведь замечали, что некоторые уличные фонари дают желтоватый свет? Это натриевые лампы, их часто используют в туманных местностях – в таких условиях их свет виден лучше.

Поскольку каждый химический элемент излучает определенный набор цветов, то, наблюдая этот оптический «отпечаток пальцев» в свете, исходящем из любого источника, мы можем уверенно заявлять, что в составе этого источника света присутствует соответствующий химический элемент. Отдельным важным свойством этого способа исследования – спектроскопического анализа – является то, что совершенно неважно, насколько далеко находится источник света от его приемника – в нескольких сантиметрах или в миллиардах световых лет. Если уж спектроскопический «отпечаток пальцев» возник, он останется в световом пучке навсегда.

Забавный комментарий в сторону: современный спектроскоп может быть оборудован встроенным компьютером и стоить несколько тысяч (или даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен же собрали свой первый спектроскоп из пары старых стекол от очков и (можете нам не верить, но это факт) коробки из‐под сигар.

Только в начале XX века ученые, создавшие новую научную дисциплину, квантовую механику, смогли наконец понять, как именно атомы создают соответствующие им спектры. В этом им помогла ими же составленная упрощенная схема атома: в отличие от вращающихся вокруг Солнца планет, электроны в атоме не могут располагаться на произвольных орбитах. Они могут находиться только на определенных расстояниях от ядер – на так называемых разрешенных орбитах, или орбиталях. Каждая из этих орбит соответствует некоторой конкретной энергии, так что, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, атом испускает или поглощает определенное количество излучения, соответствующего разности их энергий. Излучение испускается, если электрон движется по направлению к ядру и поглощается, если электрон движется от ядра. Так как атомы различных химических элементов имеют уникальные наборы орбиталей, каждый химический элемент поглощает и испускает уникальный набор цветов излучения. Так и образуются спектры.

Однако не только атомы излучают спектры. Любая система, в составе которой присутствуют различные энергетические уровни, может создавать характерный «отпечаток пальцев». Сложные молекулы, например, способны вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждое из этих состояний дает характерный спектр. Таким образом, спектроскопия дает нам идеальный способ для поиска молекул, характерных для живых систем на далеких экзопланетах. Нам нужно просто отыскать в спектрах экзопланет признаки присутствия биологических молекул, и мы получим однозначное свидетельство существования там жизни.

Возьмем, например, Землю: наличие на планете жизни оказывает огромное влияние на химический состав ее атмосферы. Фактически, из многих сотен известных атмосферных газов лишь немногие не подверглись влиянию живых существ. Гелий, например, составляющий около одного процента состава атмосферы, возник еще в ходе Большого взрыва. Аргон присутствует на Земле в еще меньших количествах – он образуется при радиоактивном распаде калия в глубине земных недр. Прочие же атмосферные газы образуются, разрушаются или изменяют свой состав под воздействием биологических факторов.

Кислород, которым мы дышим, получается вследствие фотосинтеза; растения при участии солнечного света преобразуют воду и диоксид углерода в углеводороды. Солнечный ультрафиолет разрушает продуцируемый растениями молекулярный кислород – пару атомов кислорода, крепко связанных друг с другом, – на отдельные атомы, а те, реагируя с молекулярным кислородом, образуют озон (O_3). Во время процессов дыхания и разложения организмов образуется диоксид углерода, иначе называемый углекислым газом, – происходит процесс, обратный фотосинтезу. Ряд газов, например сероводород, является продуктом жизнедеятельности сине‐зеленых водорослей. Определенные виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. В составе земной атмосферы видимо‐невидимо следов наличия жизни на ней. Мы называем эти следы биологического происхождения химическими маркерами или биологическими признаками наличия жизни на Земле.

Можно подумать, что было бы несложно, пользуясь спектроскопическими методами, поискать подобные химические вещества в атмосферах экзопланет и по их наличию определить, есть ли там жизнь. Но на этом пути нас ожидает целых три проблемы.

Первая из них заключается в том, что экзопланеты – невероятно слабые источники света. Мы можем наблюдать их лишь потому, что они отражают свет своих материнских звезд. Увидеть отраженный планетой свет на тех расстояниях, которые отделяют нас даже от ближайших к нашей системе звезд, фантастически трудно. Тем не менее в последние годы астрономы сумели исследовать излучение многих экзопланет, используя высокочувствительные приемники и сложные методы наблюдений. Наилучшие результаты дал следующий способ: сначала мы измеряем характеристики света материнской звезды, когда планета полностью скрывается за ней, а затем измеряем их суммарное излучение, когда экзопланета находится перед своей звездой. После чего вычитаем первое измерение из последнего и получаем характеристики, описывающие свет самой экзопланеты, – ее спектр.

Вторая проблема – распознать маркеры наличия конкретных молекул в спектре экзопланеты. Как уже было сказано, каждый элемент и каждая молекула имеет уникальный световой «отпечаток». Но чаще всего уникальная часть спектра, по которой идентифицируется тот или иной биомаркер, составляет крайне малую часть общего спектра экзопланеты. Это значит, что нам необходимо получить от экзопланеты как можно больше света, для чего обычно требуются гигантские телескопы.

Третья проблема сложнее двух предыдущих. Как нам понять, какие именно биомаркеры действительно будут свидетельством того, что на экзопланете есть жизнь? Как мы уже говорили, большинство газов в земной атмосфере возникает или изменяется под воздействием живых организмов. Казалось бы, чтобы обнаружить признаки жизни в атмосферах планет, вращающихся вокруг далеких звезд, надо просто поискать в этих атмосферах такие же газы. Но это, опять‐таки, далеко не так просто, как кажется.

Проблема в том, что практически каждая молекула в атмосфере Земли, которую мы считаем биомаркером, может возникнуть и в ходе небиологических процессов. Возьмем, например, кислород. Ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляет молекулы воды в атмосфере, высвобождая атомы кислорода, которые могут заново соединяться друг с другом, образуя молекулярный кислород. Поэтому хотя почти весь молекулярный кислород в атмосфере образуется в результате фотосинтеза – но все же не весь. Или, например, метан. Как мы уже говорили, образование метана может происходить множеством способов, и большинство из них не имеет отношения к биологии. То же самое можно сказать и о сероводороде (имеющем характерный запах тухлого яйца): он образуется в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий, обитающих на Земле в экстремальных условиях, – но кроме того, он выделяется при различных вулканических процессах. Этот список можно было бы продолжить, но наша мысль уже должна быть понятна: почти у каждой молекулы, которую мы могли бы счесть потенциальным биомаркером, свидетельством наличия жизни на экзопланете, помимо биологического существует и небиологический механизм образования.

Некоторые ученые предлагают использовать для поисков жизни комбинации молекул биологического происхождения. Возьмем для примера кислород и метан. Концентрация метана на Земле нестабильна, потому что он окисляется (сгорает) в атмосфере. Но он там очевидным образом присутствует, так как легко образуется в ходе биологических процессов наравне с кислородом. Если бы мы могли «выключить» всю жизнедеятельность на Земле, метан исчез бы из ее атмосферы всего за насколько десятков лет. Кислород, если бы вся жизнь на Земле исчезла, продержался бы дольше, целых несколько тысячелетий, но тоже в конце концов исчез бы, поглощенный различными минералами в ходе процесса окисления. Таким образом, одновременное присутствие кислорода и метана могло бы служить биомаркером, даже несмотря на то, что по отдельности наличие этих газов ничего нам не дает.

Находить биомаркеры на экзопланетах, конечно, гораздо труднее, чем просто искать газы, возникающие в ходе биологических процессов на Земле. Это активно развивающаяся область исследований и предмет постоянных дискуссий среди исследователей экзопланет. Промежуточный итог этих дебатов на сегодняшний день выглядит так: мы не можем с полной уверенностью говорить о том, что обнаружили признаки жизни на экзопланете на основе наличия в ее атмосфере спектральных линий отдельных атомов и молекул – по крайней мере не на основе тех атомов и молекул, которые мы на настоящий момент там реально наблюдаем. По‐видимому, наиболее перспективный путь подобных поисков – поиск сочетаний газов биологического происхождения.

Следующий шаг

Итак, резюмируем, что нам известно к концу этой главы: мы уже знаем, что жизнь на почти любой из экзопланет должна развиваться путем естественного отбора (дарвиновской эволюции), и мы успели понять, как трудно найти действительно неопровержимое доказательство того, что жизнь там на самом деле существует. Давайте, однако, на время отложим эту проблему в сторону и сосредоточимся на том, как законы естественного отбора могли бы работать в тех многообразных условиях самых разных экзопланет, о которых нам уже известно. Наконец‐то обратимся к тому, что мы и называем исследованием воображаемой жизни.

В следующих главах мы представим вам ряд кратких фантастических очерков, в которых говорится о том, как человек, надлежащим образом защищенный и обеспеченный высокочувствительной измерительной аппаратурой, мог бы воспринимать условия окружающей его среды на самых разных экзопланетах, оказавшись там. Мы выбрали такой способ знакомства с новыми планетами по одной простой причине: как мы уже много раз повторяли, в настоящий момент земная жизнь – единственная разновидность жизни, о которой нам известно. Человек же – единственный вид живых организмов, о чьей реакции на новую среду мы можем более‐менее успешно догадываться.

Помня об этом, давайте отправимся наконец в мир, который мы назовем Айсхейм – Царство льда.

6

Айсхейм – царство льда

Жизнь в морозилке

Вы в длинном темном туннеле. Его стены – из твердого, как камень, льда. Единственным источником слабого света служит далекое жерло вулкана – оттуда из недр планеты прямо в туннель извергается расплавленное вещество. У себя под ногами вы с трудом различаете трубу, проложенную по направлению к выходу из туннеля. От нее поднимается горячий влажный воздух, и вы понимаете, что по ней течет горячая вода, протапливающая во льду проход от кратера к выходу. У вас урчит в животе: по пути сюда вы успели проголодаться. Неподалеку от вулканического кратера вы замечаете колонии белых и красных кольчатых червей. Берете одного на пробу – неплохо. Может, они станут для вас основным блюдом – здесь, на странной планете Айсхейм.

Мы начнем наше исследование гипотетически возможной жизни на экзопланетах с водных миров – таких как наш Айсхейм. Этот мир относительно просто устроен, и анализировать его тоже несложно. Эта планета напоминает слоеный пирог (с поправкой на шарообразность): в самой середине ее расположено сферическое ядро, состоящее из тяжелых элементов – железа и никеля. Слой вокруг ядра сложен из более легких материалов, в целом похожих на те горные породы, из которых состоят мантия и кора Земли. Поверх этого слоя – слой воды, а над ним газовая атмосфера.

У такого «слоеного пирога» может быть множество вариантов. Если водяной слой замерз полностью, до самой коры, мы получим ледяной мир, вроде Айсхейма. Если замерзла только самая поверхность воды, а под ней расположился жидкий океан, возникнет мир, который мы подробно опишем в главе 7 под именем Новой Европы. Если вся поверхность планеты покрыта водой, без малейших признаков суши – это будет полностью водный мир, наподобие Нептунии, о которой речь пойдет в главе 8. И наконец, если там удастся обнаружить и сушу, и океаны, просуществовавшие миллиарды лет, перед нами планета земного типа (глава 9), более или менее такая же, как наша Земля.

Важно понимать – и мы часто будем вспоминать об этом, – что границы между этими типами планет в изрядной степени размыты. Если бы океаны Земли замерзли, она из планеты земного типа превратилась бы в мир наподобие Новой Европы, а промерзни они до самого дна – и Земля станет Айсхеймом.

Озвучив все необходимые предупреждения, перейдем наконец к изучению нашего первого из водных миров – наиболее просто устроенного. Это мир, в котором внешний водяной слой промерз до самой земной коры. Мы назвали его Айсхеймом потому, что его морозные просторы вызывают в памяти истории о жизни норманнов и викингов на нашей родной планете. Это название (суффикс «-хейм» означает «дом») также само по себе намекает на то, что подобная планета вполне способна быть домом для развитой жизни.

Существует ли такой мир на самом деле? Как мы уже обсудили в главе 1, где‐то в пределах Млечного Пути чисто статистически может и должен существовать примерно любой мир, какой вообще можно себе представить, – если только его существование не противоречит законам физики. Наш гипотетический Айсхейм этим законам совершенно не противоречит. Собственно говоря, может выясниться, что планеты наподобие Айсхейма в нашей Галактике распространены довольно широко.

Понять это становится гораздо проще, если вспомнить, как образовались планеты в Солнечной системе. Они появлялись в процессе накопления вещества внутри сплющенного, похожего на блин газового облака, вращавшегося вокруг свежеобразовавшегося Солнца. Во внутренней части Солнечной системы планеты образовывались из самых разных материалов, от тяжелых металлов, таких как никель и железо, до легчайших газов: водорода и водяного пара. В процессе формирования каждой из этих планет попадающее на ее поверхность в ходе метеоритных бомбардировок вещество выделяло тепло, которого было так много, что вещество самой планеты плавилось и превращалось в горячую плотную магму. Наиболее тяжелые вещества, металлы, опускались к центру планеты, а более легкие, из которых потом образовались горные породы, поднимались наверх.

Когда рост такой планеты заканчивался, она начинала остывать. У планеты, которая формировалась по типу Земли, ядро (или, по крайней мере, какие‐то его части) способно оставаться жидким много миллиардов лет – если размеры этой планеты сопоставимы с земными. Если эта планета поменьше, вроде Марса, она может остыть и затвердеть быстрее. В Солнечной системе к настоящему моменту жидкое ядро сохранилось только у Земли и Венеры; ядра остальных планет давно остыли и полностью затвердели. Таким образом, мы предполагаем, что планеты земного типа имеют ядро из тяжелых металлов – твердое, частично или полностью жидкое. Здесь нужно заметить, что именно движением вещества жидкого ядра обусловлено существование магнитного поля Земли, а отсутствием жидкого ядра у Марса – отсутствие магнитного поля у этой планеты.

Итак, как мы помним, в нашей Галактике вода встречается повсеместно. Доля планет, на которых вода составляет по меньшей мере несколько процентов от общей массы, может доходить до пяти сотых от общего числа всех обнаруженных на сегодняшний день экзопланет. (Отметим, что если в Галактике действительно примерно 30 триллионов планет, как мы подсчитали в главе 1, то планет упомянутого типа должно существовать больше триллиона.) И любой из таких миров, если он расположен достаточно далеко от своей материнской звезды, рано или поздно остынет до того состояния, при котором слой воды на нем превратится в лед.

Нам уже известно несколько экзопланет, которые могут оказаться очень похожими на наш воображаемый Айсхейм. Наиболее яркий пример – одновременно самая далекая из открытых на сегодняшний день экзопланет OGLE 2005-BLG-390Lb (аббревиатура означает, что планета была открыта в ходе эксперимента по наблюдению оптического гравитационного линзирования OGLE – Optical Gravitational Lensing Experiment). Планета эта находится в созвездии Скорпиона на расстоянии около 21 500 световых лет от Земли. По массе она превосходит Землю примерно в 5,5 раз, а температура ее поверхности −218 °C. Первооткрыватели назвали ее Хот – она напомнила им ледяной мир из «Звездных войн».

Итак, запомним, что планеты с металлическим ядром и каменной мантией в оболочке из воды в том или ином состоянии могут встречаться достаточно часто. И, возвращаясь к Айсхейму, мы начнем изучать ключевые особенности жизни, которая могла бы на подобной планете возникнуть.

Энергия

Для зарождения и существования жизни прежде всего необходима энергия. Попробуем же посмотреть на потенциальные источники энергии, которые мы можем обнаружить на поверхности и в недрах любой планеты. Конечно, первой в голову нам придет энергия их материнской звезды. Благодаря этому типу энергии существует большая часть биосферы Земли. Помня об ужасном холоде, царящем на поверхности Айсхейма, вы могли бы решить, что эта планета расположена достаточно далеко от своей звезды. Но это совершенно не обязательно. Например, если бы не наличие в атмосфере Земли диоксида углерода и других парниковых газов, то средняя температура на ее поверхности составила бы около −18 °C, и земная поверхность, включая океаны, замерзла бы несмотря на то, что Земля находится относительно близко от Солнца. Как мы уже говорили в главе 3, в геологическом прошлом нашей планеты уже была пара периодов, на протяжении которых она превращалась в огромный «снежок». Эти периоды завершались, когда благодаря вулканической активности в атмосфере снова появлялся углекислый газ – это приводило к сильному парниковому эффекту, и всемирный ледниковый щит таял.

Такие периоды оледенения, однако, никогда не затягивались настолько, чтобы океаны промерзли насквозь, до самого дна, и таким образом наша планета никогда не превращалась в ледяной мир, подобный Айсхейму. В периоды бытия «планетой‐снежком» на Земле сохранялся океан, скрытый под коркой льда, вроде того, который сейчас существует на спутнике Юпитера, Европе. Но о таких мирах мы поговорим в следующей главе.

Следующий (и, как нам кажется, более важный) источник энергии жизни на Айсхейме – это тепло ядра самой планеты, скрытого под ледяным щитом. Этот тип источников энергии мы можем разделить на несколько подтипов в зависимости от возраста и размеров ядра нашей ледяной планеты.

Первым в этом списке будет остаточное тепло, сохранившееся со времен формирования планеты. На заре своей истории протопланета, ставшая впоследствии Айсхеймом, обращалась по своей орбите, притягивая к себе любые фрагменты вещества, оказавшиеся от нее достаточно близко. Окажись вы в это время на ее поверхности, вы бы увидели постоянно обрушивающийся на нее «дождь» из метеоритов. Энергия, которую они несли с собой, превращалась в тепло. (Как мы уже рассказывали, на Земле этого тепла оказалось достаточно, чтобы планета полностью расплавилась.) Однако как только метеоритное вещество полностью перемешалось с материалом новорожденной планеты, началось их неизбежное охлаждение. На Земле этот процесс длится до сих пор, спустя 4,5 миллиарда лет после образования нашей планеты – примерно половина тепла земных недр представляет собой энергию так и не застывшего полностью первоначального расплава.

Еще один источник тепла, скрытый в недрах планеты, – распад радиоактивных элементов. Период полураспада некоторых из них довольно долог, так что они снабжают ядро планеты энергией на протяжении достаточно длительного времени. Например, период полураспада урана-238 составляет примерно 4,5 миллиарда лет, что сопоставимо с возрастом Земли. Таким образом, в недрах Земли на настоящий момент осталось около половины исходного количества этого, как ни удивительно, весьма распространенного элемента. По оценке ученых, вторая половина тепла, излучаемого недрами Земли, возникает как раз вследствии распада таких долгоживущих радиоактивных элементов, как уран-238.

Количество радиоактивных веществ на Айсхейме будет зависеть от исходного химического состава облака межзвездной пыли, из которого эта планета сформировалась, а состав этого облака, в свой черед, – в первую очередь, от того, из остатков сверхновых каких типов это облако образовалось. Звезды, возникшие из облаков, состоявших преимущественно из первичного водорода, – так называемые звезды первого поколения – не содержали в своем составе сколько‐нибудь значительного количества радиоактивных веществ. И напротив, следует ожидать, что в системах, возникших из облаков, порожденных несколькими поколениями ядерного горения, содержание таких элементов будет гораздо выше, и таким образом, в недрах планет этих систем большая часть тепла возникает вследствие ядерного распада. Наше Солнце обычно причисляют к третьему поколению звезд – этот факт объясняет высокий уровень радиоактивности земного ядра и наличествующее на нашей планете разнообразие химических элементов.

Рассмотрев оба источника собственного тепла планеты, мы ясно поймем, что размеры ее ядра имеют в этом вопросе решающее значение, и на этот фактор мы всегда можем опереться, исследуя небесные тела Солнечной системы. Динамику тепла в ядре планеты удобно рассматривать на примере кастрюли с водой, стоящей на плите. Если зажечь конфорку, вода сначала остается в спокойном состоянии, но, если поднести руку к ее поверхности, можно почувствовать исходящее от нее тепло. Тепло передается от конфорки через воду посредством столкновения молекул – этот процесс мы называем кондукцией или теплопередачей. Однако в конце концов тепла накапливается так много, что кондукции становится недостаточно для передачи возникающего тепла, и вода начинает кипеть. Вода, нагретая раскаленным дном кастрюли, поднимается на поверхность, где выпускает свою энергию в пространство комнаты и, охлаждаясь, опускается обратно на дно. Этот процесс называется конвекцией – он начинается, когда тепла становится слишком много и одной только кондукцией с его передачей уже не справиться.

Если ядро у Айсхейма достаточно небольшое, как у Меркурия, Марса и нашей Луны, тепло недр планеты будет передаваться к ее поверхности посредством кондукции, планета будет остывать достаточно быстро, и Айсхейм довольно скоро станет неподвижным мертвым миром. Однако если ядро у Айсхейма побольше, как у Земли или Венеры, вот тут‐то и начнется самое интересное.

Собственно, наша Земля – отличный пример работы конвекции. На протяжении сотен миллионов лет скальные породы в мантии нашей планеты «кипели», поднимая расплавленную магму из недр на поверхность. Вообще, чем больше размеры ядра, тем большее количество энергии будет вынесено из него конвекцией. Однако для нас сейчас самым важным в этом процессе будет формирование каналов, посредством которых расплавленные вещества вместе с энергией тепла поступают на поверхность. Именно так возник Срединно-Атлантический хребет – подводная горная цепь, протянувшаяся от Исландии до побережий Антарктики. Этот хребет состоит из слоев магмы, которая вытекала наружу из жерл подводных вулканов, расположенных на дне океана вдоль центральной рифтовой долины хребта, и постепенно остывала. Если у Айсхейма ядро будет достаточно крупным, мы можем быть уверены, что подо льдом там также будут скрываться жерла вулканов – и это будет очень важно для описания гипотетической жизни на этой планете.

Существует два основных вида энергии, которую гидротермальные трубки будут выносить из недр на поверхность Айсхейма. Во‐первых, это уже упомянутое нами тепло. Вполне вероятно, что из недр его будет подниматься достаточно, чтобы расплавить лед и создать вокруг жерла обширные пузыри жидкой воды. В этих пузырях, вполне вероятно, будут происходить те же типы молекулярных процессов, что привели к возникновению жизни вокруг геотермальных источников на дне земных океанов.

Второй тип энергии, поступающий из недр планеты на поверхность, будет иметь химическую природу. Мы знаем, что на Земле по подводным вулканическим каналам (эти геотермальные источники называют также «черными курильщиками»), помимо магмы, проходит сложная смесь химических элементов, создающих все богатство и разнообразие глубоководного биоценоза. Окрестности подводных термальных источников на Земле изобилуют живыми организмами, от бактерий до гигантских кольчатых червей‐погонофоров и крабов. В основе метаболизма местных бактерий будет не фотосинтез, как на поверхности земли, а хемосинтез, основанный на растворенных в гидротермальных потоках соединениях метана, серы и различных минералов. В конечном счете эта энергия питает целые биоценозы.

Очевидный вторичный источник энергии на Айсхейме – излучение его материнской звезды. На Земле основная энергия, поддерживающая на ней жизнь, поступает от Солнца. Но поскольку температура поверхности Айсхейма ниже точки замерзания воды, следует полагать, что эта планета либо обращается вокруг достаточно маленькой и тусклой звезды, либо расположена от своей звезды довольно далеко. Само по себе это не является непреодолимым препятствием для развития жизни – это просто значит, что все, что собирает и потребляет энергию, должно иметь размеры куда большие, чем те, к которым мы привыкли на Земле. Чтобы собрать количество энергии, которое на Земле падает на лист площадью в один квадратный дюйм (примерно 6 квадратных сантиметров), на Плутоне потребуется «лист» размером в квадратный метр! (Это, кстати, объясняет, почему космические корабли, отправляемые во внешние области Солнечной системы, оснащаются источниками питания на основе радиоактивного плутония, а не солнечными панелями – последние были бы огромными и потому слишком тяжелыми.) На Айсхейме свет материнской звезды быстро поглощал бы поверхностный лед и, вероятно, тепло от этого света проникало бы в толщу этого льда самое большее на несколько метров.

Помимо света, звезда может испускать также потоки частиц в виде солнечных вспышек или «солнечного ветра», который мы наблюдаем на Солнце. Выбросы, однако, случаются нерегулярно, и, вероятнее всего, жизни на поверхности Айсхейма они приносят больше вреда, чем пользы. Однако к постоянному солнечному – вернее, звездному – ветру жизнь на поверхности этой планеты, если бы она когда‐нибудь возникла, вероятно, смогла бы адаптироваться, как это случилось с жизнью на поверхности Земли. И уж тому подавно такие явления вряд ли смогли бы повлиять на жизнь, скрытую под слоем льда.

Таким образом, с точки зрения наблюдателя, находящегося внутри ледяного слоя планеты, баланс энергии на Айсхейме довольно прост. Тепло от ядра планеты поступает к нижней поверхности ледяного щита, сквозь его толщу пробивается наверх и в конце концов уходит в космическое пространство в виде инфракрасного излучения. Одновременно с этим верхнюю поверхность слоя льда нагревает свет материнской звезды. А теперь перед нами стоит задача: понять, как в такой среде могла бы развиваться жизнь.

Зарождение жизни и первые этапы эволюции

Начнем с подводного гидротермального источника. Как мы уже говорили, из недр планеты будет поступать энергия двух видов: собственно тепло и химическая энергия. Тепло создаст вокруг гидротермального жерла пузырь жидкой воды. Такие пузыри могут быть довольно большими – в конце концов, подводные гидротермальные каналы на Земле тянутся на тысячи миль. Собственно говоря, вполне возможно, что туннель – более логичный вариант внешнего вида области вокруг айсхейсмской гидротермальной трубки, чем пузырь.

Многие ученые считают, что жизнь на Земле зародилась именно вокруг таких гидротермальных источников, и мы не видим, почему бы тот же сценарий не мог повториться на Айсхейме. Можно предположить, что здесь также первым делом образовались одноклеточные организмы. Чисто теоретически допустим, что переход к многоклеточным формам жизни также уже случился. А коль скоро появилась многоклеточная жизнь, можно взглянуть на окружающую ее среду и попытаться понять, как жизнь в этой среде могла бы развиваться.

Первое, что стоит отметить, – это тот факт, что вдоль гидротермальной трубки непременно обнаружатся участки, где необходимые для жизни питательные вещества будут поступать из недр планеты в бо́льших концентрациях, чем в любых других местах. Это значит, что вдоль трубки образуется распределение: количество питательных веществ будет расти по мере приближения к областям их высокой концентрации. Способность перемещаться по направлению к более богатым ресурсами областям дает очевидное эволюционное преимущество, и, таким образом, следует ожидать, что в процессе естественного отбора появится и закрепится именно это свойство живых организмов. Такие формы жизни стали бы конечным продуктом длинной цепочки развития, каждый шаг по которой позволял бы этим существам перемещаться к зонам, богатым питательными веществами, чуть быстрее. Требование, которое мы выдвинули в главе 4, говоря о правилах естественного отбора, было бы полностью удовлетворено: каждый шаг в цепочке событий приносил бы нашим гипотетическим организмам эволюционное преимущество.

Формы жизни, способные передвигаться самостоятельно, как рыбы в земных океанах, уже одним этим фактом становятся более приспособленными. Но способность к самостоятельному передвижению – не единственный возможный способ адаптации к зональному распределению питательных веществ. Немобильные формы жизни (вспомним устриц) могут размещать каждое следующее поколение потомства в области, более богатой ресурсами: например, выбрасывать споры предпочтительно в направлении увеличения концентрации питательных веществ. В этом случае каждая отдельная особь останется привязанной к своему месту, но область обитания популяции в целом будет с течением времени смещаться.

Какая из этих двух стратегий будет доминировать, может зависеть от того, как быстро будет изменяться расположение областей, богатых питательными веществами. Более быстрые изменения способствовали бы развитию способности к самостоятельному передвижению отдельных особей, тогда как более медленные – постепенному перемещению всей популяции. Нам кажется, что здесь вполне вероятно развитие обеих ветвей эволюции, и у нас должны появиться как «рыбы», так и «устрицы».

В гидротермальных туннелях вполне вероятно существование еще одного распределения – распределения температур. Вода в непосредственной близости от жерла будет довольно горячей. На Земле, например, температура воды в таких местах может быть выше 400 °C – кипеть ей мешает давление расположенных выше слоев океана. Одновременно с этим рядом с коркой льда температура должна опускаться ниже нуля. Таким образом, в гидротермальном туннеле на Айсхейме должны присутствовать области с различными уровнями температуры, как это происходит на Земле. Таким образом, следует ожидать, что в результате эволюции будут появляться разные виды, каждый из которых будет адаптирован к определенному температурному режиму (вспомним тигров и белых медведей).

Что же можно сказать о жизни на поверхности такой планеты? Прежде всего – что все развитие жизни «как у нас» и даже жизни «не как у нас» происходит на основе химических реакций в жидкой среде. Так как на поверхности Айсхейма нет жидкостей, мы вынуждены будем сделать вывод, что в этих условиях самостоятельная жизнь развиться не может. С другой стороны, ученые утверждают, что некоторые формы земной жизни, зародившиеся у геотермальных источников на дне океана, позже мигрировали к поверхности. Процесс подобного рода – по‐видимому, единственный способ, которым жизнь может оказаться на поверхности Айсхейма.

В том, что касается миграции жизни к поверхности планеты, между Землей и Айсхеймом мы увидим одно ключевое различие. На Земле путь от геотермальной трубки пролегает сквозь толщу воды, и все, что требуется для подобного перехода, – чтобы организм был способен выдержать резкое изменение давления с уменьшением глубины. На Айсхейме же путь наверх лежит сквозь слой твердого льда – барьер гораздо более труднопреодолимый.

Вот здесь‐то в игру и вступают особенности естественного отбора. Энергия, поступающая от материнской звезды в тонкий приповерхностный слой льда, может оказаться полезной для форм жизни, развивающихся вокруг гидротермальных каналов. Проблема в том, что для получения энергии из этого источника живые существа должны проделать ряд шагов, посредством которых они 1) выберутся на поверхность и 2) на каждом шаге будут приобретать то или иное эволюционное преимущество.

Во льду может, например, располагаться сеть микроскопических трещин, в которые может поступать горячая, богатая минералами вода из гидротермального канала, неся с собой микробов. Если такие трещины дотянулись до той области, куда попадает свет материнской звезды, то наши микробы могли бы развиться в многоклеточные фотосинтезирующие организмы так же, как это произошло на Земле. Но ключевой момент этой истории заключается вот в чем: для того, чтобы живые организмы смогли освоить всю поверхность планеты, в целом достаточно, чтобы трещины вышли на эту самую поверхность в каком‐нибудь одном месте. Если отыщется точка, где лед особенно тонок, пробираться сквозь лед будет гораздо легче именно в ней. И если уж одноклеточные организмы, которые вначале мигрировали на поверхность, сумеют там эволюционировать до более сложных живых существ, использующих фотосинтез, то они, надо полагать, в дальнейшем распространятся по всей поверхности, не возвращаясь обратно в термальные каналы.

Эти эволюционировавшие организмы будут достаточно сильно зависеть от света материнской звезды. На Земле преобразование солнечного света в питательные вещества – процесс с невероятно низким КПД. К примеру, в жаркий летний день кукурузное поле в штате Айова – месте, где солнечный свет используется, пожалуй, эффективнее, чем на большей части планеты, – преобразует в органические молекулы всего несколько процентов содержащейся в нем энергии. Навряд ли растения на Айсхейме могли бы позволить себе подобную расточительность. Поэтому мы предполагаем, что коллекторы солнечной энергии организмов, обитающих на поверхности Айсхейма, – назовем эти коллекторы, за неимением лучшего термина, «листьями» – будут по земным стандартам довольно большими. И будут они, скорее всего, черными, так как им нужно будет поглощать всю энергию скудного излучения материнской звезды. Таким образом, вместо того чтобы выглядеть сверкающим ледяным шаром, Айсхейм вполне может оказаться покрытым тонким слоем черных листьев – по крайней мере, частично.

Как мы уже говорили, между поверхностью льда и поверхностью ядра планеты будет перемещаться два потока энергии: поднимающееся из недр планеты тепло, которое в конечном счете будет рассеиваться в космическом пространстве, и уходящее вниз, в слой, прилегающий к поверхности льда, излучение материнской звезды. Можно представить себе жизнь, постепенно осваивающую ледяной слой – совсем как жизнь, освоившая негостеприимные полярные области Земли. С поверхности вниз могут спускаться волокна – назовем их «корнями», – вбирающие всю энергию любого происхождения, которую не могут уловить листья. Волокна другого вида могут подниматься вверх от гидротермальных туннелей и поглощать тепло с каменистой поверхности. В обоих случаях способность усваивать свободную энергию дает очевидное эволюционное преимущество. В ряде случаев волокна, движущиеся вниз, могли бы даже встречаться с теми, что движутся вверх, образуя что‐то вроде подводных джунглей.

Разумная жизнь и технический прогресс

Развитие высших форм жизни на планете типа Айсхейма в лучшем случае крайне затруднено. Мы слишком мало знаем об условиях окружающей среды, давших толчок возникновению высокоразвитой цивилизации на Земле, поэтому не можем ничего сказать и о том, могли бы они существовать на Айсхейме или нет. Давайте, однако, чисто теоретически предположим, что это возможно. Другими словами, давайте допустим, что живые существа вокруг гидротермальных источников Айсхейма действительно развились до той степени, которую мы могли бы назвать разумной жизнью. Как бы выглядела в таком случае их техника?

Прежде всего, окружающая эти существа среда показалась бы нам очень странной. Если не считать редких отблесков лавы, вытекающей из жерла вулканов, кругом было бы совершенно темно. Зрение наших гипотетических организмов было бы настроено на восприятие в первую очередь инфракрасного спектра. Еще у этих существ должны наличествовать высокочувствительные органы осязания, чтобы ощущать движения воды вокруг себя. Они, конечно, обитали бы в жидкой среде, но весь их мир был бы заключен в купол твердого льда. Размер этого купола – границы их Вселенной – зависел бы от количества тепла, поступающего наружу из их кратера. Чем больше тепла, тем больше растопленного льда, и следовательно, тем больше места, пригодного для жизни. Если тепла, поступающего из недр, стало бы достаточно много, «туннели», промытые горячей водой, разрослись бы до такой степени, что стали бы постепенно сливаться друг с другом, образуя вокруг ядра планеты толстый слой воды – а он, в свою очередь, оказался бы заключен во внешнюю оболочку изо льда. Таким образом возник бы мир с подповерхностным океаном, который мы будем обсуждать в следующей главе. Эта возможность иллюстрирует уже обсужденную нами пластичность границ между различными типами водяных миров.

В этом гипотетическом мире жизнь всерьез зависела бы от разницы температур между гидротермальным источником и ледяной стеной или потолком. Поэтому, вероятно, первой наукой, которая развилась бы на Айсхейме, стала бы термодинамика. И первые двигатели на этой планете, вероятно, производили бы энергию, используя разницу температур – так же, как люди ставили себе на службу энергию ветра, строя ветряные мельницы.

Для айсхеймской техники имело бы очень большое значение движение тепловых потоков. Оно, по всей вероятности, сыграло бы в тамошней технике роль, наподобие той, что сыграло в ранних человеческих культурах движение воды в оросительных системах. Так как огня наши гипотетические организмы на Айсхейме не имели бы вовсе, их потребностям служило бы тепло, поступающее из области гидротермального источника, – например, чтобы сохранять свою цивилизацию близ ледяного щита, они обогревали бы этим теплом свои убежища.

Если говорить о материалах и инструментах, айсхеймцы оказались бы в положении, очень похожем на то, в котором когда‐то находились наши далекие предки на Земле. В их туннелях было бы, вероятно, вдоволь камней, пригодных для изготовления примитивных инструментов, а вблизи гидротермальных источников – залежей различных минералов, которые можно было бы оттуда добывать. Металлургия в отсутствие огня на Айсхейме должна была быть совершенно непохожей на нашу, хотя есть надежда, что их инженеры научились бы делать орудия из расплавленной смеси камня и металла, вытекающей из вулканических жерл. Они могли бы, например, разливать по формам расплавленную лаву. По сути, вулканические кратеры обеспечивали бы и заодно заметно облегчали нагревание и плавку, которые требуют настолько больших усилий в земной металлургии. Мы можем даже представить себе, что айсхеймская металлургия достигла бы высочайшего уровня точности и ведение записей выполнялось бы соответствующими металлическими орудиями.

Можно пофантазировать, что изобретением, которое стало бы символом торжества техники Айсхейма, как колесо стало таковым на Земле, была бы трубка. Если для каких‐то работ нужно тепло, его можно просто доставить в нужное место по трубке, берущей начало в гидротермальном кратере. И если, например, потребовалось бы расчистить пространство для жизни, то ледяные стены можно было бы раздвигать, поливая их поступающей по трубке из жерла горячей водой. Вместо того чтобы дробить и стачивать твердый материал, как мы делаем, строя туннель на Земле, инженеры Айсхейма могли бы просто промыть его во льду при помощи горячей воды.

Общение и язык

Как могли бы наши айсхеймцы общаться друг с другом? Киты и дельфины в земных океанах пользуются звуковыми волнами, в значительной мере напоминающими язык людей. Таким образом, довольно разумно ожидать, что эволюция жизни в промытых горячей водой туннелях вокруг термальных кратеров Айсхейма могла бы привести к аналогичному использованию звуков для коммуникации и, возможно, применению сонара – звукового локатора – для навигации. Мы знаем также, что некоторые виды угрей взаимодействуют с окружающей средой посредством электричества. Электромагнитные сигналы могли бы стать еще одним способом общения.

На заре развития жизни на Айсхейме те организмы, которые сумели бы наиболее быстро и точно реагировать на малейшие изменения теплового излучения, производимого хищниками, имели бы очевидное эволюционное преимущество. При преобладании тепловой энергии в области, окружающей термальный кратер, отслеживание и изменение тепловых маркеров тоже могли бы служить способами коммуникации и навигации. Это очень напоминает развитие у земных организмов органа зрения – глаза, собирающего видимый свет. Мир, «наблюдаемый» обитателями Айсхейма, был бы причудливой смесью тепловых маркеров. И это могло бы стать толчком для появления на этой планете науки.

Наука

Наиболее ранние цивилизации Земли уже имели обширные знания о движении солнца, луны и планет по полному звезд ночному небу. Такие наблюдения были в первую очередь чисто практическими: сначала они применялись для определения сроков начала сева и сбора урожая, и возможно, также для отслеживания сезонных миграций животных, охота за которыми давала людям пищу и одежду. Позже эти наблюдения пригодились первым путешественникам для навигации. Изучение движения планет на фоне неподвижных звезд привело к возникновению у древних греков и других культур первых представлений об устройстве космоса. Изучение места Земли в огромной Вселенной стало движущим мотивом в развитии большинства земных цивилизаций.

Первым разумным существам на Айсхейме зрелище ночного неба было бы недоступно. Но можно задаться вопросом, что бы они «увидели», поглядев вверх. Конечно, прежде всего они заметили бы над собой ледяной потолок, но, если их «глаза» обладали достаточной чувствительностью к малейшим изменениям теплового излучения, они могли бы довольно рано получить свидетельства существования Вселенной за пределами потолка. Если на их планете существовала бы смена времен года, как на Земле, то изменения положения их солнца на небе Айсхейма привели бы к тому, что в разные сезоны тепловые волны распространялись бы сквозь лед по‐разному.

Возможно, айсхеймцы могли бы воспринимать эти тепловые волны. Они могли бы даже попытаться вычислить закономерности перемещения источника тепла по их ледяному «небу». Если бы их планета получала также приток тепла от других источников – крупных соседних планет или лун, закономерности таких движений оказались бы крайне запутанными, что могло бы привести к развитию сложных теорий об устройстве Вселенной.

Айсхеймские исследователи

Можно вообразить себе отважных исследователей, покидающих родной кратер и отправляющихся в путешествие по ледяной пустыне – совсем как европейские мореплаватели, которые пересекали океаны в эпоху Великих географических открытий. Техническое приспособление, необходимое для такого путешествия, – трубку с двойными стенками – не так уж сложно было бы изготовить. И так же, как европейские путешественники открыли Новый Свет, исследователи Айсхейма постепенно открывали бы новые неизвестные им термальные кратеры, новые места, где могла бы процветать жизнь. Они могли бы даже использовать тепловые характеристики своего ледяного «неба» как средство навигации. И в конце концов у них могла бы появиться всемирная система туннелей, соединяющих термальные кратеры планеты, как линии воздушного сообщения соединяют города на поверхности Земли.

Если бы обитатели Айсхейма имели выраженную склонность к занятиям наукой, можно представить себе, как они готовили бы экспедицию вверх, сквозь ледяной щит – в направлении, которое выбирали для себя первые исследователи атмосферы и космоса у нас, на Земле. Если бы их заинтересовали сложные закономерности расположения и перемещений источников тепла на их ледяном «небе», то рано или поздно они задумались бы о том, чтобы повернуть свои трубки в новом направлении – вверх, а не в разные стороны! И в этот момент они с изумлением бы обнаружили, что у их мира есть «верх»! Но любопытство могло завести их еще дальше. Они могли бы открыть космическое пространство и задуматься: что ждет их в этих просторах. Возможно, они в конце концов освоили бы космические полеты и приступили к поиску ответа на вечный вопрос «Одиноки ли мы во Вселенной?».

Майк и Джим

Джим: Прикинь, тут парни из Университета в Кратере 7 предлагают сделать туннель, ведущий наверх.

Майк: Ты хочешь сказать, прочь от кратера? Что это им пришло в голову?

Дж: Да, они говорят, что, мол, эти малые изменения тепловых сигналов, которые мы только что открыли, идут с той стороны льда.

M: По‐твоему выходит, они считают, что у льда есть внешняя поверхность?

Дж: Ну да, так они говорят.

M: Идиоты! С той стороны льда не может быть воды – там любая поверхность оказалась бы слишком далеко от термальных кратеров. Что же там может расплавить лед? Как вообще можно получить воду, если нет термального источника?

Дж: Да все знают, что без термального источника не может быть жизни.

M: А источников не бывает без каменной почвы.

Дж: Угу. Короче, безнадежная идея. Чушь полнейшая.

7

Новая Европа

Океан подо льдом

Вы плывете в подводной лодке над самым дном океана. Вдали виден подводный горный кряж. Под вами – жерло гидротермального источника, из которого в воду извергается что‐то вроде черного дыма. Вокруг кратера – плотные скопления похожих на растения организмов, питающихся густой химической смесью, выходящей из недр планеты. Слева вы замечаете косяк рыб: им помогают плыть газы, содержащиеся в их плавательных пузырях. Вы присматриваетесь повнимательнее: вокруг термального кратера виднеются дома, а над ними плавает что‐то вроде воздушных шаров. Но каким бы странным все это ни было, сильнее всего ваше внимание привлекает кое‐что другое. Вы направляете вашу подводную лодку вверх, пока ее нос не утыкается в толстый слой льда. Вы достигли границ этого мира.

