Текст книги "Все эти миры – ваши: Научные поиски внеземной жизни"

Астробиологическая дорожная карта

Мы начали эту главу парой связанных между собой вопросов: что такое внеземная жизнь и что такое жизнь земная? Мы затронули немало проблем и можем подвести некоторые итоги.

Жизнь – это совокупность связанных между собой явлений, которые мы на биохимическом уровне упростили до порядка, метаболизма и самовоспроизводства. Как астробиологам нам бы стоило направить свои усилия на поиски примитивной жизни, подобной бактериям или археям, которые преобладали в истории жизни на Земле и доминируют по массе живой материи в наше время. Наши поиски жизни в значительной степени будут основываться на идентификации биологических процессов и циклов и на исключении экзотических реакций, явно небиологических, которые могут внешне выглядеть как проявления живых существ. Возможно, нам придется последовать примеру охотников за окаменелостями, которые углубляются в архейские породы, разыскивая в них остатки ранней жизни, и сосредоточиться на поиске микроскопического клеточного порядка. Разумеется, мы понимаем, что не существует научного определителя, по которому можно было бы идентифицировать внеземную жизнь. Если мы представим себе физический образец, аккуратно изъятый из инопланетной среды дистанционным зондом или человеком, каждый новый кусок породы или горсть грунта будут становиться объектом пристального исследования для тех, кто будет искать в них следы жизни.

Жизнь на Земле возникла в результате последовательности сложных химических реакций, которым способствовали сложившиеся на ранней Земле условия: наличие жидкой воды, органических соединений и энергии. Это случилось очень рано в истории нашей планеты, в конце катархея – фактически сразу, как только на ее поверхности сложились условия, пригодные для существования живых организмов. Хотя мы до сих пор точно не знаем, как именно зародилась жизнь, пробелы в наших познаниях не так велики, чтобы вместо науки обращаться к вере. Подобно Дарвину, мы можем вообразить небольшой теплый водоем на другой планете или спутнике – в Солнечной системе или за ее пределами, – где жизнь возникла по таким же принципам. Из нашей собственной истории мы знаем, что жизнь микроорганизмов превратилась в фактор планетарного масштаба и создала химически неравновесную атмосферу, богатую кислородом, присутствие которого может служить биомаркером для отдаленных наблюдателей. В последующих главах мы обсудим, насколько приблизились к тому, чтобы самим стать этими отдаленными наблюдателями, ищущими признаки жизни на планетах за пределами Солнечной системы.

Наконец, мы зададимся вопросом, что из этого должно иметь значение для астробиолога, занимающегося поисками жизни на других планетах. Мы узнали некие принципы, характеризующие, скорее, жизнь как таковую, а не какие-то особенности земной жизни. В наших поисках мы не обязаны сосредотачиваться на жизни, похожей на земную, но теперь мы можем осознанно выбирать, что достойно стать объектом нашего внимания. И значит, нам пора оставить Землю – разумеется, с благодарностью за полученный багаж знаний – и обратить свой взгляд на Солнечную систему, теперь уже в качестве астробиологов, ищущих новые места обитания для жизни.

4 Биологическая экскурсия по солнечной системе

До возникновения астробиологии мы не задумывались, есть ли в Солнечной системе места обитания, пригодные для жизни. На сегодняшний день мы знаем только о существовании жизни на Земле, третьей планете от Солнца. Но мы выяснили, что условия, которые привели к возникновению жизни на Земле, не такие уж исключительные, как нам казалось. На ранней Земле присутствовали три основных ингредиента: энергия, вода в жидкой форме и сложные органические соединения. Четвертая особенность, благоприятствовавшая жизни, – относительная стабильность окружающей среды. Все три ингредиента присутствовали более-менее постоянно на протяжении нескольких эонов земной истории, что сделало возможным не только зарождение жизни, но и ее дальнейшее распространение и развитие.

Во время нашей экскурсии по Солнечной системе мы увидим, что эти условия встречаются не только на Земле: энергия присутствует (хотя временами в очень малых количествах) даже на большом отдалении от Солнца. Признаки жидкой воды – и достаточно убедительные – наблюдались в нескольких местах, а настоящие жидкости (в данном случае – этан и метан) были найдены непосредственно на спутнике Сатурна – Титане. И наконец, сложные органические соединения были обнаружены в разных краях Солнечной системы – на спутниках Юпитера и Сатурна, а также во время запусков зондов к кометам и астероидам.

Так можем ли мы предположить, что жизнь широко распространена в Солнечной системе и c нетерпением ожидает нашего прибытия? Это ведь «вопрос на миллион», не правда ли?{35}35
  Если бы это был вопрос на миллион долларов! Тогда для ответа на него хватило бы одного исследовательского гранта.