Когда мы только начали исследовать внешнюю часть Солнечной системы, одну из самых больших неожиданностей преподнесла нам Европа, одна из лун Юпитера. Космический зонд Galileo, запущенный в 1989 году и достигший Юпитера в 1995-м, сделал невероятное открытие. Опираясь на результаты измерений, которые мы чуть позже опишем во всех подробностях, научная группа миссии Galileo пришла к выводу, что под внешним ледяным щитом Европы скрывается настоящий подповерхностный океан, состоящий из жидкой воды. На этом сравнительно небольшом спутнике оказалось больше воды, чем во всех океанах Земли! В отличие от планеты Айсхейм, которую мы описывали в предыдущей главе – там мы говорили о пузырях жидкой воды вокруг гидротермальных источников, но вся остальная поверхность планеты была покрыта толстым слоем льда, – всю Европу под сравнительно тонкой ледяной коркой покрывает гигантский океан.

Трудно описать потрясение, которое это открытие произвело в научном мире. Раньше ученые были уверены, что крупные запасы воды в Солнечной системе существуют в единственном месте – в океанах Земли. В 1980‐х годах один из авторов этой книги (Дж. Т.) писал, что именно отсутствие воды – главное препятствие для космической экспансии человечества. И конечно, Европа с температурой поверхности –223 °C была одним из последних пунктов в списке мест, где кто‐либо мог бы рассчитывать отыскать жидкую воду. Но именно ее и обнаружил там зонд Galileo.

Уже беглый взгляд на поверхность Европы оставляет впечатление, что эта луна чем‐то очень отличается от остальных. Во‐первых, здесь крайне мало ударных кратеров. За время своего существования Европа должна была испытать множество столкновений с метеоритами, и отсутствие кратеров предполагает существование какого‐то механизма их сглаживания или устранения. Подробности работы этого механизма мы обсудим позже, а сейчас просто отметим, что возраст современной поверхности Европы меньше 50 миллионов лет – мгновение по астрономическому счету времени. Кроме того, на этой ледяной поверхности видно множество трещин, которые, судя по внешнему виду, заполнены пока не идентифицированной черной субстанцией – по всей видимости, она поднимается из недр планеты. Наличие трещин говорит о том, что лед на поверхности состоит из отдельных ледяных плит и эти плиты в прошлом находились в движении.

Первые свидетельства существования подповерхностного жидкого водяного океана были получены в результате магнитных измерений зонда Galileo, когда он пролетал мимо Европы. Они указали на наличие у спутника магнитного поля, и наилучшим объяснением этого факта стало предположение, что на Европе под тонкой ледяной поверхностью существует огромный океан соленой воды. В 2016 году Космический телескоп Хаббла дал внезапное подтверждение этой гипотезы: с его помощью удалось зарегистрировать гигантские фонтаны водяного пара, извергающиеся из‐под поверхности Европы на высоту до 200 километров.

Итак, сумма результатов исследований однозначно свидетельствует о том, что на Европе под ледяным слоем толщиной в несколько километров существует всемирный подповерхностный океан из жидкой воды глубиной от 80 до 200 километров. Толщина льда в разных точках поверхности Европы также может быть достаточно разной – есть области, где она составляет всего несколько сотен метров.

Первый вопрос, который приходит в голову, если признать существование подповерхностного океана на Европе реальностью: откуда берется энергия, необходимая для того, чтобы поддерживать воду в жидком состоянии? В отличие от Айсхейма, Европа слишком мала, чтобы значительные количества тепла выделялись из ее ядра в процессе охлаждения из первоначального горячего состояния или в результате распада радиоактивных элементов. Мы считаем ее геологически мертвой, как наша Луна.

В системе спутников Юпитера существует, однако, еще один источник энергии – он связан с мощным гравитационным воздействием на Европу самого Юпитера и остальных его лун. Европа совершает один оборот по своей орбите за примерно 85 часов, и за это время расстояние, отделяющее ее от Юпитера и остальных трех его больших лун (Ио, Ганимеда и Каллисто), меняется. Значит, меняются одновременно величина и направление гравитационной силы, воздействующей на Европу. В результате луна постоянно испытывает деформации изгиба, кручения и сжатия, которые, как мы знаем, ведут к выделению тепла. (В этом легко можно убедиться, если сначала быстро сгибать и разгибать металлическую полоску, а потом потрогать место сгиба.) Этот процесс, известный как приливный разогрев, способен поддерживать подповерхностный океан Европы в жидком состоянии на протяжении многих миллиардов лет. (Название процесса связано с тем, что переменное гравитационное поле в астрономических масштабах порождает на небесных телах приливы.)

Когда существование подповерхностного океана на Европе подтвердилось, подобные ему океаны были обнаружены на Ганимеде и Каллисто, а также на спутниках Сатурна, Титане и Энцеладе. Космический аппарат Cassini, вращавшийся по орбите вокруг Сатурна, даже пролетел сквозь гейзер, извергавшийся из‐под ледяной поверхности Энцелада. Подповерхностные океаны во внешней Солнечной системе быстро сделались главными кандидатами на поиск внеземной жизни. Это, кстати, объясняет и причину, по которой в 2003 году разбился об Юпитер космический зонд Galileo, а в 2017-м столкнулся с Сатурном аппарат Cassini, – оба космических корабля были уничтожены, чтобы не допустить даже отдаленной вероятности падения на одну из этих лун и последующего «заражения» ее поверхности земными микробами.

Прежде чем мы покинем Солнечную систему, вспомним еще о наблюдениях с борта космического зонда New Horizons: они показали, что подповерхностный океан жидкой воды есть также на Плутоне, а на его спутнике Хароне такой океан существовал в далеком прошлом. Но поскольку на Плутоне нет приливного разогрева по причине отсутствия небесных тел, которые могли бы этот разогрев вызывать, источник тепла, необходимого для поддержания тамошнего океана в жидком состоянии, пока остается загадкой.

Есть несколько сценариев возникновения мира с подповерхностным океаном, покрывающим каменное или металлическое ядро. Крупная планета вроде Айсхейма могла бы возникнуть на основе каменного ядра, покрытого слоем сплошного льда, а остатка тепла, выделившегося в ходе формирования планеты, или больших объемов тепловой энергии, связанной с радиоактивностью ее ядра, могло бы хватить на то, чтобы растопить этот лед и создать океан. Или же, как это и произошло с Европой и другими крупными лунами в Солнечной системе, количество тепла, достаточное, чтобы поддерживать часть покрывающей ядро воды в жидком состоянии, может быть обеспечено внешним процессом, таким как приливный разогрев. В этих ситуациях поток тепла, поддерживающий существование подповерхностного океана, образует слой воды, растущий и распространяющийся по направлению снизу вверх.

Можно также представить себе мир, в котором на поверхности когда‐то существовали океаны, но потом он подвергся сильному охлаждению. В результате внешний слой воды замерз, а внутренний остался жидким. Периоды существования «Земли‐снежка» в истории нашей собственной планеты дополнительно подтверждают вероятность такого сценария. По сути, в нашей истории были периоды, когда Земля также представляла собой мир с подповерхностным океаном. В этих случаях структура планеты формируется сверху вниз – слой льда образуется на поверхности уже существующего жидкого океана. Периоды существования «Земли‐снежка» служат дополнительным свидетельством того, что планеты могут неоднократно переходить из одной категории водных миров в другую. Более того, мы должны быть готовы и к тому, что условия развития жизни могут заметно различаться на спутнике планеты под воздействием приливного разогрева и на планете с независимой орбитой, где приливного разогрева нет и в помине.

Здесь мы упираемся в один из тех вопросов, на которые пока не найдено ответа и которые иллюстрируют пробелы в наших знаниях о небесных телах: дело в том, что мы не представляем себе подробностей движения потоков тепла на планетах и спутниках с подповерхностными океанами. Ученые преимущественно согласились с гипотезой о том, что в воде тепло будет переноситься вверх посредством конвекции. Но будет ли также конвекция во внутренней каменной мантии и металлическом ядре подчиняться тем же законам, что и на Земле, неизвестно. Некоторые теоретики утверждают, что даже на таком небольшом небесном теле, как Европа, может существовать конвекция в мантии – а следовательно, в ее океане будут точно такие же подводные термальные кратеры, как те, что мы обсуждали в предыдущей главе. В нашем последующем повествовании мы чисто теоретически предположим, что именно так и обстоит дело, и будем рассматривать только такие миры с подповерхностными океанами, в которых существуют подводные гидротермальные источники.

Посмотрим теперь, как в подобном мире могла бы развиваться жизнь. В память об открытиях, сделанных космическим зондом Galileo, назовем наш воображаемый мир Новой Европой.

Лингвистическое отступление

Вам, вероятно, известно, что в 2006 году на съезде Международного астрономического союза небольшая группа астрономов добилась принятия одного из самых глупых решений, когда‐либо выносившихся научными органами. Голосованием было решено «низвести» Плутон до статуса «карликовой планеты». В процессе обсуждения инициаторам пришлось совершенно невнятным образом переформулировать само понятие «планета» (полностью это обсуждение приведено в нашей книге «Экзопланеты»). Многие ученые‐планетологи это решение полностью проигнорировали, и мы в нашей книге поступим так же. Чтобы читателям было легче следить за цепочками наших рассуждений, мы будем использовать здесь общепринятое различие между терминами «планета» и «луна» (или «спутник»). Но мы считаем необходимым напомнить о существующем тренде: в настоящий момент планетологи обычно называют любой объект, включая луны, «планетой», если это тело достаточно велико, чтобы обладать сферической формой, и достаточно мало, чтобы не быть звездой. Мы знаем, что когда нашу Луну называют «планетой», это немного режет ухо, по крайней мере первые несколько раз, но рассчитываем, что в конечном счете все больше астрономов начнет разделять эту привычку.

Жизнь подо льдом

Как мы уже много раз повторяли, наиболее интересный расклад в водных мирах возникает, когда ядро планеты достаточно велико, чтобы поддерживать тектоническую активность. Тогда на твердой поверхности его коры возникают термальные кратеры. Многие ученые считают, что жизнь на Земле впервые возникла в таких же гидротермальных источниках в глубине океанов – условия в них таковы, что в изобилии имеются и необходимая энергия, и «строительные кирпичики», обязательные для зарождения жизни. Поэтому для дальнейшего разговора мы выберем планету с термальными кратерами на поверхности коры и подповерхностным океаном под слоем льда – и для удобства назовем его Новой Европой.

Как мы уже наблюдали на примере Айсхейма, у организмов, которые способны перемещаться вдоль гидротермальных каналов в места с наибольшим количеством ресурсов, необходимых для поддержания жизни, есть явное эволюционное преимущество. Это правило будет верным и на Новой Европе, но у ее обитателей появится еще одна возможность, недоступная жителям Айсхейма. На Айсхейме путешествиям между кратерами препятствуют толстые стены льда, в то время как живые организмы Новой Европы имеют возможность без труда заселять новые кратеры, просто проплыв какое‐нибудь расстояние в какую‐нибудь сторону. Таким образом, вероятнее всего, эти существа мигрировали бы между источниками подземного тепла примерно так же, как земные животные перемещаются с острова на остров по поверхности океана.

Условия окружающей среды вокруг источников были бы, очевидно, довольно разными и, таким образом, естественный отбор создал бы вокруг каждого из них множество видов, не похожих друг на друга, как это произошло на Земле. Например, в разных гидротермальных очагах может быть разный химический состав извергаемого из кратеров содержимого или разная степень прогрева воды, и таким образом, необходимость адаптироваться к этим условиям создала бы целую плеяду разнообразных видов (вспомним еще раз тигров и белых медведей).

В плане распределения энергии Новая Европа довольно сильно напоминала бы Айсхейм. Тепло и химическая энергия поднимались бы по гидротермальным трубкам к кратерам подводных вулканов, а свет от материнской звезды в значительной степени поглощался бы слоем льда. Мы можем представить себе формы жизни, которые зарождались бы вокруг гидротермальных источников и вместе с исходящими оттуда потоками энергии и пищи постепенно мигрировали наверх, к нижнему своду ледяного щита – для обитателей планеты он был бы краем их Вселенной. Как и на Айсхейме, сильнее всего преуспели бы те организмы, которые сумели бы пробиться наверх сквозь толщу льда и дотянуться до энергии, излучаемой материнской звездой. Мы можем представить себе несколько вариантов подобного развития событий.

Например, в толще льда могли быть трещины и расщелины, через которые просачивалась бы наружу населенная микробами вода. Кроме того, как нам известно, на тех из планет Солнечной системы, где существуют подповерхностные океаны (в том числе на спутнике Юпитера, Европе – чтобы не запутаться, давайте назовем ее Старой Европой), время от времени сквозь толщу льда пробиваются водяные гейзеры – а следовательно, существует еще один способ пробиться сквозь ледяной щит. И наконец, крупные трещины в толще льда могут возникнуть вследствие удара метеорита – и сквозь них тоже может хлынуть на поверхность вода из недр планеты. Когда эта вода замерзает, корка льда образуется заново – астрономы называют этот процесс «обновлением поверхности». (Это, кстати, объясняет, почему на поверхности Старой Европы так редко встречаются кратеры.) Таким образом, любой из перечисленных нами путей мог бы привести живые организмы на поверхность, под свет материнской звезды, а дальше, для того, чтобы суметь получить из этого света энергию, этим организмам потребуется освоить фотосинтез или что‐то подобное.

Впрочем, доводы предыдущего абзаца заставляют задуматься еще вот о чем: казалось бы, в мирах с подповерхностными океанами жизнь относительно легко могла бы выбраться наружу сквозь толщу льда, но тем не менее на поверхности подобных миров в Солнечной системе никаких признаков жизни не обнаружено. Вполне возможно, что ключевую роль здесь играет уже упомянутый нами приливный разогрев, то есть, в конечном счете, ответ на вопрос, говорим мы о самостоятельной планете или о спутнике. Другими словами, в мирах типа Новой Европы все пути миграции на поверхность вполне могут быть закрыты по пока неизвестной нам причине.

Может, например, выясниться, что эти миры просто расположены слишком далеко от Солнца, чтобы оно было в состоянии поддерживать жизнь на их поверхности. В предыдущей главе мы поговорили о том, что большие «листья» могут компенсировать слабость солнечного излучения. Возможно, однако, что существует некая эволюционная ступенька между населяющими толщу океана микробами и растениями с большими листьями, «бутылочное горлышко», через которое живым существам пройти трудно. Или перемещению к поверхности действительно препятствует какой‐то неизвестный фактор, возникающий вследствие приливного разогрева. Ну и наконец жизнь на этих конкретных планетах Солнечной системы могла просто не возникнуть.

Добавим еще, что Юпитер постоянно осыпает Старую Европу потоками высокоэнергетических частиц, достаточно мощными, чтобы разрушить любую жизнь на открытой поверхности спутника, но при этом проникающими вглубь льда на каких‐то несколько дюймов. Таким образом возникает еще один вариант: «наземная» жизнь на Европе может существовать не на поверхности ледяного щита, а в его толще, на глубине в несколько дюймов или десятков дюймов. Такую жизнь ни наши космические зонды, ни телескопы пока что обнаружить не в состоянии.

Есть и еще один момент, который мог бы объяснить отсутствие жизни на поверхности лун с подповерхностными океанами в Солнечной системе, и он связан с тем, что мы знаем о пищевых сетях в земных океанах. За исключением биоценозов гидротермальных подводных источников, вся пищевая паутина (т. е. все множество взаимосвязанных пищевых цепочек) в глубинах наших океанов существует благодаря солнечному свету. Основу пищевых цепочек составляют микроскопические организмы вроде фитопланктона, которые преобразуют солнечный свет в энергию посредством фотосинтеза. Хотя солнечный свет способен проникать в толщу воды всего на 800 м в глубину или даже немного меньше – эта часть океана называется фотической зоной, – все остальные морские существа в конечном счете потребляют энергию, накопленную этим фотосинтезирующим планктоном. Ледяной щит на Новой Европе полностью блокировал бы образование фотической зоны. Свет материнской звезды просто не смог бы проникнуть сквозь толщу льда в лежащую под ним воду.

И NASA, и Европейское космическое агентство оценивают возможность отправки космических миссий, которые взяли бы прямые пробы темного материала, выступающего из трещин на поверхности Европы, и сделали их анализ. Но для этого необходима посадка спускаемого аппарата со сложными приборами для химического анализа – наподобие марсохода Curiosity. Наконец после посадки на Европе сначала, с высокой вероятностью, придется пробурить слой льда, чтобы взять пробы подледной воды. Тогда, если зонд обнаружит живые организмы, мы сможем начать исследовать эволюционную цепочку, которая привела к их возникновению. Если же зонд не найдет ничего, это станет свидетельством того факта, что жизни труднее развиваться в мирах с разогреваемым приливными силами подповерхностным океаном, чем мы предполагали. Как бы то ни было, вопрос о том, почему на поверхности подобных миров нет жизни, должен решаться посредством сбора и анализа новых данных, а не чисто теоретически. И наконец, данные миссии, отправленной на Европу, могут дать нам информацию о возможности жизни на планете типа Новой Европы – именно планете, а не на спутнике, – но могут и не сказать ничего определенного. Как и с большинством экзопланет, здесь перед нами стоит множество вопросов, на которые пока непонятно как отвечать. Но об этом мы еще поговорим в главе 17.

Разумная жизнь и технический прогресс

Мы знаем, что на Земле первые многоклеточные организмы развились вокруг подводных гидротермальных источников, – поэтому вполне логично предположить, что и на Новой Европе многоклеточная жизнь могла эволюционировать тем же образом. И снова нам придется признать, что у нас нет никаких данных, на основе которых мы могли бы сделать выводы о возможности возникновения в подобных условиях разумной жизни? Однако, если предположить, что разумная жизнь и технологии там все же появились, мы можем попробовать задуматься об особенностях цивилизации, развивающейся в глубинах подповерхностного океана.

Как и на Айсхейме, камни, из которых состоит морское дно, и материалы, поступающие на поверхность из вулканических и гидротермальных кратеров, вполне могли бы дать достаточное количество как металлов, так и химикатов для технического прогресса. И как колесо символизирует технологии Земли, а трубка – технологии Айсхейма, так символом технологий Новой Европы должен стать плавательный шар – важнейшее средство передвижения в этом мире. Шар, наполненный газом (или, что более вероятно, какой‐то жидкостью, менее плотной, чем окружающая вода), мог бы позволить жителям Новой Европы подниматься над твердой поверхностью их планеты и исследовать окружающий их мир во всех подробностях. Мы можем предположить, что сначала их перемещения были бы исключительно горизонтальными – то есть в основном параллельными океанскому дну. Новоевропейцы составили бы карту этого дна, разглядывая его сверху – почти как европейские мореплаватели в эпоху географических открытий исследовали разные уголки Земли. Однако в конце концов они бы подняли взгляд вверх и обратили внимание на толщу подповерхностного океана над своими головами. Собственно, единственное, что понадобилось бы им, чтобы отправиться наверх, – подобрать для своих плавательных баллонов как можно более легкую жидкость.

Вот тут‐то их и встретил бы купол из льда.

Что произошло бы, если бы на заре покорения космоса человечество натолкнулось на барьер, не позволяющий нам двигаться дальше и выше? В представлениях древних греков Землю окружал именно такой барьер: твердая хрустальная сфера с закрепленной на ней Луной. Вращением этой сферы греки объясняли движение нашего ночного светила по небу. Построили бы новоевропейцы свою космологию вокруг какой‐нибудь похожей теории и остановились бы на этом, довольные тем, что добрались до края своей Вселенной? Или все-таки рискнули бы пробить туннель сквозь ледяной слой и посмотреть, как далеко он протянется?

Вполне вероятно, что события на Новой Европе в какой‐то момент стали бы зеркальным отражением научно‐технического прогресса на Земле. Ключевая разница состояла бы в том, что земные ученые сосредоточились на движении вглубь, в недра нашей планеты, пытаясь понять ее строение, а ученые Новой Европы устремились бы вверх, к ледяному куполу над головой. Развитие сейсмологии в XX столетии позволило нам представить себе внутреннее строение Земли. Точно так же ученые Новой Европы могли бы открыть методы использования звуковых волн для исследования ледяного слоя и таким образом обнаружить, что этот слой не занимает всю Вселенную за пределами их подледного океана, а имеет конечную толщину.

Земные ученые тоже занимались глубинным бурением. Рекорд, достигнутый ими, – Кольская сверхглубокая скважина в России, недалеко от Мурманска. Она уходит вглубь Земли на 12 с лишним километров. Располагай новоевропейцы подобной техникой, и они, вероятно, смогли бы выйти на поверхность ледяного щита, просто пробурив вертикальную скважину – по крайней мере, если бы толщина этого льда была примерно того же порядка, какова она, по нашим расчетам, на спутнике Юпитера Европе.

Но движущей силой этого путешествия была бы не только (или даже не столько) любознательность. Выход на поверхность льда мог бы сулить в придачу огромные технические и экономические выгоды – ведь он позволил бы новоевропейцам получать и перерабатывать энергию от излучения их материнской звезды! Как мы используем геотермальную энергию для выработки электричества или для теплоснабжения, так и они могли бы установить на поверхности льда солнечные батареи. Можно даже представить себе «гонку к поверхности» между цивилизациями – обитателями разных гидротермальных источников – аналог космической гонки XX века на Земле.

Можно вообразить также энергетические установки на ледяной поверхности, окруженные панелями, собирающими солнечную энергию, и связанные длинными кабелями с океанским дном. Можно провести аналогию между новоевропейцами, использующими поверхность льда к собственной выгоде, и людьми, точно так же использующими околоземное пространство. Человечество пока пользуется спутниками преимущественно для связи и навигации, хотя уже заходит речь и о строительстве гигантской солнечной электростанции на околоземной орбите.

Новоевропейцы, обслуживающие свои энергетические станции на внешней поверхности льда, нуждались бы в защите от космического вакуума или от газовой атмосферы своей планеты так же, как люди на МКС – от суровых условий за бортом станции. Именно по этой причине большая часть наших космических исследований выполняется беспилотными автоматическими аппаратами. Возможно, новоевропейцы пошли бы по такому же пути и отправили на поверхность своего мира автоматизированные машины и роботов, а сами предпочли бы оставаться в безопасности и комфорте у себя на дне. Или, может быть, они устремились бы к новооткрытым звездам и пожелали заняться их изучением, как это сделали люди. Чтобы продолжать эти исследования, им пришлось бы преодолеть множество трудностей – достичь внешнего слоя льда уже само по себе оказалось бы непростой задачей, а уж чтобы построить на поверхности планеты что‐то похожее на наши космодромы, потребовались бы многолетние усилия и сосредоточение там огромных ресурсов. Возможно, подобное мероприятие по амбициозности и ресурсоемкости стоит сравнить с созданием людьми постоянной базы на Луне. Впрочем, у нас уже есть планы строительства такой базы – и нет никаких причин считать, что новоевропейцы были бы меньше нашего склонны к грандиозным предприятиям. Крайне любопытно подумать и вот над каким вопросом: как новоевропейцы отнеслись бы к космическим исследованиям и колонизации планет? Много лет люди мечтали о том, чтобы найти «новую Землю», вращающуюся вокруг другой звезды, планету, которую мы могли бы колонизовать и сделать новым домом для человечества. Это была бы каменная планета с обширными водными пространствами прямо на поверхности – то, что в главе 9 мы называем планетой земного типа. Мы уже нашли несколько десятков подобных планет, хотя в Солнечной системе расположена лишь одна из них – сама Земля. Новоевропейцам больше должны нравиться покрытые льдом миры с подповерхностными океанами, и надо сказать, что по крайней мере в пределах Солнечной системы есть как минимум пять – Европа, Ганимед, Каллисто, Титан и Энцелад. Выходит, что при колонизации планет у обитателей Новой Европы было бы намного больше шансов на успех, чем у людей, и они могли бы заселить Галактику гораздо быстрее!

Майк и Джим

Майк: Помнишь доклад о верхнем океане, который Атон 112 сделал на семинаре пару лет назад?

Джим: Помню. Он предлагал исследовать ледяной купол, посылая вверх звуковые волны и вслушиваясь в эхо.

M: Представь себе: его проект получил финансирование! И что же? Этот чудак, оказывается, нашел место, где, по его словам, лед совсем тонкий. Говорят даже, что он просверлил его насквозь!

Дж: И что же он нашел?

M: Да ничего.

Дж: То есть как это «ничего»?

M: Да вот так. Он говорит, там надо льдом вакуум.

Дж: Вот придурок Он что, не знает философии? Всем известно, что природа не терпит пустоты и жизнь в вакууме невозможна.

M: Таким образом возвращаемся к исходному тезису – наверху не может быть ничего, кроме льда. Это просто стоит принять как данность.

Дж: Именно. Лед, лед, лед – и так без конца.

8

Нептуния

Вода, вода, кругом вода

Вы плывете в маленькой лодочке. Всюду вокруг вода, вода до самого горизонта, куда ни посмотри. И, поскольку вы уже бывали на этой планете, вы знаете – куда бы вы ни направились, кругом всегда будет точно такая же картина. Над головой плывут белые облачка, но, хоть они выглядят совершенно безобидно, вы помните, что они могут внезапно превратиться в штормовую тучу. Над головой парят похожие на альбатросов птицы – из тех, что приспособились высиживать яйца, покачиваясь прямо на поверхности воды. Под килем лодки вы можете различить косяки рыбы – а где‐то в глубинах скрываются гигантские подводные хищники, которые этой рыбой питаются. Еще глубже, в полутора сотнях километров под вами, невероятной силы давление сжимает молекулы воды, создавая странные формы льда. Это Нептуния, детка.

Мы продолжаем изучать миры, у которых каменная мантия и металлическое ядро окружены водой. И на этот раз мы обратимся к крайностям и посмотрим на мир, поверхность которого целиком покрыта океаном. Ни единого клочка суши. Вас не должно удивлять, ни существование подобных миров, ни то, что некоторое количество планет такого типа человечеству уже известно. Одна из таких планет – Gliese 1214 b, о которой мы подробно поговорим в главе 14. Планета эта расположена в 40 световых годах от Земли, и астрономы прозвали ее Водным Миром – в честь увидевшего свет в 1996 году научно‐фантастического фильма с таким же названием. Толщина слоя воды, целиком покрывающего ее поверхность, может достигать 150 километров. Вот вам еще один мир, где могла бы зародиться наша воображаемая жизнь. Назовем его чуть менее формально, чем наши друзья‐астрономы: Нептунией – в честь греческого бога морей.

Первое, что следует сказать о Нептунии: она обязана находиться в зоне обитаемости своей звезды – так называется область, где излучение материнской звезды достаточно сильно, чтобы океаны на планетах не замерзали. Если бы океан Нептунии покрылся ледяной коркой, перед нами предстал бы мир, похожий на Новую Европу из предыдущей главы, а если бы этот океан промерз до дна, Нептуния стала бы напоминать Айсхейм из главы 6. Повторим еще раз то, о чем мы уже неоднократно говорили: существует множество форм водных миров, и одна форма всегда может превратиться в другую.

Чтобы понять, как мог возникнуть мир, подобный Нептунии, вспомним, как появились океаны на Земле. Когда новорожденная планета еще находилась в первичном расплавленном состоянии, наиболее легкие вещества поднимались из ее недр на поверхность. Они и образовали нынешние континенты. Но этого материала хватило, чтобы покрыть около четверти земной поверхности – а между этими участками суши образовались глубокие впадины. Давайте представим себе, что эти впадины – ванны, которые нужно наполнить. Для этого потребовалась вода, и она поступала из трех источников: из недр Земли (здесь помогли вулканы), падающих на Землю астероидов и пролетающих мимо нее комет. Ученые много спорят о том, какой источник был основным и как именно они соотносятся друг с другом в процентном отношении, но конечный результат налицо: наши «ванны» наполнились, но через край вода при этом не полилась.

Но «не полилась через край» – в целом необязательный пункт программы. Если бы на Землю в этот момент попало примерно впятеро больше воды, чем на самом деле, то все континенты, включая горные области вплоть по Эверест и даже выше, оказались бы под водой. Земля превратилась бы в планету типа Нептунии. Количество жидкой воды, скапливающееся на поверхности планеты, зависит от множества факторов: сколько было воды в туманности, из которой планета образовалась, сколько из этой воды оказалось на зародыше нашей планеты в момент образования, каковы масса и сила притяжения нашей планеты и, конечно, какова ее температура. Однако, вспоминая, что мы говорили в главе 1 о количестве и разнообразии планет в Галактике, мы полагаем, что можно с уверенностью утверждать: миров типа Нептунии в ней очень много.

Здесь мы сделаем небольшое отступление и отметим, что в ранней истории Солнечной системы в какой‐то момент произошло переупорядочивание орбит внешних планет, вследствие чего изменились орбиты комет и астероидов – и те устремились к Земле. Мы не знаем, всегда ли формирование планетных систем сопровождается подобными явлениями, но нам известно, что иногда подобные перегруппировки случаются. В нашей системе кометно‐астероидный дождь никогда не прекращался полностью – он просто пошел на спад с течением времени. Ежедневно масса Земли увеличивается примерно на 40 тонн из‐за того, что космическое вещество сталкивается с нашей планетой, сгорает в атмосфере и выпадает на поверхность в виде мелкой пыли.

Жизнь на Нептунии

Направление потоков энергии на Нептунии не слишком отличается от того, что мы уже видели на Айсхейме и Новой Европе. Свет материнской звезды падает на поверхность океана, а из гидротермальных кратеров на дне океана поднимаются тепло нагретого ядра вместе с теплом, порождаемым химическими реакциями. Ключевое отличие состоит в том, что Нептуния – первый из предстающих перед нами миров, где, как и на Земле, жизнь может развиваться равно и на поверхности планеты (из‐за присутствия там воды), и в глубине океана вокруг гидротермальных источников.

В главе 4 мы описали эксперимент Миллера – Юри, который доказал, что повседневные химические реакции в атмосфере Земли могли стать причиной возникновения основных «строительных кирпичиков», из которых впоследствии развились живые организмы. Мы говорили и о том, что этот эксперимент привел к теории зарождения жизни из «первичного бульона»: к гипотезе, состоящей в том, что эти «кирпичики», падая с неба, превратили океан в густую смесь, кишащую органикой. А дальше, согласно теории Дарвина, как только возникнет первая живая клетка, начнется естественный отбор, и жизнь потечет своим чередом.

С точки зрения теории первичного бульона наличие на Земле континентов или какой бы то ни было суши не влияет на зарождение жизни никоим образом; следовательно, ничто не мешает такому же бульону возникнуть и на Нептунии. Единственная гипотеза о появлении жизни на Земле, на Нептунии совершенно невозможная, – теория «маленького теплого пруда», или, говоря более научным языком, приливных бассейнов. Причина проста: для образования приливного бассейна нужна суша, а с ней на Нептунии как‐то исторически не сложилось.

Если бы жизнь на Нептунии зародилась из такого же первичного бульона, как на Земле, можно предположить, что и развивалась бы она примерно тем же путем, по которому пошла жизнь в земных океанах. Образовалась бы фотическая зона глубиной в несколько сотен метров, и пищевая цепочка на основе фитопланктона (густой зеленой тины) постепенно развивалась бы все дальше и дальше, постепенно порождая все более сложные организмы и увенчав эту пищевую цепочку кем‐нибудь вроде хищных рыб. Однако в этом океане полностью отсутствовали бы мелководные формы жизни, вроде водорослей или устриц, – по причине отсутствия мелководья. Не было бы здесь и существ наподобие китов и дельфинов, которые на Земле сначала прошли часть своего эволюционного пути по суше и только потом возвратились в море. Но в остальном высокоразвитая многоклеточная жизнь в океане Нептунии, вероятно, не слишком бы отличалась от земной.

Вокруг нептунийских гидротермальных подводных источников ситуация тоже в целом напоминала бы земную. С учетом того, что, когда мы говорим о придонных биоценозах, огромная глубина нептунийского океана не слишком для нас важна, мы и здесь можем решить, что процесс эволюции на дне здешнего океана выглядел примерно так же, как и на Земле. Таким образом, жизнь на окраинах нептунийского океана – на самой поверхности и на самом дне – вероятно, не слишком отличалась бы от тех ее форм, какие существуют на Земле. А вот в области, заключенной между этими полюсами, события развивались бы заметно иначе. Ведь здесь в игру вступил бы новый фактор – огромное давление.

Давление

Замечаете вы это, или нет, но вы проводите всю свою жизнь на дне океана. Не водяного, конечно, а газового – мы называем его атмосферой. Задумайтесь об этом: начертите на ладони квадратик со стороной в дюйм (примерно 6 квадратных сантиметров) и представьте вертикальную трубку, поднимающуюся от этого квадратика в космическое пространство. Если вы находитесь на уровне моря, вес воздуха в этой трубке составит примерно 6,5 кг. Именно такой вес давит на каждый квадратный дюйм вашей руки, и в ответ в вашем теле возникает соответствующее сопротивление – те же 6.5 кг на каждый квадратный дюйм.

Наши тела существуют под этим давлением всю жизнь, с самого момента рождения – поэтому в нормальном состоянии мы этого давления не ощущаем. Мы начинаем замечать его, только когда оказываемся в средах с внешним давлением, сильно отличающимся от того, к которому мы привыкли. Например, на больших высотах наш воображаемый столб воздуха заметно сокращается, и давление атмосферы значительно уменьшается. Поэтому летчики при полетах на большой высоте надевают специальные гермокостюмы. Если же мы опускаемся на морское дно, вес находящейся над нами воды суммируется с весом воздуха и давление растет – вот почему для работы на большой глубине водолазам нужны скафандры.

Давление – это сила, действующая на единицу площади; таким образом, атмосфера Земли на уровне моря оказывает на квадратный сантиметр поверхности давление, равное тому, что оказывало бы тело весом в 1 килограмм. Такое давление называют 1 атмосферой (обычное сокращение «атм») – это стандартная единица давления. Ученые часто пользуются также единицей, называемой «бар»: количественно она примерно равна атмосфере. А в прогнозе погоды вы можете услышать, как атмосферное давление измеряют и в еще одних единицах – миллиметрах ртутного столба. Эта единица, которую все еще используют в ряде случаев по историческим причинам, вычисляется следующим образом: нам нужно замерить высоту столбика ртути, давление которого в точности уравновешивает давление столба воздуха, о котором мы говорили выше. Давление столба воздуха в 1 атмосферу уравновешивается давлением столбика ртути высотой в 760 мм, или 76 см; небольшие колебания этого давления и определяют изменения погодных условий. Официальная же единица измерения давления в метрической системе – паскаль, названный так в честь французского ученого и математика Блеза Паскаля (1623–1662), впервые объяснившего принцип действия барометра. Одна атмосфера равна примерно 100 000 паскалей.

Скорее всего, вам приходилось сталкиваться с измерением давления в кабинете врача или в автосервисе, когда вы накачивали шины своего автомобиля. Цифры на шкале устройства, которым пользовался врач, – это выраженная в миллиметрах ртутного столба разница между давлением крови в ваших артериях и атмосферным. То есть кровяное давление, равное 120, означает, что в вашем теле общее давление составляет 880 мм рт. ст., из которых на долю атмосферного приходятся уже упомянутые нами 760 мм рт. ст., а остальное добавляет напор вашей крови. А манометр, измеряющий давление в ваших шинах, проградуирован в единицах psi (фунты на квадратный дюйм).

Несколько странным кажется тот факт, что для измерения давления в разных областях науки, а также на практике используются настолько разные единицы – несмотря на периодическое ворчание официальных органов по этому поводу. Как мы уже отмечали, медики и метеорологи все еще пользуются миллиметрами ртутного столба, в инженерных приложениях вы рискуете встретить обозначение psi, ученые пользуются барами и т. д. Похоже, корни этого кроются в привычке держаться за старое – в том числе и за старые системы измерения. А как иначе объяснить, что, когда вы в Америке приходите в хозяйственный магазин за гвоздями, вы видите, что их размеры в магазине указывают в пенни, причем обозначаются эти единицы буквой d? Так вот, представьте себе: мы унаследовали эти единицы от Римской империи! d происходит от слова «динарий», названия римской серебряной монеты. Еще один пример упорного нежелания расстаться с устаревшими единицами можно усмотреть в том, что Соединенные Штаты остаются единственной развитой страной, так и не перешедшей к метрической системе. Однако оба автора должны признать, что находят это в высшей степени разумным – такой переход принес бы гораздо больше хлопот, чем преимуществ.

Как мы уже говорили выше, когда мы погружаемся вглубь океана, мы испытываем рост давления. Самое глубокое место в мировом океане Земли – Марианская впадина в Тихом океане. Ее глубина составляет чуть меньше 11 километров – 10 994 м. На такой глубине давление воды равно 1086 бар, что более чем в 1000 раз превышает давление атмосферы на уровне моря. Чтобы наглядно представить себе это, вообразите, что на каждом квадратном дюйме вашего тела стоит слон, а потом еще добавьте для ровного счета еще по слону на каждые 4 квадратных дюйма (примерно на 25 см^2).

Если ядро Нептунии по размеру примерно равно земному, а глубина ее океана составляет при этом 160 километров, то давление на дне этого океана будет примерно в 16 раз больше давления на дне Марианской впадины. Это как если бы на каждом квадратном дюйме вашего тела стояло уже по 20 слонов.

Такое огромное давление несложно получить в лаборатории при помощи устройства, называемого алмазной наковальней. В этом устройстве исследуемый образец помещается между двумя алмазами. На одном из алмазов имеется углубление, в которое и укладывается образец, а на втором – выступ, соответствующий по форме углублению. Так как давление зависит от размера площадки, к которой приложена сила, а соприкосновение инструмента с образцом происходит на пространстве, стремящемся к превращению в точку, при помощи этого устройства мы можем создать огромное давление, приложив относительно малую силу. На алмазной наковальне можно получить давление значительно выше тех, с какими мы могли бы столкнуться на Нептунии. (Между прочим, в исследованиях высоких давлений есть нечто ковбойское – ученые, работающие в этой области, говорят, что их алмазы раскалываются со звуком, напоминающим выстрел из ружья.)

Собственно, материалы при высоких давлениях ведут себя странно: например, изменяется взаимное расположение атомов и электронов. Этот процесс может в корне изменить даже самые основные свойства материала. Кислород, при нормальном давлении выглядящий как бесцветный и безвкусный газ, когда давление растет, становится голубым, затем превращается в рубиново‐красный кристалл, и наконец – в сверкающий металл. Подобные перемены происходили и с другими материалами. На Земле их можно наблюдать исключительно в лаборатории, поскольку даже на дне Марианской впадины давление значительно ниже.

Чтобы понять, что мы увидим, погрузившись в нептунийский океан, мы должны поговорить о понятии фазового перехода. Обычно мы говорим, что такие вещества, как вода, существуют в трех агрегатных состояниях или трех фазах: газ (пар), жидкость и твердое тело (лед). Переходы между ними (такие как замерзание и кипение) и называются фазовыми переходами. Нас в первую очередь будет интересовать переход от жидкого состояния к твердому, поэтому давайте посмотрим, что происходит на молекулярном уровне, когда что‐то замерзает. В жидкости молекулы движутся свободно, но находятся в тесном контакте со своими соседями – представьте себе мешочек с шариками, трущимися друг о друга и перекатывающимися. В твердом теле молекулы сцеплены друг с другом в жесткие структуры, наподобие деталей конструктора лего. Таким образом, чтобы сделать некое вещество из жидкого твердым, мы должны отобрать энергию у системы и лишить молекулы их свободы движения. Именно это вы и делаете каждый раз, когда кладете кубик льда в стакан с напитком – тепловая энергия напитка уходит на то, чтобы растопить лед (изменить его агрегатное состояние), и в результате температура жидкости в стакане падает.

Люди часто испытывают потрясение, когда осознают, что вода – добрая старая H_2O – одно из самых загадочных веществ во Вселенной. Ученые установили, что при изменении температуры и давления вода может переходить не менее чем в 17 различных фазовых состояний льда, каждое из которых отличается расположением атомов водорода и кислорода. Эти фазовые состояния обычно обозначаются римскими цифрами: например, «лед X», или «лед‐десять», о котором мы поговорим ниже. (Надо заметить, однако, что ни одно из фазовых состояний льда, о которых у нас пойдет речь, не имеет ничего общего с фантастическим «льдом‐девять» из романа Курта Воннегута «Колыбель для кошки».)

Лед, с которым мы все хорошо знакомы, – например, лед, который лежит на тротуаре в тот самый холодный январский день, когда мы пишем эти слова, – называется «лед Ih» («лед один эйч».) В нем молекулы воды располагаются в узлах шестиугольной – гексагональной – решетки (h и означает «гексагональный».) В обычных земных условиях невозможно естественным образом создать давление, достаточное для превращения льда Ih в любую другую форму. Однако при сверхнизких температурах (ниже –222 °C) образуется структура, называемая «лед XI» – в ней шестиугольники выстраиваются более упорядоченно, чем в структуре льда Ih.

Ситуация несколько усложняется, когда мы переходим к давлениям, с которыми рассчитываем встретиться на дне нептунийского океана. Если его глубина 160 км, давление на дне достигнет примерно 16 000 атмосфер. Такое давление способно превратить жидкую воду при нормальной температуре в лед VI. Молекулы льда VI образуют тетрагональную (четырехугольную) решетку – представьте, что вы растягиваете куб так, что его грани становятся прямоугольниками, а не квадратами. Таким образом, вследствие колоссального давления воды, над каменной мантией Нептунии будет располагаться слой льда VI, а над ней – жидкий океан. А это значит, что глубоководная среда на Нептунии будет напоминать Айсхейм – водяные пузыри и туннели над термальными источниками, где под слоем льда может развиваться жизнь.

Это обсуждение показывает нам одно важное свойство воды. Какова бы ни была ее температура, увеличивая давление, всегда можно превратить воду в какую‐то фазу льда. Именно это и делает расположенную глубоко на дне океана кору мантии водных миров таким интересным местом. Мы, например, исходим из предположения, что тепло, поступающее к каменной коре планеты через океанические термальные источники, способно растопить слои лежащего прямо на поверхности этой коры льда. Но если вдруг давление на дне нептунийского океана окажется чуть выше – если твердое ядро планеты будет заметно больше земного или океан окажется значительно глубже наших 160 км, – то от нашей исходной версии придется отказаться. Ведь при таких давлениях начнет образовываться лед X. Кубические кристаллы льда X существуют только при крайне высоких давлениях, которые невозможны на Земле вне лаборатории, но которые легко можно себе представить на экзопланетах. Самое странное на наш взгляд свойство льда X состоит в том, что его нельзя растопить повышением температуры. Как только молекулы воды под давлением превращаются в лед X, никакое тепло магмы, поднимающейся из недр планеты, уже не сможет оторвать их друг от друга.

Водный мир со слоем льда X поверх земной коры был бы очень странным местом.

Магма, изливающаяся на каменное ложе, оказалась бы надежно придавлена сверху слоем нетающего льда. Это привело бы к напряженному противостоянию между направленной вверх силой давления магмы и прочностью ледяного щита. Исход этого противостояния зависел бы от нюансов ситуации: например, толщины ледяного покрова. Относительно тонкий слой льда X мог бы постоянно сминаться и трескаться, совсем как внешний слой твердой коры Земли раскалывается на плиты под воздействием магмы, поднимающейся на поверхность в ходе конвекции в земной мантии. Пограничный слой, образованный льдом X, был бы, таким образом, аналогичен коре Земли. Однако, вопреки нашим ожиданиям о том, что купол льда X будет постоянно трескаться, если этот слой окажется достаточно толстым, тепло, поступающее к нему в ходе конвекции, будет постепенно накапливаться, пока магма не вырвется наружу – то есть не произойдет что‐то вроде взрыва или извержения. Именно такую ситуацию, судя по всему, мы сейчас наблюдаем на Венере – кора у нее тонкая, и тепло накапливается под ней, пока не высвободится посредством сверхмощного взрыва, в ходе которого кора планеты разламывается на куски, которые затем тонут в расположенной под ними магме. Считается, что именно этот сценарий повторяется на Венере примерно каждые 500 миллионов лет.

Может ли жизнь зародиться на такой поверхности, зависит от того, насколько долго способен существовать стабильный слой льда X прежде, чем он будет разрушен накапливающимся снизу теплом. Если срок его существования превышает сотни миллионов лет, то, возможно, там смогут зародиться сложные химические соединения. Но если разрушение слоя льда будет происходить достаточно часто, то, вероятно, такие условия окажутся слишком беспокойными для зарождения жизни. Следовательно, нам следует задать набор ограничений на размер ядра Нептунии и глубину ее океана, за пределами которых развитие жизни было бы невозможно из‐за свойств льда X. При несоблюдении этих ограничений жизнь на планете сможет развиваться только на океанской поверхности. Назовем это ограничение «пределом льда X».

Разумная жизнь и технический прогресс

Нептуния – в списке наших миров, где жизнь равно может зародиться и на поверхности, и на дне океана. Обсудим же вероятные пути развития технологической цивилизации в каждом из этих двух случаев по отдельности.

Если давление на дне океана достаточно высоко, то на дне образуется слой льда VI, в противном случае вода простирается от земной коры до самой поверхности. Если на дне расположен слой льда, возникнет ситуация, похожая на ту, что мы обсуждали в главе 6, когда говорили об Айсхейме. Вспомним, что символом технического прогресса в этом мире была трубка – устройство, способное передавать тепло от гидротермального источника в другие места. Единственное отличие заключалось бы в том, что, если бы нептунийцы направились вверх, к верхней границе слоя льда VI, они встретили бы «атмосферу» из жидкой воды, а не из газа. Они не увидели бы звезд, если бы только не изобрели какого‐то способа добираться уже до поверхности океана – для чего потребовалась бы принципиально новая разновидность техники. Впрочем, «принципиально новое» не означает «невозможное» – в конце концов, для нептунийцев путешествие к океанской поверхности было бы не более странным, чем для нас полет на Марс.

Когда мы говорим о гипотетической разумной жизни и технологической цивилизации на поверхности нептунийского океана, нам может пригодиться пример развития жизни в океанах Земли. Некоторые из населяющих наши океаны животных, у которых мы предполагаем возможное наличие разума, – например, дельфины и киты – изначально не были морскими жителями. По ископаемым останкам можно проследить эволюцию этих существ – от совершенно сухопутных предков до современного состояния – на протяжении десятков миллионов лет. И в самом деле, в скелете современных китов все еще присутствуют крохотные косточки – рудименты лап, на которых когда‐то ходили их далекие предтечи. Таким образом, хотя киты и дельфины и обитают в глубине океана вдали от суши, они не могли бы возникнуть и развиться в мире, лишенном суши, вроде Нептунии. Еще одни обитатели земных океанов, за которыми ученые предполагают некоторый уровень разумности, – осьминоги и омары. Но эти существа живут на дне неглубоких морей – как правило, в области континентальных шельфов. Так как настолько мелких морей на Нептунии тоже нет, мы подозреваем, что разумные существа земного типа не могли сформироваться на поверхности водного мира.

Есть и еще одно препятствие для возникновения технологической цивилизации на поверхности океана – отсутствие материалов, из которых можно изготавливать инструменты. Об этом мы уже говорили в главе 3. Многоклеточные обитатели поверхности нептунийского океана были бы полностью лишены каких бы то ни было твердых материалов, вроде камней, которые наши далекие предки использовали на заре своей цивилизации. Единственными твердыми веществами, которые можно себе представить на океанской поверхности, были бы плавучие льдины или, возможно, более стабильные полярные шапки. В любом случае мы считаем, что в классическом водном мире, покрытом всемирным океаном значительной глубины и лишенном полярных шапок, появление технологической цивилизации на поверхности океана маловероятно.

Дело не в том, что в нептунийском океане не может быть металлов. Мы знаем, что в воде земных океанов присутствуют все или практически все встречающиеся в природе элементы периодической таблицы. Но дело‐то в том, что большинство этих веществ попало в наши океаны в результате эрозии континентов, которых на Нептунии не существует. Следовательно, в поисках металлов и других тяжелых элементов непосредственно на поверхности океана нептунийцам пришлось бы полагаться на такие события, как извержения подводных вулканов и падения астероидов.

Нептунийцы, которые приспособились бы извлекать необходимые элементы из воды посредством фильтрации – возможно, используя для этого огромные пасти или жабры, – смогли бы в конечном счете накопить в организме достаточное количество этих веществ, чтобы обзавестись жесткими частями тела (вспомним о панцирных рыбах), и таким образом превратиться во вполне годный материал для изготовления орудий. В земных водоемах мы встречаем некоторые виды бактерий, которые именно таким образом используют извлекаемые ими из воды металлы. Магнитотактические бактерии применяют оксиды железа, которые они отфильтровывают стенками своих клеток, чтобы формировать крохотные цепочки магнитов. Эти цепочки позволяют бактериям, населяющим верхние слои водоемов, ориентироваться в пространстве и двигаться вверх или вниз, в зависимости от того, нужен им сейчас солнечный свет или питательные вещества. Если эволюция смогла создать подобное на Земле, нет никаких причин исключать повторение этого случая на Нептунии. Дальнейшая эволюция подобных бактерий на Нептунии могла бы привести к появлению в стенках их клеток или в других клеточных структурах кремниевых или металлических компонентов, а они в конечном счете могли бы стать необходимыми частями тел многоклеточных организмов.

Это, однако, кажется нам все же некоторым фантастическим допущением. И хотя жизнь действительно могла бы развиться как на поверхности нептунийского океана, так и на его дне, мы полагаем, что высокоразвитая цивилизация, вероятнее всего, смогла бы возникнуть только на дне. В двух предыдущих главах мы рассматривали этот процесс на Айсхейме и на Новой Европе. Если бы технологическая цивилизация развилась на Нептунии, она получила бы очевидное преимущество, освоив и заселив поверхность океана, – ведь свет материнской звезды стал бы для нее новым источником энергии. Процесс этой колонизации представляется нам похожим на освоение околоземного пространства человечеством. Другими словами, что бы ни располагалось над океанским дном, жидкая вода или лед VI, технологическая цивилизация, зародившаяся бы в глубине океана, по всей вероятности, рано или поздно поднялась бы и на его поверхность.

Символ прогресса и технического развития подобной цивилизации – подводная лодка. Как только нептунийцы достигли бы океанской поверхности, они, скорее всего, оборудовали бы там постоянную среду обитания – это было бы не сложнее, чем колонизация Марса землянами. Можно представить себе огромные постройки, собирающиеся на океанском дне, а потом всплывающие на поверхность при помощи гигантских баков, наполненных газом из гидротермальных источников.

Как и будущие колонисты на Марсе, нептунийцы, поднявшиеся на поверхность океана, окажутся окружены средой с давлением, значительно меньшим, чем то, к которому могла бы приспособиться их физиология. Поэтому и земляне, и нептунийцы очевидно будут нуждаться в жилье, в котором будет искусственно создаваться повышенное давление, и в скафандрах для выходов за пределы своего убежища. Однако, в отличие от колонизации Марса, мы можем представить себе значительные экономические резоны для заселения нептунийцами океанской поверхности. Мы уже упоминали солнечную энергию как возможную статью экспорта из колонии на поверхности океана. Второй статьей экспорта могла бы стать пища в виде органических соединений, полученных из фитопланктона, собранного в фотической зоне. Водоросли, спрессованные в блоки с грузилами, можно было бы просто бросать в океан, и они сами опускались бы на дно.

Поскольку нептунийская цивилизация, как мы это только что обсудили, вполне может быть двухуровневой (т. е. существовать одновременно и на поверхности, и на дне океана), с ней могут происходить разные интересные случаи. Представим, например, что колония нептунийцев на поверхности так разрослась, что потребовала независимости. Могла ли там случиться освободительная война, в ходе которой обитатели поверхности бросали бы в океан бомбы, а жители дна отвечали им, отправляя наверх пузыри, нагруженные взрывчаткой? Не могло ли произойти что‐то аналогичное «Бостонскому чаепитию» – обитатели дна разорвали бы на куски блоки водорослей, а ошметкам позволили бы всплыть? А если бы между дном и поверхностью сохранился мир, развивались бы у нептунийцев астрономия и космические перелеты или нет? И если да, мог ли однажды настать день, когда они отправились бы на поиски других водных миров?

В конце концов, почему бы и нет?

Майк и Джим

Джим: Тут, я смотрю, предсказывают новую подвижку льда в западной области.

Майк: Угу. Хорошо, что там мало народу живет. Легче будет эвакуировать.

Дж: Поневоле задумаешься, не переехать ли в какую‐нибудь из колоний там, на поверхности.

M: Ты с ума сошел! Там, наверху, вообще нет давления! Выскочишь наружу без скафандра – просто лопнешь.

Дж: Да знаю я. Ты прав. При таком низком давлении не выживешь.

M: Вот. Да еще эти микробы, которых они там собирают. Их разводят‐то здесь, а на поверхность отправляют потом.

9

Планета земного типа, или «зона Златовласки»

Совсем как мы

Хорошо лежать, устроившись в кресле, под теплыми солнечными лучами, и слушать мягкое шуршание волн, накатывающихся на песчаный берег. Зеленые листья шелестят на легком ветру, и, кажется, весь мир предлагает тебе отдохнуть и насладиться покоем. Чуть поодаль в небе описывает медленные круги дракон. Если бы не дракон, думаете вы, все здесь выглядело бы точно так же, как на Земле.

Все мы помним детскую сказку о Златовласке и трех медведях. Раз за разом мы рассказываем нашим детям и внукам, как каша папы‐медведя была чересчур горячей, каша мамы‐медведицы – слишком холодной, а вот кашка маленького медвежонка Мишутки – и не горячей, и не холодной, но при этом о‐о‐очень вкусной. Поэтому, когда ученые начали задумываться о жизни земного типа, которая могла зародиться только при условии, что океаны планеты смогут существовать в жидком виде на протяжении миллиардов лет – а значит, температура нашей планеты должна будет все это время оставаться не слишком высокой и не слишком низкой, а как раз такой, как надо, они вполне ожидаемо назвали Землю «планетой Златовласки» – первой, но не единственной из числа подобных ей.

Смотрите: как и все звезды своего класса, наше Солнце на протяжении 4,5 миллиардов лет, прошедших с момента его образования, становится все ярче и ярче. Когда на Земле около 4 миллиардов лет тому назад появились океаны, Солнце было примерно на 30 процентов тусклее, чем сейчас, – поэтому, чтобы океаны не замерзли, планете необходимо было удерживать и сохранять гораздо больше поступающей на ее поверхность солнечной энергии. С течением времени Солнце становилось все горячее и нагревало Землю все сильнее. Менялся и состав земной атмосферы – на температуру планеты начал влиять парниковый эффект. (Напомним, что так называемые парниковые газы поглощают инфракрасное излучение, пытающееся достигнуть поверхности планеты, а затем излучают его повторно, а поскольку часть этой энергии направляется вниз, планета постепенно нагревается.) И все же, несмотря на все вышеперечисленное, на всем протяжении истории Земли океаны остаются всего на несколько градусов теплее точки замерзания – не слишком холодными и не слишком горячими.

Возьмем один из множества примеров изменений в атмосфере. Мы знаем, что 3,5 миллиарда лет назад океаны Земли кишели колониями цианобактерий: того, что мы сейчас называем тиной. В те времена свободного кислорода в атмосфере практически не было, но цианобактерии выделяли кислород как побочный продукт фотосинтеза (точно так же, как нынешние растения). Сначала весь или почти весь кислород расходовался в ходе химических реакций, например, окисления или образования ржавчины на поверхности земной коры, но примерно 2,5 миллиарда лет назад его количество резко выросло – ученые называют это событие Великой кислородной катастрофой. Считается, что в ту эпоху множество обитателей нашей планеты, бывших на тот момент преимущественно анаэробными, погибло, задохнувшись выделенным ими же кислородом. Однако малая часть живых организмов сумела адаптироваться – они научились использовать кислород для дыхания и таким образом стали первыми предками людей и всех остальных животных, освоившими этот навык.

Заметим, что именно в это время на Земле образовались многие из крупнейших современных месторождений железа, например хребет Месаби в Миннесоте, – в изобилии высвободившийся кислород соединялся с железом, растворенным в воде океанов, а продукты окисления оседали на океанское дно, образуя богатые железом слои осадочных пород. Таким образом, вполне возможно, что металл, из которого сделан ваш автомобиль, образовался как раз во времена Великой кислородной катастрофы.

В 1978 году астрофизик Майкл Харт, на тот момент сотрудник университета Тринити в Техасе, опубликовал результаты компьютерного моделирования истории земной атмосферы. В его модели слабый приток тепла от юного Солнца усиливался парниковым эффектом, который создавали присутствовавшие атмосфере аммиак и метан (они, наряду с хорошо известным нам углекислым газом CO_2, относятся к парниковым газам). Когда Солнце стало ярче, кислород, вырабатываемый живыми организмами, начал разрушать эти компоненты атмосферы, ослабляя парниковый эффект и тем самым компенсируя возросшую интенсивность солнечного излучения. В результате постепенно сформировалась наша сегодняшняя атмосфера, в которой парниковый эффект создает сочетание углекислого газа с водяным паром. В сущности, Земля прошла по тончайшей грани между возникновением неуправляемого парникового эффекта и окончательным оледенением.

Однако, с нашей точки зрения, наиболее интересная часть вычислений Харта – исследование того, что происходило бы с Землей, если бы она располагалась на другом расстоянии от Солнца. Согласно его модели, будь Земля на всего 1 процент дальше от Солнца или на 5 процентов ближе к нему, и хрупкое равновесие, которое позволило океанам пребывать в жидком состоянии, было бы нарушено. Таким образом, исследования развития и изменения атмосферы нашей планеты привели к пониманию того, что вокруг каждой звезды существует зона, внутри которой океаны на поверхности планеты могут пребывать в жидком состоянии на протяжении миллиардов лет. Эта полоса называется околозвездной зоной обитания (ОЗО) или обитаемой зоной. Идея о существовании обитаемой зоны стала одной из отправных точек в рассуждениях ученых о возможности жизни на экзопланетах.

Околозвездная зона обитания и собственно обитаемость

Первое, что стоит сказать о зоне обитания, – что она есть вокруг каждой звезды. Иначе говоря, вокруг любой звезды всегда найдется область с таким энергетическим балансом, при котором температура на поверхности планеты будет стабильно удерживаться между точками замерзания и кипения воды. У маленьких и тусклых звезд эта область невелика и смещена близко к звезде. Многие из известных экзопланет, находящихся внутри ОЗО своих звезд, ближе к материнским звездам, чем, например, Меркурий к Солнцу. Соответственно, у больших и ярких звезд ОЗО шире и смещена дальше от звезды. Кроме того, как мы уже отметили, энерговыделение звезд растет со временем, поэтому зоны обитания постепенно отодвигаются от материнских звезд по мере их старения. Здесь, однако, для нас важнее всего то, что, поскольку ОЗО есть у любой звезды, следует ожидать, что ряд планет сформируется именно в этих зонах чисто статистически.

Впрочем, еще мы должны добавить, что за последние 10–20 лет ученые осознали: изучение условий на самих планетах внутри ОЗО не может быть приравнено к простому расчету температурного баланса. Как отмечает астрофизик из Массачусетского технологического института Сара Сигер, нет никаких гарантий, что планета в зоне обитания на самом деле обитаема. Существует множество факторов, которые могут повлиять на возможность возникновения жизни внутри ОЗО.

Так как исследование экзопланет бурно развивается, поиски планет земного типа внутри зоны обитания стали для астрономического сообщества чем‐то вроде поисков Святого Грааля. Но мы уже понимаем, что расположение планеты в зоне обитаемости и собственно обитаемость планеты друг другу не тождественны. Например, в главах 6 и 7 мы уже говорили о мирах, находящихся вне зоны обитаемости своих звезд и не имеющих на поверхности океанов жидкой воды, – и все же на подобных планетах могла бы появиться жизнь и даже развитые цивилизации. Такие рассуждения привели ученых к гораздо более открытому взгляду на условия, необходимые для появления жизни.

Какая нужна звезда

Тип звезды, вокруг которой обращается планета, может очень сильно влиять на вероятность возникновения на ней жизни, даже если планета находится в ОЗО. Например, у красных карликов, маленьких и тусклых звезд, наиболее часто встречающихся в Млечном Пути, часто случаются периоды бурной активности. Яркие вспышки и мощные выбросы заряженных частиц всерьез затруднили бы процесс зарождения жизни на любой планете, в ОЗО или нет. Чтобы выжить в подобных условиях, организмам пришлось бы поселиться на дне океана или под землей. В этом случае расположение планеты в ОЗО или вне ее уже не играет большой роли.

Ученые понемногу расстаются с мыслью о том, что жизнь должна развиваться только на поверхности планет. Сейчас, например, многие склоняются к тезису о том, что живые организмы на Марсе будут обнаружены именно под поверхностью. И если жизнь действительно существует в подповерхностных океанах внешней Солнечной системы, на Европе и Энцеладе, она тоже по определению будет подповерхностной. Даже на Земле под поверхностью, вполне вероятно, существует больше биомассы, чем на ней. Таким образом, бурная активность малых звезд не обязательно должна сделать зарождение жизни невозможной, хотя наша современная наблюдательная техника присутствие такой жизни, скорее всего, зарегистрировать не сможет.

Более массивные звезды обеспечивают заметно более комфортный режим излучения – но и период их существования гораздо короче. В отдельных случаях срок жизни такой звезды – всего 30 миллионов лет. Вряд ли за такое короткое время на планете успеет развиться что‐то живое, кроме простейших микробов. К тому же заканчивают свою жизнь такие звезды грандиозным взрывом сверхновой, который полностью уничтожает все окружающие планеты. Получается, даже если бы в зоне обитания такой звезды и сумела зародиться жизнь, все свидетельства ее существования были бы полностью уничтожены при гибели звезды.

Именно вследствие этих ограничений охотники за экзопланетами сосредоточили свое внимание на планетах, находящихся в зонах обитания звезд средних размеров – звезд типа Солнца.

Эволюция атмосферы

Вторым предметом дискуссий, если мы говорим о развитии и зарождении жизни, является нестабильность атмосфер планет и их постепенная эволюция. Описанная выше Великая кислородная катастрофа на Земле – лишь один из примеров происходящих в атмосферах процессов. Существуют, разумеется, и другие. Ниже мы поговорим о некоторых из них, о тех, что особенно важны для планет земного типа.

На маленьких планетах, вроде Марса, большую роль играет диссипация атмосферы. Вот как происходит этот процесс: составляющие атмосферу молекулы постоянно находятся в движении, и чем выше температура атмосферы, тем быстрее они движутся. Однако при любой температуре всегда будут молекулы, чья скорость превышает среднюю скорость всех молекул, и молекулы, движущиеся медленнее большинства. И если более быстрые молекулы наберут достаточно большую скорость и случайно направятся вертикально вверх, они могут преодолеть гравитационное притяжение планеты и улететь в космос.

Чем больше планета, тем больше сила ее притяжения и тем легче ей удерживать свою атмосферу. К примеру, чтобы оторваться от Земли, молекуле придется лететь со скоростью примерно в 11 км/с. Кроме того, тяжелые молекулы труднее разогнать до большой скорости, чем легкие. А это значит, что более легким молекулам проще, чем тяжелым, покинуть планету в процессе диссипации. Земля, например, потеряла довольно значительную часть своих первоначальных запасов водорода и гелия – самых легких составляющих своей атмосферы, – в то время как Марс покинули даже более тяжелые газы, например кислород или азот.

Связанный с диссипацией механизм потерь – фотодиссоциация, особенно сильно влияет на молекулы воды. Если на поверхности планеты есть вода, в ее атмосфере будет водяной пар. Ультрафиолетовое излучение материнской звезды разрушит те молекулы воды, которые окажутся в верхних слоях атмосферы планеты. Образовавшийся вследствие этого водород тут же уйдет в космос из‐за гравитационной диссипации, а кислород соединится с атомами на поверхности планеты, образуя оксиды различных минералов. Есть гипотеза о том, что именно так Марс лишился океана, который существовал на его поверхности на заре истории планеты. А красный цвет поверхности Марса – итог окисления (коррозии) железа, входящего в состав каменных пород на поверхности планеты.

Крупные изменения происходят и с углекислым газом – одним из наиболее распространенных (наряду с водяным паром) парниковых газов в земной атмосфере. При каждом извержении вулкана на Земле углекислый газ высвобождается из глубин мантии и вырывается в атмосферу. В ходе сложного процесса, называемого глубоким углеродным циклом, углекислый газ попадает в океаны, где вступает в реакцию с различными веществами, вроде известняка, после чего может, кроме всего прочего, вернуться в недра Земли. Таким образом, глобальные геологические процессы, происходящие на планете, могут влиять на количество углекислого газа в ее атмосфере, а уже оно, в свою очередь, влияет на температуру планеты. Мы полагаем, что океаны, существовавшие на поверхности Венеры на ранних стадиях ее развития, должны были испариться из‐за высокой температуры планеты – следствия ее близости к Солнцу. Таким образом в ее атмосфере продолжал накапливаться ничем не устраняемый углекислый газ, и в отсутствие глубокого углеродного цикла на планете произошло катастрофическое увеличение количества парниковых газов в целом – явление, которое мы называем неуправляемым парниковым эффектом.

Эти примеры показывают нам, что изменения в атмосферах экзопланет – невидимые и неразличимые для нас на нынешнем уровне развития астрономических приборов – могут иметь решающее значение для возможности зарождения жизни на этих планетах. Пример подобного влияния – планета, находящаяся в зоне обитания своей звезды, но обладающая крайне малыми запасами воды, – на ней легко может возникнуть неуправляемый парниковый эффект, и она станет похожа на современную Венеру. При этом на большом расстоянии определить, произошло с ней что‐то подобное или нет, будет очень и очень трудно.

Разумная жизнь и технический прогресс

Тот факт, что мы довольно неплохо знаем, когда появилась и как развивалась жизнь в одном из миров обитаемой зоны – собственно на Земле, – заметно упрощает нам разговор о возможных путях развития жизни в мирах подобного типа. Хотя в основу химии внеземной жизни вовсе необязательно должна лечь система ДНК-РНК, на которой построена вся земная жизнь, не будет слишком смелым предположить, что и в других мирах обитаемой зоны формы жизни будут подобным же образом возникать на основе сложной системы кодирования информации в крупных углеродосодержащих молекулах. Почему углерод занимает в этом отношении особое место, мы подробно обсудим в главе 15, а сейчас просто отметим, что углерод может образовывать прочные и устойчивые цепочки, а также циклические соединения, на базе которых собираются органические молекулы, идеально пригодные для передачи информации. К тому же, чтобы понять, как естественный отбор мог бы действовать в других мирах обитаемой зоны, мы совсем не обязаны представлять себе типовую галактику из научной фантастики, населенную двуногими гоминидами, свободно говорящими на одном из земных языков. Мы можем внимательно посмотреть на развитие разумной жизни и развитых цивилизаций на Земле и на основе этих наблюдений подумать о том, как могли развиваться аналогичные процессы на похожих планетах в других уголках Галактики.

Прежде всего, мы должны обратить внимание на самый главный принцип естественного отбора: ему нет никакого дела до высоких моральных ценностей или вершин альтруизма. Чтобы объяснить это студентам, один из авторов (Дж. Т.) обычно рассказывает им старый анекдот.

Два туриста встречают в горах голодного медведя. Один из них тут же начинает стаскивать с себя рюкзак. «Что ты делаешь?» – спрашивает другой. «Ты же все равно бегаешь медленнее медведя».

«Да мне и не надо бегать быстрее медведя!» – отвечает ему первый. «Главное – бегать быстрее тебя».

Не имеет никакого значения, что человек, который бегает медленнее, – альтруист, переводящий старушек через дорогу. Естественному отбору на это плевать. Для него имеет значение одно – кто бегает быстрее, тот и передаст свои гены следующему поколению.

Что же эта история говорит нам о формах жизни, которые могут развиваться в мирах обитаемой зоны? Ответ вас, скорее всего, не обрадует: вряд ли эти существа будут более благородны и добры, чем Homo sapiens. Думая об истории нашего собственного вида и вспоминая об исчезновении более 20 других видов гоминид, о котором свидетельствуют палеонтологические находки, мы вряд ли можем надеяться на встречу с технически продвинутыми существами, настроенными более мирно, чем мы сами. Кого бы мы ни встретили там, в отдаленных уголках Вселенной, они, скорее всего будут не более высокоморальными и не менее воинственными, чем мы сами. Страшновато.

Давайте мысленно сожмем историю Вселенной до одного года. Тогда получится, что Солнечная система и планета Земля как ее часть образовались где‐то в начале сентября, а все развитие науки на Земле заняло последние несколько секунд этого года. Вряд ли за весь этот «год» никакие другие существа не пытались заниматься наукой, пока не появился Homo sapiens. В законах физики и химии нет ничего таинственного или мистического – их способна открыть любая хоть сколько‐то разумная цивилизация. И по крайней мере несколько цивилизаций условно земного типа должны пройти по этому пути. Инопланетный Исаак Ньютон где‐то уже наверняка дал толчок местной промышленной революции. Сильнее всего тревожит тот факт, что мы нигде не встретили пока ни малейших признаков подобной цивилизации. Даже если никаких сверхсветовых варп‐двигателей никогда не будет изобретено и мы не сделаем никаких крупных технологических прорывов, можно вычислить, что за 30 миллионов лет – меньше чем за сутки по нашей шкале – человеческая раса способна распространиться по всей Галактике. А если это можем сделать мы, то на то же самое способна и любая другая настолько же продвинутая цивилизация.

Где же тогда все эти другие цивилизации? Примерно так в наиболее простой формулировке выглядит парадокс Ферми. (Энрико Ферми (1901–1954) – один из величайших физиков XX столетия.) Как‐то раз кто‐то при нем заговорил о том, что согласно его подсчетам, в Галактике должны существовать миллионы развитых цивилизаций. Ферми задумался на минуту, а потом спросил: «И где же они все?» Другими словами, почему ни одна из них до сих пор не посетила Землю? И почему, как только заходит речь о поисках внеземных цивилизаций, мы сталкиваемся с так называемым «Великим молчанием Вселенной»?

Ученые и писатели‐фантасты – то есть люди с отлично развитым воображением – уже придумали множество возможных объяснений. Вот наиболее популярные из них:

• Теория зоопарка: инопланетяне объявили Землю чем‐то вроде заповедника.

• Теория «Звездного пути»: инопланетяне следуют Главной директиве, которая не позволяет им вмешиваться в жизнь молодых развивающихся цивилизаций – таких как наша.

• Теория рая: сытые и довольные инопланетяне живут в своем идеальном мире и не интересуются Вселенной за его пределами.

• Теория замещения: органическая жизнь во внеземных цивилизациях полностью заменена разумными машинами (будущее, которое часто предсказывают человечеству), а машинам неинтересны контакты с органической жизнью.

Можно было бы перечислять гипотезы до бесконечности, но вы, вероятно уже поняли, о чем мы. Но, честно говоря, несмотря на то, что мы легко можем представить себе любой из этих сценариев реализующимся на практике, верить, что вся жизнь во Вселенной должна пойти именно эти путем, совершенно не хочется. Чтобы почувствовать важность этого момента, вернемся в раздел «Немного математики» главы 1. В зонах обитаемости множества звезд должны существовать миллионы планет земного типа, и это только подтверждается тем, что среди нескольких тысяч известных нам экзопланет пару десятков планет земного типа мы уже нашли. Крайне сомнительно, чтобы цивилизации на каждой из этих планет следовали чему‐нибудь вроде Главной директивы из сериала «Звездный путь»! Мы боимся, что наиболее логичный ответ на вопрос «Почему мы ничего не знаем о существовании высокоразвитых внеземных цивилизаций?» состоит в том, что этих цивилизаций просто‐напросто не существует. И единственное объяснение, которое мы можем этому дать, опираясь на законы природы (см. главу 11), основывается на результатах естественного отбора и совершенно нас не радует.

Это объяснение рисует нам очень мрачные картины того, что произошло с обитателями планет земного типа. Естественный отбор, как правило, приводит к доминированию агрессивных видов – видов, подобных Homo sapiens. И поэтому возможно, что на протяжении всей истории Вселенной то на одной, то на другой планете земного типа происходил процесс эволюции, приводящий к появлению разумных форм жизни – но раз за разом завершался тем, что эти формы жизни уничтожали сами себя, едва приступив к научному познанию мира. Иначе говоря, во Вселенной могло существовать огромное количество цивилизаций, достигших нашего уровня, но все они погибли прежде, чем смогли колонизовать хотя бы близлежащие звезды. Это мрачное предположение дает нам наиболее простое объяснение парадокса Ферми.

От таких мыслей кровь стынет в жилах. Однако здесь мы должны сказать и о том, что открытия, сделанные в области исследований межзвездного вещества за то время, пока писалась эта книга, оставляют возможность для еще одного решения парадокса Ферми, основанного, так же, как и предыдущая наша гипотеза, на фундаментальных законах природы. Но об этих открытиях, а также и о ряде других, пока не решенных проблем, мы поговорим в главе 17.

Настоящие Майк и Джим

Майк: Неважно, как много мы знаем о жизни в Галактике, – мы гарантируем, что в течение следующего года вы повстречаетесь с чем‐нибудь совершенно новым и неожиданным.

Джим: Вероятно. И это будет что‐нибудь настолько странное, что мы не можем даже примерно представить себе, что это может быть, – пока сами не увидим.

10

Нимб

Жизнь на границе света и тени

Солнце прямо над горизонтом. Ничего удивительного – здесь солнце всегда стоит прямо над горизонтом. Оно никогда не поднимается выше. Стоя на горной вершине, вы смотрите вниз, на залитую солнечным светом половину планеты, где раскинулась изрезанная глубокими каньонами раскаленная пустыня. Теперь посмотрите в другую сторону, вглядитесь, насколько хватит глаз, во тьму, покрывающую вторую половину планеты, – может быть, вам удастся разглядеть очертания гигантских ледяных гор. Терминатор, на котором вы приземлились, – узкая полоса, разделяющая вечно раскаленную дневную и так же вечно ледяную ночную половину планеты, – единственное место, где жизнь на этой планете вообще может существовать. Из пустыни в сторону ледников постоянно дуют яростные ветры. Неподалеку видны ветровые энергостанции, построенные существами, населяющими зону терминатора. Посмотрите на инженеров и техников, управляющих работой генераторов, – формы тела у них обтекаемые, а ходят они, как будто вжимаясь в землю. А как еще выдержать яростный напор ветра на Нимбе?

До сих пор мы с вами посещали планеты, на которых было хоть что‐то знакомое. В конце концов, вода, лед, океаны – все это есть и на Земле. Но планеты, которые нам предстоит посетить в следующих главах, выглядят гораздо менее привычно. В этой главе, например, мы будем говорить о мирах, всегда повернутых к своей материнской звезде одной и той же стороной. Их «солнечная» сторона раскалена, а другая, обращенная прочь от звезды, в пустое космическое пространство, погружена в холод и мрак. А между жаром и холодом в таких мирах располагается переходная зона, окружающая шар планеты узким нимбом. Так мы и назовем нашу воображаемую планету – Нимб.

Синхронное вращение

С детства нам всем известно, что Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Но случалось ли вам задуматься хоть раз, какое необычайно точное совпадение для этого требуется? Чтобы всегда глядеть на Землю одним и тем же полушарием, Луна должна оборачиваться вокруг своей оси ровно за то же время, какое она тратит на то, чтобы пройти полный оборот по своей орбите вокруг Земли. То есть лунный «день» должен длиться ровно столько же, сколько и лунный «год». При любом другом соотношении между скоростью осевого вращения и скоростью обращения вокруг Земли Луна неизбежно показывала бы наблюдателям нашей планеты и другую свою сторону.

Редчайшее совпадение? Отнюдь. Как ни странно, такие ситуации встречаются в Галактике довольно часто. Говорят, что Луна находится с Землей в состоянии синхронного вращения, или приливного захвата. В Солнечной системе многие спутники захвачены приливными силами своих планет, а еще часть из них состоит с материнскими планетами в более сложных взаимоотношениях, называемых резонансами. Случается и так, что и планета оказывается в состоянии синхронного вращения со своей звездой, особенно если расстояние между звездой и планетой достаточно небольшое. Мы полагаем, например, что все семь планет земного типа, обращающихся вокруг звезды TRAPPIST-1 (см. главу 13), захвачены ее приливными силами. Раньше ученые думали, что и Меркурий всегда обращен к Солнцу одной и той же стороной, – пока точные измерения его вращения не показали, что это не так.

Как явствует из самого названия этого явления, в том, что Луна всегда повернута одной и той же стороной к Земле, проявляется действие приливных сил. Мы привыкли думать о приливах как в первую очередь о чем‐то связанном с океанами. Каждый, кто жил на морском побережье, знает, что ежедневно случается два прилива, и когда мы слышим само слово, мы по привычке представляем себе подъемы, а затем закономерные спады воды. Мы знаем, что океанские приливы вызваны гравитационным притяжением Луны и, в меньшей степени, притяжением Солнца.

Есть, однако, на нашей планете и приливы другого рода, такие же частые, как океанские, но гораздо менее известные. Вас это может удивить, но где бы вы ни находились, почва под вами дважды в сутки поднимается и опускается почти на 30 см. Это явление называется земным приливом. Как и океанские приливы, земные приливы на нашей планете вызываются гравитационным притяжением Луны. Обычно мы их не замечаем, поскольку они воздействуют на площади размером в тысячи километров в поперечнике. Если, к примеру, поверхность большей части континентальных Штатов за несколько часов поднимается на 30 сантиметров, это не производит какого‐либо заметного эффекта. Земные приливы можно обнаружить только при помощи особо чувствительных приборов. (Например, ученым, работающим на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, приходится учитывать земные приливы при настройке своей сверхточной аппаратуры.)

Если Луна может вызывать земные приливы на Земле, то, значит, гравитационное притяжение Земли соответственно создает такие же приливы на почве Луны. Именно это и приводит к приливному захвату. Как и поверхность Земли, поверхность Луны обладает некоторой упругостью. Когда Земля проходит мимо нее, она отвечает на гравитационное притяжение Земли, слегка колеблясь вверх и вниз. В результате образуются так называемые приливные горбы. Такой горб всегда располагается прямо под висящей в лунном небе Землей и по мере вращения Луны перемещается по ее поверхности, так что в разное время подъем испытывают различные части Луны.

Притяжение Земли производит и еще один, несколько менее очевидный эффект – оно создает второй приливный горб на участке лунной поверхности, прямо противоположной тому, что обращен в этот момент к Земле. Проще всего представить себе это так: с одной стороны Луны («лицевой») земное притяжение приподнимает участок поверхности Луны над ее основной массой, а с другой стороны Луны («обратной») оно, наоборот, оттягивает основную массу Луны от ее поверхности. (Кстати говоря, именно существование второго приливного горба, создаваемого Луной на поверхности уже нашей планеты, и объясняет тот факт, что приливы в земных океанах случаются дважды за сутки.) Можно представить себе два приливных горба на Луне как «ручки», за которые может уцепиться Земля, притягивая Луну к себе. Если бы Луна стала совершать один оборот вокруг оси быстрее, чем за месяц (т. е. быстрее, чем она оборачивается вокруг Земли), гравитация Земли стала бы тормозить ее осевое вращение – Земля будто схватилась бы за «ручки» горбов и потянула Луну обратно. И наоборот, если бы Луна стала вращаться медленнее, Земля снова схватилась бы за «ручки» и раскрутила ее. Этот механизм действовал на протяжении всей истории существования системы «Земля-Луна», и в конце концов Луна стала оборачиваться вокруг оси ровно за месяц и оказалась постоянно обращена к нам одной и той же стороной.

Сценарий приливного захвата может воплотиться в жизнь примерно всегда, когда объект меньшего размера обращается по орбите вокруг большего, особенно если эта орбита проходит недалеко от центрального тела, а действующие в системе гравитационные силы достаточно велики. Многие из открытых нами экзопланет расположены довольно близко к материнским звездам, поэтому мы предполагаем, что по крайней мере часть из них находится в состоянии синхронного вращения. Какими могут быть условия на такой планете? Оказывается, здесь существует множество интересных вариантов, в зависимости от особенностей строения конкретной планеты и ее звезды.

Сумеречная зона

Самое очевидное следствие приливного захвата заключается в том, что обращенная к материнской звезде поверхность планеты постоянно раскалена, а противоположная сторона погружена в холод и мрак. По сути, выходит, что половина поверхности планеты – выжженная пустыня, а другая половина – ледяная тундра. Однако между этими двумя крайностями должна располагаться упомянутая выше переходная зона – идущая с севера на юг тонкая полоска, где температура удерживается в рамках, совместимых с присутствием жидкой воды. Эта переходная зона, очевидно, и должна быть тем местом, где можно надеяться найти признаки жизни знакомого нам типа.

Если бы вам случилось оказаться в этой переходной зоне, вы попали бы в очень странное место. Солнце всегда стояло бы над самым горизонтом, балансируя на грани то ли восхода, то ли заката, который так никогда и не наступает. Отойдете чуть дальше на дневную сторону, и вот вы уже в жаркой пустыне; чуть дальше в темноту – и окунетесь в леденящий холод. Вся жизнь была бы жестко ограничена пределами узкой полоски вечных сумерек.

А еще там было бы страшно ветрено. Второй закон термодинамики – один из основных законов физики (см. главу 2) – гласит, что потоки тепла должны двигаться из жарких областей в более холодные. На Земле циркуляция воздушных масс в атмосфере и крупнейшие океанские течения возникают, наряду с вращением планеты, именно вследствие разницы температур между тропическими и полярными зонами. Существование таких явлений, как Гольфстрим и преобладающие направления ветров, можно рассматривать как постоянные попытки Земли выровнять температуру на всей своей поверхности.

По сравнению с разницей температур на Земле разница температур между «дневной» и «ночной» сторонами планеты в состоянии синхронного вращения будет чудовищно велика – вероятно, она составит сотни градусов, а то и больше. Хотя конкретика и будет зависеть от географии Нимба и его расположения относительно материнской звезды, некоторые общие свойства карты ветров на планете мы отметить сможем. Можно предположить, что газ на «дневной» стороне постоянно будет нагреваться и подниматься вверх, в то время как на «ночной» – охлаждаться и опускаться вниз. Это приведет к установлению общей схемы циркуляции воздушных масс: на больших высотах ветры будут дуть в сторону «ночной» стороны, а на малых встречные холодные потоки воздуха будут возвращать воздушные массы на «дневную» сторону.

Подобную циркуляцию – когда теплый воздух поднимается в верхние слои атмосферы на экваторе и опускается у полюсов – мы наблюдали бы и на Земле, если бы не вращение нашей планеты. Эта циркуляция называется ячейкой Хэдли – в честь британского метеоролога Джорджа Хэдли (1685–1768), который первым предложил этот механизм в качестве объяснения причин возникновения пассатных ветров. (Здесь отметим также, что главный научно‐исследовательский институт Великобритании, занимающийся изучением климатических изменений, – Met Office Hadley Centre – тоже носит его имя.)

Если бы циркуляция воздуха на Земле зависела только от температуры, земная атмосфера состояла бы всего из двух ячеек Хэдли, в которых теплый воздух поднимался бы вверх у экватора, уходил бы северу в Северном полушарии и к югу в Южном, и опускался бы к поверхности у полюсов, а холодный воздух возвращался бы к экватору, обтекая поверхность планеты. Приповерхностные ветра таким образом всегда дули бы с севера на юг в Северном полушарии и с юга на север в Южном. Однако по факту на нашей планете все обстоит иначе. В реальности на Земле существует три атмосферных ячейки: пассаты, дующие с востока на запад в экваториальной зоне, господствующие западные ветры, дующие с запада на восток в средних широтах, и полярные восточные ветры, которые, как и пассаты, дуют с востока на запад в Арктике и Антарктике. Эта сложная структура ветров обязана своим существованием вращению Земли. Чем быстрее вращается планета, тем больше будет создаваться в ее атмосфере таких структур. Например, многочисленные полосы, которые мы видим на Юпитере, отчасти обязаны своим существованием именно тому, что день на Юпитере длится всего около 10 часов.

Однако, Нимб находится в состоянии синхронного вращения, и это значит, что он вращается относительно медленно – в конце концов, он совершает всего один оборот вокруг оси за год. Поэтому стоит рассчитывать, что перемещение крупных масс воздуха здесь будет зависеть в основном от разности температур между «дневным» и «ночным» полушариями, причем чем больше будет эта разность, тем выше – скорость ветра. Расчеты показывают, что на планете, расположенной близко к материнской звезде, эти ветры наверняка имели скорость, превышающую скорость звука; возможно, их число Маха доходило бы до 15 – намного больше, чем у любых ветров в Солнечной системе. Таким образом, исходя из этих кратких тезисов о структуре атмосферных течений, нам следует ожидать, что в атмосфере подобной планеты присутствуют всевозможные локальные осложнения – как в атмосфере Земли на простую схему циркуляции Хэдли накладываются струйные течения и ураганы.