[Закрыть] Нам по-прежнему мало что известно о том, как природа переходит от списка заманчивых ингредиентов к жизни как таковой – даже если речь идет о Земле. Наше сегодняшнее предчувствие, что жизнь ожидает нас где-то в Солнечной системе, основывается на доскональном изучении физических условий на планетах и спутниках. Кроме того, после открытия бактерий-экстремофилов, которые существуют в условиях, ранее считавшихся непригодными для жизни, мы убедились (и находим все новые и новые подтверждения), что жизнь обладает гораздо большей выносливостью и приспособляемостью, чем нам казалось до сих пор.

В этой главе я хочу наметить план дальнейшего рассмотрения Солнечной системы. Из чего состоит Солнечная система в географическом плане, если можно так выразиться? Какие объекты могут представлять для нас особый интерес? А какие можно сразу исключить из нашего списка, поскольку жизнь там заведомо невозможна? Мы вспомним почти 60-летнюю историю освоения космоса, в ходе которой смогли поближе познакомиться с планетами и спутниками Солнечной системы. Какие сведения нам дали космические проекты? Как они достигали своих целей? На каком принципе строилась их работа? Кто за все это платит? Надеюсь, ответы на эти вопросы подготовят нас к дальнейшему продвижению в Солнечную систему. Мы определим цели для наших будущих полетов и оценим их шансы на успех.

Солнце – это раскаленный газовый шар

Во многих аспектах Солнце – это и есть наша Солнечная система. Чтобы в этом убедиться, нужно взять листок миллиметровой бумаги и нарисовать прямоугольник 10 клеточек на 100. Из 1000 клеток его площади 999 будут представлять массу Солнца. Одна оставшаяся клетка будет демонстрировать преимущественно массу Юпитера и Сатурна. Мы заслуживаем в лучшем случае маленькой точечки.

Такой рисунок наглядно демонстрирует, насколько масса Солнца преобладает над массой всей остальной Солнечной системы. Термоядерный синтез в ядре Солнца высвобождает энергию в форме фотонов и их более пронырливых родственников – нейтрино. Эти фотоны обладают чрезвычайно высокой энергией, и на данном этапе мы будем называть их рентгеновскими и гамма-лучами. Вылетая из ядра, они попадают в зону лучистого переноса, где подвергаются поглощению и повторному излучению. К тому моменту, когда они достигают внешней атмосферы Солнца, фотоны теряют значительную часть своей энергии и покидают дымку фотосферы как солнечный свет, который мы с вами можем видеть.

Солнце служит источником энергии практически для всего живого на Земле, начиная с фотосинтезирующих организмов и далее для всех последующих звеньев пищевой цепочки. Для нас как астробиологов наибольший интерес представляют исключения из этого правила, а именно: экстремофильные бактерии, обитающие рядом с жерлами подводных вулканов, и железобактерии, живущие в глубинах земной коры. Эти существа заслуживают отдельного рассмотрения, так что держите их в уме!

Загородная экскурсия

Оставляя позади Солнце, мы оказываемся в царстве планет. В недалеком прошлом, когда мы не знали о существовании никаких других планетных систем, кроме нашей собственной, Солнечная система нам очень нравилась. Она казалась нам упорядоченной и к тому же полностью соответствовала нашим теориям о том, какой ей надлежит быть. Позднее мы узнаем, как открытие новых планетных систем вокруг отдаленных звезд перевернуло наши представления о том, как они должны выглядеть. Но сейчас я бы хотел внимательно рассмотреть нашу собственную Солнечную систему.

Ближе всего к Солнцу в горячей внутренней области расположены планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Хотя они отличаются друг от друга размерами и условиями на поверхности, все они, в сущности, состоят из горных пород, содержащих железо и силикаты. У планет земной группы очень мало спутников: кроме нашей Луны это Деймос и Фобос, вращающиеся вокруг Марса. За орбитой Марса расположен пояс астероидов – скопление сохранившихся со времен формирования Солнечной системы обломков, попавших в гравитационное поле Юпитера, которое препятствовало их слипанию в планету.

На пути к Юпитеру мы пересечем одну важную границу – снеговую линию. На таком отдалении от Солнца его излучение слабеет настолько, что простые летучие соединения (такие, как вода, аммиак, метан) конденсируются, образуя твердые ледяные частицы. В результате за снеговой линией не только твердые породы, но и лед может участвовать в слипании, и в этом случае формируются газовые гиганты, которые преобладают во внешней области Солнечной системы. Юпитер идет первым, за ним следуют Сатурн, Уран и Нептун{36}36
  Представьте себе мускулистого Зевса (Юпитера) в обтягивающей футболке с надписью SUN (Солнце), и вы никогда больше не забудете порядок следования внешних планет – Сатурн, Уран и Нептун.


[Закрыть].