Разница температур на Нимбе влечет за собой еще одно важное следствие. Скорее всего, на «дневной» стороне вода, откуда бы она там ни появилась, будет быстро испаряться из‐за высокой температуры. А ветры унесут образовавшийся пар на «ночную» сторону, где из‐за постоянного холода он быстро осядет на поверхность в виде снега или льда. Получается, что «ночная» сторона планеты будет покрыта слоем льда, толщина которого будет зависеть от запасов воды на планете (см. главу 8, где мы говорим о механизмах накопления воды в контексте водных миров). Если на поверхности Нимба много воды, как на Земле, то его «ночную» сторону будет покрывать огромный ледник размером с целое полушарие и толщиной во много миль. А если эта планета еще и будет достаточно большой, чтобы в ее мантии поддерживалась конвекция, то ее «ночная» сторона может оказаться очень похожей на планету Айсхейм из главы 6. И здесь горячая магма тоже могла бы подниматься из недр планеты на поверхность через термальные каналы. Тогда под ледником могли бы образоваться пузыри жидкой воды, в которых в принципе могла бы возникнуть и жизнь. Таким образом, все, что мы уже написали в главе 6 о развитии жизни и цивилизации на Айсхейме, можно применить и к подповерхностному слою на «ночной» стороне Нимба.

Но тут в дело вступают раскаленные ветра Нимба, которые никуда не делись бы даже после того, как на его поверхности образовался бы ледник. Вблизи сумеречной зоны тепло, поступающее с «дневной» стороны, могло бы растопить часть ледяного щита. Если бы это произошло, мы получили бы узкую полоску жидкой воды на внешней кромке занимающего все ночное полушарие ледника – еще один нимб, в дополнение к тому, из‐за которого мы дали нашей планете такое имя.

Итак, если бы вы оказались на терминаторе, вы увидели бы по одну сторону узкого океана мерзлую тундру, а по другую – выжженную пустыню. Но, по правде говоря, вы могли бы увидеть и еще более впечатляющую картину. Накапливаясь на «ночной» стороне планеты, лед постепенно превратился бы в подобие нашего антарктического ледяного щита. Под воздействием силы тяжести лед стал бы постепенно растекаться от центра «ночного» полушария, образуя мощные ледники. Когда эти ледники достигали бы берегов океана, они бы дробились, образуя айсберги – точно так же, как и на Земле. И вы могли бы стоять на океанском берегу, спиной к пышущей жаром пустыне, слушая, как волны плещут о берег, и глядя на плывущие в океане айсберги. Какое потрясающе зрелище!

Яростные ветра породили бы в водных пространствах Нимба два находящихся в состоянии вечного противоборства явления. С одной стороны, они бы многократно ускоряли испарение с поверхности океана и уносили бы образовавшийся пар на ночную сторону планеты, как мы уже говорили выше. (Ровно тот же механизм вы используете, когда обмахиваете что‐нибудь, что хотите высушить.) С другой стороны, чем сильнее будет ветер, тем большая часть ледника на ночной стороне растает и тем больше воды притечет в сумеречную зону. В зависимости от того, влияние какого из этих процессов окажется больше, запасы жидкой воды на Нимбе могут меняться в широком диапазоне – от глубокого моря, покрывающего всю переходную зону, до ручейка в жаркой пустыне, быстро и часто пересыхающего до дна. Но так как нас интересует развитие жизни, мы в дальнейшем будем предполагать, что на планете все-таки раскинулся опоясывающий ее непрерывным кольцом океан.

Теперь, выполнив нашу обычную процедуру «поиска воды» и в достаточной мере исследовав причудливые природные условия на Нимбе, мы перейдем к обсуждению еще одной особенности, которая может обнаружиться на планете в состоянии синхронного вращения, – особенности, которая может оказаться крайне важной для жизни, не похожей на нашу.

Круговорот кремния

Живя на Земле, мы хорошо знаем, что солнечные лучи испаряют океанскую воду, что эта вода в конечном счете выпадает на землю в виде дождя или снега, а затем так или иначе возвращается в Мировой океан. Мы называем это гидрологическим циклом или круговоротом воды в природе. Одна из самых интересных вещей, которые могут происходить на планете с синхронным вращением, – то, что по аналогии с круговоротом воды на ней может происходить круговорот минералов, содержащих кремний.

Давайте вообразим себе планету с синхронным вращением, дневная сторона которой раскалена настолько, что камни на ее поверхности плавятся. Если они состоят из минералов, содержащих кремний, на дневной стороне планеты может образоваться океан из жидких соединений кремния. (Для справки: точка плавления чистого кремния 1414 °C, а диоксид кремния, довольно распространенный минерал, плавится при 1710 °C.) Часть этой жидкости испарялась бы, поступая в атмосферу, переносилась бы ветром на ночную сторону планеты и там бы снова замерзала.

Иначе говоря, на ночной стороне планеты постоянно шел бы «снег» из каменных «снежинок».

Можно представить себе и процессы, которые возвращали бы этот кремний обратно в жидкий кремниевый океан, – вероятно, эти процессы были бы геологическими по своей природе, наподобие тектонической активности на нашей родной планете. Таким образом, нетрудно представить себе «кремниевый цикл», круговорот кремния в природе. О жизни на основе кремния мы поговорим подробнее в главе 15, а сейчас просто отметим, что кремниевый цикл, который может существовать в мире с синхронным вращением, мог бы лечь в основу химических процессов, ведущих к появлению новой формы жизни – которую мы будем называть «жизнью, непохожей на нашу».

Недавно выполненные теоретические вычисления приоткрыли еще один интересный аспект приливных захватов и вероятности существования круговорота кремния. Под руководством одного из авторов (М. С.) студент Университета Джорджа Мэйсона Прабал Саксена занялся исследованиями вопроса о том, как кремниевые «снежинки», описанные нами выше, могли бы повлиять на вращение планеты, если бы они скапливались на ее ночной стороне. Если бы механизма возвращения кремния на дневную сторону не существовало, то мог бы возникнуть эффект наподобие того, что происходит в разбалансированной стиральной машине во время сушки. Сдвиг центра масс планеты вывел бы ее из состояния синхронного вращения – планета начала бы вращаться так, что дневная ее сторона стала бы ночной, и наоборот.

Особенно интересно здесь то, что процесс выхода из состояния синхронного вращения занял бы всего несколько десятков тысяч лет, в то время как на установление этого состояния уходят миллионы лет. Таким образом, на некоторых планетах могут происходить постоянные гравитационные колебания. На протяжении миллионов лет планета постепенно приближается к состоянию синхронного вращения, но как только оно устанавливается, сдвиг центра масс выводит планету из этого состояния.

Наиболее интересно ситуация может сложиться, если параметры системы «ровно такие, как надо». Тогда планета будет существовать в состоянии приливного захвата на коротких временных отрезках, но если считать время тысячелетними отрезками, окажется, что она медленно вращается. Вследствие такого вращения сумеречная зона будет медленно перемещаться по поверхности планеты. Такое состояние планеты интересно с той точки зрения, что оно постоянно бросало бы обитателям сумеречной зоны все новые вызовы со стороны окружающей среды. Многие палеонтологи считают, что подобного рода резкие изменения окружающих условий и вызвали развитие разумной жизни на Земле. Например, когда обильные пищей джунгли Африки начали пересыхать и превращаться в саванну, те из наших предков, которые сумели перейти к прямохождению, получили очевидное преимущество – они могли кочевать из одной лесной чащи в другую легче, чем другие гоминиды. Это освободило им руки, позволило использовать орудия труда и, как утверждают сторонники этой гипотезы, привело к резкому увеличению размеров мозга. Обитатели переходной зоны оказались бы перед лицом таких же трудностей, как и те, кто должен был мигрировать через горы и долины. А отсюда не так уж далеко до появления разумной жизни и высокоразвитых цивилизаций…

Жизнь, разум и техника

На Нимбе мы сталкиваемся с ситуацией, похожей на ту, что уже встречалась нам в водных мирах из главы 8: там тоже было два возможных очага развития жизни. В данном случае один из таких очагов – это водяные пузыри близ термальных источников подо льдом на ночной половине планеты, а второй – океан в сумеречной зоне. Рассмотрим их теперь по отдельности.

Развитие жизни, разума и техники в среде, ограниченной слоями льда и термальными кратерами, мы уже обсуждали в главе 6. Основная наша гипотеза здесь состоит в том, что на Земле многоклеточная жизнь развилась вокруг океанских гидротермальных источников, и мы предполагаем, что какие бы процессы ни были в этом задействованы, они могут повториться и вокруг подобных источников на Нимбе. Более того, нет никаких причин считать, что тип развитой технологической цивилизации, который мы предположили на Айсхейме (помните трубку, ее символ?), не мог бы зародиться также и подо льдом Нимба. Давайте чисто теоретически предположим, что так и случилось. Какими были бы последствия?

Когда цивилизации, возникшие вокруг термальных жерл на Айсхейме, приступили бы к исследованию окружающего мира, у них был единственный способ достичь поверхности льда – продвигаться вверх. Обитатели термальных источников на Нимбе, помимо пути наверх, могли выйти к краю своего мира и двигаясь в горизонтальном направлении. Другими словами, они могли бы сломать ледяную стену, отделяющую их от сумеречной зоны. Выйти в океан Нимба его обитателям было бы легче, чем на поверхность льда на ночной половине планеты. Итак, один путь заселения океана в переходной зоне у них уже появился.

Но помимо первого варианта развития цивилизации, жизнь могла бы возникнуть и прямо в океане Нимба, как, по мнению некоторых ученых, она возникла на Земле. Несмотря на его несколько необычное расположение, этот океан вполне мог бы обладать всеми необходимыми свойствами для зарождения и развития жизни. Постоянное влияние мощных ветров могло бы несколько изменить процесс Миллера – Юри, но нет никаких причин считать, что сам этот процесс был бы полностью невозможен. Молекулы, присутствующие в атмосфере, могли бы переноситься ветром на ледяной слой и возвращаться в океан, например, по время таяния льда, вместо того чтобы попадать в воду непосредственно. Кроме того, на планете в состоянии синхронного вращения могло возникнуть множество версий дарвиновского «маленького теплого пруда», где могла бы зародиться жизнь (хоть тут и не было бы океанских приливов, способствующих повышению концентрации органических веществ).

Внимательнее приглядевшись к жизни в переходной зоне, мы заметим, что ключевой особенностью окружающей среды здесь будут мощные ветры, дующие с ночной стороны на дневную. Можно представить себе несколько способов справляться с постоянным сильным ветром. Живые существа могли бы, например, оставаться под землей (или под водой). Если же они все-таки выбрались бы на поверхность, они, вероятно, приобрели бы обтекаемую форму и начали передвигаться, прижимаясь как можно ближе к земле, – возможно, став в процессе похожими на каких‐нибудь плоских жуков. Ветер мог бы даже принимать участие в процессе их размножения. Как известно, некоторые земные организмы, вроде устриц, используют движение воды для перемещения половых клеток (гамет); распространен и перенос ветром пыльцы растений. Точно так же различные формы жизни на поверхности Нимба могут использовать ветер, чтобы рассеивать свои репродуктивные материалы по сумеречной зоне.

Ветра могли бы заодно стать главным источником энергии для любой развитой цивилизации. Вполне вероятно, например, что инженеры Нимба изобрели бы ветроэнергетическую установку задолго до паровой машины. Помимо этого, они бы очень хорошо научились проектировать конструкции, защищающие от сильных ветров; и конечно, у них вполне могли бы появиться телескопы и астрономическая наука – если, конечно, инструменты были бы надежно защищены.

Самым интересным аспектом жизни на Нимбе могло бы стать сравнение живых существ, появившихся под ледяным щитом на ночной стороне планеты, с теми, что развивались в сумеречной зоне. В зависимости от толщины ледяного слоя в условиях Нимба могли бы возникнуть организмы, легко адаптирующиеся к переходу от одной среды к другой. По сути, перемещение из сумеречной зоны в подледную область для этих существ могло бы быть не труднее, чем для жителей Земли – подъем от уровня моря на вершину высокой горы. И тогда «ледяные создания», перемещающиеся по туннелям в переходную зону, рано или поздно повстречали бы на пути «сумеречных существ», движущихся по своим делам в толщу льда.

Если наши соображения из предыдущей главы о том, что естественный отбор благоприятствует агрессивным видам, верны, эти встречи могли бы быть не такими уж мирными. С другой стороны, вероятно, эти две группы существ обладали бы взаимодополняющими способностями. Ледяные существа, как и обитатели Айсхейма, достигли бы мастерства в горном деле и металлургии, а жители переходной зоны хорошо умели бы извлекать энергию из яростных ветров планеты. Так что эти две группы в целом могли бы прийти к взаимовыгодному сосуществованию. Так или иначе, встреча этих существ – прекрасный сюжет для научно‐фантастического рассказа.

Майк и Джим

Майк: Я тут читал, что наши астрономы обнаружили во Вселенной планеты с асинхронным вращением.

Джим: Ты хочешь сказать, что они свободно вращаются и не повернуты к своему Солнцу одной и той же стороной не все время?

M: Ну да, так говорят ребята из обсерватории.

Дж: Ну и странные же на таких планетах условия! То есть, как только половина планеты получит от Солнца тепло, вращение тут же отвернет эту половину от Солнца и все тепло тут же улетучится?

M: Да‐да, и значит, там никогда не возникнет достаточной разницы температур, чтобы подул мало‐мальски сильный ветер. А значит, и никакой гидросферы там не будет!

Дж: А как же без ветра сможет появиться жизнь? Как все будет двигаться? Ерунда какая‐то.

M: Даже если там появилась бы примитивная жизнь, уж хорошей техники там точно быть не может – откуда бы им взять электричество без сильного ветра и ветряков?

Дж: Вот‐вот.

11

Отшельник

Один-одинёшенек

Темно. Не как в полночь на глухой улице, а как в подземелье без окон. И неудивительно – ведь на здешнем небе вообще нет солнца. Это бродячая планета, планета‐странница, она не обращается вокруг звезды. Где‐то там наверху есть у нее луна – но без источника света, который она могла бы отражать, это просто еще одно темное пятно на небе. Если и есть какие‐то формы жизни на этой планете, им стоит обзавестись инфракрасным зрением – никакого другого света здесь просто нет. К счастью, у вас есть инфракрасные очки‐сенсоры, и вы успеваете заметить, как несколько этих существ суетливо прячутся в подземные туннели своей планеты – там они могут погреться теплом, которое источают ее недра. Добро пожаловать на Отшельник.

Раньше мы думали, что образование Солнечной системы шло величественно и неспешно. Гигантские облака межзвездного газа и пыли конденсировались в отдельные клубы массой в одну‐две солнечных – их собственное тяготение стягивало к ним все новое вещество. Центры этих постепенно сжимающихся облаков, вокруг которых остатки газа и пыли образовывали вращающийся «блин», в конце концов разогревались и уплотнялись настолько сильно, что начинался ядерный синтез и зажигалась новая звезда. Во внутренней Солнечной системе вращающиеся газ и пыль слипались в крупные тела – планетезимали, а они, в свою очередь, сливались в протопланеты. Так в конечном итоге образовались планеты земной группы. Одновременно с этим под действием гравитации сформировались и внешние планеты – гигантские тела, состоящие в основном из легких элементов, таких как водород и гелий. Затем мощный солнечный ветер выдул прочь из системы остатки газа и пыли, и так сложилась современная схема расположения планет. Ключевая идея состояла в том, что наши нынешние планеты образовались в результате упорядоченного процесса примерно на тех же местах, где они находятся по сей день.

И это неправда. Наши представления начали меняться в 2005 году, когда астрономы разработали так называемую «модель Ниццы» (названную в честь французского города, где ее впервые предложили). Компьютерное моделирование показало, что образование Солнечной системы никак нельзя считать медленным и плавным. С течением времени и появлением все более проработанных моделей наши представления о ранних этапах существования Солнечной системы радикально изменились. Теперь мы знаем, что изначально планет образовалось гораздо больше, чем сохранилось до наших дней, и что процесс их формирования больше напоминал гигантский космический бильярд, чем медленное накопление материала. Объекты планетарных размеров образовывались и разрушались в ходе столкновений, а впоследствии тем же способом меняли свои очертания. Несколько таких тел упали на Солнце. Еще часть была выброшена из Солнечной системы. Взаимодействие гравитационных сил перемещало туда‐сюда внешние планеты и запускало дожди комет, которые и принесли воду в земные океаны. В общем и целом, происходил полнейший хаос.

Важное доказательство в поддержку этой теории состоит в том, что мы наблюдаем сходные процессы в других формирующихся планетных системах. Обломки, возникшие в результате столкновений объектов планетарных размеров в молодых системах были зафиксированы, например, Космическим телескопом Хаббла. Глядя на эти процессы и приняв как вполне вероятное предположение о том, что объекты размером с планету могли быть выброшены из зарождающейся Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад, нельзя не задаться простым вопросом: где же эти тела сейчас?

Не могли же они просто исчезнуть! Значит, они где‐то существуют! Вряд ли многие из них могли приобрести скорости, достаточно высокие для того, чтобы покинуть Млечный Путь. Значит, они все еще должны быть где‐то в пределах Галактики, вращаясь вокруг ее центра вместе с Солнцем и другими звездами. И если задуматься об этом, получится, что в межзвездном пространстве таких бродячих планет должно быть достаточно много. В конце концов, звезды и планетные системы образуются с тех пор, как Вселенная достигла возраста в несколько сот миллионов лет, и с тех пор сменилось уже несколько поколений звезд. Если каждая из новорожденных планетных систем добавляла еще несколько объектов к числу бродячих планет, то общее количество «бродяг» может оказаться больше, чем число планет, вращающихся вокруг звезд! Теоретики даже предположили, что планет‐странниц может быть вдвое, вдесятеро, а то и в тысячи раз больше, чем обычных. Вполне возможно, что межзвездное пространство просто кишит ими!

Но если это так, то почему нами открыто так мало бродячих планет? Чтобы дать ответ на этот вопрос, спросите себя, как бы вы стали их искать. Как и все экзопланеты, «бродяги» не излучают собственного света, а отраженный от их поверхностей свет далеких звезд слишком слаб. Это значит, что их бесполезно искать при помощи обычных оптических телескопов. Планеты‐странницы излучают волны в инфракрасном диапазоне – об этом мы поговорим чуть позже, – но наши возможности поиска подобных волн очень ограничены. В общем, планета‐бродяга может разве что случайно оказаться в поле, куда мы наведем наш инфракрасный приемник для каких‐то других целей.

Еще один метод регистрации бродячих планет разработан на основе общей теории относительности. В 1919 году британский астроном Артур (впоследствии – сэр Артур) Эддингтон (1882–1944) поразил весь мир, подтвердив предсказание Альберта Эйнштейна: световые лучи, посланные далекими звездами, должны изгибаться, проходя мимо Солнца. Современные астрономы превратили это свойство света в инструмент для обнаружения материи, которую трудно заметить другими способами. Явление, на котором основан этот способ регистрации, называется гравитационным линзированием.

Чтобы понять, как этот метод работает и как его можно использовать для поиска планет‐странниц, представим себе, что такая планета пересекла луч зрения, соединяющий далекую звезду и земного наблюдателя. Луч света, который послала звезда и который прошел бы мимо Земли, если бы на его пути не встретилась бродячая планета, будет изогнут притяжением планеты и поэтому попадет в телескоп земного наблюдателя. Проследив обратный ход луча, зарегистрированного его телескопом, наблюдатель увидит, что этот свет выходит из точки, положение которой немного отличается от истинного положения звезды. И так как сказанное будет выполняться для всех лучей, испущенных звездой во все стороны, в результате прохождения бродячей экзопланеты между наблюдателем и звездой изображение звезды в телескопе из точки превратится в кольцо. Простейший способ это наглядно изобразить – представить себе, что из звезды выходит конус света, все лучи которого изгибаются под действием притяжения планеты‐бродяги и сходятся в фокус там, где находится земной наблюдатель. Это и есть гравитационное линзирование, а получившееся в результате изгибания лучей кольцеобразное изображение звезды астрономы назвали кольцом Эйнштейна – в честь человека, работы которого позволили нам понять это явление. Следует еще заметить, что если путь бродячей планеты немного отклоняется от луча зрения между звездой и Землей, то мы вместо кольца увидим дугу.

Астрономы, изучающие галактики, давно уже пользуются гравитационным линзированием, чтобы регистрировать слишком тусклые объекты, которые не поддаются фиксации обычными методами. В таких случаях удаленным источником света служит другая галактика, отстоящая от Земли сильнее, чем наша собственная, а в остальном дело обстоит точно так же. Масса исследуемой галактики служит линзой, изгибающей световые лучи от более далекой галактики и превращающей ее крохотное изображение в дугу или кольцо. И хотя пока масштабный поиск бродячих экзопланет этим методом еще не проводился, при помощи гравитационного линзирования уже было более или менее случайно зарегистрировано несколько планет‐странниц.

Итак, процесс бродячих планет, по сути, представляет собой фиксацию случаев, когда точечные изображения звезд превращаются на время в дуги или кольца, а затем возвращаются к прежнему виду. В каком‐то смысле это напоминает способ, которым космический телескоп «Кеплер» искал обычные экзопланеты. Он отслеживал световые потоки от примерно 150 000 звезд, регистрируя временные потускнения их света, вызванные прохождением планет по диску звезды. В целом нетрудно спланировать подобное исследование большого количества звезд при помощи космического телескопа, фиксируя временные превращения их изображений в кольца Эйнштейна. И если число планет‐странниц настолько велико, как мы думаем, этот поиск должен, конечно же, принести нам информацию о множестве из них.

Полуденная тьма

Условия окружающей среды на бродячей планете зависели бы от множества факторов. Наши компьютерные модели, например, говорят о том, что во внутренней части Солнечной системы вокруг Солнца когда‐то обращалось более десятка планет размером с Марс. Столкновение прото-Земли с одной из таких планет привело к образованию Луны. Бродячие планеты столь малых размеров из‐за своей небольшой массы быстро потеряли бы свое тепло и превратились бы в холодные мертвые миры, а их атмосферы либо рассеялись бы вследствие гравитационной диссипации, либо превратились в тонкий слой льда на поверхности.

С другой стороны, сверхземля, вроде Громадины из следующей главы, могла бы иметь совершенно иную судьбу. Для начала ей вовсе не обязательно было бы терять свою атмосферу, и у нее было бы в придачу как минимум два важных источника энергии: остаточное тепло, сохранившееся с момента ее образования, и радиоактивность. Первый из этих источников возник в то время, когда планета еще обращалась вокруг материнской звезды, стягивая на себя вещество из протопланетной туманности и разогреваясь в результате каждого соударения. После того, как это тепло накопится в достаточном количестве, оно может рассеиваться очень долго. Земля, например, полностью расплавилась еще в процессе своего образования, но и по сей день добрая половина тепла, поступающего из ее недр, – остатки накопленного в те времена. Вторая половина тепла, поднимающегося из недр Земли, – результат радиоактивного распада долгоживущих элементов, например урана. Но важнее всего то, что после образования планеты оба эти источника будут работать вне зависимости от того, обращается она по‐прежнему вокруг своей звезды или улетает в глубокий космос.

Если бродячая планета – газовый гигант вроде Юпитера или Сатурна, и у нее есть спутники, это дает еще один возможный источник тепла. Процесс, вышвырнувший нашу планету из родной системы, может оказаться недостаточно мощным, чтобы разорвать притяжение между планетой и ее лунами, так что мы можем предположить, что планета покинула свою систему вместе со всеми своими спутниками. В этом случае луны будут продолжать подвергаться приливному разогреву, как это сейчас происходит со спутниками Юпитера и Сатурна. Таким образом, на спутниках бродячего газового гиганта под ледяным щитом вполне могут оказаться жидкие океаны, как на планете, которую мы в главе 7 назвали Новой Европой.

Вывод из всего этого можно сделать следующий: планеты‐странницы располагают достаточно большим количеством потенциальных источников тепла и вовсе не обязаны быть промерзшими и безжизненными. В другой нашей книге мы как‐то сравнили такие планеты с домами, где отключен свет, но отопление по‐прежнему действует.

Есть еще один фактор, который мог бы способствовать возникновению жизни на поверхности бродячей планеты, – это разновидность парникового эффекта. На Земле парниковый эффект работает следующим образом: солнечный свет проходит сквозь атмосферу, которая прозрачна для него. Он нагревает поверхность Земли, и в результате нагрева она излучает больше инфракрасных лучей. Это излучение поглощается молекулами атмосферы, в первую очередь углекислым газом и водяным паром, которые затем излучают это тепло повторно. Часть высвободившейся таким образом энергии уходит в космическое пространство, но другая часть направляется обратно к земной поверхности и ею поглощается. В результате выходит, что поверхность планеты нагревается сильнее, чем если бы парникового эффекта не было. При отсутствии естественного парникового эффекта средняя температура на Земле составляла бы −18 °C.

Если вы внимательно прочли описание этого процесса, вы понимаете, что для него на самом деле вовсе не нужен солнечный свет. Все, что необходимо, – это чтобы существовал источник нагрева поверхности планеты, позволяющий ей излучать инфракрасные волны. А, как мы уже видели, у бродячих планет есть несколько возможных источников тепла. Итак, если поверхность планеты достаточно сильно разогрета, а в ее атмосфере достаточно парниковых газов, вполне можно представить себе планету‐странницу довольно похожей на планету, которую мы называли планетой земного типа в главе 9.

Итак, бродячие планеты могут напоминать многие из миров, о которых мы уже говорили в этой книге. Единственная черта, которая будет у них общей, – это вечная тьма. В отсутствие материнского светила единственным источником света в их небе будут далекие звезды. И любой жизни, которая могла бы возникнуть в подобных мирах, пришлось бы найти какую‐то альтернативу видимому свету, чтобы получать информацию от окружающей среды.

Давайте подумаем теперь о том, как могла бы зародиться и расцвести жизнь на бродячей планете с парниковым эффектом и океанами жидкой воды на поверхности. Следуя нашей привычке давать каждой нашей воображаемой планете подходящее имя, назовем эту планету Отшельником.

Жизнь, разум, и цивилизация

При огромном разнообразии возможных бродячих миров было бы странно, если бы жизнь не появилась на поверхности или в недрах по крайней мере некоторых из них. Мы можем вообразить сценарии образования «первичного бульона» в океане планеты‐странницы, хотя вместо фотосинтеза источником энергии развитых форм жизни здесь должны бы были стать разряды молний или радиоактивность. Нам, однако, кажется, что на бродячей планете жизнь также, скорее всего, должна была бы зародиться вблизи глубоководных термальных источников – питательные вещества и энергия для нее поступали бы из недр планеты. Мы уже обсуждали подобную последовательность событий в воображаемом мире Нептунии (глава 8).

На Земле выход на сушу позволил организмам, живущим за счет фотосинтеза, и дальше получать энергию солнечного света. На бродячей планете подобного источника энергии нет, поэтому организмы, выходящие на сушу, нуждались бы в питательных веществах и энергии из недр планеты или в каком‐то еще источнике химической энергии. Мы можем представить себе жизнь, возникшую у океанического гидротермального кратера и адаптировавшуюся к условиям вулканической кальдеры или зоны горячих гейзеров. Любая попытка удаления от этих источников энергии потребовала бы создания по крайней мере простейших технических устройств – например, аналогичной нашим линиям электропередач сети труб или туннелей, соединяющих один источник подземного тепла с другим. И точно так же, как эти наши электросети доставляют энергию в самые отдаленные уголки Земли, на Отшельнике сеть труб, проложенная по поверхности планеты или, возможно, под ней, переносила бы на большие расстояния химическую энергию и питательные вещества.

Конечно, если на планете возникает цивилизация, она может использовать и более знакомые нам источники энергии – например, геотермальную. В отсутствие фотосинтеза на Отшельнике никогда не смогли бы образоваться ископаемые виды топлива, такие как наши уголь и нефть, – поэтому запасы первичных энергоносителей были бы ограничены ресурсами самой планеты. Однако у жителей бродячей планеты всегда были бы в доступе энергия ее тепла (геотермальная энергия), гидроэлектрическая энергия (которая в конечном счете получается из гравитационной энергии планеты) и энергия ветра (которая возникает из энергии вращения планеты).

Тут перед нами встает еще один важный вопрос. В отсутствие практически безграничных ресурсов энергии материнской звезды запасы энергии на Отшельнике в конце концов иссякнут. Планета остынет, все радиоактивные элементы распадутся, и Отшельник превратится в ледяную мертвую глыбу, вечно странствующую среди звезд. Поэтому главный вопрос, который мы должны задать, говоря о жизни на Отшельнике, звучит так: как долго она может просуществовать?

Мы знаем, что первичные источники энергии на Отшельнике – подземное тепло и радиоактивный распад – могут поддерживать на нем жизнь довольно долго. Даже на такой сравнительно небольшой планете, как Земля, запасы этой энергии еще весьма велики даже спустя 4,5 миллиарда лет после ее образования. Надо полагать, что у сверхземли таких запасов хватит на гораздо более долгий срок. А значит, ограниченное время существования самой планеты не будет главным фактором, отмеряющим время жизни на Отшельнике.

Отметим, кстати, что приливный разогрев со временем ослабевает довольно незначительно – так что, если Отшельник окажется спутником газового гиганта, а не самостоятельной планетой, запасы тепла на нем будут почти бесконечными. Это дает нам еще одну возможность для существования в Галактике таких странных объектов, как обитаемые бродячие планеты.

Есть, однако, одна проблема, с которой придется столкнуться любому живому существу на планете‐страннице: это полная темнота, в которую этот мир погружен. Сделаем здесь небольшое отступление и поговорим о мраке и свете.

Законы физики говорят нам, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает какой‐либо вид электромагнитного излучения. Например, Солнце, температура поверхности которого превышает 5000 °C, излучает видимый свет, длины волн которого больше размеров атома в 4000–8000 раз. Земля, поверхность которой намного холоднее – около 27 °C, – испускает излучение с гораздо более низкой энергией и большей длиной волны. Мы называем эти лучи инфракрасными; для человеческого глаза они невидимы. Кроме того, мы сами постоянно испускаем эти лучи на длине волны, пропорциональной температуре наших тел. Но мы обычно не чувствуем этого – все наше окружение тоже постоянно посылает во все стороны инфракрасное излучение с чуть большей длиной волны. Мы поглощаем это излучение, и оно компенсирует большую часть наших тепловых потерь.

Поэтому, очутившись в таком мире, как Отшельник, мы хоть и не встретим почти никаких источников видимого света, но вполне можем рассчитывать обнаружить немало источников инфракрасного излучения. Каким бы ни было зрение у обитателей Отшельника, оно должно воспринимать эти волны – то, что мы называем теплом. (Тут надо отметить, что многие организмы на Земле, например гремучие змеи, которые охотятся в темных подземных норах, на самом деле имеют такие инфракрасные детекторы в дополнение к рецепторам, воспринимающим видимый свет.) И как люди создали очки и микроскопы, чтобы с их помощью использовать и исследовать видимый свет, так и ученые на Отшельнике изобрели бы аналогичные устройства, позволяющие им изучать мир, который воспринимает их инфракрасное зрение.

Таким образом мы предполагаем, что если бы на Отшельнике появились астрономы, первым, что они изобрели, были бы инфракрасные телескопы. И если бродячие планеты действительно так многочисленны, как мы думаем, то первыми космическими телами, которые увидели эти астрономы, были бы такие же планеты‐странницы, расположенные ближе всего к их родной планете, – ведь они в инфракрасных лучах выглядели бы довольно яркими объектами. Вдобавок, судя по оценкам плотности их расположения в Галактике, среднее расстояние между странствующими мирами вполне могло бы оказаться значительно меньше, чем расстояния между планетами, обращающимися вокруг разных звезд.

Посмотрим на это вот с какой стороны: среднее расстояние между звездами в Млечном Пути измеряется в световых годах, в то время как расстояние между бродячими планетами вполне может составить долю светового года. Это значит, что колонизация других миров может оказаться проще для жителей Отшельника, чем колонизация планет, вращающихся вокруг другой звезды для нас. Ближайшая к Земле звезда – альфа Центавра – отстоит от нас более чем на 4 световых года. Даже допустив, что мы научимся конструировать гораздо более совершенные корабли, мы все равно не можем оценить длительность полета в одну сторону к альфе Центавра меньше чем в 80–100 лет. А вот соответствующее путешествие с Отшельника до соседней бродячей планеты может занять всего лет 10.

Осознав этот факт, мы должны заметить, что высокая плотность бродячих планет могла бы также существенно изменить планы человечества в отношении межзвездной колонизации. Можно представить себе ряд поселений, стратегически размещаемых на планетах‐странницах в виде промежуточных ступеней на пути к ближайшим звездам. Это будет чем‐то похоже на угольные порты, которые морские державы в конце XIX века строили по всему свету, чтобы снабжать топливом свои корабли. Космический корабль, которому не придется нести весь необходимый для перелета запас топлива, будет гораздо легче обычных кораблей и поэтому сможет двигаться гораздо быстрее. Вообразите межзвездный перелет, состоящий из ряда коротких и быстрых прыжков вместо десятилетий непрерывных космических странствий.

Раз уж мы начали думать об устройстве заправочных станций на планетах‐странницах, мы вправе задаться очевидным вопросом – а почему бы людям просто не колонизовать сами бродячие планеты? В конце концов, темноты мы не боимся – как генерировать свет, мы знаем. Вы, конечно, видели сделанные со спутников фотографии ночной земной поверхности, усыпанной огнями больших городов. Нет никаких причин не построить что‐то подобное на поверхности бродячих планет вроде Отшельника. Если уж мы сумеем добраться до мира, в котором есть отопление, но нет света, свет нетрудно будет включить.

Колония людей на Отшельнике не слишком отличалась бы от такой же колонии на Луне или Марсе. Во всех трех случаях главным обиталищем стал бы купол или подземная пещера. Те, кто решился бы отправиться в экспедицию по поверхности Отшельника, могли бы надевать защитные костюмы, хотя, возможно, среди бродячих планет есть и миры с пригодной для дыхания атмосферой. Отсутствие видимого света означает, что для выращивания растений, которые служили бы колонистам пищей, пришлось бы пользоваться искусственным освещением – вроде ярких ламп, которыми люди на Земле зимой освещают растения в оранжереях и теплицах. Семена растений, скорее всего, пришлось бы доставлять с Земли – маловероятно (хотя и не полностью исключено), что флора и фауна на Отшельнике будут содержать молекулы, питательные для человека. Наконец, можно даже представить себе, что генная инженерия приспособила бы земные культуры к условиям тех или иных бродячих планет, и это многократно облегчило бы проблему пищевых ресурсов.

Думая о перспективе колонизации других планет, мы должны задать и еще один вопрос. На первый взгляд может показаться, что люди и обитатели миров вроде Отшельника друг для друга – классические «корабли в ночи»: мы колонизируем планеты вокруг звезд, а жители Отшельника – бродячие планеты, и наши пути попросту не пересекаются. Однако если бы люди принялись колонизировать странствующие планеты, мы и колонисты с Отшельника оказались бы втянуты в борьбу за одни и те же ресурсы. А оглядываясь на человеческую историю, мы можем увидеть, что, когда две группы конкурируют за одни и те же ресурсы, результат редко их радует.

‘Оумуамуа

Осенью 2017 года произошло необыкновенное событие. Впервые в истории астрономы зарегистрировали объект, проходящий на своем пути через межзвездное пространство сквозь Солнечную систему. Инструмент, при помощи которого было сделано это открытие, установлен на Гавайях и называется Pan-STARRS (название расшифровывается так: Панорамный обзорный телескоп и система быстрого отклика). Он состоит из двух телескопов и предназначен для того, чтобы зафиксировать и изучить все переменные объекты в небе над Гавайями, включая и астероиды.

Начиная с 1980‐х, когда ученые установили, что столкновение Земли с астероидом около 13 км в поперечнике привело к вымиранию динозавров, в научных и политических кругах чувствовалось некоторое беспокойство – а не может ли подобная история повториться в наше время? Установка Pan-STARRS была первой попыткой преодолеть эти страхи. Среди задач, поставленных при создании этого инструмента, был и поиск околоземных объектов, которые могут представлять угрозу для нашей планеты.

Но, как часто случается в науке, система, созданная в ответ на определенное единичное требование преимущественно политического свойства, оказалась бесценной во многих областях науки. За короткое время своей работы комплекс Pan-STARRS помог создать базу данных, включающую более 3 миллиардов переменных небесных тел – астероидов, комет, звезд и галактик. (Забавный момент: в программное обеспечение Pan-STARRS входит специальная программа, которая не позволяет установке отслеживать положения секретных военных спутников.)

Когда осенью 2017 года вошла в строй усовершенствованная версия инструмента, один из первых же «увиденных» им объектов оказался совершенно внезапным. Тело длиной с пару многоэтажных домов вошло в Солнечную систему из области, лежащей над плоскостью, в которой находятся все планеты, описало петлю вокруг Солнца и снова ушло в космическое пространство. Сначала его идентифицировали как комету, но по его траектории быстро стало понятно, что оно явилось из межзвездного пространства – и вскоре вернулось в него. Объект назвали гавайским словом ‘Оумуамуа – «лазутчик» или «гость издалека». Художники изображают его в виде бетонной плиты длиной в 400 и шириной примерно 40 метров.

В самом начале этой истории ряд астрономов высказывал предположение, что объект может состоять в основном из металла, и это привело к вполне предсказуемым заявлениям: ‘Оумуамуа – космический корабль, возможно, потерпевший крушение и вечно скитающийся в межзвездном пространстве. Попытки зарегистрировать радиоизлучение (сигнал бедствия?), впрочем, ни к чему не привели: видимо, все-таки, можно спокойно отказаться от попыток объявить происхождение ‘Оумуамуа искусственным.

Еще одна гипотеза, которая появилась поле открытия астероида, – что ‘Оумуамуа был выброшен из другой планетной системы. Но если это так, его форма крайне необычна: среди сотен тысяч астероидов в нашей Солнечной системе ни одного настолько длинного и тонкого. А если ‘Оумуамуа – осколок столкновения планет, случившегося в далекой планетной системе, это может означать, что такие столкновения еще ужаснее по своим последствиям, чем мы сейчас думаем.

В 2018 году тайна была наконец раскрыта: астрономы обнаружили небольшие изменения в орбите объекта и отнесли их на счет водяного пара, выделявшегося в большом количестве, когда тело проходило вблизи Солнца. Сейчас мы полагаем, что ‘Оумуамуа – это комета, залетевшая к нам из другой звездной системы. Такой вывод похож на правду: кометы – самые многочисленные объекты в нашей Галактике.

Если межзвездное пространство и вправду засорено такими телами, как ‘Оумуамуа, это может иметь огромное значение для решения парадокса Ферми (см. главу 9). Если помните, суть этого парадокса заключается в том, что высокоразвитые технологические цивилизации должны были распространиться по всему пространству Галактики за относительно короткое время. Но если космическому кораблю приходится постоянно лавировать между крупными обломками вещества, это обстоятельство может существенно увеличить время, необходимое ему, чтобы добраться до Земли. Возможно, межзвездные путешествия с релятивистскими скоростями невозможны не в последнюю очередь из‐за того, что при таких скоростях было бы трудно уклоняться от столкновений с огромным количеством заполняющих межзвездное пространство обломков.

Майк и Джим

Джим: Я гляжу, Бинэй 17 снова взялся за свое. Он собирается прочитать лекцию о том, почему мы должны исследовать планеты вокруг звезд вместо того, чтобы сосредоточиться на мирах без солнц – таких как наш.

Майк: Но ведь такие планеты будут залиты высокочастотным излучением – и ни одного нормального инфракрасного сигнала!

Дж: Ага, а еще у него есть безумная гипотеза о том, что энергию такого излучения – он называет его «видимым светом» – можно запасать в форме каких‐то углеводородных связей.

M: Но что правда, то правда – у этих планет может быть и какая‐то приличная геотермальная энергия.

Дж: Но ты только подумай, какое у них окружение. Звезды вечно плюются облаками плазмы – ребята, которые изучают звезды, называют это «корональными выбросами массы». И если одно из таких облаков долетит до планеты, оно может в два счета уничтожить там всякую жизнь.

M: Да это еще не все! Погляди на эти куски камня, летающие вокруг звезд и сталкивающиеся с планетами.

Дж: И еще на кометы.

M: Нет, тут даже спорить не о чем: межзвездное пространство – единственное безопасное место на свете для развития жизни!

12

Громадина

Огромная тяжесть

Черт, как тяжело! Здесь все весит гораздо больше. Растения толстые и приземистые, скорее прямоугольные, чем вытянутые в высоту, как на Земле. Хоть никаких животных пока не видать, ждешь, что они тоже будут прямоугольными и коренастыми. А чего еще ждать на планете с тяжестью на 50 процентов выше, чем на Земле?

На протяжении всей этой книги мы исходили из одного допущения, настолько глубоко укоренившегося в научном мировоззрении, что мы о нем даже почти не помним. Его называют принципом Коперника в честь Николая Коперника, человека, который первым установил, что Земля – не центр Вселенной. В простейшей своей форме этот принцип гласит, что в нашей планете и в Солнечной системе нет ничего необычного. Он говорит нам, что законы природы, действие которых мы наблюдаем здесь и сейчас, действуют во всей Вселенной и действовали в ней всегда.

Значение этой идеи для науки трудно переоценить. Как мы могли бы надеяться понять Вселенную, если бы законы природы менялись от одной галактики к другой? Принцип Коперника – пример того, что антропологи называют базовыми убеждениями, то есть убеждениями, настолько глубоко укоренившимися в общественном сознании, что они не имеют четкой вербальной формулировки, а просто впитываются, так сказать, с молоком матери (хотя мы должны подчеркнуть, что в отношении принципа Коперника у нас есть многочисленные свидетельства, поддерживающие этот «миф»). Однако мы должны понимать и то, что, хотя во всех планетных системах должны действовать одни и те же законы природы, это совсем не значит, что все планетные системы должны быть совершенно одинаковыми. И к тому же у Солнечной системы все же есть одна довольно необычная особенность – в ней нет ни одной планеты, относящейся к классу сверхземель.

Легче всего понять, что это значит, если вспомнить, о массах планет Солнечной системы. В ней есть небольшие каменные планеты земного типа – Земля из них самая большая, – а потом сразу идут довольно крупные планеты: Уран (15 масс Земли) и Нептун (17 масс Земли), и следом за ними – газовые гиганты Сатурн и Юпитер, с массами, составляющими 95 и 318 масс Земли соответственно.

Откуда же такой разрыв между массами Земли и Урана? Первая мысль, которая приходит в голову, – что по какой‐то причине планеты в этом интервале значений массы просто не образуются. Однако открытия, сделанные космическим телескопом «Кеплер», показывают, что это не так. В других планетных системах планеты с массами между Землей и Ураном оказались довольно обычным делом. Астрономы проводят различие, хотя и не слишком жесткое, между сверхземлями (примерно от 2 до 10 земных масс; нижняя граница этого класса немного отличается у разных групп исследователей) и мегаземлями (выше 10 земных масс). Планеты, занимающие место в области верхнего края этого распределения, иногда называют также мини‐Нептунами. Первая сверхземля, обращающаяся вокруг обычной звезды, была открыта в 2005 году – это Gliese 876d. Обозначение расшифровывается следующим образом: это третья планета, найденная в системе звезды, которая в каталоге, составленном немецким астрономом Вильгельмом Глизе (1915–1993), имеет номер 876. С 2005 года было открыто еще много сверхземель – и некоторые из них располагаются в пределах зоны обитания своей звезды.

Когда астрономы используют термин сверхземля, он относится только к массе планеты и не несет никакой информации о ее размере или обитаемости. Сверхземля может быть водным миром, как Нептуния из главы 8, или миром замерзшим, наподобие Айсхейма из главы 6, или планетой, похожей на Землю из главы 9, с обширными океанами и сушей на поверхности. При тех технических возможностях, какими мы сейчас располагаем, каменная сверхземля с тонкой атмосферой, водная сверхземля с ледяным слоем или без такового и похожая на Нептун планета с толстой внешней газовой оболочкой практически неразличимы. Но, так как мы здесь интересуемся возможностью жизни на экзопланетах, мы в этой главе сосредоточим наше внимание на тех типах сверхземель, на которых могла бы существовать жизнь.

Мы начнем с того, что попытаемся ответить на прозвучавший выше вопрос: если планеты такого типа настолько распространены в других планетных системах, почему в нашей их нет вовсе?

Здесь может быть несколько разных ответов. Один из них очень прост: существуют системы, в которых нет сверхземель, и так вышло, что наша Солнечная система – одна из них. Еще один вариант ответа: возьмем компьютерные модели, описывающие образование Солнечной системы, и попробуем разыскать в них процессы, в ходе которых из системы выбрасываются все сверхземли. В некоторых моделях, например, планеты‐гиганты выталкивают сверхземли к Солнцу. В других гравитационное противостояние, происходившее в эпоху формирования планет, просто выбросило все сверхземли из Солнечной системы, превратив их в планеты‐бродяги, о которых мы рассказывали в предыдущей главе. Однако, какой бы ни была причина – образовались они и были разрушены или никогда и не возникали, – сейчас в Солнечной системе сверхземель нет.

Эта ситуация все еще не нарушает принцип Коперника. В нашей планетной системе действуют те же законы, что и повсюду, но во времена зарождения нашей системы произошло что‐то, что привело к сценарию развития, отличному от тех, которые реализовались в других системах. Возможно, распределение массы протопланетного облака нашей системы немного отличалось от других; возможно, в ходе формирования планет прошедшая мимо звезда привела в движение газ и пыль в туманности. Но так или иначе, а сверхземли, которую можно было бы изучить, поблизости не имеется.

Сверхсильная гравитация

То, что в Солнечной системе нет сверхземли, не значит, что мы не можем составить представление об условиях, которые существовали бы на такой планете. Начнем с наиболее очевидного различия между сверхземлей и нашей Землей: с силы тяжести. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, гравитационная сила, свойственная любому телу, пропорциональна его массе. Если удвоить массу планеты, сохранив ее размеры, сила притяжения на ее поверхности удвоится. Тот же закон говорит и о том, что сила гравитации падает соответственно квадрату расстояния – и если удвоить радиус планеты, не меняя ее массы, гравитационная сила на ее поверхности будет равна четверти прежней.

Эти две характеристики определяют силу тяготения на поверхности любой планеты. Например, сейчас со стороны Земли на вас действует сила тяжести, направленная вниз, – вот почему вы не улетаете с поверхности Земли в космическое пространство. Величина этой силы зависит от массы Земли и вашего расстояния от центра планеты (т. е., от радиуса Земли). По сути, одним из наиболее примечательных следствий ньютоновского закона всемирного тяготения стало то, что, если подставить в него значения массы и радиуса Земли, вы получите стандартную величину ускорения (9,8 м/с^2), с которым любой предмет падает с высоты на земную поверхность.

Таким образом, вычислить силу тяготения на поверхности гипотетической планеты можно простым применением закона Ньютона. Рассмотрим, например, сверхземлю, в восемь раз более массивную, чем Земля, но имеющую ту же плотность. Ее радиус в этом случае будет вдвое больше, чем у Земли. Следовательно, при определении силы гравитации на поверхности планеты нам предстоит учесть два противонаправленных фактора: увеличение массы увеличивает силу притяжения планеты, в то время как увеличение радиуса ее уменьшает. В результате окажется, что вы будете весить на этой планете вдвое больше, чем весили на Земле.

На реальной сверхземле ситуация, вероятно, была бы несколько сложнее. Возросшая сила гравитации, скорее всего, сжала бы вещество, из которого состоит тело планеты, так что ее радиус превышал бы радиус Земли не вдвое, а несколько меньше. Это, в свою очередь, привело бы к возрастанию гравитации на поверхности планеты, а значит, и вашего веса.

Большая сила тяжести повлияла бы и на состав атмосферы сверхземли – например, затруднила бы гравитационную диссипацию, о которой мы говорили, когда обсуждали условия на планетах из зоны обитаемости в главе 9. А значит, атмосфера сверхземли сохранила бы легкие газы, такие как гелий и водород, которые атмосфера Земли утратила.

Вдобавок возросшая сила гравитации увеличила бы давление в атмосфере и океанах планеты. Проще всего это увидеть, если вернуться к примеру, который мы рассматривали в главе 8, когда говорили о воздушном столбе с основанием в 1 квадратный дюйм (около 6 см^2), протянувшемся от вашей ладони до границы атмосферы. Давление на квадратный дюйм вашей ладони равно весу воды и воздуха в таком столбе. Значит, если на сверхземле масса воздуха и воды в атмосфере примерно такая же, как на Земле, где давление этого столба составляет 6,5 кг, то давление на 1 квадратный дюйм вашей ладони составит здесь около 14 кг. А это, в свою очередь, значит, что то, что мы в главе 8 называли «пределом льда Х», на сверхземлях будет иметь место в гораздо более мелких океанах, чем это происходило на нашей Нептунии.

Жизнь и выход на сушу

Рассмотрим для примера сверхземлю в восемь раз массивнее Земли, но с такой же, как у Земли, плотностью – вроде той планеты, о которой мы говорили в предыдущем разделе. Предположим, что она находится в зоне обитания своей звезды и что на ее поверхности есть водные океаны. Назовем эту планету Громадиной.

В целом ничто не препятствует тем же процессам, которые привели к зарождению жизни на Земле, повториться и на Громадине. Жизнь здесь могла бы возникнуть в «первичном бульоне» или вокруг океанических гидротермальных источников, а затем мигрировать на океанскую поверхность. Фотосинтезирующие организмы могли бы заполнить атмосферу кислородом, и в океанах бы расцвела буйная многоклеточная жизнь. И огромная сила тяжести на Громадине не повлияла бы серьезно ни на один из этих процессов.

Но все резко изменилось бы, как только жизнь двинулась на сушу. И чтобы понять, почему, нам придется вернуться в Древнюю Грецию. Архимед из Сиракуз (умерший в 212 году до н. э.) был, насколько нам известно, первым человеком, открывшим принцип плавучести. Представьте себе куб на поверхности океана, в котором содержится некоторый объем воды. Вода в кубе имеет определенный вес, и этот вес в точности уравновешивается направленным вверх давлением океана на нижнюю грань куба. Это давление и называется силой плавучести или архимедовой силой.

Если мы заменим куб с водой кубом, содержащим какое‐либо другое вещество, то у нас будет два возможных варианта развития событий: новый куб весит либо больше, чем старый, либо меньше. Если он весит больше, архимедова сила не сможет уравновесить гравитационную силу, воздействующую на это вещество, и куб утонет. Если же новое вещество весит меньше, чем вода, которую оно заместило, архимедова сила будет больше гравитационной и куб продолжит плавать по поверхности океана.

Заметим, что здесь имеет значение количество вытесненной воды – или, в нашем примере, объем куба. Вот почему стальное судно будет плавать, а стальной брусок, внутри которого нет воздуха, утонет: судно вытесняет объем воды, равный объему и корпуса судна, и воздуха внутри него, а воздух весит значительно меньше воды.

Когда живой организм, простейший или многоклеточный, находится в океане, его всегда поддерживает архимедова сила, так как физические тела всегда вытесняют определенное количество воды. Однако когда жизнь выходит на сушу, все меняется: живые существа, оставшись без поддержки архимедовой силы, вынуждены искать способы борьбы против гравитации.

Мы можем получить некоторое представление о том, как это происходит, если поглядим, как происходил выход живых существ на сушу на Земле. О точных датировках этого события все еще идут ожесточенные споры. Генетический анализ свидетельствует, что зеленые водоросли образовывали налет на прибрежных камнях еще 610 миллионов лет назад. Были найдены окаменелости, содержащие споры (присутствие которых указывает на расцвет земной растительности) возрастом примерно 450 миллионов лет. При этом нам известно, что у растений (а позже и у животных) развивались навыки, позволявшие им справляться с отсутствием архимедовой силы. Мы полагаем, что в соответствии с выбором того или иного способа этой борьбы организмы можно разделить на два противоположных типа, которые мы можем условно назвать «панцирь против скелета» или, для тех, кому больше по вкусу архитектурные аналогии, «романская церковь против современного небоскреба».

Дело здесь вот в чем: каждое живое существо на суше должно иметь оболочку, отделяющую его от окружающей среды, и одновременно с этим каким‐то образом сопротивляться действию силы тяжести. Вопрос только в том, будет ли решать эти две задачи один и тот же элемент организма или разные.

Экзоскелет лангуста (и других животных, например, насекомых) и стены романской церкви решают обе задачи одновременно: отделяют внутреннее от внешнего и поддерживают вес тела. Скелет же человека, как и стальной каркас современного небоскреба, только поддерживают вес, а функцию оболочки оставляют другим составным частям целого. Нас, людей, отделяет от внешней среды кожа – но она никак не влияет на нашу борьбу с гравитацией. То же самое можно сказать о так часто встречающемся сплошном остеклении фасада современных небоскребов. Мы считаем, что живые существа на Громадине вполне могли бы, как и на Земле, использовать оба варианта: правда, скелеты тамошних существ, скорее всего, будут более крепкими, чем на Земле, а шкура обладателей скелетов, вероятно, будет толще нашей – чтобы не рваться под собственным весом.

Чтобы представить себе, как на Громадине могли бы развиваться живые организмы, отправимся в XVII век и обратимся к работам Галилео Галилея. Это кажется невероятным, но последняя написанная им книга, «Рассуждения и математические демонстрации, относящиеся к двум новым наукам» (1638), внезапно даст нам довольно много информации, применимой при изучении возможности жизни на сверхземлях. «Две новых науки», о которых говорится в заглавии, – это примерно то, что мы сейчас называем материаловедением и баллистикой, и интересовать нас будет в основном первая.

Одна из задач, которые Галилей рассматривает в своей книге, встала перед ним в ходе его многолетнего сотрудничества с Венецианским Арсеналом – чем‐то вроде Пентагона тех времен. Ее можно сформулировать следующим образом. Когда инженеры Арсенала пытались построить большой корабль, они обычно брали проект очень хорошо проявившего себя в эксплуатации малого корабля и просто удваивали все его размеры. Но к их удивлению, такой отмасштабированный корабль обычно оказывался не слишком удачным по своим характеристикам. Объяснение причин этого несоответствия и было, по сути, содержанием одной из открытых Галилеем «новых наук». Полученные им результаты играют решающую роль в исследовании особенностей гипотетического развития живых организмов на такой сверхземле, как наша Громадина.

Чтобы разобраться в тезисах Галилея, мы начнем с того, что нарисуем состоящий из какого‐нибудь материала куб с ребром в 1 метр. Нижняя грань этого кубического блока будет удерживать на себе его вес. Теперь увеличим нашу конструкцию вдвое, составляя ее из таких же метровых блоков, – и получим куб из восьми блоков, ребро которого будет иметь длину 2 м. Вес, действующий на нижнюю грань исходного блока, будет вдвое больше, чем раньше, – на нее давит вес самого блока и вес блока, поставленного на него сверху. Снова удвоим все размеры конструкции: теперь наш куб будет состоять из 64 метровых блоков, длина его ребра составит 4 м, а на нижнюю грань исходного метрового блока будет действовать вес четырех таких блоков. Продолжим увеличивать размеры нашей груды блоков в высоту – и вес, приходящийся на нижнюю грань исходного блока, будет прирастать пропорционально.

В конце концов мы достигнем точки, в которой прочность материала исходного блока уже не позволит ему поддерживать суммарный вес всех верхних блоков, и исходный блок попросту разрушится. Из этого мы можем заключить, что существует некоторая максимальная высота, которой наша кубическая конструкция может достичь, не разрушаясь. Той же логикой, кстати говоря, объясняется и отсутствие на Земле гор выше Эвереста (около 9 км). Нагромождение на высокую гору добавочного материала привело бы к тому, что скальные породы в ее основании начали бы трескаться и крошиться и рост горы прекратился бы. Заметим, что по этой же причине самые высокие горы на Громадине были бы примерно вдвое ниже Эвереста – высотой около 4 км. (Читатели с математическим складом ума уже поняли: доказательство Галилея основывается на том, что объем, а значит, и масса конструкции пропорциональны кубу ее линейных размеров, а площадь поддерживающего ее основания – их квадрату.)

Из всего вышесказанного следует, в частности, что, если мы хотим получить структуру или организм больших размеров, мы не можем просто взять и увеличить его по всем линейным измерениям. Нам придется вносить изменения и в форму нашей конструкции. Например, в случае складирования блоков мы могли бы добавить больше новых элементов, если бы нижняя грань конструкции была прямоугольной, а не квадратной. Чем более высокую гору из блоков мы хотим сложить, тем шире должно быть ее основание.

Мы видим, как этот принцип реализуется в строении тел земных животных. Сравним, например, форму тела муравья, чей крошечный вес вполне способны поддерживать тоненькие ножки, и слона, огромная масса которого должна опираться на толстые, больше похожие на колонны, ноги с широкими ступнями. На Громадине, мощной гравитации которой должна противодействовать столь же мощная опора на почву, следует ожидать, что живые существа – как растения, так и животные – будут низкорослыми и коренастыми. Единственным исключением из этого правила, как на Громадине, так и на Земле, будут организмы вроде китов – они живут в океане, могут использовать все преимущества принципа плавучести и поэтому, в сущности, ничем не ограничены в плане своей возможной формы.

Здесь можно в виде отступления заметить, что один из авторов (Дж. Т.) – фанат классических научно‐фантастических фильмов 1950‐х, в которых часто изображают злобных гигантских насекомых. Так вот, эти насекомые – просто увеличенные до огромных масштабов обычные жучки и паучки, сохраняющие свои обычные пропорции. А Галилей учит нас, что такие гиганты не только не могли бы чем‐то угрожать прелестным героиням этих фильмов, но попросту рухнули бы на землю под тяжестью собственного веса.

Если бы обитатели суши на Громадине для того, чтобы справиться с мощным тяготением планеты, решили завести себе скелет, нам стоило бы задаться вопросом – как именно должен формироваться этот скелет и из чего он будет состоять? Ответ на этот вопрос может оказаться довольно сложным. Для нас, людей, он точно очень непрост – ведь кости представляют собой одну из наиболее загадочно устроенных биологических структур из числа известных нам. Начнем с простого вопроса: почему переломы костей у людей происходят настолько часто, что даже не считаются чем‐то из ряда вон выходящим? Ведь для первобытного гоминида сломанная кость была бы поистине смертельной угрозой! Более того, можно было предположить, что естественный отбор должен бы был естественным образом привести к образованию гораздо более крепких костей, чем те, которые нам достались в реальности.

Обычно специалисты по теории эволюции отвечают на это, что процесс образования костей обходится организму очень дорого и в ходе естественного отбора выполняется некий условный подсчет затрат и выгод. Отказ от крепких костей должен уравновешиваться преимуществом, на которое будет затрачено эквивалентное количество энергии (ну, скажем, более острым зрением). За все надо платить, хоть это и слабое утешение для тех, кому приходится ходить в гипсе на костылях.

Но что случится, если мы применим эти тезисы к обсуждению жизни на Громадине? При анализе затрат и выгод удвоение гравитации однозначно должно заставить нас предпочесть более прочные кости. Ведь существо, свалившееся с дерева на Громадине, ударится об землю со скоростью, на 40 процентов более высокой, чем падающее с такой же высоты на Земле. Следовательно, на кости при ударе здесь подействует сила, заметно превышающая земную, а это значит, что, кроме более широкой площади опоры, обладающие скелетом формы жизни на Громадине будут иметь гораздо более толстые и прочные кости, чем мы. Те же соображения будут справедливы и для организмов с экзоскелетами. Съесть омара на Громадине было бы гораздо труднее, чем на Земле, – ведь его панцирь был бы намного толще, и расколоть его было бы намного труднее!

Можно только догадываться, были бы биологические особенности костей у организмов на Громадине сколько‐нибудь похожи на свойства костей земных существ или нет. К примеру, в нашем костном мозге вырабатываются красные кровяные тельца. К тому же на Земле в ответ на действие внешних сил кости способны принять другую форму – этим они кардинально отличаются от структурных элементов зданий, которые выполняют такие же поддерживающие функции.

Техника

Возросшая сила гравитации на Громадине будет, конечно, величайшей помехой для развития космонавтики на этой планете. Строить ракеты, способные покинуть Громадину, будет гораздо труднее, чем создавать космические корабли на Земле. Та же самая сила, которая позволяет атмосфере планеты удерживать легкие элементы – мы говорили об этом выше, – поставит перед инженерами Громадины крайне трудные задачи, когда они попытаются отправить в космос полезный груз. Им будет намного труднее, к примеру, использовать для связи искусственные спутники планеты – поэтому, возможно, волоконная оптика будет для них иметь гораздо большее значение, чем она имеет для нас. В этом случае, кстати, побочным следствием будет то, что разумным существам из других систем обнаружить присутствие высокоразвитой жизни на Громадине будет очень непросто – ведь планета не будет посылать в космическое пространство электромагнитных волн!

С другой стороны, сильная гравитация вполне может оказывать и положительное воздействие на процессы выработки энергии. Сила тяжести будет сжимать атмосферу, и плотность воздуха у поверхности будет достаточно высокой. А это значит, что ветер будет переносить больший импульс, чем на Земле, что, в свою очередь, повысит энергетическую эффективность ветряных двигателей. Как и на Нимбе (см. главу 10), на Громадине ветроэнергетические установки вполне могут быть изобретены задолго до появления двигателей внутреннего сгорания.

Да и вода здесь будет падать с высоты водопада или плотины быстрее и ударяться о материальную преграду с большей силой, чем на Земле. И если эта вода вертит лопасти турбины, то ее более высокая энергия позволит выработать и большее количество электричества. Если геологические особенности Громадины будут достаточно благоприятными, не слишком трудно представить себе технику, работающую не на базе ископаемого топлива, как наша, а на дешевом электричестве.

Майк и Джим

Майк: Видел статью в последнем номере «Юпитерианского планетологического журнала»? Там говорится, что на одной из внутренних планет может существовать высокоразвитая цивилизация!

Джим: Да ты что? На одной из этих малюток? Почти без гравитации? Да это просто бред! Ну как на такой маленькой планете может удержаться атмосфера?

M: Они пишут, что такая атмосфера будет терять только легкие элементы – а, например, азот останется.

Дж: Но такая атмосфера будет слишком разреженной, чтобы вертеть лопасти ветрогенераторов и вырабатывать электричество. Откуда же такая цивилизация будет добывать энергию?

M: Ну конечно! Может, там и есть какая‐то примитивная жизнь, но, как мы все знаем, развитая цивилизация всецело зависит от тяготения.

Дж: Точно.

13

Trappist-1

Система сгрудившихся планет

Вы откидываетесь на спинку мягкого кресла и делаете глоток только что принесенного вам официантом знаменитого коктейля «Пан-Галактик». Глядя в небо, вы видите на нем три соседних планеты, а сияние на горизонте подсказывает, что вскоре взойдет и четвертая. На диске одной из них заметны огни городов. Завтра можно будет полюбоваться зрелищем всех шести планет системы – больше такого нигде во всей Галактике не увидишь! Да, спасибо ребятам из NASA – они дали отличный совет, где провести отпуск.

Одна из главных радостей писателя состоит в том, что ты время от времени случайно натыкаешься на совершенно неожиданные, но необыкновенно увлекательные загадки природы. Это случилось и с нами, когда мы начали собирать материал для этой главы. Речь в ней пойдет об одной из наиболее известных систем экзопланет – системе звезды TRAPPIST-1, красного карлика, расположенного на расстоянии примерно в 40 световых лет от Земли.

Мы все знаем, что такое акроним. Это аббревиатура, составленная из первых букв фразы, описывающей какое‐либо явление и произносимая как отдельное самостоятельное слово. Часть акронимов давно превратилась в известные всем термины: WASP (White Anglo-Saxon Protestant – «белый англосакс‐протестант»), NASA (National Aeronautics and Space Administration – «Национальное аэрокосмическое управление США») или WIMP (Weakly Interacting Massive Particle – «слабо взаимодействующая массивная частица»). Но вот чего авторы не знали – что существует и противоположный способ придумывать термины. Бакроним – это когда сначала придумывают какое‐то хорошо запоминающееся словечко, а потом подбирают для описания подходящее словосочетание с нужными начальными буквами. Название TRAPPIST (TRAnsiting Planets and Planetesimals Small Telescope – «малый телескоп для наблюдений транзитов планет и планетезималей») вначале было обычным акронимом. Однако этот специализированный телескоп (о нем мы вскоре расскажем подробнее) построен и используется бельгийскими учеными. А в Бельгии находятся монастыри траппистов – одного из старейших и наиболее почитаемых христианских орденов. Основан он был в XVII веке во французской Нормандии. Но если вы о нем когда‐нибудь слышали, то, скорее всего, потому, что монахи‐трапписты владеют секретом производства прекрасного пива, которое, естественно, так и называется траппистским. Большинство же монастырей, в которых варят это пиво, находится в Бельгии. Поэтому возникает логичный вопрос: к чему относится бакроним TRAPPIST, к пиву или к монахам?

Мы знаем, что несколько представителей астрономического сообщества Бельгии уже заявили, что бакроним был создан в честь монашеского ордена, а отнюдь не в честь пива. Но мы надеемся, что нам будет позволено выразить некоторый скептицизм по этому поводу. Почему‐то очень легко представляется многолюдное ночное сборище астрономов, где рекой льется пиво и в хмельные головы участников приходит замечательная мысль назвать в честь этого пива свой новый инструмент. Впрочем, угадали мы, как родилось название TRAPPIST, или нет, но пиво и правда великолепное!

Обсудив этимологию названия телескопа, обратимся к описанию того, для чего TRAPPIST предназначен. Система состоит из двух маленьких телескопов – поперечники их зеркал в размере составляют всего около 60 см, – установленных на удаленных друг от друга горных вершинах: один в Чили, второй в Марокко. Вместе телескопы составляют единую роботизированную систему, управляемую из города Льеж в Бельгии. Их задача – отслеживать кратковременные небесные явления: прохождения комет, затмения (астрономы называют их «покрытиями») далеких звезд объектами пояса Койпера ну и, конечно, транзиты – прохождения экзопланет перед дисками своих материнских звезд.

В 2016 году система телескопов TRAPPIST зарегистрировала три планеты, обращающиеся вокруг карликовой звезды на расстоянии около 40 световых лет от Земли. Звезду назвали TRAPPIST-1 – это была материнская звезда первой системы экзопланет, обнаруженной телескопами TRAPPIST. Последовавшие за этим наблюдения системы при помощи наземных и орбитальных телескопов выявили в ней не менее семи планет земного типа. Мы, как и многие из наших коллег, были поражены этим открытием. В прессе поднялась волна публикаций, посвященных системе TRAPPIST-1. Выполненные в NASA иллюстрации, изображающие новооткрытые планеты, появились на первых полосах газет всего мира. На короткое время исследования экзопланет оказались в самом центре общественного внимания. Поневоле вспоминается предсказание Энди Уорхола о том, что в будущем каждому достанутся его 15 минут славы!

Но затем внимание общественности вернулось к скандалам из жизни звезд и спортивным чемпионатам, а медленный процесс изучения системы TRAPPIST-1, приносивший астрономам все больше новых фактов, тем временем шел своим чередом. Несмотря на весь поднявшийся вокруг нее хайп, эта система оказалась нисколько не похожей на нашу Солнечную. Хоть все ее семь планет и близки по размеру к Земле, а три из них вдобавок находятся в «зоне обитания», ни одна из этих планет, по всей вероятности, не является в полной мере подобной Земле (см. главу 9)? как хотелось бы исследователям экзопланет.

Впрочем, начнем с самой материнской звезды. Техническое название звезды TRAPPIST-1 – 2MASS J23062928–0502285 – описывает ее положение на небе. Как мы уже говорили выше, это звезда‐карлик: ее размер составляет всего 11 процентов от размера Солнца. Она едва ли больше Юпитера, хотя по массе и превышает его примерно в 84 раза. Кроме того, она холоднее и краснее, чем Солнце. Из малого размера звезды вытекает несколько следствий, важных для обращающихся вокруг нее планет. Прежде всего, действующая на планеты сила гравитации крайне мала, и все их орбиты расположены к материнской звезде очень близко. Все семь ближе к звезде TRAPPIST-1, чем Меркурий к Солнцу. Поэтому «год» – время полного оборота по орбите звезды – на каждой из планет системы очень короток: от полутора земных суток до 18 с небольшим.

Продолжительность года на экзопланете очень важна для самой нашей возможности изучать ее. Причина проста: количество времени, которое мы можем уделить поискам планетных транзитов у той или иной звезды, ограничено временем существования нашей наблюдательной платформы. Например, космический телескоп «Кеплер», о котором говорилось в главе 11, собирал данные около 10 лет. Лучший способ твердо установить существование экзопланеты – пронаблюдать несколько точно измеренных по времени транзитов. В системе TRAPPIST-1 этого можно добиться всего за несколько месяцев. А вот наблюдателю, изучающему со своей далекой экзопланеты нашу Солнечную систему, пришлось бы потратить на ожидание транзитов Земли несколько лет, а транзитов Юпитера и вовсе пришлось бы дожидаться десятилетиями.

TRAPPIST-1 относится к типу звезд, более распространенному, чем звезды типа Солнца: по оценкам астрономов, около половины всех звезд Млечного Пути – карлики. У карликовых звезд есть одно свойство, которое может оказаться важным для поисков в их окрестностях жизни: они существуют очень долго. Возраст звезды TRAPPIST-1, например, составляет около 8 миллиардов лет, тогда как Солнце на настоящий момент существует всего 4,5 миллиарда лет. Больше того, оценка полного времени жизни TRAPPIST-1 – более 12 триллионов лет! Эта звезда будет сиять еще много тысячелетий после того, как погаснет наше Солнце. На самом деле она настолько холодна – температура ее поверхности примерно вдвое ниже, чем у Солнца, – что излучает в основном волны инфракрасного диапазона. Поэтому наиболее важные данные о транзитах ее планет были получены с Космического телескопа Спицера – инфракрасного орбитального телескопа.

Систематизация продолжительности жизни различных типов звезд выглядит, пожалуй, несколько контринтуитивно, поэтому, наверно, стоит потратить немного времени, чтобы разобраться в ней поподробнее. Каждая звезда начинает свою жизнь, располагая определенным запасом водорода. Водород превращается в гелий в ходе термоядерного синтеза – слияния атомных ядер. Выделяющаяся вследствие этих реакций энергия создает давление, противодействующее коллапсу – схлопыванию звезды под неумолимой силой ее огромного тяготения. Солнце, к примеру, чтобы не сколлапсировать, ежесекундно «сжигает» 600 миллионов тонн водорода, и именно энергия, высвобождаемая при этом «горении», поступает наружу в виде солнечного света.

Первое, что приходит здесь в голову, – что звезда большей массы, у которой запасы водородного «топлива» заметно больше, должна и существовать дольше, чем маленькая звезда. Однако, как выяснилось, звезды больших размеров обладают и более сильной гравитацией, стремящейся стянуть их вещество к центру. Поэтому, чтобы не схлопнуться, такие звезды сжигают свои запасы водорода в разы быстрее. В результате выходит, что очень большие звезды «сгорают» быстро – их существование может длиться всего несколько десятков миллионов лет. Маленькие же звезды расходуют свое топливо гораздо более экономно, и поэтому такие карлики, как TRAPPIST-1, могут светить во много раз дольше, чем на настоящий момент существует наша Вселенная.

В соответствии с принятым стандартом, планеты в системе TRAPPIST-1 имеют буквенные обозначения: от b до h в порядке их открытия. В данном конкретном случае этот же порядок соответствует и их расстоянию от материнской звезды (которая по тому же стандарту обозначается буквой a). Таким образом, TRAPPIST-1b – планета, ближайшая к звезде TRAPPIST-1, а TRAPPIST-1h – самая далекая. Пять из этих планет: b, c, e, f и g – примерно таких же размеров, как Земля, а две (d и h) – несколько больше. Три планеты (e, f и g) находятся в зоне обитания, то есть на их поверхности могут существовать океаны. Последние на настоящий момент измерения говорят о том, что планеты c и e полностью состоят из камня, а вот b, d, f и g покрыты слоем какого‐то летучего вещества – водой, льдом или плотной атмосферой.

Поскольку все эти планеты расположены очень близко к своей материнской звезде, мы думаем, что хотя бы некоторые из них пребывают в состоянии синхронного вращения, то есть всегда обращены к ней одной стороной. То есть они, вероятно, похожи на планету Нимб из главы 10, и к ним применимы многие из наших предположений о возможности жизни в таких мирах.

Вдобавок эти планеты оказывают гравитационное воздействие друг на друга, что влияет на форму их орбит: каждая из них при движении по своей орбите то приближается к материнской звезде, то отдаляется от нее. Таким образом, мы предполагаем, в их недрах происходит приливный разогрев, ведущий к выделению энергии того же вида, что позволяет существовать подповерхностному океану на спутнике Юпитера Европе (см. главу 7). Вполне вероятно даже, что приливному разогреву подвержены все планеты системы TRAPPIST-1. Оценки тепла, порождаемого этими взаимодействиями, показывают, что подповерхностные океаны могут существовать в том числе на самых далеких от материнской звезды планетах. В случае одной из планет системы (TRAPPIST-1c) вычисления даже позволяют предположить, что на этой планете приливное тепло может обеспечить бурную вулканическую активность.

Поскольку планетная система TRAPPIST-1 очень компактна, с поверхности каждой из планет, вероятно, хорошо видны поверхности остальных. Иногда на небе одной планеты будет видно сразу несколько других; при этом видимые диски планет‐соседок могут быть в несколько раз больше, чем диск полной луны в земном небе. На волне поднявшегося вокруг новооткрытой системы шума NASA обыгрывало этот сюжет в приглашающих в фантастическое путешествие «рекламных постерах» – один из них, напечатанный на обложке нашей книги, как раз и представляет собой вид полного планет неба на воображаемом курорте в системе TRAPPIST-1.

Происхождение жизни

Все эти факты – высокая вероятность наличия воды, несколько планет в «зоне обитания», сильный приливный разогрев – говорят о том, что в системе TRAPPIST-1 существует много возможностей для развития жизни. Как и на описанной нами в главе 10 воображаемой планете Нимб, на всех планетах системы TRAPPIST-1 важным фактором окружающей среды на здешних планетах бы сильные ветры, переносящие тепло с дневной стороны планеты на ночную. В мирах с поверхностными или подповерхностными океанами жизнь могла бы появиться и расцвести в океанах вокруг подводных гидротермальных источников. В этих случаях вероятность того, что жизнь выберется на сушу, зависела бы от таких (пока неизвестных нам) подробностей, как атмосфера и климат. Один из самых любопытных свойств системы TRAPPIST-1 заключается в том, что, по всей вероятности, на ее планетах природные условия могут оказаться крайне разнообразными. В этой системе вполне может существовать настоящий микрокосм, составленный из экзопланет.

Но в системах такого типа, как TRAPPIST-1, есть два фактора, которые способны препятствовать развитию жизни. Во‐первых, малые звезды, как правило, испускают мощное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. Во‐вторых, на них часто происходят интенсивные выбросы в околозвездное пространство заряженных частиц – когда это происходит с нашим светилом, мы называем эти всплески солнечными вспышками и корональными выбросами массы (о них еще пойдет речь ниже). Звезду TRAPPIST-1 один из авторов назвал «гиперактивным подростком» – и, собственно говоря, хотя она старше Солнца примерно на 60 процентов срока существования самого Солнца, но если сравнить ее возраст с предполагаемой продолжительностью ее жизни (12 триллионов лет), то, по сути, это очень молодая звезда. Итак, из гиперактивности этой звезды вытекает два важных следствия. Во‐первых, интенсивное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение звезды с течением времени может серьезно влиять на испарение воды с поверхности планеты. А во‐вторых, такие катаклизмы, как корональные выбросы массы, могут оказаться разрушительными для технологической цивилизации, которая могла бы там развиться.

Начнем с испарения воды. В атмосфере Земли всегда присутствует какое‐то количество водяного пара – вода испаряется из озер и океанов. Высокоэнергетическое излучение Солнца может взаимодействовать с молекулами воды, разлагая их на атомы кислорода и водорода. Легкие атомы водорода ускользают в космос через механизм обычной гравитационной диссипации. Считается, что за время своего существования Венера и Марс потеряли за счет этого механизма примерно такое же количество воды, которое содержится во всех земных океанах! Но Земля заметно больше Марса, ее гравитация сильнее, и это замедляет диссипацию. Кроме того, у Земли очень сильное магнитное поле, которое защищает ее атмосферу от высокоэнергетических заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем во время солнечных бурь. Ни у Марса, ни у Венеры сколько‐нибудь значительного магнитного поля нет.

Планеты системы TRAPPIST-1 расположены очень близко к своей звезде, поэтому поглощают гораздо больше высокоэнергетического излучения. Это обстоятельство может очень сильно повлиять на количество воды на их поверхности. Вычисления показывают, что планеты системы TRAPPIST-1, возможно, уже потеряли значительно больше воды, чем есть во всех земных океанах. Если это действительно так, то на ранних стадиях их истории на поверхности этих планет уже могли существовать океаны с подводными гидротермальными источниками, вблизи которых могла бы зародиться жизнь. К тому же количество воды, которое наличествует на этих планетах теперь, зависит от того, сколько ее было вначале. И если вся вода, изначально покрывавшая их поверхность, впоследствии испарилась, жизнь на этих планетах уже не могла развиваться дальше тем же путем, каким, как мы считаем, она развивалась на Земле. А вопрос о том, могла ли она возникнуть на такой планете где‐либо еще (например, в подземном водоеме), пока остается открытым.

Однако, обсудив эту тему, мы должны отметить: наличие интенсивного космического излучения не значит, что в системе TRAPPIST-1 жизнь не могла бы зародиться вовсе. Во‐первых, поверхность любой из планет, расположенных в зоне обитания, включая ее океаны, вполне может быть защищена от солнца плотной атмосферой. Кроме того, вода сама по себе хорошо поглощает ультрафиолетовые лучи: слой жидкой воды толщиной всего в 1 метр полностью предохранит от жесткого излучения звезды любые формы жизни. И наконец, если бы выяснилось, что на внешних планетах системы TRAPPIST-1 вода существует в форме льда, а не жидкости, мы получили бы что‐то вроде планеты Айсхейм, описанной в главе 6, и все, что мы говорили о возможности развития жизни в глубинах подобного мира, было бы справедливо и в этом случае.

Кроме того, от жесткого излучения материнской звезды на планетах системы TRAPPIST-1 была бы надежно защищена и любая форма подземной жизни. Мысль о том, что жизнь может существовать и в глубине подземных недр, при более близком рассмотрении оказывается вовсе не такой странной, какой она может показаться на первый взгляд. Было, например, высказано предположение, что под поверхностью нашей собственной планеты скрывается больше биомассы, чем на ее поверхности! На Земле, правда, подземная жизнь в основном существует в форме бактерий, и мы предполагаем, что то же самое могло произойти и на любой планете системы TRAPPIST-1.

Еще один важный фактор, от которого зависит возможность появления жизни в системе TRAPPIST-1, – относительно малые размеры этой системы. Дело в том, что, как только на какой‐нибудь из планет системы начинает развиваться жизнь, тут же включается механизм ее быстрого распространения по всем остальным планетам – это перенос микробов посредством столкновения планет с астероидами. Такое утверждение на первый взгляд может показаться странным, но мы знаем, что в нашей собственной планетной системе обмен веществом между планетами происходит на протяжении миллионов лет. Мы, например, установили, что более 100 найденных на Земле метеоритов имеют марсианское происхождение. (Такие выводы сделаны на основе анализа состава заключенных в метеоритах атмосферных газов.) Когда в марсианскую поверхность врезались крупные астероиды, вещество марсианской почвы с огромной скоростью выбрасывалось в пространство. Покинув Марс, эти обломки странствовали по орбите вокруг Солнца, пока не были захвачены гравитационным полем Земли и не рухнули на ее поверхность, где и были впоследствии найдены. То, что микробы способны пережить путешествие на таких обломках с одной планеты на другую, выглядит вполне правдоподобным.

Поскольку планеты системы TRAPPIST-1 расположены очень близко друг к другу, перенос вещества с одной из них на другую посредством столкновений планет с астероидами там должен быть гораздо более обычным явлением, чем в Солнечной системе. А следовательно, если бы мы нашли жизнь хотя бы на одной из планет системы TRAPPIST-1, мы вполне могли бы рассчитывать, что обнаружим ее на многих (если не на всех) остальных ее планетах.

Мы могли бы также с большой долей уверенности предположить, что естественный отбор, действующий в различных условиях на различных планетах, привел бы к появлению различных видов развитой жизни. Представьте, например, что неандертальцы развились бы на холодной ледяной планете, где они выиграли бы конкуренцию с Homo sapiens, в то время как эволюция последних проходила бы на планете с более мягкими условиями. Что бы случилось, столкнись эти виды друг с другом? Когда примерно 30 000 лет назад это произошло на Земле, все кончилось – как бы выразиться поделикатнее? – тем, что виды обменялись своей ДНК, за чем последовало вымирание одного из них. Однако, будь у каждого из них своя собственная планета, вполне вероятно, что мы до сих пор продолжали бы обмениваться ДНК и никто бы не вымер. И в межпланетном придорожном кабаке в системе TRAPPIST-1 вполне могла бы стать реальностью знаменитая сцена в баре из «Звездных войн», в которой за одним столом пьют и играют в карты живые существа самых разных видов.

Цивилизация и техника

При столь широком разнообразии условий на планетах системы TRAPPIST-1 мы можем представить себе здесь огромное множество самых разных видов высокоразвитых цивилизаций. Если бы одна из внешних планет оказалась покрыта замерзшим ледяным щитом, перед нами оказался бы мир, похожий на Айсхейм из главы 6, где главным источником энергии стало бы тепло, исходящее из недр планеты. A планета в зоне обитания могла бы оказаться похожей на Нимб из главы 10 – там основным источником энергии были бы мощные ветра, дующие в сумеречной зоне. Собственно говоря, в системе TRAPPIST-1 могли бы существовать все виды планет, которые мы до сих пор успели обсудить, кроме блуждающих типа Отшельника из главы 11, а на некоторых из этих планет мы вполне могли бы представить себе возникновение высокоразвитых цивилизаций.

Именно на развитые технологические цивилизации и влиял бы в наибольшей степени второй аспект упомянутой нами выше «гиперактивности» материнской звезды: корональные выбросы массы, то есть массивные потоки заряженных частиц, извергаемые в ходе нерегулярных «звездных бурь». Такие выбросы происходят и на Солнце – и к этому мы сейчас вернемся, – но следует ожидать, что на такой звезде, как TRAPPIST-1, они случаются гораздо чаще и имеют гораздо более высокую интенсивность. Вдобавок, поскольку планеты системы TRAPPIST-1 расположены очень близко к материнской звезде, для них вероятность оказаться на пути потока частиц гораздо более высока, чем для планет Солнечной системы. Мы можем получить некоторое представление о влиянии корональных выбросов на жизнь технологической цивилизации, поговорив о том, что случилось бы, если бы мощный поток частиц, извергнутый Солнцем, обрушился на Землю сегодня.

При этом нам даже не понадобится чересчур напрягать воображение: подобное событие действительно имело место в 1859 году. Так называемое «событие Кэррингтона» названо в честь пронаблюдавшего и описавшего его британского астронома Ричарда Кэррингтона (1826–1875). Началось все с возникшего в результате солнечной вспышки возмущения магнитного поля Солнца. Через 8 минут после этого Земли достигла волна интенсивного электромагнитного излучения, о котором мы уже говорили выше, – а именно, ультрафиолетового. В те времена влияние этого излучения осталось практически не замеченным – не забудьте, что тогда еще не были изобретены ни радио, ни электростанции, ни линии электропередач. Но в наши дни это излучение губительно повлияло бы на функционирование искусственных спутников Земли и серьезно повредило бы здоровью астронавтов на Международной космической станции. Спустя несколько дней с начала события Кэррингтона и всплеска электромагнитного излучения на Землю со скоростью в несколько миллионов километров в час обрушилось огромное облако ионизованных атомов. Оно столкнулось с магнитным полем Земли, и планету охватили поразительно яркие и обширные полярные сияния. Северное сияние распространилось вплоть до Карибского моря; оно было настолько ярким, что в Бостоне при его свете в полночь можно было читать газету.

Один из основных законов электродинамики состоит в том, что переменное магнитное поле порождает в проводнике электрический ток (см. главу 2). В ходе события 1859 года мощные индуцированные токи потекли по телеграфным проводам, что привело к отказу всей мировой телеграфной связи (интернета того времени). По множественным сообщениям, от ключей телеграфных передатчиков летели искры, пугая операторов и поджигая листы бумаги.

Тем, однако, дело и кончилось – событие завершилось, не оказав заметного влияния на жизнь большинства людей. Случись такое явление сегодня, и все было бы совсем иначе. Ведь мы живем в мире, который полностью зависит от передачи электроэнергии и работы электросетей. И если бы в наши дни произошло явление такого же масштаба, как событие Кэррингтона, результаты были бы катастрофическими. Внезапный шквал заряженных частиц вызвал бы появление мощных индуцированных токов не только в линиях электропередач, но, вероятно, и в подземных металлических конструкциях, наподобие трубопроводов. Скачки тока быстро поразили бы самую уязвимую часть электросетей: трансформаторы, которые играют роль связующего звена между высоковольтными линиями электропередач и распределительными электросетями городов, где напряжение гораздо ниже. Мощные токи расплавили бы медные обмотки трансформаторов, и города Земли друг за другом стали бы погружаться во тьму.

Задумайтесь об этом на минуту. Ни электрического освещения, ни электрообогрева, ни кондиционеров, ни интернета, ни банкоматов. Очень быстро выйдут из строя системы водоснабжения и утилизации отходов. На борту самолетов, которым в этот момент не повезет оказаться в воздухе, перестанет работать система GPS, которая в обычных условиях обеспечивает им посадку. Скоропортящиеся продукты начнут разлагаться, и полки супермаркетов быстро опустеют. Замена и ремонт всего поврежденного оборудования займет месяцы, если не годы. И, в довершение всех бед, скорее всего, будут повреждены или даже разрушены многие спутники связи и метеослужб. В общем, как охарактеризовал эту гипотетическую ситуацию один телекомментатор, «было бы прикольно».

Нет, мы вовсе не пытаемся напугать вас какими‐то мрачными фантазиями. В 2012 году на Солнце случился мощный корональный выброс, и поток частиц пересек орбиту Земли в точке, где наша планета находилась за несколько дней до этого. Случись этот выброс на пару дней позже, и мы бы, вероятно, до сих пор расхлебывали его последствия – хоть мы и пишем эти слова в конце 2018 года. Кто знает, может быть, авторам пришлось бы печатать эти слова на старорежимной пишущей машинке!

Но как ни были велики трудности, которые мог бы принести корональный выброс человечеству, все было бы в разы серьезнее, случись это в системе TRAPPIST-1. Ведь «гиперактивная» звезда выбрасывает потоки частиц гораздо чаще, чем Солнце, а ее тесно сгрудившиеся планеты имеют гораздо больше шансов оказаться «на линии огня». На ранних стадиях развития жизни такие вспышки были бы не более чем частью неупорядоченной и непредсказуемой окружающей среды, и мы могли бы предположить, что естественный отбор создал бы в итоге формы жизни, способные с такими явлениями справляться, – так же, как он создал формы жизни, способные без ущерба для себя сосуществовать с обычным фоновым излучением на Земле. Более того, как мы видим из рассказа о событии Кэррингтона, даже примитивные цивилизации не очень страдали бы от таких явлений. Корональные выбросы порождают катастрофы, только когда цивилизация начинает обзаводиться обширными и разветвленными энергосетями.

Цивилизации, возникшей в условиях частых корональных бурь, пришлось бы строить свои линии передачи энергии совершенно иначе, чем делаем мы, – эти линии изначально должны быть защищены от звездных катаклизмов. Опыт одного из авторов (Дж. Т.) позволяет привести пример возможного варианта подобной защиты. На Земле главный источник индуцированных токов – удары молний. Возникающие вследствие их действия токи не настолько сильны, чтобы расплавить обмотки трансформаторов, но вполне способны повредить более чувствительное оборудование – и именно поэтому вы не включаете ваш компьютер прямо в розетку, а подсоединяете его к сетевому фильтру или источнику бесперебойного питания. Так вот, когда Джеймс выстроил себе дом в Блу-Ридж, в виргинской глубинке, он спроектировал для него проводку так, что стоило ему повернуть специальный выключатель, и дом отключался от общей электросети. Как только Джеймс замечал приближающуюся грозу, он нажимал кнопку и не впускал внешнее электричество в дом.

Выбрасываемые Солнцем при корональных всплесках потоки частиц движутся относительно медленно – как правило, у обитателей Земли есть несколько суток, чтобы подготовиться к встрече с ними. На планетах системы TRAPPIST-1 на такую подготовку останется всего несколько часов. И тому, кто проектировал бы сети электропередач на планетах этой системы, пришлось бы, вероятно, предусмотреть что‐то похожее на выключатель Джеймса. Эта мера предосторожности была бы столь же естественной, как естественна и привычна для нас ливневая канализация. По правде говоря, и земные инженеры уже поговаривают о том, чтобы начать монтировать в сетях электропередач подобного типа защиту. Дело состоит в том, что для нас корональные выбросы – события относительно редкие, и мы только начали задумываться об усовершенствовании наших электросетей для предотвращения подобных катастроф. В системе TRAPPIST-1 эту защиту придется предусмотреть с самого начала.

Близость планет системы TRAPPIST-1 друг к другу, вероятно, также должна была бы повлиять на характер развития их космических технологий. По всей вероятности, если бы технологические цивилизации развились на более чем одной из них, они вряд ли сумели бы долго пребывать в неведении друг о друге. Как мы уже говорили, на таких расстояниях с поверхности одной планеты можно разглядеть поверхности других. И если бы города и искусственные источники света появились на одной из планет, их было бы видно с других – вспомните сделанные из космоса фотографии ночной стороны Земли. Правда, остается открытым вопрос: привело бы это к бурному развитию космических путешествий или наоборот, к полному отказу от них? Что победило бы – любопытство или страх? Так или иначе, раз эти планеты всего в несколько раз дальше друг от друга, чем мы от Луны, межпланетные сообщения и установление связей между цивилизациями в системе TRAPPIST-1 были бы гораздо проще, чем в Солнечной системе.

Завершить наши фантазии о ходе завоевания космоса цивилизациями TRAPPIST-1 мы можем, отметив один интересный момент. Запустить космическую ракету с планеты этой системы было бы не труднее и не легче, чем с Земли, – поскольку размеры планет примерно одинаковы, так называемая вторая космическая скорость во всех этих случаях будет примерно одной и той же. Однако в планетной системе TRAPPIST-1 космический корабль столкнулся бы с проблемой, незнакомой космическим миссиям Солнечной системы. Ведь несмотря на то, что звезда TRAPPIST-1 гораздо меньше Солнца, орбиты ее планет настолько близки к ней, что ее гравитация будет действовать на космический корабль гораздо сильнее, чем Солнце воздействует на космический аппарат, вышедший из сферы притяжения Земли. Поэтому для цивилизаций системы TRAPPIST-1 выход в межзвездное пространство стал бы серьезной технической проблемой.

Но это вовсе не значит, что жители планет системы TRAPPIST-1 в принципе не смогли бы совершать межзвездные путешествия, – просто им пришлось бы как следует подумать, как это сделать! Люди, к примеру, для того чтобы их космические зонды могли добираться до внешних планет Солнечной системы, додумались до использования так называемых гравитационных маневров. Космическая техника жителей TRAPPIST-1 должна была бы предусматривать похожие приемы с самого начала. В общем, космическим путешественникам системы TRAPPIST-1 было бы легче, чем нам, перелетать с одной планеты своей системы на другую, но намного труднее оторваться от своей материнской звезды. Отметим в завершение этой главы, что по той же причине земным космопроходцам, которые, быть может, когда‐нибудь высадятся на планету системы TRAPPIST-1, будет очень трудно вернуться обратно! И такая экспедиция вполне может оказаться путешествием в один конец.

Майк и Джим

Майк: Слышал новость? В зоне обитания звезды по имени Солнце нашли планету размером с нашу?

Джим: У звезды всего в сорока световых годах от нас? Круто.

M: М-да – но система‐то странная. Все планеты гораздо дальше от родной звезды, чем мы от нашей. Кэлто-47 говорит, что с поверхности любой из них остальные выглядят просто как яркие точки. Ну, типа звезд.

Дж: Ну, если ты не видишь поверхности соседних планет, зачем заморачиваться с космическими полетами на них? Какой смысл?

M: Говорят, у этой планеты размером с нашу, похоже, есть спутник, но атмосферы на нем быть не может – слишком маленький. Вряд ли стоит тратить силы на его колонизацию.

Дж: В общем, выходит, если бы в океанах этой планеты возникла жизнь и со временем там развилась бы техническая цивилизация, им все равно деваться с этой планеты было бы некуда. Пришлось бы навсегда там и остаться.

M: Ну и жизнь! Вот ужас‐то!

14

Вглядимся повнимательней

Чем дальше, тем странней

Мы исследовали возможности для развития жизни в нескольких разных воображаемых мирах. Но при почти бесконечном разнообразии возможных условий на планетах нашей Галактики, это наше перечисление – лишь примитивный набросок классификации миров, которые могут нам встретиться в ее глубинах. И все-таки, чтобы доказать наш тезис о том, что воображение может оказаться наилучшим способом исследования Галактики, в этой главе мы подробно поговорим о некоторых уже открытых планетах, чем‐то похожих на миры, описанные нами в предыдущих главах. Мы начнем с водного мира, напоминающего Нептунию из главы 8, потом перейдем к большим планетам, похожим на Громадину из главы 12, и, наконец, представим целую галерею планет‐странниц – таких как Отшельник из главы 11.

Gliese 1214b: водный мир

На сегодняшний день большинство экзопланет открыто космическими телескопами, такими как «Кеплер» (см. главу 11). Однако одна из наиболее подробно изученных экзопланет, Gliese 1214b, которую мы упоминали в главе 8, была открыта в декабре 2009 года в рамках проекта MEarth. Так называется сеть из восьми одинаковых наземных телескопов, наблюдавших в поисках планетных транзитов примерно 2000 красных карликовых звезд.

Как уже отмечалось в предыдущей главе, процедура присвоения экзопланетам названий довольно сложна. Она начинается с отыскания в каталоге названия материнской звезды. Затем каждой экзопланете, обращающейся вокруг этой звезды, присваивается в порядке открытия такое же название с прибавлением буквы в алфавитном порядке, причем буква a резервируется для названия самой звезды. Таким образом, Gliese 1214b – это первая из планет, открытых вокруг звезды с номером 1214 по каталогу близких к Солнцу звезд, составленному Вильгельмом Глизе. (Может быть, вы помните, что в главе 12 мы говорили о звезде Gliese 876d.)

Красные карликовые звезды и в самом деле очень малы. Обычно их масса составляет не больше трети массы Солнца. При этом на их долю приходится почти 40 процентов всех звезд в нашей Галактике – таким образом, они могут быть наиболее обычным типом материнских звезд в планетных системах. Наиболее важным свойством красных карликов для нас сейчас будет их активность (пятна и бури), вследствие которой планеты в этих системах время от времени купаются в потоках ультрафиолетового и рентгеновского излучения.

Gliese 1214 находится на расстоянии примерно 42 световых лет от Земли. Масса этой звезды – примерно одна шестая часть солнечной; температура поверхности около 2700 °C. Оценка возраста системы Gliese 1214 – около 6 миллиардов лет, то есть она примерно на 30 процентов старше Солнечной системы.

Планета Gliese 1214b – сверхземля с массой около 6,55 массы Земли. Однако ее плотность составляет примерно треть от плотности нашей планеты – ненамного больше плотности воды. Таким образом выходит, что вероятнее всего у Gliese 1214b имеется маленькое ядро из металла и камня, а мантия состоит преимущественно из воды – совсем как у мира, который мы описали в главе 8 под именем Нептунии.

Средняя плотность экзопланеты – очень важная характеристика ее структуры. Поэтому стоит сделать небольшое отступление и объяснить, как мы можем узнать эту плотность. Радиус планеты (а значит, и ее объем) можно вычислить, исходя из величины наблюдаемого потемнения материнской звезды в момент транзита, когда планета проходит между наблюдателем и диском звезды. Массу планеты можно определить на основе измерений лучевой скорости, которую звезда приобретает под воздействием гравитации планеты. И так как плотность равна массе, разделенной на объем, имея результаты этих двух измерений, мы легко можем ее вычислить. Результат для Gliese 1214b таков: ее плотность примерно в 1,87 раза больше плотности воды.

Если бы мы явились в водный мир Gliese 1214b снаружи, сначала мы столкнулись бы с водой в виде пара – ведь планета расположена очень близко к материнской звезде и имеет высокую температуру поверхности. Непосредственно на поверхности планеты вода существовала бы в форме кипящего океана глубиной, вероятнее всего, около 100 км или даже больше. На еще больших глубинах, где давление выше, мы, как уже говорилось в главе 7, обнаружили бы воду в виде льда. Планета представляла бы собой что‐то вроде луковицы, на каждом слое которой мы обнаруживали бы свою фазу воды. И у каждого слоя были бы свои уникальные химические свойства, свои виды энергии и даже своя «океанография».

Так как планета Gliese 1214b состоит главным образом из воды, она должна была бы образоваться достаточно далеко от материнской звезды – чтобы вода на ней могла накапливаться и не испаряться в процессе ее формирования. Это значит, что планета должна была сформироваться за границей, которую мы называем «снеговой линией» звезды: там, где температура на планетах падает ниже точки замерзания воды. В противном случае запасы жидкой воды и водяного пара с Gliese 1214b бы сдуло звездным ветром, как это произошло при формировании планет земной группы в Солнечной системе, включая в некоторой степени и саму Землю. Однако по какой‐то неизвестной причине Gliese 1214b не превратилась в газовый гигант вроде Юпитера или Сатурна, а вместо этого, сформировавшись, переместилась ближе к материнской звезде на свою нынешнюю орбиту.

Это означает, что на протяжении своей истории планета испытывала колоссальные изменения количества падающего на нее света (энергии) материнской звезды – а это, в свою очередь, подразумевает, что масштаб эволюционных изменений ее климата не идет ни в какое сравнение с земным. Другими словами, атмосфера, которую мы видим на Gliese 1214b сегодня, – совсем не та же самая атмосфера, что была на ней изначально.

Вычисления показывают, что температура поверхности Gliese 1214b, где‐то между 120° и 280 °C. Поскольку сила тяжести на поверхности планеты составляет примерно 90 процентов земной, ее атмосфера крепко привязана к поверхности, так же, как атмосфера Земли крепко связана с поверхностью нашей планеты. Мы предполагаем, что погодные условия и бури на Gliese 1214b зависят от расположения областей низкого и высокого давления. Наконец, анализ спектра ее атмосферы свидетельствует о наличии глобального облачного покрова на очень большой высоте.

Из исследований Gliese 1214b можно сделать еще один вывод. С нашими нынешними косвенными методами измерений гораздо легче обнаруживать крупные планеты с орбитами, пролегающими вблизи материнских звезд, чем удаленные от звезд планеты небольших размеров. Существование близкого к материнской звезде водного мира, такого как Gliese 1214b, таким образом, наводит на мысль, что вполне могло бы существовать помимо них и довольно большое количество более далеких от своих звезд водных миров еще меньших размеров и более холодных. Планеты, которые мы назвали Айсхеймом и Новой Европой, могли бы быть достойными представителями этой пока не открытой группы. Но с их открытием придется подождать до появления более совершенных астрономических методов.

Кеплер-10c: сверх‐сверхземля

На расстоянии около 540 световых лет от Земли в созвездии Дракона находится планетная система, в которой самая крупная из известных землеподобных планет обращается вокруг звезды, очень похожей на наше Солнце. Это система звезды Кеплер-10, названной так, поскольку она находится в центре десятой по счету планетной системы, открытой и подтвержденной космической миссией «Кеплер».

Последние полученные данные говорят о том, что звезде и ее планетной системе на настоящий момент около 10 миллиардов лет – таким образом, она примерно на 5,5 миллиардов лет старше Солнечной системы. Уже одно это делает изучение планет, обращающихся вокруг звезды Кеплер-10, особенно интересным. Ведь все происходившие на них процессы – физические, химические или биологические – продолжались на 5,5 миллиардов лет дольше, чем на Земле.

Первая планета, зарегистрированная в этой системе, Кеплер-10b, – расплавленный мир, обращающийся вокруг материнской звезды примерно за 19 земных часов. Масса планеты Кеплер-10b в 3,7 раза больше массы Земли; ее средняя плотность не слишком отличается от плотности нашей планеты. Это значит, что она, как и Земля, состоит из металлов и скальных пород – то есть относится к категории сверхземель, как придуманная нами Громадина (см. главу 12). Сверхземли, как мы уже говорили, в Галактике встречаются довольно часто.

Есть, однако, в системе Кеплер-10 и планета совершенно необычная и даже уникальная среди тысяч открытых на сегодняшний день экзопланет. Кеплер-10c (вторая из обнаруженных на орбитах вокруг звезды Кеплер-10 планет) имеет массу около 14 земных и плотность примерно как у Земли. Моделирование показывает, что на планете есть внешняя оболочка: либо водородно‐гелиевая газовая атмосфера, либо водный океан. Таким образом, Кеплер-10c – крупнейшая из известных нам планет земного типа.

Кеплер-10c расположена очень близко к материнской звезде, так что перспективы для появления здесь жизни земного типа не самые лучшие – теоретически рассчитанная равновесная температура на ней составляет около 200 °C. С другой стороны, основные требования для существования жизни здесь в целом выполняются – вода, источники энергии и питательные вещества наличествуют на Кеплере-10с в изобилии. Вдобавок при таких больших размерах на Кеплере-10c, вероятно, достаточно часты вулканические извержения, а при выбросах в плотную атмосферу или океан вулканических газов и тяжелых элементов легко образуется необходимая для развития жизни питательная среда.

Если внешние слои планеты Кеплер-10c состоят в основном из водорода и гелия в газообразной форме, это может создать для высокоразвитых форм жизни крайне интересные условия окружающей среды: в этой атмосфере, например, могут появиться летающие существа, которые будут в ней «плавать», как рыбы в наших океанах. Возможно, на Кеплере-10c могли бы развиться как плавающие, так и летающие организмы – первые в океане, вторые в атмосфере.

HD 69830: сверхземли и мегаземли

На расстоянии примерно 41 светового года от нас, в северо‐восточной части созвездия Кормы, находится планетная система, в которой вокруг звезды, как две капли воды похожей на наше Солнце, обращаются три очень больших планеты. Созвездие Корма раньше считалось частью более крупного созвездия Корабля Арго – помните древнегреческую легенду о Ясоне и аргонавтах?

Интересующая нас звезда этого созвездия имеет обозначение HD 69830 – оно говорит нам, что это звезда с номером 69 830 в каталоге американского астронома Генри Дрэпера (1837–1882). HD 69 830 чуть меньше Солнца по размеру; возраст ее – около 7,5 миллиардов лет, то есть она примерно на 3 миллиарда лет старше Солнечной системы.

Массы двух внутренних планет системы HD 69830 составляют примерно 10 и 12 масс Земли, а внешняя планета тяжелее Земли в 18 раз. (Напомним, что Уран и Нептун по массе больше Земли в 15 и 17 раз, соответственно.) Состав внутренних планет – в основном камень и металлы; внешняя состоит из смеси камня, металлов и воды. У планет системы HD 69830 аналогов в Солнечной системе нет: две внутренних планеты попадают в категорию, которую мы в главе 12 назвали сверхземлями, а третья, самая большая, может служить примером новой группы планет – некоторые астрономы говорят о них как о мегаземлях.

Высокие температуры двух внутренних миров не позволяют всерьез предполагать наличие на их поверхностях жидкой воды. Такие планеты называют «горячими нептунами». А вот самая большая из трех планет достаточно удалена от звезды – она находится в зоне обитания своей звезды – и на ее поверхности жидкая вода как раз вполне может пребывать в устойчивом состоянии. Сосредоточимся на этой планете – ее обозначение HD 69830d.

Данные об этой планете, которыми мы располагаем, одинаково хорошо укладываются в две различных модели. В соответствии с одной из них HD 69830d – образец гигантского водного мира. У планет такого типа маленькое металлическое ядро, окруженное глубокой водной мантией; еще выше лежит плотная атмосфера довольно большой толщины, состоящая из водорода и гелия или из водяного пара. В рамках другой возможной модели недра планеты гораздо больше напоминают земные, с железоникелевым ядром, окруженным богатыми кремнием минералами. В этом случае на поверхности планеты могут быть океаны из жидкой воды, а в ее атмосфере – большое количество углекислого газа и водяного пара.

Какая бы из этих моделей ни оказалась верной, ясно, что на HD 69830d должно быть достаточно много жидкой воды, доступной энергии в форме солнечного света, а возможно, также химической энергии в глубоководных термальных источниках и сырья, необходимого для развития жизни. Наиболее необычная черта окружающей среды на этой планете – мощнейшие гравитационные силы, действующие на ее поверхности. Однако маловероятно, что это помешало бы развитию живых клеток в верхних слоях океана. Таким образом, на HD 69830d может образоваться экосистема, которую можно назвать «прудом, затянутым ряской». Мы, однако, считаем, что по своему внешнему виду наземные организмы, если бы они здесь возникли, напоминали бы приземистые формы жизни, которыми мы в главе 12 населили нашу Громадину. И так как плавучесть могла бы хоть частично скомпенсировать мощную гравитацию планеты, на формы водной жизни огромные размеры HD 69830d, возможно, наложили бы не такой уж сильный отпечаток – другими словами, здесь могли бы водиться как обычные рыбы, так и коренастые динозавры.

В 2005 году орбитальная инфракрасная обсерватория «Космический телескоп Спицера» открыла еще одну любопытную, хотя и не слишком важную особенность планетной системы вокруг HD 69830. Вокруг орбиты планеты d обнаружилось пылевое кольцо – возможно, результат разрушения большого астероида. (Пыль обычно ярко светится в инфракрасных лучах.) Отраженный от этой пыли свет материнской звезды должен образовывать на небесах внутренних планет системы HD 69830 светлую полосу. Таким образом, обитатели этих планет, подняв голову наверх, увидят второй «Млечный Путь»: на ночном небе будут пересекаться две широкие полосы света, а не одна, как на Земле.

Парад странствующих миров

Еще в прошлом десятилетии стало ясно, что межзвездное пространство отнюдь не пустует. В главе 11 мы уже говорили об открытии ‘Оумуамуа – первой межзвездной кометы. Сейчас мы знаем, что в пространстве между звездами чего только нет. Большинство летающих в межзвездной среде тел – вероятно, кометы. Кроме того, в нашей планетной системе много астероидов и крупных тел, наподобие объектов пояса Койпера (первым примером этого класса тел является Плутон). Более того, разработанные нами компьютерные модели свидетельствуют, что в ранней истории Солнечной системы, прежде чем в ней установились современные устойчивые орбиты планет, бывало и так, что из нее выбрасывались целые крупные планеты. И теперь эти планеты должны где‐то существовать.

Планеты, выброшенные в межзвездную среду, называют по‐разному: «бродячие миры», «темные планеты», «скрытые планеты», «планеты в свободном плавании», «степные волки» (наверное, в воображении некоторых астрономов тем, кто живет в этих странных мирах, должно казаться, что они рыщут по галактической «степи», как одинокие волки) – и это только самые известные названия. Мы будем называть их бродячими планетами. Каждый раз, когда вокруг новорожденной звезды образуется планетная система, к общему числу таких планет добавляется несколько новых. Таким образом, в нашей Галактике на каждую обращающуюся вокруг звезды планету могут приходиться сотни тысяч таких странниц. И если это так, то бродячие планеты составляют самый распространенный тип планет во Вселенной.

Как мы уже говорили в главе 11, здесь перед нами стоит проблема – как вообще обнаружить такие бродячие миры? Они не испускают видимого света, как звезды, и при этом настолько далеки от звезд, что не отражают сколько‐нибудь заметного количества звездного света, как планеты в планетных системах. На сегодняшний день однозначно установлено существование всего нескольких бродячих планет – но уже сам факт открытия сразу нескольких таких тел при всей невероятной трудности их наблюдения подтверждает их крайнюю распространенность.

PSO J318.5‐22: огромный мир в свободном плавании

Несколько планет‐странниц было зарегистрировано той же обсерваторией, на которой был открыт межзвездный астероид ‘Оумуамуа: телескопами Pan-STARRS на Гавайях. Одной из наиболее интересных оказалась PSO J318.5‐22. В этой цепочке цифр закодировано ее положение на небе – мы будем для краткости называть эту планету PSO 22. Объект этот расположен на расстоянии около 80 световых лет от нас – достаточно близко, чтобы можно было определить ряд его свойств.

Масса PSO 22 примерно в 6,5 раз больше массы Юпитера. Для того, чтобы в ядре подобного тела начались ядерные реакции и оно стало звездой, его масса должна быть побольше: 15–20 масс Юпитера. Поэтому PSO 22 иногда называют субзвездным объектом. Количество излучаемой им инфракрасной энергии соответствует температуре около 900 °C – гораздо выше, чем у Юпитера, но существенно ниже температуры малых звезд.

Одна из особенностей PSO 22, которые делают этот объект настолько интересным для нас, – информация о его составе. В частности, в его атмосфере обнаружен метан, а также ряд щелочных элементов, а именно – натрий и калий. То есть эта планета может оказаться похожей по составу на Уран и Нептун.

Другая интересная особенность PSO 22 следует из того факта, что он заметно тяжелее Юпитера. Когда объект был выброшен из материнской планетной системы, он, благодаря своей мощной гравитации, по всей вероятности, захватил с собой большое количество обломков и осколков протопланетного вещества – кометно‐астероидного материала, вещества, из которого могли бы образоваться планеты, а заодно и спутники, которые вокруг этих планет формировались. То есть PSO 22 – хороший кандидат в бродячие планеты со своей собственной луной или лунами.

СFBDSIR 214947.2‐040308.9: блуждающий мир, связанный со звездным скоплением

Большинство звезд образуются в так называемых звездных яслях – огромных облаках, способных порождать от тысяч до миллионов звезд. Объект CFBDSIR 214947.2‐040308.9, который мы для краткости будем называть C9, – планета, сформировавшаяся в системе звезды из таких яслей и затем выброшенная в межзвездное пространство. Она была обнаружена при помощи инструмента, спроектированного специально для поиска на больших участках неба объектов, испускающих инфракрасное излучение.

C9 – очень молодое небесное тело, ему от 20 до 200 миллионов лет. Оно связано со звездным скоплением AB Золотой Рыбы, лежащим на расстоянии около 65 световых лет от Земли. Все звезды этого скопления движутся преимущественно в одном и том же направлении; поэтому считается, что они образовались синхронно и примерно одновременно. C9 тоже движется в том же направлении, что и группа AB Золотой Рыбы, и это дает нам очень серьезные основания считать, что бродячие планеты покидают планетные системы, когда эти системы еще только формируются. Впрочем, это не является доказательством того, что миры‐странники не могут быть выброшены из планетных систем на других стадиях своего существования. И все же, из всего, что мы знаем о процессах образования и эволюции планет, ясно следует, что выталкивание бродячих планет из звездных систем в эру их формирования – самый вероятный сценарий.

WISE J085510.83‐071442.5: планета‐странница в свободном плавании

C9 – бродячая планета, образовавшаяся внутри звездного скопления и все еще движущаяся в том направлении с ним. Но есть и планеты‐странницы, явно не связанные ни с какими звездными скоплениями. WISE J085510.83‐071442.5, которую мы для краткости будем называть WISE-5, – идеальный пример такого небесного тела. Открыта эта планета с инфракрасным обзорным телескопом NASA WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer), который исследовал большие области неба в поисках слабых инфракрасных источников.

Масса WISE-5 определена на настоящий момент не слишком точно, но вероятнее всего она составляет от 3 до 10 масс Юпитера. Температура планеты достаточно низкая – возможно, всего –50 °C. Про возраст WISE-5 мы знаем еще меньше, чем про массу, но он не меньше 1 и не более 10 миллиардов лет.

Расстояние от Земли до этой бродячей планеты – примерно 7 световых лет. Для сравнения вспомним, что до ближайшей к Солнечной системе звезды примерно 4 световых года. Так что WISE-5 будет прекрасным кандидатом для дальнейших наблюдений следующим поколением космических телескопов, таких как TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) и Космический телескоп Джеймса Уэбба (см. главу 17). И, вероятно, эта планета достаточно близка к Солнечной системе, чтобы мы могли поискать там признаки присутствия жизни.

Молодые изолированные объекты планетарных масс в звездном скоплении сигма Ориона

В звездном скоплении сигма Ориона открыто целое скопление очень молодых изолированных планет. Массы этих бродячих планет лежат в промежутке от 5 до 15 масс Юпитера, то есть они слишком малы, чтобы в них начался процесс ядерного синтеза и они превратились в звезды. Однако температура их поверхности достигает 1400°–1900 °C, что гораздо выше, чем у крупнейших планет Солнечной системы. Эти бродячие планеты представляют собой новый тип планет‐гигантов.

Звездное скопление сигма Ориона находится на расстоянии примерно 1200 световых лет от Земли, и при этом оно очень молодо – ему в настоящий момент примерно от одного до пяти миллионов лет. Так как считается, что образование гигантских планет в таких системах, как Солнечная, происходит на отрезке времени от 1 до 10 миллионов лет, эти бродячие планеты должны были быть выброшены из своих систем на самом пике процесса планетообразования. Это еще один аргумент в пользу гипотезы о том, что процесс формирования планет проходит исключительно бурно.

Как мы уже говорили, планеты таких больших масс должны при выбрасывании из системы уносить с собой довольно много вещества первичной туманности, из которой они образовались. Поэтому легко себе представить, что выброшенные из систем планеты могут быть окружены собственными облаками газа и пыли, из которых могут формироваться их луны. Системы этих спутников тоже вполне могут быть обитаемыми, так как процесс приливного разогрева может на протяжении миллиардов лет оставаться для них источником тепла.

MOA-2011-BLG-262Lb: бродячая планета с маленькой луной

Методом гравитационного линзирования (см. главу 11) была зарегистрирована бродячая система из двух объектов – гигантской газовой планеты и ее спутника. Обозначение системы: MOA-2011-BLG262Lb; мы будем кратко называть ее MOA-b. Приблизительная оценка массы этого газового гиганта – примерно четыре массы Юпитера; его спутник меньше Земли. Больше никаких подробностей о системе MOA-b пока не известно. Мы говорим о ней здесь потому, что, если наблюдения достаточно точны, то они доказывают, что у бродячих планет действительно могут быть луны. Если вспомнить, как трудно регистрировать планеты методом гравитационного линзирования, то уже сам факт открытия этим способом системы «планета плюс луна» говорит о том, что нам предстоит открыть еще множество небесных тел подобного типа.

15

Жизнь «не как у нас»

Что, если они другие?

До сих пор мы, явно или неявно, говорили о жизни, похожей на нашу. Иначе говоря – о жизни на основе химических реакций с участием углеродных соединений и существующей (или по крайней мере зародившейся) преимущественно в водной среде. В этой главе мы будем говорить о жизни, непохожей на нашу – эта жизнь все еще основана на химии, но в ее базе лежат другие элементы – не углерод, или друге жидкости – не вода. Такое расширение нашего определения жизни кратно увеличивает разнообразие возможных живых существ в нашей Галактике.

Здесь мы должны подчеркнуть, что в этой главе будем говорить только о жизни, возникшей естественным образом. Увлекательная возможность жизни, появившейся вследствие появления высокоразвитой техники (вспомним о компьютерах и роботах), будет предметом следующей главы, в которой мы поговорим о жизни, совершенно непохожей на нашу.

Мы начнем наш разговор с декларации о правдивости информации: как и в рекламном деле, мы будем исходить только из проверенных и не вводящих в заблуждение утверждений. При этом оба автора сознаются, что являются приверженцами точки зрения, называемой на профессиональном сленге углеродным шовинизмом. Это означает, что мы считаем, что атом углерода обладает рядом свойств, которые делают его идеальной основой для развития и функционирования сложных форм жизни. И возможно, лучший способ начать наше исследование гипотетической жизни на основе других элементов – понять, что именно делает углерод таким особенным.

В ядре атома углерода находится шесть положительно заряженных протонов. Этот положительный заряд компенсируется шестью отрицательно заряженными электронами на орбитах вокруг ядра. Законы квантовой механики накладывают на вероятные положения этих электронов два ограничения:

• Электроны могут находиться только на так называемых орбиталях, расположенных на точно определенных расстояниях от ядра.

• На каждой орбитали может находиться только строго определенное количество электронов.

На ближайшей к ядру орбитали может разместиться всего два электрона, а на следующих двух орбитах – до восьми на каждой. (Атомы больших размеров имеют и большее количество электронов, размещающихся на более высоких орбиталях. На этих орбиталях тоже может содержаться фиксированное число электронов, но вычислять их количество приходится по более сложным правилам.) Это означает, что в атоме углерода на внутренней орбитали находится два электрона из шести, а на следующей по счету от ядра – остальные четыре. Именно эти внешние электроны (они называются валентными) формируют связи с другими атомами и образуют молекулы. Можно представлять себе каждый из этих четырех внешних электронов как что‐то вроде «липучек» на поверхности атома – посредством этих липучек атом углерода сцепляется с другими атомами, в том числе и с другими атомами углерода.

Сцепляясь друг с другом, атомы углерода образуют длинные цепочки, кольца, сложные петли и множество других конфигураций, на основе которых и существует вся жизнь на Земле. Иногда для сцепления с другим атомом углерода используется сразу два валентных электрона – представьте себе, что два атома сцеплены друг с другом двумя парами липучек вместо одной. Эти так называемые двойные связи играют основную роль в создании того разнообразного и сложного строения, которое мы наблюдаем среди углеродосодержащих молекул на Земле.

Одна из наиболее примечательных молекул на основе углерода – ДНК. Эта молекула позволяет живым существам на Земле передавать генетическую информацию от поколения к поколению. Для этого используются четыре молекулы, называемые азотистыми основаниями. Эти основания обычно обозначаются по первым буквам своих названий – аденин, гуанин, цитозин и тимин – и их последовательность в ДНК организма представляет собой закодированную информацию, передающуюся из поколения в поколение. Мы уверены, что любая жизнь, построенная на основе химических соединений, должна иметь в своем составе что‐то, что играло бы роль ДНК – что‐то, что может передавать информацию от поколения к поколению. Очевидно, что это «что‐то» не обязано быть идентичным нашей ДНК. И действительно, ученые сумели создать в лаборатории ДНК, в которой информация кодируется на основе других молекул. Тем самым можно считать доказанным, что в других мирах могут образовываться и другие молекулы, переносящие информацию.

История кремния

Многие ученые подходят к вопросу о жизни, построенной на другой основе, так: они берут некоторую функцию, которую в живых организмах на Земле выполняют углеродосодержащие молекулы, а затем пытаются понять, могут ли ту же самую функцию выполнить молекулы на базе атомов другого элемента. Мы вполне можем начать наш разговор по этой же схеме – хотя ниже мы еще поговорим о том, что она может быть связана с неоправданными ограничениями.

Однако, прежде чем углубиться в подробное обсуждение поведения конкретных атомов, стоит уделить немного внимания еще одному вопросу – распространенности химических элементов в природе. Очевидно, что более распространенные атомы с большей вероятностью могут послужить основой для возникновения жизни, чем атомы редкие. Поэтому в последующем изложении мы сосредоточимся на часто встречающихся элементах и не будем рассматривать возможность возникновения жизни на основе элементов более редких.

Если взглянуть на нашу Солнечную систему или на Галактику в целом, мы увидим, что самые распространенные элементы – это водород и гелий, а сразу за ними идут кислород и углерод. Отметим один момент, важный для наших последующих рассуждений: в Солнечной системе на один атом кремния приходится примерно 10 атомов углерода. Один‐ноль в пользу углеродных шовинистов.

Однако, если посмотреть на Землю, ситуация изменится. Образование планет земной группы сопровождалось своего рода процессом сортировки: на Земле, к примеру, почти отсутствует гелий, хотя во Вселенной он очень распространен. Мы считаем, что большое количество углерода, который мог войти в состав формирующейся Земли, вместо этого оказалось в составе летучих соединений, вытесненных прочь из внутренней Солнечной системы излучением новорожденного Солнца. Таким образом, сейчас на Земле на один атом углерода приходится около 30 атомов кремния – полная противоположность изобилию этих атомов в Солнечной системе в целом. Один‐один в пользу любителей кремния – хотя большая часть его на Земле и замкнута в составе минералов, залегающих глубоко под поверхностью и поэтому непригодных для поддержания жизни.

Теперь, когда мы разобрались с распространенностью элементов, ключевым вопросом, который нам следует задать, говоря о возможности жизни, непохожей на нашу, будет следующий: существуют ли отличные от углерода атомы, которые могли бы дать нам такую же степень молекулярной сложности, какую мы наблюдаем у земных организмов? Способны ли эти атомы так же образовывать цепи, кольца и другие сложные структуры, как это делает углерод, и таким образом обеспечить огромное разнообразие молекул, необходимых для возникновения жизни? Ответ на этот вопрос, как мы уже говорили выше, заставляет нас пристальнее приглядеться к кремнию.

Самый простой способ наглядно представить себе, как это может происходить, – вспомнить о приведенном выше втором правиле квантовой механики. Вернемся к нашему атому углерода и разместим вокруг его ядра еще восемь электронов (разумеется, добавив столько же протонов в само ядро). Таким образом мы получим атом, который, как и углерод, будет иметь четыре валентных электрона: ведь четыре из восьми новых электронов заполнят до конца вторую орбиталь, а остальные четыре разместятся на следующей орбитали, где в свою очередь смогут образовывать связи с другими атомами. Элемент, имеющий на восемь электронов больше, чем углерод, и есть кремний, расположенный в периодической таблице прямо под ним.

Проделанные нами мысленные упражнения помогают понять, почему гипотеза о жизни на кремниевой основе уже несколько десятилетий остается излюбленной темой научной фантастики. С точки зрения химии кремний – наиболее похожий на углерод элемент, и к тому же, как мы уже сказали, во Вселенной он довольно распространен. Повторив это, однако, мы должны заметить, что между углеродом и кремнием существует и фундаментальное различие. Валентные электроны кремния находятся на третьей орбитали, в то время как у углерода они располагаются на второй – и, таким образом, атом кремния заметно больше. Химикам вполне очевидно, что вследствие этого различия атомам кремния гораздо труднее образовывать длинные цепи. Это значит, что цепочки кремниевых атомов вряд ли смогут сыграть для кремниевой жизни такую же роль, какую молекулы типа ДНК играют для жизни углеродной: «липучки» двух атомов кремния оказываются слишком далеко друг от друга, чтобы сцепиться друг с другом больше чем в одном месте. Таким образом, сложность, которую мы наблюдаем, глядя на соединения углерода, оказывается просто недостижимой для соединений кремния. Отражением этого служит тот факт, что в органической химии для описания наиболее сложных молекул на основе кремния употребляются такие выражения, как «монотонные».

Еще одна проблема встает перед нами, когда мы обращаемся к вопросу обмена веществ кремниевой жизни. Метаболизм жизни углеродной основан на соединении атмосферного кислорода с углеводородами – молекулами, содержащими атомы углерода и водорода. Простейший пример такого процесса – горение метана, молекулы, в которой один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Конечные продукты этой реакции – диоксид углерода (углекислый газ) и вода. (В ходе этой реакции кислород, содержащийся в воздухе, соединяется с входящими в состав метана углеродом, образуя углекислый газ, и водородом, образуя воду.) Обе эти субстанции легко удаляются из очага, в котором организм вырабатывает энергию, – ровно тогда вы и выдыхаете углекислый газ, образовавшийся вследствие этого взаимодействия с кислородом.

Аналогичной реакцией в кремниевом мире было бы горение молекулы, в которой один атом кремния связан с четырьмя атомами водорода, – вещества, называемого моносиланом или силикометаном. В результате в качестве отходов получился бы диоксид кремния (кремнезем). При нормальной температуре это твердая субстанция, которая входит в качестве основной составляющей в кварц и песок. Вывести ее из организма гораздо труднее, чем диоксид углерода. В научно‐фантастических повестях, в которых описывается жизнь на кремниевой основе, кремниевые существа выдают свое присутствие тем, что оставляют за собой на своем пути кусочки твердого кремнезема.

Из‐за этих свойств соединений кремния в научном сообществе сложилось мнение, что живые системы, полностью сформировавшиеся на базе кремния (то есть такие, в которых кремний полностью замещает углерод), вряд ли могут существовать на планетах, которые мы обычно рассматриваем как пригодные для обитания. (Сказанное, впрочем, совершенно не подразумевает, что кремний вообще не может входить в состав живых организмов. Многие организмы на Земле – например, диатомовые водоросли – формируют жесткие части своих организмов, включая атомы кремния в свои состоящие преимущественно из углеродсодержащих молекул тела.) Мы, конечно, можем представить себе экзопланеты, на которых из соединений кремния могли возникнуть очень сложные молекулярные структуры: например, землеподобная планета с расплавленной дневной стороной, находящаяся в состоянии синхронного вращения в планетной системе, богатой металлами и другими тяжелыми элементами. Но мы пока не можем узнать наверняка, позволят ли интенсивные потоки энергии создать на такой экзопланете автономные самовоспроизводящиеся системы, которые мы обычно считаем в полной мере живыми.

Закончим обсуждение жизни на основе кремния мы изложением, одного из наиболее убедительных с нашей точки зрения аргументов в пользу углеродного шовинизма. Как мы уже видели, на Земле кремния гораздо больше, чем углерода. Однако, несмотря на это, роль кремния в функционировании живых систем на Земле можно смело характеризовать как незначительную – в то время как углерод, при его относительно низком процентном содержании, образует основу всех живых организмов. Это подсказывает нам, что в плане возможности стать основой для живых организмов в углероде действительно есть что‐то особенное и что жизнь во Вселенной – ну, может быть, за очень редкими исключениями – будет преимущественно углеродной.

Мы потратили столько времени на разговоры о возможности жизни на кремниевой основе по нескольким причинам. Во‐первых, как мы уже сказали, кремний больше всех остальных элементов похож на углерод. Во‐вторых, гипотезы о возникновении жизни на основе кремния наиболее популярны в научной фантастике, где кремниевые организмы обычно предстают в виде одушевленных камней. Изложенные в этом разделе соображения говорят о том, что подобных форм жизни в Галактике, скорее всего, нет.

Какие же виды жизни, непохожей на нашу, у нас есть реальные шансы найти?

Другие варианты

До этого момента мы были довольно небрежны в использовании формулировки «жизнь на углеродной основе». По сути дела, хотя в живых системах на Земле функционирование молекул зависит в первую очередь от свойств входящего в их состав углерода, многие из этих молекул содержат наряду с углеродными и другие атомы. Знакомая всем двойная спираль ДНК, например, в качестве несущей содержит конструкцию из атомов фосфора и кислорода. Таким образом, мы должны рассмотреть возможность сочетания в составе живых организмов кремния с атомами других элементов.

Нам известно много веществ, молекулы которых содержат цепочки, составленные из кремния и кислорода, а не кремния в чистом виде: например, водонепроницаемые герметики. Используя бактерии, обнаруженные в горячих источниках Исландии, ученые Калифорнийского технологического института недавно синтезировали молекулы с прямыми углеродно‐кремниевыми связями. И, хотя главная цель получения подобных молекул состоит в том, чтобы использовать их в качестве ферментов для создания широкого спектра промышленных материалов, само их существование позволяет предположить, что в других мирах могли бы развиться формы жизни на основе сочетаний углерода и кремния.

Ученые время от времени рассматривают возможность замещения в живых организмах углерода какими‐либо еще элементами помимо кремния. Как мы уже видели, при этом стоящая перед ними задача заключается в том, чтобы найти элемент, во‐первых, более или менее распространенный и, во‐вторых, способный образовывать длинные молекулярные цепочки. Один из элементов, удовлетворяющий этим критериям, – сера, расположенная в периодической таблице прямо под кислородом. Сера далеко не так широко распространена, как углерод или кремний, но все же попадает в первую десятку наиболее распространенных элементов в нашей Галактике. Она также способна образовывать линейные молекулярные цепочки, хотя, по‐видимому, и не настолько сложные, как разветвленные структуры, свойственные органическим молекулам на Земле.

Наиболее заметные концентрации серы в Солнечной системе находятся на спутнике Юпитера Ио (той самой луне, что похожа на пиццу пепперони). Ио – ближайший к Юпитеру из четырех его крупнейших спутников, «галилеевых лун»; остальные – Европа, Ганимед и Каллисто. Гравитационные силы, действующие между этими лунами, порождают в их недрах огромные количества тепла. В результате Ио отличается наиболее высокой вулканической активностью во всей Солнечной системе – ее вулканы выбрасывают вещество на сотни миль вверх, в атмосферу. Пестрая окраска поверхности Ио в основном объясняется именно огромными количествами серы, выброшенной на поверхность при извержениях вулканов: чистой серой в нескольких из ее многочисленных форм.

Обычно атомы серы объединяются в группы, насчитывающие от 6 до 20 атомов; наиболее распространена структура в форме короны, состоящая из 8 атомов. В том, что атомы одного элемента собираются в молекулы различной конфигурации, нет ничего необычного: к примеру, и алмаз, и графитовый стержень карандаша представляют собой молекулы чистого углерода, но с разным расположением связей между атомами. Когда молекулы, состоящие из одного и того же вида атомов, имеют различные конфигурации, они называются аллотропными. Большое число аллотропов серы, которое мы видим, например, на Ио, заставляет предположить возможность жизни на основе серы – ее аллотропы отличаются огромным разнообразием форм. Однако на настоящий момент нам не известно ни одной работы, где это предположение рассматривалось бы со всей строгостью научного исследования.

Мы могли бы еще долго продолжать это обсуждение, пройдясь по всей периодической таблице, но чем дальше мы уходим от углерода, тем более слабыми становятся наши доводы. Поэтому нам кажется, что лучше всего оставаться сторонниками углеродного шовинизма, не исключая при этом полностью возможности развития случайных редких форм жизни на основе других химических элементов.

Чем заменить воду

Быть «водным шовинистом» во многих отношениях еще проще, чем шовинистом углеродным. У воды есть множество свойств, которые делают ее средой, крайне благоприятной для поддержания жизни, и соперников в этом отношении у нее немного. Давайте же поговорим о некоторых из них.

Прежде всего, для того чтобы нагреть воду, требуется много энергии. На языке физиков мы говорим, что у воды большая удельная теплоемкость. Поэтому тела, состоящие преимущественно из воды, относительно легко сохраняют постоянную температуру – для живых организмов это будет явным преимуществом.

Кроме того, у воды есть еще одно довольно необычное свойство: плотность ее твердой формы (льда) меньше, чем плотность жидкой формы. Почти у всех остальных веществ дело обстоит ровно наоборот. Это значит, что, когда вода начинает замерзать, лед всплывает, а не тонет. Поэтому когда речь заходит о больших объемах воды, лед, как правило, образует теплоизолирующий слой и вода под ним остается жидкой – еще одно очевидное преимущество для живых организмов. Если бы лед был плотнее жидкой воды, он опускался бы на дно сразу после формирования, и озеро или океан промерзали бы на всю глубину. И это, как минимум, создало бы некоторое неудобство для водных форм жизни.

Но самое важное, с нашей точки зрения, свойство воды – она способна растворять самые разные вещества. Ее часто называют универсальным растворителем – она может растворить гораздо больше субстанций, чем любая другая обычная жидкость. Это значит, что молекулы других веществ, растворенные в воде, могут свободно двигаться и взаимодействовать друг с другом – еще один несомненный плюс для развития жизни. Причина этой способности заключается в том, что молекула воды – пример так называемой полярной молекулы.

Поясним, что мы имеем в виду: силами, действующими между атомами в молекуле воды, управляют законы квантовой механики; именно они определяют конфигурацию атомов. Если представить себе, что атом кислорода – это голова, то два водородных атома – прикрепленные к ней уши Микки‐Мауса, причем угол между линиями, проведенными от ядра кислорода к ядрам водорода, составит 105 градусов. Законы квантовой механики говорят нам, что электроны в молекуле будут стремиться сосредоточиться вокруг атома кислорода. Таким образом, хотя молекула воды в целом электрически нейтральна, один ее конец будет заряжен отрицательно, а другой – положительно. Такое распределение заряда и поляризует воду. А теперь посмотрим, как это работает, когда вода растворяет другое вещество.

Представьте, что молекула воды приближается к куску какого‐нибудь вещества. Пусть для большей определенности она движется отрицательным концом вперед. На молекулу нашего вещества в этот момент будут действовать электрические силы от обеих концов приближающейся молекулы воды, но при этом силы, связанные с отрицательным, более близким ее концом, будут оказывать большее влияние. Можно сказать, что для молекулы нашего вещества молекула воды будет иметь в целом отрицательный заряд. Поэтому электроны в молекуле вещества будут отталкиваться от приближающейся молекулы воды, и область вещества, с которой сближается молекула воды, окажется заряженной положительно. Таким образом получится, что отрицательно заряженный конец молекулы воды будет сближаться с положительным концом молекулы вещества.

Мы знаем, что противоположные электрические заряды притягиваются. Это означает, что как только электроны сдвинутся, как описано выше, между молекулой воды и молекулой вещества возникнет сила притяжения. Она потянет молекулу вещества прочь от ее исходного положения, и по мере развития этого процесса вещество начнет растворяться – молекула за молекулой.

Каждый, кто занимался готовкой, знает: чтобы удалить липкое вещество с поверхности тарелок и мисок, надо на время оставить грязную посуду в воде. Эта кухонная мудрость как раз и объясняется тем, что процессы поляризации, инициируемые конфигурацией электронов в молекуле воды, медленно растворят прилипшее вещество.

Ученые задумывались о множестве веществ, которые могли бы заменить воду в химических процессах, связанных с возникновением и развитием жизни. По сути, мы можем здесь говорить о двух функциях воды. Одна, связанная с тем, о чем мы говорили выше, состоит исключительно в том, что вода служит средой, поддерживающей существование сложных молекул. Писатель‐фантаст и биохимик Айзек Азимов придумал слово талассоген («мореобразователь») для описания жидкостей, способных образовывать океаны. Вторая функция воды – участие в химических процессах жизни. Образование молекул воды играет важную роль в создании так называемой пептидной связи, которая, к примеру, связывает белки.

Рассмотрим два возможных заменителя воды. Один из них – аммиак, широко распространенная молекула, достаточно похожая на молекулы воды; второй – метан. О нем мы будем говорить еще и потому, что один метановый океан во Вселенной нам уже известен – на спутнике Сатурна Титане.

Начнем с аммиака (NH_3). Это довольно распространенное вещество, состоящее из двух часто встречающихся элементов – азота и водорода – было одной из первых сложных молекул, обнаруженных в межзвездных облаках. Вы, вероятно, знакомы с его водным раствором – самое обычное моющее средство, часто используемое для очистки стекла и керамики, поскольку при высыхании оно не оставляет потеков. И, конечно же, оно играет ключевую роль в производстве удобрений, с помощью которых относительно малое число фермеров способно прокормить миллиарды людей, населяющих нашу планету. При давлении в 1 атмосферу и температуре между −78° и −33 °C аммиак пребывает в жидком агрегатном состоянии. В этом состоянии он способен растворять самые разные вещества, в том числе некоторые металлы. Вдобавок многие молекулы, обнаруживаемые в углеродных соединениях, достаточно похожи на соединения на основе аммиака. Эти химические свойства аммиака и его достаточно большая распространенность и заставляют некоторых ученых считать, что он может заменить воду при развитии жизни.

Здесь возникают, однако, некоторые проблемы. Вероятно, самая крупная из них состоит в том, что аммиак становится жидким только при температурах, существенно более низких, чем земные. При этом существует общее правило: при понижении температуры химические реакции замедляются. Именно поэтому мы пользуемся холодильниками и морозилками – ведь разложение пищевых продуктов есть не что иное, как химический процесс. У химиков есть простое правило, подтвержденное практическим опытом: скорости реакций падают вдвое при понижении температуры на каждые последующие 10 °C. Следовательно, химические реакции в аммиачном океане шли бы примерно в 30–50 раз медленнее, чем они протекают в относительно теплых океанах Земли. А значит, развитие жизни, на которое на Земле ушли сотни миллионов лет, в океанах аммиака могло бы занять несколько миллиардов лет. (С проблемой температуры мы столкнемся в еще более острой форме, когда будем обсуждать свойства жидкого метана.)

Впрочем, мы не считаем сравнительно низкую температуру жидкого аммиака препятствием для развития жизни, углеродной или другой. Просто в мире, где океаны состоят из аммиака, жизнь эволюционировала бы гораздо дольше. Таким образом можно было бы рассчитать для планетных систем с океанами жидкого аммиака новые границы зон обитания – хотя нам неизвестно, предпринимались ли такие попытки. Вероятно, эти зоны лежали бы дальше от материнских звезд, чем зоны обитания, рассчитанные для жидкой воды.

Часть ученых, однако, всерьез сомневается в пригодности аммиака в качестве среды для жизни. Их возражения сводятся к тому факту, что силы, которые удерживают молекулы жидкости вместе, у аммиака гораздо слабее, чем у воды. Отметим к слову, что именно с этим свойством и связана способность аммиака не оставлять разводов и потеков на стекле. Взаимное притяжение между молекулами воды вызывает поверхностное натяжение, которое и заставляет воду собираться в капли на стекле. В случае жидкого аммиака поверхностное натяжение ниже, капель образуется меньше и поэтому потеков не остается. К несчастью, это же свойство молекул аммиака может затруднять образование длинных цепочек, столь важных для возникновения живых систем. Как и кремний, аммиак – излюбленная основа внеземной жизни у писателей‐фантастов. О нем, к примеру, часто вспоминают, когда пытаются представить себе жизнь в холодных внешних атмосферах газовых гигантов. Его способность растворять металлы приводит, помимо прочего, к увлекательным спорам о возможном цвете поверхности аммиачного океана. Однако, хоть мы и считаем океаны аммиака вполне возможными областями возникновения жизни на экзопланетах, на сегодняшний день никаких доказательств их существования у нас нет.

Как можно заключить уже из самого термина «природный газ», при температурах, которые мы считаем нормальными, метан – газ. Он превращается в жидкость только в диапазоне температур между −162° и −183 °C. Тем не менее нам известен один мир с достаточно низкой температурой поверхности, и мы знаем, что в этом мире существуют океаны из метана и других углеводородов. Таким образом, метан – единственная достоверно известная нам талассогенная субстанция (кроме воды, конечно). Мир, в котором метан определенно является составляющей океана, – это Титан, самый крупный спутник Сатурна. С нашей точки зрения, два важнейших факта, известных нам об этом небесном теле, таковы: во‐первых, это единственная в Солнечной системе луна с плотной атмосферой (состоящей, как и атмосфера Земли, в основном из газообразного азота), а во‐вторых, там ужасно холодно – температура поверхности Титана составляет примерно −179 °C.

Наилучшее описание этого мира будет следующим: он обладает знакомыми геологическими особенностями (например, там есть озера и горы), состоящими из непривычных материалов. При температурах, царящих на поверхности Титана, водяной лед тверд, как камень; озера и океаны, как уже сказано выше, здесь состоят из жидкого метана и других углеводородов. Наиболее знакомый нам из последних – этан, близкий родственник метана, содержащий два атома углерода. Песчаные дюны на экваторе Титана состоят из органических соединений темного цвета – один ученый сравнил их с дюнами из кофейных зерен.

Атмосфера Титана выглядит как оранжевая дымка, не позволяющая ясно разглядеть детали его поверхности. Накопленные за много лет данные, полученные с телескопов и пролетавших вблизи Титана космических зондов, уже давно говорят о том, что его атмосфера насыщена сложными органическими соединениями, гораздо более сложными, чем простой метан. Вскоре после прибытия к Сатурну в 2004 году, космический корабль Cassini запустил в атмосферу Титана зонд, названный в честь Христиана Гюйгенса (1629–1695), голландского астронома, открывшего этот спутник. Так мы впервые увидели поверхность Титана: зонд приземлился и в течение примерно 90 минут передавал с поверхности данные, пока не разрушился в окружающей среде. После этого Cassini еще несколько раз облетел вокруг Титана, картографируя его поверхность при помощи радара. Теперь мы представляем себе эту луну как мир, где углеводороды дождем падают с неба и заполняют моря и озера. (Интересно, что озера Титана повторяют названия земных озер: например, Онтарио и Каюга.) Именно там, в этих озерах и морях ученые надеются найти информацию о развитии жизни в метановой среде.

На возможность зарождения жизни на Титане может повлиять еще одно важное следствие крайне низких температур. Если, как мы уже говорили выше, скорость химических реакций падает вдвое при каждом понижении температуры на 10 °C, то на Титане реакции будут идти примерно в миллион раз медленнее, чем на Земле. Таким образом, если развитие жизни в земных океанах произошло, как сейчас считается, за сотни миллионов лет, на Титане аналогичный процесс занял бы сотни триллионов лет! Но это значительно больше возраста Вселенной. Поэтому первый вывод, к которому мы можем прийти, заключается в том, что если в метановом океане и может развиться жизнь, ей, вероятно, пока не хватило на это времени. Следовательно, ученые, изучающие химические процессы на Титане, должны говорить о поисках не столько самой жизни, сколько предвестников ее появления. И, если только во Вселенной не существует пока неизвестных нам низкотемпературных процессов, нам придется вычеркнуть метановые океаны из списка сред, в которых к настоящему моменту могла бы развиться жизнь.

При этом мы, однако, должны отметить, что не касаемся пока неизвестных каталитических или происходящих под влиянием ферментов процессов, которые могли бы значительно ускорить ход химических реакций. Но тем не менее, пока мы не открыли такие процессы, мы будем придерживаться сформулированной выше общепринятой позиции и говорить о Титане как о месте, где мы можем в настоящий момент обнаружить только химические предпосылки возникновения жизни.

Люди уже много лет раздумывают о том, какие еще жидкости могли бы теоретически сыграть ту же роль, которую играет в земной жизни вода. Гипотез было выдвинуто довольно много. Один из вариантов – сероводород (H_2S). В его молекуле атомы серы занимают такое же место, какое молекулы кислорода занимают в воде. Сероводород переходит в жидкую фазу при температуре ниже −60 °C, а следовательно – мог бы стать важной частью окружающей среды на планетах, далеких от материнских звезд. Как и в случае с аммиаком, при такой температуре химические реакции такого типа, какие привели к появлению жизни на Земле, происходили бы в несколько сот раз медленнее, чем они протекают на нашей планете. С другой стороны, для того, чтобы в сероводородном океане на планете, обращающейся вокруг долгоживущей звезды (например, красного карлика), развилась жизнь, времени бы хватило. Однако, в отличие от аммиака, пригодность молекулы сероводорода для развития жизни в научной литературе на сегодняшний день практически не исследовалась. Поэтому мы поместим сульфид водорода, как и длинный список других веществ, которые могли бы заменить воду в процессе развития жизни, в папку с надписью «Кто знает?».

Не так давно появилось несколько работ, в которых в роли жидкости – заменителя воды рассматриваются вещества, находящиеся на другом конце температурной шкалы. О некоторых из них мы уже говорили – например, таким веществом могла бы стать расплавленная лава. В этих случаях проблему составляет не скорость химических реакций, но способность сложных молекул выжить. Ведь с высокими температурами связаны и большие скорости молекул, и их крайне интенсивные столкновения друг с другом. Нам кажется, что такие сложные молекулы, как ДНК, в высокотемпературной среде сохраниться не смогли бы. По всей вероятности, любая информация, передаваемая из поколения в поколение, должна была бы в подобной среде переноситься сложными минералами, способными сохранять свою структуру при высоких температурах.

Итак, мы завершаем разговор о жизни «не как у нас», утвердившись в убеждении о том, что наиболее вероятными компонентами, способствующими развитию жизни, остаются углеродосодержащие молекулы, взаимодействующие друг с другом в водной среде. Следовательно, наша современная стратегия по поиску внеземной жизни в первую очередь на планетах, содержащих эти вещества, в высшей степени разумна. Однако мы понимаем, что не должны забывать о других типах молекул, взаимодействующих в других средах. Возможность построения жизни на таком основании нельзя полностью сбрасывать со счетов – наша Галактика, несомненно, полна странных и неожиданных явлений.

16

Жизнь совсем не как у нас

Может оказаться очень необычной

Поверхность этой планеты абсолютно твердая – возможно, цельнометаллическая. Сенсоры вашего дельта-флаера говорят вам, что температура за бортом всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Еще они сообщают, что эта металлическая поверхность обладает сверхпроводимостью. Протекающие через нее токи порождают магнитные поля, которые, в свою очередь, создают токи, а те снова порождают магнитные поля, и так далее – образуя структуры невероятной сложности. Крохотные кусочки сверхпроводящего вещества носятся вокруг, следуя невидимым линиям сложно переплетенных полей. Вы глядите на эту картину из иллюминатора вашей кабины, и вам приходит странная мысль: а вдруг все это живое?

До настоящего момента мы уже неоднократно повторяли: что бы мы ни рассчитывали найти, отправившись в путешествие по Галактике, мы все равно будем поражены тем, что нам в действительности откроется. К примеру, мы, как углеродные шовинисты, полагаем, что жизнь должна быть основана на химии углеродосодержащих молекул. Никто из нас, тем не менее, не рискнет со стопроцентной вероятностью утверждать, что этот тип жизни – единственный возможный во Вселенной. Аналогично мы как химические шовинисты убеждены, что, если мы даже и встретимся с не основанной на углероде жизнью, она все равно будет существовать за счет химических реакций между молекулами. И все же, исходя из того тезиса, что Вселенная всегда найдет, чем нас удивить, мы не исключаем возможности наткнуться на что‐то, что мы однозначно признаем живым, но что в то же время не будет задействовать в процессе своего существования никакие химические реакции. Вот это и будет тем, что мы называем «жизнью, совсем непохожей на нашу», – и курсив здесь совершенно уместен.

Рассуждая на эту тему, мы неизбежно приходим к поискам ответа на главный вопрос: что именно мы называем жизнью? В главе 3 мы уже видели, насколько трудно разобраться с определением этого понятия. Две из опций, рассмотренных нами тогда, – определение через список свойств и определение в терминах естественного отбора – отчетливо геоцентричны и, вероятно, ничем нам не помогут при поисках жизни совершенно не такой, как наша. Поэтому нам придется начать с термодинамического определения. Если вы помните, оно сводится к тому, что существование живых систем поддерживается притоком энергии извне для сохранения высокоорганизованного состояния, далекого от термодинамического равновесия.

Мы можем выделить два варианта возможного развития жизни, совершенно непохожей на нашу. Согласно одному из них, системы, живые в термодинамическом смысле, будут созданы самими законами природы. В другом же варианте разумная жизнь – вероятно, основанная на углероде – возникает естественным путем, а затем создает машины, которые развиваются до такой степени, что мы могли бы счесть их живыми. Как мы вскоре поймем, этот вариант развития событий приводит нас к одной из самых глубоких и острых проблем в современной философии.

Отметим, наконец, что как научная фантастика, так и абстрактное научно‐философское теоретизирование полнятся теориями о возможности существования странных и чудесных форм жизни. Этих гипотез слишком много, чтобы их можно было хотя бы кратко описать в одной главе. Принеся наши извинения тем, чьи идеи нам пришлось оставить без рассмотрения, мы обсудим несколько наиболее более правдоподобных сценариев развития и существования жизни, совершенно непохожей на нашу.

Неорганическая жизнь

Начнем с терминологии. В повседневном языке под словом «органический» мы понимаем пищевые продукты, выращенные без применения химикатов. Химики называют этим термином определенные виды молекул: согласно общепринятому, хотя и далеко не единственному определению, органическая молекула содержит углерод и водород, независимо от того, входит ли эта молекула в состав живого организма. Например, молекула метана (природного газа) состоит из одного атома углерода и четырех – водорода. Согласно нашему определению, эта молекула является органической, хотя она может возникнуть и в ходе процессов, не имеющих никакого отношения к живым системам. Соответственно, термин неорганическая жизнь будет относиться к любой живой системе, не основанной на содержащих углерод молекулах. Например, когда в предыдущей главе мы говорили о жизни на основе кремния, это и была неорганическая жизнь.

Здесь следует сказать, что изучение неорганической жизни, в лабораторных ли условиях или путем компьютерного моделирования, сейчас не относится к числу главных направлений научных исследований. Им занимаются лишь в относительно небольшом числе научно‐исследовательских институтов мира. Ниже мы опишем некоторые из наиболее интересных гипотез, выдвинутых в этой области, и пофантазируем о тех, что могли бы появиться в будущем. Подчеркнем: никому пока не удалось создать ни одного неорганического объекта, который хоть в какой‐то степени можно было бы характеризовать как живой. В лучшем случае кандидаты в образцы «жизни, совершенно непохожей на нашу» обладают несколькими отдельными свойствами, обычно характерными для живых систем. Но ни один из этих объектов не проходит простого теста, основанного на принципе «узнаю, когда вижу».

Сначала мы расскажем о некоторых лабораторных экспериментах, в которых предполагается возможность создания металлических (т. е. неорганических) аналогов клетки. Эти эксперименты построены на химических реакциях, но реакциях, настолько отличных от всего, что мы обычно соотносим с жизнью, что они, безусловно, заслуживают характеристики «совершенно непохожих на нас». Затем обратимся к компьютерным симуляциям, в которых моделируются еще более странные формы жизни, порождаемые электромагнитными взаимодействиями, а после этого поделимся некоторыми собственными соображениями на тему гипотетической электромагнитной жизни. И наконец, рассмотрим идею, целиком принадлежащую к области научной фантастики: что «живой» может быть целая планета. Рассмотрев все эти варианты, мы перейдем ко второму набору сценариев, упомянутому нами выше: жизни, созданной высокоразвитым разумом.

Химик Ли Кронин и его коллеги из Университета Глазго провели серию экспериментов, целью которых было выяснить, могла бы жизнь на основе металлов развиться путем, аналогичным развитию углеродной жизни на Земле, или нет. Одной из поставленных исследователями задач были поиски неорганических процессов, создающих эквивалент клеточной мембраны – структуры, отделяющей живое от неживого. Используя так называемые полиоксометалаты – сложные молекулы, состоящие из сотен атомов, группирующихся вокруг таких металлов, как вольфрам, ванадий или молибден, – и стандартные химические методы, Кронин получил полые металлические пузыри или оболочки, способные служить клеточными мембранами. Меняя параметры эксперимента, в этих оболочках удалось даже создать проходы, аналогичные каналам, по которым химические соединения поступают в живые клетки и покидают их. Кронин назвал созданные им структуры неорганическими химическими клетками (iCHELL).

Одной из целей Кронина была разработка металлической версии естественного отбора. Это могло бы работать так: клетка iCHELL наполнялась бы некими большими и малыми молекулами, и большие строили бы из малых молекулярные структуры. Тогда металлическим эквивалентом естественного отбора стала бы конкуренция между большими молекулами за обладание малыми. «Успешные» молекулы, заключенные в металлической клетке iCHELL, были бы, таким образом, аналогами первых основанных на углероде живых клеток на Земле. Это очень амбициозный проект, и Кронин, конечно, обладает достаточной научной квалификацией, чтобы довести его до успешного результата. Авторам, однако, кажется, что прежде, чем предаваться абстрактным рассуждениям о том, как подобный процесс мог бы происходить на какой‐нибудь экзопланете, разумно было бы подождать дальнейших результатов этих исследований.

Клетки iCHELL и весь подход Кронина к созданию объектов, которые в каком‐то смысле можно было бы назвать «живыми», основан на экзотическом, но все-таки виде химических реакций. Тем временем другие ученые в своих поисках «жизни совсем не как у нас» отказались от химии полностью. Например, в 2009 году международная группа теоретиков во главе с физиком В.Н. Цытовичем из Российской академии наук построила компьютерную модель, из которой можно сделать интересные выводы о природе жизни. Начали они с рассмотрения облака пылевых частиц, погруженного в плазму. Напомним определение: плазма – это газ, в котором из оболочек части атомов вырван один или больше электронов. В результате в таком газе содержатся положительные ионы и свободные электроны. Обычный путь образования плазмы в природе – рост температуры газа; при этом столкновения между атомами становятся гораздо более интенсивными и в результате высвобождаются все слабо связанные с ядрами электроны. Во Вселенной плазма – довольно обычная вещь; например, Солнце почти полностью состоит из нее. Создать ее тоже несложно: вы делаете это каждый раз, когда включаете лампу дневного света. Таким образом, среду, моделируемую компьютером, нельзя назвать слишком уж экзотической. В плазме, смешанной с пылью, часть электронов прикрепляется к пылевым частицам и образует так же свободно движущиеся отрицательно заряженные частицы.

Что же выяснили теоретики? Оказалось, что при определенных условиях электрические и магнитные силы в системе «плазма‐пыль» собирают пыль в то, что можно описать как микроскопические «штопоры». Эти образования тоже обладают электрическим зарядом и могут, например, расти и расщепляться на два «штопора», каждый из которых представляет собой копию исходного. Мы можем при желании назвать этот процесс процессом воспроизводства. К тому же некоторые «штопоры» устойчивее других, и это приводит в некотором смысле к «выживанию сильнейшего» – в чем‐то это похоже на естественный отбор.

Таким образом, мы можем сказать, что самоорганизующиеся пылевые зерна в плазменной среде демонстрируют некоторые черты поведения, которое мы привыкли считать свойственными в первую очередь живыми системам. К тому же они удовлетворяют нашему термодинамическому определению жизни, так как поддержание высокой температуры плазмы требует энергии, а «штопоры» явно далеки от равновесия. С другой стороны, мы должны подчеркнуть, что пока все эти особенности поведения частиц существуют только в рамках компьютерной модели и не были пока ни воспроизведены в лаборатории, ни обнаружены в природе. Такую форму жизни, может быть, и можно себе представить теоретически, но прежде, чем задаваться вопросом, можно ли подобное пылевое облако считать живым, нам не помешало бы увидеть какие‐то реальные проявления его особенностей.

По правде говоря, когда физики – такие как группа Цытовича – пытаются построить сложную немолекулярную систему, они обычно обращаются к электричеству и магнетизму. Как мы уже говорили в главе 2, эти явления управляются комплексом законов, известных как уравнения Максвелла. Та часть этих законов, которая имеет отношение к интересующим нас вопросам, говорит нам, что:

• электрические токи (т. е. движущиеся электрические заряды) создают магнитные поля и

• переменные магнитные поля производят электрические токи.

Второе из этих правил объясняет, например, возникновение индуцированных электрических токов, о которых мы говорили в главе 13.

Электрические токи, вроде тех, что бегут по медным проводам у вас дома, состоят из электронов. Когда электроны движутся, они сталкиваются с тяжелыми атомами меди и отдают им некоторую часть своей энергии. Из‐за этого атомы начинают двигаться немного быстрее. При этом выделяется тепло, которое рассеивается в окружающей провода среде: провод обладает электрическим сопротивлением. Если мы не будем постоянно добавлять энергию, компенсируя потерянное тепло, ток перестанет течь. А когда это произойдет, порождаемое током магнитное поле (см. первое правило, упомянутое выше) тоже исчезнет.

В 1911 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес (1853–1926) сделал удивительное открытие: когда температура определенных металлов, а именно ниобия и олова, понижается до нескольких градусов выше абсолютного нуля (−273 °C), электрическое сопротивление исчезает. В этой ситуации электрические токи будут течь вечно; вечными будут и связанные с ними магнитные поля. Явление, открытое Камерлинг-Оннесом, называется сверхпроводимостью. Теперь мы знаем: оно возникает потому, что при таких низких температурах все электроны сцепляются друг с другом и движутся мимо тяжелых атомов металла, не отдавая им энергии. Токи в сверхпроводниках можно использовать, чтобы получать мощные (и постоянные) магнитные поля; главное при этом – поддерживать достаточно низкую температуру электрических проводов. Если, например, вам доводилось когда‐нибудь проходить МРТ-обследование, на вас действовало магнитное поле, порожденное электрическим током в сверхпроводнике. Сверхпроводящие магниты – важнейшая часть крупнейших в мире ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер в Швейцарии. На их основе также создаются проекты следующего поколения скоростных поездов, которые должны будут функционировать на основе так называемой магнитной левитации. Подобные разработки ведутся по всему миру, а в Китае подобные поезда уже даже введены в строй. Как часто случается в науке, открытие малопонятного явления сверхпроводимости привело к появлению отраслей промышленности, ежегодно приносящих многомиллиардные доходы.

Мы можем представить себе миры настолько холодные (например, бродячие планеты вроде тех, о которых мы говорили в главе 11), что металл на их поверхности или в недрах был бы сверхпроводящим. Токи, текущие в такой сверхпроводящей структуре, получить было бы достаточно просто – их породило бы движение планеты между крупномасштабными переменных магнитными полями в межзвездном пространстве. Появившийся в результате ток изменял бы магнитные поля в недрах самой планеты и в пространстве вокруг нее, что порождало бы новую волну электрических токов; они, в свою очередь, производили бы магнитные поля, и так далее. Таким образом мы можем наблюдать, как система взаимодействующих друг с другом токов и полей могла бы приобрести сложность, сопоставимую со сложностью живых существ. Была бы такая система живой или нет – вопрос открытый. И все же перед нами еще один пример того, как могла бы выглядеть неорганическая жизнь.

Могло бы на сверхпроводящей планете появиться что‐то вроде естественного отбора? Можно представить себе малые самоподдерживающиеся электромагнитные «пакеты», движущиеся в недрах такой планеты. Те из них, которые были бы наиболее «крепкими» – то есть, например, те, чьи магнитные поля обеспечивали бы более прочный барьер между содержимым «пакета» и окружающей средой, – существовали бы дольше. Они бы с большей вероятностью постепенно росли за счет электрических или магнитных полей в окружающей среде. Если бы эти пакеты развились до момента, в который они способны поделиться, у них, таким образом, появилось бы средство передать характеристики, делавшие их более крепкими, своим «отпрыскам». И это могло бы стать началом некоторого естественного отбора, в котором выживает сильнейший.

Наконец, обратимся к еще одной гипотетической форме жизни, которая существует только в научной фантастике. В своем романе «Академия на краю гибели» Айзек Азимов рассказывает о планете, все составные части которой образуют взаимосвязанную систему. Планета такого же типа – Пандора – появляется также в фильме «Аватар», где ее целостность и взаимосвязанность обеспечивается посредством некоей нейросети. По сути, такая планета как целое является живым организмом, хотя отдельные ее части живыми могут быть, а могут и не быть. Вы, наверное, понимаете, что такая планета – логическое завершение гипотезы Геи, о которой мы рассказывали в главе 3. (Кстати, планета в романе Азимова называется точно так же – Гея.) Здесь следует учесть, что изучение любого отдельного фрагмента такой планеты – скажем, дерева или камня – не сказало бы вам примерно ничего о громадном объеме единой живой структуры, частью которой этот фрагмент является. С тем же успехом вы могли бы изучать поведение отдельного транзистора, полностью забыв о том, что он – лишь крохотный элемент суперкомпьютера.

Как мы уже говорили в главе 3, нет никаких научных предпосылок для того, чтобы заключить, что такая сверхвзаимосвязанная система могла бы существовать в реальности. С другой стороны, если бы она действительно существовала, подозреваем, что людям‐исследователям такую форму жизни было бы труднее распознать и понять, чем какую бы то ни было еще.

Искусственная жизнь

Первые вычислительные машины были гигантскими громоздкими штуковинами, собранными на основе множества электронных ламп. Замена ламп на транзисторы привела к повышению производительности и уменьшению размеров ЭВМ. И все же в 1960‐е и 1970‐е, когда авторы этой книги учились в колледже, компьютер все еще занимал большую комнату, а для его обслуживания и обеспечения взаимодействия с пользователями требовалась команда операторов. На этой стадии компьютеры были машинами, которые могли следовать составленным для них людьми инструкциям, но за рамки этих инструкций не выходили – их можно было рассматривать как что‐то вроде раздутых до неприличных размеров пишущих машинок. К этому времени, однако, писатели‐фантасты уже начали представлять себе будущее, населенное сложными, обладающими самосознанием компьютерами – обычно в форме роботов. В зависимости от настроений автора эти высокоразвитые, имеющие облик живых существ машины могли быть злодеями, как в фильме «Терминатор», помощниками человека, как в фильме «Я, робот», или даже чем‐то богоподобным, как в серии романов покойного Иэна Бэнкса о машинной космической сверхцивилизации Культуры. Во всех этих историях машины предстают «живыми» в некотором довольно неясном смысле.

Как же все изменилось! В 1965 году американский инженер Гордон Мур, один из основателей компании Intel, сделал наблюдение, которое впоследствии назвали законом Мура: как правило, любой показатель качества работы компьютеров, такой, например, как количество транзисторов, умещающееся на микрочипе, удваивается каждые два года. Позже закон был немного уточнен: количественные показатели производительности компьютера могут удваиваться даже каждые 18 месяцев! В течение нескольких десятилетий с того момента, как Мур сформулировал свое правило, оно неизменно подтверждалось, даже когда на смену транзисторам пришли сначала интегральные схемы, а потом и микрочипы.

Важно понимать, что «закон» Мура – не закон природы, наподобие законов Ньютона. Это просто наблюдение, руководство к действию, аналогичное знаменитому закону Мерфи («если что‐то может пойти не так – оно пойдет не так»). Более того, можно утверждать, что закон Мура не сможет действовать вечно – рано или поздно вам придется иметь дело с эквивалентом транзистора размерами меньше молекулы или атома. Сейчас это кажется невозможным, хотя следует заметить, что некоторые ученые уже пытаются разрабатывать системы хранения информации в отдельных молекулах.

Так или иначе, закон Мура приводит нас к мысли о двух вполне вероятных будущих событиях. Одно – это возникновение ситуации, когда мы сможем разместить на одном чипе столько транзисторов, сколько нейронов помещается в человеческом мозгу (по мнению биологов, их около 100 миллиардов). Назовем это «точкой нейронной эквивалентности». Второе (и более важное) событие произойдет, когда машины достигнут уровня разума, эквивалентного человеческому, а вместе с ним обретут способности к самоусовершенствованию. Эта ситуация называется технической сингулярностью, и она уже некоторое время назад стала предметом как научного анализа, так и самых разных псевдонаучных обсуждений.

В соответствии с законом Мура техническое совершенство компьютеров неуклонно росло, что привело к изменению самой их сущности. Они перестали казаться гигантскими пишущими машинками, неспособными выйти за пределы команд, вводимых в них операторами‐людьми. Постепенно они обрели способность к самообучению и больше не нуждаются в постоянном человеческом присмотре. Методы, которые позволяют им это, известны под названиями «машинного обучения» и «искусственного интеллекта» (AI).

Вот простой пример того, как работают подобные методы. Допустим, вы хотите, чтобы ваш компьютер читал написанные от руки адреса на конвертах – очевидно важная задача для таких организаций, как Почтовая служба США. Итак, например, мы хотим научить машину распознавать букву e. Сделать мы это можем следующим образом: написать букву e на листе бумаги, а затем заставить компьютер наложить на эту надпись электронную сетку. Каждый квадратик этой сетки – на техническом языке он называется элементом изображения или пикселем – будет либо пустым (если при печати в этот квадратик краска не попала), либо черным (если квадратик заполнен краской), либо промежуточным между первым и вторым (если приходится на край буквы). Таким образом, компьютер сможет преобразовать изображение буквы на бумаге в цепочку чисел, каждое из которых будет описывать наполнение каждого отдельного пикселя.

После того как компьютер «прочел» ряд светлых и темных пикселей и в соответствии с введенным в него алгоритмом принял решение, соответствует ли эта последовательность кодов букве e, кто‐то (или что‐то) говорит ему, выполнил ли он идентификацию буквы правильно. В общем случае этот процесс повторяется с множеством листов бумаги, на каждом из которых напечатаны самые разные буквы e – рукописная, печатная, курсивом, готическим шрифтом и так далее, – и каждый раз тот же алгоритм решает, присутствует ли на бумаге буква e. В конечном счете компьютер примет правильное решение в определенном проценте от общего числа случаев. Допустим, например, что исходный процент правильных отождествлений (при первом просмотре) составил 70 % – то есть алгоритм правильно отождествил букву e на 70 листах из каждых ста просмотренных. Теперь компьютер начинает совершенствовать свой алгоритм. Он может, например, изменить значимость, которую он присваивает отдельным пикселям, считая менее важными пиксели, расположенные вблизи краев листа. Затем весь процесс повторяется заново. Если процент успешных отождествлений вырос, компьютер сохраняет внесенные в алгоритм изменения; если нет, возвращается к исходным установкам. В любом случае компьютер будет продолжать вносить в алгоритм различные изменения, всегда сохраняя те, которые приводят к увеличению процента верных отождествлений. В конце концов система достигнет наивысшего процента успешных ответов, и в этой точке мы можем сказать, что она стала «тренированной».

В процессы такого вида можно вносить также множество разнообразных «примочек». Например, машина может смешивать инструкции из разных программ – по сути, «выводить скрещиванием» новые алгоритмы. Самые удачные из них затем снова скрещиваются для выведения еще более эффективных программ – так возникает некий причудливый аналог биологического естественного отбора. Этот так называемый метод эволюционного алгоритма – всего лишь один из примеров построения программы AI, искусственного интеллекта.

За последние годы описанный вид примитивного процесса тренинга AI был усовершенствован настолько, что машины теперь учатся производить очень сложные операции – например, распознавать человеческие лица или управлять беспилотным автомобилем. В литературе снова и снова поднимаются вопросы о значимости этих новоприобретенных способностей компьютера для повседневной жизни человечества и для рынка труда в будущем. Для наших целей, однако, более всех остальных важен один аспект AI: после того как программа начала процесс тренинга, никакие инструкции со стороны человека ей больше не нужны. Фактически, в случае сложных программ людям почти наверняка не удастся даже узнать, что именно сделала машина с исходной программой. Программа, таким образом, превращается в настоящий «черный ящик». Этот аспект AI породил область знаний, которую можно назвать компьютерной психологией и которая сводится к попыткам человека понять, как именно машина пришла к своему конечному результату.

Именно выход процесса модификации алгоритмов из‐под контроля человека и за пределы человеческого понимания и дал начало понятию искусственной жизни. Кроме того, эта потеря контроля порождает в человеческом разуме антиутопические картины грядущего господства компьютеров, обычно принимающих форму роботов. Особенно часто подобные предположения начинают звучать, когда речь заходит о технической сингулярности – упомянутой выше точке, в которой компьютеры становятся настолько же «разумны», как люди, и приобретают способность самосовершенствоваться без участия человека.

Однако, если отвлечься от сопровождающего эти разговоры нездорового возбуждения, станет ясно, что все страхи по поводу сингулярности крутятся вокруг одного предположения: существует нечто, называемое разумом, и как только машины приобретут его в достаточном количестве, они сделаются механическими версиями людей. Это предположение, в свою очередь, опирается на другое (обычно негласное): что человеческий мозг есть не более чем необычайно совершенный компьютер. Доводами за и против этого тезиса пестрит множество книг и научных журналов. Например, в своей книге «Новый ум короля» физик‐теоретик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз погружается в глубины абстракций современной математики, чтобы доказать, что человеческий мозг способен выполнять операции, которые компьютеру недоступны в принципе.

Итак, зафиксируем основные различия между человеческим мозгом и компьютером (более подробно мы их обсудим чуть ниже):

• Мозг легко делает то, что с трудом дается компьютеру, и наоборот.

• Скорость работы нейронов измеряется в миллисекундах, транзисторов – в наносекундах, то есть транзисторы в миллион раз быстрее.

• У мозга наличествуют электрические и химические механизмы управления; у компьютера – только электрические.

Человеческий мозг силен в решении таких задач, как распознавание образов и оценка контекста высказываний – то есть именно тех, где компьютеры становятся в тупик. С другой стороны, где‐то существует компьютер, который знает по именам всех, кто завтра должен лететь рейсами United Airlines, – и с этой задачей не справится ни один человек. Мозг и компьютер имеют довольно разные сильные стороны. В результате они прекрасно работают вместе.

Основной рабочий элемент мозга – нейрон, основной рабочий элемент компьютера – транзистор. Обычный нейрон получает сигналы от других нейронов и каким‐то образом – как именно, мы, по правде говоря, не понимаем – решает, посылать ли ему самому сигнал соседним нейронам. На все это, включая очистку для дальнейших действий у нейрона уходит примерно миллисекунда. Современные транзисторы включаются и выключаются как минимум в миллион раз быстрее. Конечно, по человеческим стандартам фантастически быстро происходит и то и другое – но здесь мы просто приведем пример, позволяющий в полной мере осознать различие между одним и другим. Допустим, человек A (изображающий транзистор) может выполнить определенное задание за день. Допустим, человек B (нейрон) тоже может выполнить то же задание, но в миллион раз медленнее. Пусть человек A начал выполнять свое задание 24 часа назад. Вопрос: когда человек B должен был начать выполнять свое задание, чтобы закончить его одновременно с A? Ответ: за 770 лет до н. э., за несколько столетий до того, как в древнегреческих Афинах были сформулированы законы логики.

Отметим, наконец, что эндокринная система человека способна производить множество химических веществ, которые оказывают огромное воздействие на функционирование мозга. Представьте, например, что вы идете сдавать трудный экзамен сразу после разрыва с вашим женихом или невестой. (Будучи довольно старыми профессорами, мы оба можем засвидетельствовать, что такие вещи случаются намного чаще, чем вы думаете.) Так что, хотя и мозг, и компьютер имеют в своем составе системы, работающие на основе электрических импульсов, у мозга есть еще и химические рычаги управления.

Общий вывод из наших рассуждений таков: мы не можем рассматривать существующие сейчас компьютеры под тем же углом, под каким мы рассматриваем человеческий мозг. Эти две системы слишком уж различны. Это не значит, что, по нашему мнению, никому и никогда не удастся построить компьютер, достаточно сложный для того, чтобы его можно было бы счесть живым и разумным. Это далеко не так. Просто, если бы такой компьютер был построен, он не был бы представителем «Человечества 2.0», но имел бы совершенно иной вид разума, совершенно отличный от нашего. И хотя мы не можем даже приблизительно представить себе, на что такой разум мог бы походить, мы счастливы присоединиться к легиону писателей‐фантастов, которые рисуют роботизированные компьютеры будущего лишенными человеческих эмоций. Этот вывод, похоже, логически вытекает из отсутствия у компьютеров какого бы то ни было эквивалента эндокринной системы, которая может стать – а может и не стать – составной частью высокоразвитых машин будущего.

Будет ли развитие «сознательных» компьютеров означать конец человечества? В настоящий момент это один из самых распространенных апокалиптических сценариев. Большинство подобных антиутопий предполагают, что в какой‐то момент развития техники совершенные компьютеры достигнут технической сингулярности, станут разумными и поймут, как усовершенствовать свою конструкцию. Люди при этом, как мы уже говорили выше, этих изменений могут до какого‐то момента не замечать вовсе. Однако начиная с этого момента, как говорится во всех этих сценариях, машины начнут совершенствоваться с головокружительной скоростью, быстро выйдут из‐под контроля людей и погубят своих создателей. Мы можем назвать такой вариант развития событий «сценарием ученика чародея».

Наш любимый сценарий такого рода принадлежит философу из Оксфордского университета Нику Бострому и известен как «Вселенная скрепок». Допустим, что был создан искусственный интеллект, чья единственная функция – добывать материал из окружающей среды и превращать его в скрепки для бумаги. Он совершенствует себя до такой степени, что выходит из‐под контроля человека – и в конечном счете превращает в скрепки всю Вселенную, включая и создавшее его человечество. Важно понимать, что этот сценарий не подразумевает со стороны искусственного интеллекта никаких эмоций. Машина ни к кому не испытывает ненависти – просто‐напросто вы состоите из атомов, которые должны быть превращены в скрепки.

Как и большинство людей, мы любим фильмы‐катастрофы. С другой стороны, нам трудно заставить себя относиться к таким сценариям достаточно серьезно. В конце концов, они требуют от нас, чтобы мы поверили в существ, которые так далеко зашли по пути развития техники, что способны создать совершенные AI-машины, но при этом им не хватило ума предусмотреть в конструкции этих машин кнопку «ВЫКЛ».

Еще одна любопытная вариация на тему искусственного интеллекта – машина фон Неймана. Она названа в честь американского математика венгерского происхождения Джона фон Неймана (1903–1957). Говоря современным языком, машина фон Неймана – это робот, управляемый искусственным интеллектом и способный контролировать строительство собственных копий. Идея состоит в том, что посылка флотилии таких машин к какой‐нибудь экзопланете могла бы обойтись относительно дешево: им бы не требовалось мер по жизнеобеспечению. При этом как только хотя бы несколько таких машин высадится на планету, они тут же могут начать поиски залежей минералов и других материалов, необходимых для создания отрядов роботов, а те, в свою очередь, примутся строить инфраструктуру для колонистов (людей или, по крайней мере, каких‐либо углеродных существ). Когда роботы выполнят свою задачу, на планету прибудут колонисты. (Если исходить из предположения, что никаких способов передвижения со сверхсветовой скоростью открыто не будет, колонисты, которые к тому времени уже вылетели отдельным рейсом, проведут свое долгое межзвездное путешествие в состоянии анабиоза – а может, на планету прилетят далекие потомки людей, которые взошли на борт космического корабля десятилетия или даже столетия назад.) Оказавшись на экзопланете, люди, вероятно, отправят в космос очередную флотилию машин фон Неймана, чтобы начать заселение следующего подходящего мира. Или, как вариант, машины фон Неймана могут быть запрограммированы на то, чтобы выполнить последний шаг самостоятельно.

Ключевой нюанс здесь состоит в том, что, как только процесс фон Неймана начат, он будет продолжаться до своего завершения независимо от того, будут ли те, кто этот процесс запустил, живы или нет. Однако существам в родительском мире без сверхсветовых путешествий после завершения первых нескольких итераций процесса будет непросто получить какую‐либо информацию с переднего края колонизации. Назовем эту ситуацию «волной фон Неймана» – волной роботов, распространяющейся по Галактике, оставляя на своем пути выстроенные ими колонии. Теоретические вычисления показывают, что волна фон Неймана может обойти весь Млечный Путь за несколько десятков миллионов лет. Хотя в масштабах человеческой жизни это довольно длинный промежуток, для Вселенной несколько миллионов лет – не более чем мгновение ока. Если воспользоваться приемом, который мы уже применяли в этой книге, и сжать всю историю Вселенной в один год, волна фон Неймана обойдет Галактику за один‐два дня.

Один из вариантов формулировки парадокса Ферми (см. главу 9) – вопрос о том, почему машин фон Неймана до сих пор нет на Земле. Сомнительно, чтобы люди не смогли распознать роботизированные, компьютеризированные и наделенные искусственным интеллектом устройства – хотя возможно, конечно, что машины фон Неймана просто настолько продвинутые, что мы не замечаем их присутствия. Впрочем, ответить на вопрос о том, были бы они «живыми» или «сознательными», будет немного труднее. В главе 3 мы уже обсудили, насколько сложно дать определение такому с виду простому понятию, как жизнь. А определить, обладает ли существо сознанием, еще труднее! Так что, наверно, надо честно сказать, что сейчас ответа на этот вопрос не предвидится даже в первом приближении.

В 1950 году ученый‐компьютерщик Алан Тьюринг (1912–1954) предложил свой подход к вопросу наличия полноценного сознания у машин. Идея придуманного им так называемого теста Тьюринга заключается в том, что экспертная группа людей взаимодействует с кем‐то (или с чем‐то), не видя при этом, с кем (или с чем) они разговаривают. И если машине удается убедить жюри, что она человек, то считается, что она прошла тест Тьюринга. На момент написания этой книги ни одному компьютеру еще не удалось этого сделать – хотя некоторые добиваются частичного успеха: если ограничить количество обсуждаемых тем. У компьютеров, по‐видимому, вызывают трудности такие вещи, как сарказм, юмор и человеческая иррациональность. В ближайшем будущем возникновения роботов, способных пройти тест Тьюринга, не ожидается, но мы уверены, что они рано или поздно появятся. Отметим, наконец, что, по большому счету, машина, прошедшая тест Тьюринга, еще не доказывает этим, что обладает сознанием, – она просто демонстрирует свою способность обмануть людей.

В любом случае можно быть твердо уверенными, что со временем будут строиться все более мощные компьютеры, и мы не видим никаких причин, почему у каких‐то из них не сможет развиться что‐то вроде сознания. Однако, если говорить о разуме, то равно нет оснований предполагать, что их разум будет таким же, как наш. Тем не менее мы можем с некоторой уверенностью утверждать, что рано или поздно появится что‐то вроде машины, обладающей самосознанием. Эту уверенность наилучшим образом выражает перефразированное высказывание пионера компьютерной науки Дэнни Хиллиса: «Целью человечества должно быть создание машин, которые будут нами гордиться».

Вполне возможно, что высокоразвитые технологические цивилизации на экзопланетах могут исходить из того же тезиса.

Майк и Джим

Майк: А может, и нет.

Джим: Интересный вопрос.

17

Открытые вопросы

В науке прекрасно то, что вопросы в ней никогда не кончаются. На протяжении всей этой книги мы наблюдали, как из новых открытий возникают все новые проблемы и задачи, которые еще только предстоит решить. И для начала этой, последней, главы, в которой обсуждаются нерешенные проблемы, очень хорошо подходят строки персидского мыслителя и поэта Омара Хайяма (1048–1131) из его книги «Рубаи»:

Дверь, от которой ключ не подобрать:

Покров тяжелый – света не видать…

Если история науки чему‐то нас учит, то вот чему она учит: появление новых инструментов, новых способов измерений или наблюдений открывает прежде запертые двери. Поэтому мы можем начать наше обсуждение с разговора о ряде инструментов, которые должны появиться в скором будущем, и о том, на какие главные вопросы они, возможно, помогут нам ответить. После чего обратимся к некоторым новым проблемам, которые появились в ходе наших исследований экзопланет.

Новые инструменты для старых поисков

Марс 2020

Летом 2020 года космический корабль взлетит с Земли и направится к Марсу, куда прибудет в начале 2021‐го. Его груз – марсоход следующего поколения. Этот самоходный аппарат размером с автомобиль сейчас носит условное название «Марс 2020», хотя мы уверены, что прежде, чем он приземлится на Марсе, NASA придумает для него более запоминающееся название. Его конструкция во многом заимствована у феноменально успешного марсохода «Любопытство» (Curiosity), который катается по поверхности Красной планеты с 2012 года.

Напомним, что в главе 5 мы потратили много времени на рассказы о долгих и яростных спорах о существовании жизни на Марсе – и в наши дни, и в прошлом. Инструментальная «начинка» «Марса 2020» укомплектована именно с прицелом на разрешение этого вопроса. В нее входят, например, приборы, способные на расстоянии регистрировать органические вещества в минералах – хотя мы не должны забывать, что «органические» молекулы совсем не обязательно являются следствием жизнедеятельности организмов. Тем не менее реализация этих новых возможностей будет занимать важное место в исследовательской программе марсохода.

Если говорить о техническом оснащении, у нового марсохода усилены колеса – марсианские камни повредили алюминиевые «шины» его предшественника Curiosity, что ограничило свободу его движения. Вдобавок, Марс 2020 будет первым марсоходом, оснащенным независимым разведчиком: небольшой дрон, оборудованный камерами, будет лететь перед марсоходом по траектории его движения и корректировать эту траекторию в случае необходимости. Предполагается, что это позволит вездеходу ехать гораздо быстрее – марсоходу Curiosity приходится ждать, пока его маршрут будет проверен операторами с Земли.

С нашей точки зрения, однако, наиболее важная научная функция нового аппарата состоит в том, что «Марс 2020» будет распознавать и фиксировать положение камней и минералов, образованных под воздействием воды, – они могут хранить химические следы живых организмов, существовавших на заре истории планеты. Эти образцы будут помещены в укрытия на поверхности Марса, а миссии, которые прибудут на Марс вслед за «Марсом 2020», соберут их и доставят на Землю. В соответствии с текущими планами исследования их могут привезти уже в 2026 году. Спускаемый аппарат соберет эти образцы и доставит их на орбиту вокруг Марса; затем они будут переправлены на другой космический корабль и перенесены на Землю или, возможно, на окололунную орбиту.

Вполне можно предположить, что если в результате будут найдены химические «окаменелости» – или, возможно, даже следы ископаемых клеток, – то уже к будущему десятилетию долгие дебаты о жизни на Марсе могут прийти к завершению. Ну а если таких свидетельств не обнаружится, нынешние бесплодные дискуссии, несомненно, продолжатся.

Хотя доказательство существования жизни на Марсе – в настоящем или в прошлом – было бы крупнейшим научным открытием, программа работ марсохода «Марс 2020» включает и другие задачи, которые, по нашим оценкам, могли бы иметь гораздо большее значение для будущего человечества. Например, вездеход оборудован набором метеорологических приборов. Это знаменует начало серьезного изучения марсианской погоды, и мы надеемся, что оно приведет к пониманию климатических закономерностей, с которыми столкнутся на Марсе будущие земные колонисты. Предусмотрена также серия инженерных экспериментов по извлечению кислорода из марсианской атмосферы. Атмосфера Марса тонкая и разреженная, но состоит она в основном из углекислого газа – значит, в ней довольно много кислорода, и надо только разобраться, как его извлечь. И если мы добьемся успеха в этом предприятии, мы получим кислород не только для систем жизнеобеспечения, но и для окисления ракетного топлива. Короче говоря, эти технические разработки, возможно, станут первым шагом человечества на пути к тому, чтобы сделаться межзвездной цивилизацией.

Космический телескоп Джеймса Уэбба

Космический телескоп Хаббла (HST), увы, не вечен. С момента его запуска в 1990 году к нему уже пять раз отправляли команды астронавтов для проведения модернизации. В последний раз это произошло в 2009 году, и новых экспедиций не планируется, так что в следующем десятилетии телескоп, вероятно, прекратит свою работу. Нам будет грустно с ним прощаться: с тех самых пор, как в XVII веке Галилей впервые направил свою усовершенствованную подзорную трубу в небо, HST стал, безусловно, самым продуктивным телескопом в истории. Но огорчаться не надо – смена ему уже на подходе. В 2021 году NASA запустит Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). (Напомним: Джеймс Уэбб (1906–1992) был директором NASA в 1960‐х. Это десятилетие стало звездным часом возглавляемой им организации – корабли серии «Аполлон» доставили людей на Луну.)

Однако прежде, чем обсуждать характеристики нового телескопа, давайте обратим внимание на, быть может, самый необычный аспект миссии JWST – орбиту, на которую он будет выведен. Телескоп HST обращается вокруг Земли на высоте в несколько сот километров от ее поверхности – потому астронавты могли периодически навещать его для технического обслуживания и ремонта. А вот JWST будет размещен в так называемой второй точке Лагранжа системы Земля-Солнце, на расстоянии в 1,5 миллиона километров от Земли по направлению от Солнца. Позже мы еще поговорим поподробнее о том, что это на самом деле значит, но уже сейчас надо отметить: теперь никакие астронавты до орбиты телескопа добраться не смогут! Это значит, что все должно работать идеально с самого начала. Ошибка будет непоправимой. Представьте, какую ответственность должны чувствовать инженеры!

Точки Лагранжа в астрономической системе названы в честь французского физика и математика Жозефа-Луи Лагранжа (1736–1813). Это положения, в которых суммарная гравитационная сила, действующая на объект со стороны двух тел (в данном случае Земли и Солнца), в точности уравновешивает центробежную силу, возникающую при движении объекта по орбите. Это позволяет объекту неопределенно долго оставаться в одном и том же месте по отношению к двум основным телам системы. И хотя телескоп JWST будет дальше от Солнца, чем Земля, его положение будет отрегулировано так, что он будет совершать по своей орбите оборот вокруг Солнца ровно за год, как и Земля. (Техническое замечание: на деле JWST будет описывать орбиту вокруг второй точки Лагранжа, а не находиться в ней самой.)

Телескоп JWST – чудо современной техники. Его главное зеркало составлено из 18 шестиугольных блоков – сегментов из покрытого золотом бериллия, каждый из которых весит около 21 кг. Бериллий – легкий и прочный металл, а золото хорошо отражает инфракрасное излучение, к чему мы вскоре еще вернемся. В сборке главное зеркало будет иметь диаметр более 6,5 м. (Для сравнения: главное зеркало HST имеет диаметр почти 2,4 м.) Зеркало такого размера в ракету не поместится; поэтому перед запуском оно будет сложено и раскроется, только когда телескоп достигнет точки Лагранжа. Разрабатывая процедуры складывания и разворачивания зеркала, инженеры NASA пользовались японским искусством оригами.

В отличие от HST, JWST предназначен для регистрации инфракрасного излучения, длины волн которого больше, чем у видимого красного света. Как мы уже говорили, все тела с температурой выше абсолютного нуля излучают какой‐нибудь вид электромагнитных волн. Это обстоятельство создает для инженеров, проектирующих инфракрасный телескоп, специфическую проблему. В простейшей формулировке она звучит так: как избежать регистрации телескопом своего собственного излучения? Ведь его температура выше абсолютного нуля, так что нам придется вылавливать инфракрасные сигналы космических тел из «дымки», создаваемой излучением самого инструмента. Обычно с этой проблемой справляются, понижая температуру телескопа, чтобы испускаемое им самим излучение имело большую длину волны, чем та, которую способны регистрировать его инструменты. Инфракрасные космические телескопы обычно имеют запас жидкого гелия для охлаждения инструмента. (Для справки: температура жидкого гелия около 4 градусов выше абсолютного нуля: −270 °C.) Когда запас гелия кончается – как правило, через несколько лет, – охлаждать инструмент становится нечем.

Очевидно, что подобное лобовое инженерное решение для JWST не подходит – его запас топлива рассчитан на удержание его на орбите вокруг точки Лагранжа в течение 10 лет, а на такой срок никакого охладителя не напасешься. Поддерживать низкую температуру JWST будет сложная конструкция, называемая солнцезащитным экраном. В полностью развернутом виде этот экран, состоящий из пяти слоев покрытой алюминием пленки, будет иметь размер теннисного корта. Идея в том, что экран будет как отражать тепло от внешних источников – Солнца и Земли, – так и отводить тепло, генерируемое самим телескопом, в результате поддерживая вокруг телескопа низкую температуру. При солнцезащитном экране, работающем в полную силу, телескоп будет сохранять достаточно низкую температуру, чтобы не позволить своему собственному излучению вносить искажения в данные, получаемые из космоса. Как и главное зеркало телескопа, солнцезащитный экран будет развернут, когда JWST прибудет в пункт назначения. Заметим, кстати, что разрыв экрана в ходе его тестового развертывания в 2017 году привел к переносу даты запуска JWST на год.

Что же мы сможем узнать о жизни на экзопланетах, когда JWST будет успешно запущен и доставлен в точку Лагранжа? Главные преимущества этого инструмента таковы: во‐первых, это высокое угловое разрешение, обеспечиваемое большим диаметром главного зеркала, и, во‐вторых, его способность регистрировать излучение на длинных инфракрасных волнах. Эти особенности позволят телескопу искать в инфракрасных спектрах атмосфер экзопланет линии поглощения определенных молекул, наличие которых может быть связано с присутствием на планете жизни – мы говорили об этом в главе 5. В некоторых случаях JWST, возможно, удастся даже получить прямые изображения экзопланет; в основном же он будет наблюдать их методом транзитов, который мы уже описывали. Вопрос о том, удастся ли превратить эти данные в однозначные выводы о присутствии жизни, ответа, по нашему мнению, в обозримом будущем не получит.

И, если уж мы говорим о новых телескопах, стоит упомянуть также специализированные космические телескопы для подробного наблюдения транзитов близлежащих экзопланет – TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), запущенный NASA в 2018 году, и CHEOPS (CHaracterising Exoplanet Satellite), запуск которого запланирован Европейским космическим агентством на 2019 год).

SETI

Поиски внеземного разума (аббревиатура SETI расшифровывается как Search for Extra-Terrestrial Intelligence) идут уже давно. Начались они в конце 1950‐х, когда ученые осознали, что новые радиотелескопы теоретически позволяют нам регистрировать радиосигналы от других технологических цивилизаций в нашей Галактике – при том условии, конечно, что такие сигналы вообще существуют. С тех пор эти поиски продолжаются – иногда при поддержке правительства, но чаще без нее.

Исходные доводы в пользу запуска программы SETI основывались на уровне техники середины XX столетия, когда радио- и телевизионные сигналы беспорядочно транслировались во всех направлениях, в том числе и в космическое пространство. Отсюда у ученых возникла идея, что и мы могли бы «подслушать» подобные трансляции с других планет. Или, в другом варианте развития событий, кто‐то на этих планетах, возможно, уже пытается установить с нами контакт, и тогда радиотелескопы позволят нам «снять трубку».

Лучшая аналогия того, как работает проект SETI, – поиск конкретной радиостанции в незнакомом городе: вы настраиваетесь на одну частоту, слушаете, переходите на другую… Похожим образом, зондируя по программе SETI определенную звезду или планетную систему, вы должны шаг за шагом просмотреть весь радиочастотный спектр. Иногда ученые выдвигают предположение, что инопланетяне будут выбирать для связи какие‐то особенные частоты (популярное предложение – линия нейтрального водорода с длиной волны 21 сантиметр), а значит, мы должны слушать космос только на этих конкретных частотах. Конечно, если вы оставляете для поиска меньше частот, искать становится проще, но и уверенность в том, что вы получили однозначно отрицательный результат, падает: вы не можете сказать точно, то ли сигнала вообще нет, то ли он есть, но не на той частоте, которую вы прослушиваете. Кроме того, технический прогресс на Земле показал, что стратегия «подслушивания» имеет один серьезный изъян. На заре SETI казалось, что, если технологическая цивилизация достигла точки появления радиотрансляции, она будет продолжать двигаться в этом направлении очень долго – тысячи или даже миллионы лет. Но на деле на Земле прогресс пошел по другому пути: вместо того чтобы посылать сигналы в пространство, люди стали все чаще и чаще осуществлять связь через волоконно‐оптические кабели и спутники. Таким образом, активность, с которой мы транслируем в космос радиоволны, за последние 30 лет значительно уменьшилась. Соответственно, мы подозреваем, что инопланетяне тоже будут излучать в пространство «подслушиваемые» сигналы лишь в течение очень короткого отрезка в истории своего развития – по сути, ровно столько, сколько их технике потребуется, чтобы перейти от радиотрансляций к волоконной оптике.

Мы можем подвести итог полувекового существования программы SETI одной короткой фразой: мы не зарегистрировали каких‐либо однозначно идентифицируемых сигналов от внеземной цивилизации. Объяснение так называемого Великого Молчания остается одной из главных задач современной науки. Отметим также, что решить, имеет ли данный сигнал естественное происхождение или отправлен разумными существами, не всегда просто. Например, когда впервые были зарегистрированы сигналы пульсаров, астрономы, которые их обнаружили, назвали эти регулярно повторяющиеся радиоимпульсы «LGM-1», где аббревиатура расшифровывалась как «маленькие зеленые человечки» («little green men»).

Ключевые научные вопросы

На какие вопросы мы захотим ответить в первую очередь, получив технические возможности, появления которых мы ждем в предстоящие несколько десятилетий? Приведем неполный список таких вопросов, а также областей, в которых мы ожидаем активных исследований.

Что такое жизнь?

В главе 3 мы поговорили о том, как трудно определить, что такое жизнь, даже при условии, что мы ограничиваем наши усилия собственной планетой. Если же мы собираемся отправиться на поиски жизни в космосе, мы должны как минимум руководствоваться каким‐то более или менее ясным представлением о том, что конкретно мы ищем. Эта проблема лежит на стыке науки и философии. Например, определение биологической жизни может базироваться на присутствии сложных биомолекул, а небиологической – на сложности составляющих ее структур.

Что значат слова «планета пригодна для обитания»?

Концепция зоны обитания, определяемой устойчивым существованием жидкой воды на поверхности планеты, устарела. Новое определение должно включать вероятность того, что жизнь может зародиться под землей или в океанах подо льдом, а также на поверхности или в недрах спутников планет, как мы видели в главе 7 на примере Европы. Кроме того, мы почти ничего не знаем об условиях, необходимых для появления неорганической жизни – для этого явления тоже должно быть выработано понятие зоны обитаемости.

Как мы можем зарегистрировать наличие жизни на экзопланетах?

В главе 5 мы обсуждали трудности поиска несомненных свидетельств жизни на других планетах, даже на Марсе, который находится в нашей Солнечной системе и по поверхности которого уже ездят марсоходы. Что же говорить о по‐настоящему далеких планетах вне пределов Солнечной системы? Ни один из телескопов, ввод которых в эксплуатацию ожидается в следующем десятилетии, не позволит нам выполнить измерения, которые могли бы однозначно ответить на вопрос о существовании жизни на этих планетах – хотя эти телескопы, конечно, обеспечат нас более точными данными. Более того, могут ли вообще существовать измерения, которые мы могли бы выполнить, чтобы наконец решить эту проблему?

Как мы можем разыскать высокоразвитые цивилизации на экзопланетах?

Обнаружение инопланетных цивилизаций – классическая ситуация типа «есть две новости, хорошая и плохая». Все упирается в то, насколько они высокоразвиты. Как мы только что обсудили, случайные утечки радиоизлучения в космос при трансляциях имеют тенденцию прекращаться, как только цивилизация изобретает волоконную оптику. Подобным же образом промышленное загрязнение, пропитывающее земную атмосферу (и легко обнаружимое с космических расстояний), у более высокоразвитых цивилизаций может полностью отсутствовать. Другими словами, если такая цивилизация не хочет, чтобы ее обнаружили, мы, вероятно, о ней и не узнаем.

С другой стороны, если кто‐то захочет послать нам сигнал, вероятно, этот сигнал будет трудно не заметить. Мечта специалиста из проекта SETI – что это будет легко расшифровываемое сообщение, в котором инопланетяне расскажут о себе.

Какие у нас есть способы регистрировать бродячие планеты?

Так как бродячих планет, вероятно, значительно больше, чем тех, что обращаются вокруг звезд, для их регистрации предстоит разработать какие‐то специальные методы. Скорее всего, для этого будет построен специализированный инфракрасный телескоп, который, как и JWST, будет размещен в точке Лагранжа.

Какие вычисления предстоит выполнить?

В дополнение к уже перечисленным выше задачам, мы можем предположить, что в ближайшие годы необходимо будет выполнить также некоторые серьезные вычисления, а именно:

• Какова метеорологическая ситуация на планетах, находящихся в состоянии приливного захвата? При каких условиях на таких планетах следует ожидать зарождения жизни в зоне терминатора или где‐то еще?

• Насколько интенсивными могут быть мощные вспышки и выбросы массы на красных карликах и как они способны повлиять на обитаемость и развитие жизни на планетах вокруг этих звезд?

• Как будут вести себя вода и лед при давлении, которое мы предположительно встретим в водных мирах, в особенности тех, где есть очень глубокие океаны?

• Как влияет присутствие многочисленных соседних звезд – ситуация, которую мы видим вблизи центра Галактики, – на развитие жизни?

Это, конечно, лишь часть общего списка открытых вопросов. Но одно мы знаем точно: когда на какие‐то из них найдутся ответы, место этих вопросов тут же займут новые.

Мы в безопасности?

Мы уже много раз подчеркивали, что околозвездное пространство – место для жизни очень опасное. И одна из самых серьезных опасностей – это астероиды. Столкнувшись с планетой, они могут угрожать всей существующей на ней жизни или даже уничтожить ее целиком. Представление о масштабе этой угрозы дает история столкновений с астероидами нашей собственной планеты. Давайте же вспомним некоторые из них.

15 февраля 2013 года

В этот день ясным зимним утром на скорости около 20 км/с в атмосферу Земли вошел камень весом в 11 000 тонн и величиной с шестиэтажный дом, несколько миллиардов лет перед этим странствовавший по Солнечной системе. Интенсивный разогрев, вызванный трением в атмосфере, создал в массе камня критические напряжения, и он взорвался в воздухе на высоте около 20 км над сибирским городом Челябинском. Согласно оценкам ученых, энергия этого взрыва была эквивалентна 20–30 атомным бомбам, сброшенным на Японию во время Второй мировой войны. В окрестностях от взрыва пострадало более 7000 домов – в основном в них вылетели оконные стекла. К счастью, обошлось без жертв, но более 1500 человек получили травмы – главным образом, порезы осколками стекла.

Но у этого события было и положительное следствие: в интернете завязалась интенсивная торговля обломками метеорита в мировом масштабе.

30 июня 1908 года

В этот день в атмосферу над сибирской рекой Тунгуской вошел камень размером с 20‐этажный дом. Как и его меньший собрат, прилетевший 100 лет спустя, он взорвался в воздухе под воздействием критических напряжений, вызванных энергией трения. Невероятной силы взрыв – примерно в 1000 раз мощнее атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму, – повалил деревья в радиусе более 16 км от эпицентра. Однако, поскольку все это случилось в безлюдной местности, не было ни жертв, ни пострадавших, и всего несколько очевидцев. Только в 1927 году советские ученые сумели добраться до места падения и начали исследование самого метеорита.

47 000 до н. э

Еще один метеорит – на этот раз поперечником почти 160 м, то есть с 50‐этажный дом, – вошел в атмосферу над нынешним штатом Аризона за 47 000 лет до нашей эры. У ученых существуют разногласия по поводу его скорости: то ли она составляла 20, то ли «всего» 12 км/с, но, так или иначе, он двигался очень быстро. Метеорит, вероятно, содержал много железа, поэтому, в отличие от двух описанных выше объектов, он оказался устойчивее к напряжениям и достиг поверхности. Он зарылся в почву, и его энергия перешла в тепло, испарив окрестные камни и половину массы самого метеорита. Высвобождение энергии произошло в форме взрыва, на месте которого остался кратер глубиной с 60‐этажный дом. Теперь этот кратер – одна из главных туристических достопримечательностей Северной Аризоны.

Сегодня он называется кратером Бэрринджера в честь американского геолога Дэниела Бэрринджера (1860–1929), который первым осознал, что это образование – результат столкновения с внеземным объектом. Отметим, кстати, забавный факт: несмотря на многочисленные и надежные свидетельства очевидцев, на протяжении большей части задокументированной истории человечества ученые просто отказывались верить, что такие объекты, как метеориты, способны падать с неба. Вот один пример: после падения в 1807 году метеорита в Коннектикуте Томас Джефферсон – помимо прочих своих достоинств, он был еще и высококвалифицированным ученым – сказал: «Проще поверить, что два профессора‐янки врут, чем признать, что камни могут падать с небес». Некоторые исследователи считают, что такая позиция – реакция на народные предания, в которых с неба может сыпаться все, что угодно, от крови до лягушек.

Во всяком случае, с 1803 года, когда во Франции, вблизи нормандского городка Л’Эгль, прошел метеоритный дождь примерно из 3000 метеоритов, такие настроения начали сходить на нет. Французский ученый Жан-Батист Био (1774–1862) приехал в город, чтобы заняться исследованиями этого случая. Он установил, что камни и вправду падали с неба и что они как в химическом, так и в физическом отношении сильно отличались от обычных камней в этой местности. Мы не знаем, слышал ли об этой истории Джефферсон – он в это время разруливал последствия «луизианской покупки», – но думаем, что, если бы она до него дошла, ему пришлось бы изменить свое мнение о напускающих туману профессорах‐янки.

65 000 000 до н. э

Был обычный день мелового периода в той области Земли, которую мы теперь называем полуостровом Юкатан. Тамошние динозавры спокойно занимались тем, чем полагается заниматься динозаврам. Вдруг небо прорезала гигантская огненная полоса, а потом землю сотряс взрыв невероятной силы. Динозавры так ничего и не поняли, но в этот день их нахождению на вершине пищевой цепочки планеты настал конец.

Причина заключалась в том, что с Землей столкнулся астероид диаметром в 12 км. Вообще‐то он падал на Солнце, а наша планета просто случайно оказалась у него на пути. Пылающая масса пронеслась сквозь земную атмосферу и толщу океана, как будто их вовсе не существовало, и зарылась в толщу земной коры, образовав кратер поперечником более 160 км. Сейчас поблизости от него расположен город Чиксулуб. Результаты этого события были поистине катастрофическими. Пыль и обломки почвы были выброшены из кратера на огромную высоту и образовали в верхней атмосфере плотный слой, на несколько лет погрузивший всю планету во тьму. По всему земному шару прокатились гигантские цунами и обширные лесные пожары; на большей части Западного полушария выпали едкие кислотные дожди. А после того, как пыль улеглась, динозавры, до этого царствовавшие над миром сотни миллионов лет, исчезли. Освободившуюся сцену заняли млекопитающие – и в том числе вид Homo sapiens.

Земля движется в космическом пространстве, наполненном обломками процесса образования планет, и время от времени какие‐то из этих обломков с ней сталкиваются. За счет этих столкновений Земля каждые сутки увеличивает свою массу примерно на 40 тонн. Столкновения могут быть вполне безобидными – в этих случаях мы видим на небе «падающие звезды». Но случаются и поистине катастрофические, как то, из‐за которого вымерли динозавры. В целом, промежуток между столкновениями тем дольше, чем больше масса падающего на Землю тела. Современные оценки таковы: «событие, вызывающее вымирание» (на научном сленге такие события называются «Элли», от английской аббревиатуры ELE, «extinction-level event») случается в среднем раз в 100 миллионов лет.

Авторы книги в принципе, как уже говорили выше, разделяют общее пристрастие к фильмам‐катастрофам. Но все же мы должны сказать, что голливудские стандарты изображения падающего астероида совершенно нереалистичны. Океаны покрывают три четверти земной поверхности, а на долю городов приходится меньше одного ее процента. Поэтому вероятность падения астероида на город довольно маленькая, а уж шанс, что метеорит попадет в нью‐йоркский небоскреб «Крайслер» (по какой‐то причине это излюбленная мишень голливудских киноделов), практически нулевой. Тем не менее столкновение с крупным объектом, в зависимости от его размера, может привести к серьезным неприятностям – от разрушений регионального масштаба (как в случае астероида, оставившего на Земле кратер Бэрринджера) до исчезновения с лица Земли большей части живых существ, включая Homo sapiens.

Принимая во внимание серьезность этих рисков, мы должны задаться двумя вопросами:

1. Существует ли астероид, которому суждено нас уничтожить?

2. Если да, что мы можем сделать?

Из приведенного выше перечня столкновений мы видим: чем крупнее астероид, тем больший ущерб он может нанести. К счастью, верно и другое: чем больше астероид, тем легче его обнаружить. Большинство астероидов Солнечной системы не представляют опасности: они располагаются достаточно далеко от Земли, в поясе астероидов. Время от времени, однако, столкновения между астероидами выбрасывают отдельные тела из этого пояса на орбиты, пересекающиеся с орбитой Земли. Такие объекты – они называются «астероидами, сближающимися с Землей», по‐английски «near-Earth objects», NEOs – и нужно отслеживать для выявления потенциальных угроз.

В основе метода регистрации астероидов лежит поиск объектов, движущихся по отношению к звездам, то есть светлых точек, которые меняют свое положение относительно звезд на последовательных изображениях одного и того же участка неба. Эта процедура может оказаться очень трудоемкой: на небе много объектов, характеристики которых постоянно изменяются, – взять, к примеру, хоть те же сверхновые. Когда объект идентифицирован как астероид, возникает следующая проблема: вычислить его орбиту, чтобы выяснить, может ли он столкнуться с Землей. В целом, чем дольше мы наблюдаем текущую траекторию объекта, тем точнее можем определить его будущий путь. По мере поступления новых данных предварительно рассчитанная орбита будет уточняться. Случается, что астероид, который первоначально считался угрожающим Земле, оказывается вполне безобидным (в одном из таких случаев нью‐йоркская газета вышла с заголовком «Поцелуй на прощанье свой астероид!»).

Для регистрации астероидов разработано множество проектов – большая часть из них так или иначе относится к ведению NASA. Расскажем о двух таких проектах: Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) и ATLAS (Asteroid Earth-impact Last Alert System). Как мы уже говорили в главе 11, расположенный на Гавайях комплекс Pan-STARRS состоит из телескопов и вычислительного оборудования. Он был введен в эксплуатацию в 2010 году. Большая часть времени работы системы уходит на поиск угрожающих Земле астероидов; впрочем, в результате с ее помощью на небе было обнаружено множество других переменных объектов. Комплекс ATLAS вошел в строй в 2015 году. Сейчас он состоит из двух находящихся на Гавайях телескопов, но планируется расширить его до восьми телескопов, установленных по всему миру. Главное назначение этой системы – регистрировать малые астероиды и предупреждать о возможных столкновениях с ними.

Предупреждение об астероидном ударе, даже сделанное за короткое время до события, может принести большую пользу. Например, если бы население Челябинска предупредили о падении болида хотя бы за несколько часов, люди могли бы открыть окна и двери, чтобы уравнять давление внутри зданий с внешним давлением – тогда ущерб от взрывной волны и количество людей, пострадавших от осколков, были бы меньше. Предупреждение, сделанное за несколько дней до столкновения, сравнимого по масштабу с падением Тунгусского метеорита, позволило бы эвакуировать людей из области предполагаемого удара.

Созданное в рамках NASA агентство, занимающееся отслеживанием околоземных астероидов (NEO), носит зловещее название «Управление по координации планетарной защиты» (Planetary Defense Coordination Office). К настоящему времени им открыто более 90 процентов NEO поперечником более 1 километра; следующая цель заключается в том, чтобы достичь того же уровня для NEO поперечником более 130 м. Для справки: считается, что каменные астероиды размером до 50 м сгорают в земной атмосфере полностью, не достигая поверхности. Однако, если астероид в основном состоит из металла, то до поверхности Земли могут долететь и тела гораздо меньшего размера.

Таким образом, с открытием астероидов, которые могли бы угрожать нашей планете, похоже, все в порядке. Следующий вопрос: что мы могли бы сделать, если бы узнали, что на нас устремилась по‐настоящему большая глыба? Опять‐таки, излюбленные голливудские решения не выглядят разумными. Например, ядерные бомбы, каким бы страшным оружием они нам ни казались, астероиду большого вреда бы не принесли. Причина проста: большая часть разрушений, которые ядерное оружие приносит на Земле, обусловлена ударными волнами, возникающими в атмосфере – но в космосе никакой атмосферы нет.

Нам кажется, что для защиты планеты нам предстоит придумать другие, вероятно, менее эффектные с виду способы воздействия на приближающиеся астероиды. Ключевой момент здесь состоит в том, что если описанные выше наблюдательные программы будут выполнены, то, чтобы справиться с астероидом, который, если ничего не предпринимать, столкнется с Землей и пополнит наш перечень, у нас впереди будут десятилетия или даже столетия. А значит, нет никакой нужды бомбить наш астероид в голливудском стиле. Все, что требуется, – лишь немножко его подтолкнуть, настолько, чтобы он не врезался в нашу планету, а пролетел мимо.

Сделать это можно разными способами, и мы надеемся, что за ближайшие несколько десятилетий по‐настоящему действенный способ планетарной защиты будет разработан. Ученые, например, рассматривают возможность разместить вблизи грозящего нам астероида крупный спутник, чтобы их взаимное гравитационное притяжение отклонило астероид от курса, пересекающего земную орбиту. Другие предлагают альтернативный способ: посадить космический аппарат на поверхность астероида, начать извлекать из него крупные камни и при помощи солнечной энергии выбрасывать их в космическое пространство. Каждый раз, когда камень будет покидать поверхность астероида, тот будет испытывать отдачу – не слишком большую, но достаточную для того, чтобы за много лет возникло отклонение его траектории, необходимое для предотвращения катастрофы.

Итак, ответим на вопрос, с которого мы начали это обсуждение: нет, мы не в безопасности. Астероиды действительно угрожают жизни на Земле, и наш страх вполне оправдан. Но к настоящему моменту мы далеко продвинулись в составлении каталога астероидов, которые могут угрожать Земле, и уже начинаем разрабатывать методы предотвращения крупных столкновений. Кроме того, в текущий момент и в обозримом будущем прямой угрозы столкновения нет. Будем надеяться, что такая ситуация сохранится до тех пор, пока мы не разработаем надежный способ избежать следующего столкновения.

Заключение

Что же, здесь мы завершим наше путешествие по воображаемым экзопланетам в поисках внеземной жизни, и по его итогам предлагаем нашим читателям задуматься над следующими тремя тезисами:

1. Нет сомнений, что исследования экзопланет принесут нам удивительные и неожиданные открытия.

2. В частности, для нас будет удивительным и неожиданным все, что мы узнаем о жизни на других планетах.

3. И наконец, мы не перестанем удивляться тому, что снова и снова встречаемся с неожиданным и удивительным.

Content

Джеймс Трефил, Майкл Саммерс
Воображаемая жизнь
Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных

Предисловие

1 Heожиданная галактика

Немного математики

Что это говорит нам о жизни?

2 Возможности и ограничения

Вселенная, управляемая законами

Общие правила

Принцип Коперника

3 Жизнь – что это вообще такое?

Определения на основе перечисления свойств жизни

Определения, основанные на описании жизни как процесса

Определения, сформулированные на основании законов термодинамики

Немного о технике

4 Правила игры

Как должна работать каждая живая система

Происхождение жизни на Земле

Другое происхождение, другая жизнь

Естественный отбор как инструмент эволюции

Естественный отбор повсюду

5 В поисках жизни

Есть кто-нибудь?

Марсианские хроники

Удивительная история ALH 84001

Последняя надежда – спектроскопия

Следующий шаг

6 Айсхейм – царство льда

Жизнь в морозилке

Энергия

Зарождение жизни и первые этапы эволюции

Разумная жизнь и технический прогресс

Общение и язык

Наука

Айсхеймские исследователи

Майк и Джим

7 Новая Европа

Океан подо льдом

Лингвистическое отступление

Жизнь подо льдом

Разумная жизнь и технический прогресс

Майк и Джим

8 Нептуния

Вода, вода, кругом вода

Жизнь на Нептунии

Давление

Разумная жизнь и технический прогресс

Майк и Джим

9 Планета земного типа, или «зона Златовласки»

Совсем как мы

Околозвездная зона обитания и собственно обитаемость

Какая нужна звезда

Эволюция атмосферы

Разумная жизнь и технический прогресс

Настоящие Майк и Джим

10 Нимб

Жизнь на границе света и тени

Синхронное вращение

Сумеречная зона

Круговорот кремния

Жизнь, разум и техника

Майк и Джим

11 Отшельник

Один-одинёшенек

Полуденная тьма

Жизнь, разум, и цивилизация

‘Оумуамуа

Майк и Джим

12 Громадина

Огромная тяжесть

Сверхсильная гравитация

Жизнь и выход на сушу

Техника

Майк и Джим

13 Trappist-1

Система сгрудившихся планет

Происхождение жизни

Цивилизация и техника

Майк и Джим

14 Вглядимся повнимательней

Чем дальше, тем странней

Gliese 1214b: водный мир

Кеплер-10c: сверх‐сверхземля

HD 69830: сверхземли и мегаземли

Парад странствующих миров

15 Жизнь «не как у нас»

Что, если они другие?

История кремния

Другие варианты

Чем заменить воду

16 Жизнь совсем не как у нас

Может оказаться очень необычной

Неорганическая жизнь

Искусственная жизнь

Майк и Джим

17 Открытые вопросы

Новые инструменты для старых поисков

SETI

Ключевые научные вопросы

Мы в безопасности?

Заключение