В отличие от планет земной группы, внешние планеты обладают множеством спутников: у Юпитера в данный момент известно 67, а у Сатурна больше 150. Самые большие из этих спутников превосходят по размеру Меркурий и нашу Луну. Это целые миры, заслуживающие внимательного изучения. Диспропорция в количестве спутников между газовыми гигантами и планетами земной группы объясняется разницей в массе. Во вращающемся диске из газа и пыли, который представляла собой зарождающаяся Солнечная система, газовые гиганты становились все больше и массивней. Со временем они обзаводились собственными миниатюрными дисками из газов и камней, из которых впоследствии сформировалась их многочисленная свита из спутников.

Когда мы удалимся за орбиту Нептуна, яркость Солнца будет в 1000 раз меньше, чем на Земле. Мы вступаем в темное царство Плутона – планеты, впервые обнаруженной Клайдом Томбо в 1930 г. В конце 1990-х – начале 2000-х гг. с помощью больших современных телескопов нового поколения удалось обнаружить еще несколько похожих на Плутон каменистых небесных тел: одни побольше, другие поменьше, но все вместе они составляли рассеянный диск, состоящий из материала, оставшегося после формирования Солнечной системы, и получивший название пояса Койпера. Плутон оказался одним из множества таких же, как он, небесных тел, и тогда встал вопрос: либо все эти объекты следовало признать планетами, либо не признавать ни один из них. В 2006 г. Международный астрономический союз пришел к заключению, что Плутон нельзя считать обычной планетой, и причислил его наряду с еще несколькими крупными астероидами к новой категории карликовых планет. Там они и останутся, если, конечно, наши взгляды на Солнечную систему не изменятся.

Легче всего представить масштабы Солнечной системы, если посмотреть, какое время требуется фотону света, чтобы добраться от поверхности Солнца до каждой из планет. Фотон преодолевает расстояние до Земли за 8 минут. Солнце, которое вы видите в настоящий момент, – то, каким оно было 8 минут назад. Настоящее Солнце скрыто от нас завесой времени, через которую фотон, обладающий конечной скоростью, проникнуть не может. Чтобы продолжить путь от Земли до Марса, фотону потребуется еще 4 минуты. Если задуматься, то радиосвязь – всего лишь поток фотонов низкой энергии, поэтому радиосообщение или телевизионный сигнал смогут преодолеть расстояние от Земли до Марса и обратно за 8 минут. Этим объясняется, почему марсоходы управляются при помощи коротких последовательностей простых команд, а не при помощи джойстика. Из-за восьмиминутной задержки ваш аппарат застрянет или разобьется раньше, чем вы узнаете о том, что ему грозит опасность. Путешествие от Солнца до Юпитера займет у фотона 42 минуты, а до Нептуна, последнего из газовых гигантов, – больше 4 часов. Если мы будем считать орбиту Плутона границей Солнечной системы, фотону потребуется 5 часов 20 минут, чтобы оставить позади пояс Койпера и устремиться к темным глубинам Вселенной.

Теперь вы лучше понимаете свое место в Солнечной системе и ее масштабы. Остается только просмотреть заставку фильма «Контакт» и отметить допущенные неточности.

Длинные руки Солнца

Мы уже знаем, что Солнце – это энергостанция всей Солнечной системы. От него зависит вся жизнь на Земле. Но как далеко простираются возможности Солнца? Когда его влияние ослабнет настолько, что не сможет поддерживать существование жизни?

На верхний слой земной атмосферы приходится примерно 1370 Вт/м2 солнечной энергии{37}37
  Ватт – это единица мощности, или количества энергии, которое получает система за единицу времени. Для сравнения: чайник использует приблизительно 2000 Вт мощности, когда кипятит вам воду для чая. Общее количество энергии, потребовавшееся на кипячение воды, – это мощность чайника, умноженная на время, затраченное на кипячение. Если мощность измерять в ваттах, время в секундах, то тогда энергия будет выражаться в джоулях. Единицы измерения – великая вещь!


[Закрыть]. Сумма этой энергии, получаемой изо дня в день, обеспечивает существование всей жизни на Земле и полностью управляет погодой. Количество солнечного света, получаемое каждой планетой и спутником в Солнечной системе, можно рассматривать как базовые средства для жизни – по крайней мере для низших ее форм, таких как фотосинтезирующие бактерии, преобразующие солнечную энергию в питательные вещества.

Так сколько солнечного света получают планеты? Орбита Меркурия расположена ближе к Солнцу, и он получает в шесть раз больше солнечной энергии, чем Земля. Марс находится дальше от Солнца, и ему достается всего 40 % энергии, получаемой Землей. По мере продвижения во внешнюю область Солнечной системы влияние Солнца резко снижается: Юпитер получает лишь 3 % от земной дозы солнечного света. На холодной орбите Плутона солнечного света еще меньше: всего 1 %.

Думаю, нам было бы интересно узнать, сколько света нужно для существования жизни. И снова земной опыт говорит нам, что жизнь обладает удивительной стойкостью. Фотосинтезирующие бактерии были обнаружены на глубине 100 м в Черном море. Однако их метаболизм основан на аноксигенном (бескислородном) фотосинтезе, в результате которого вырабатываются соединения серы, а не молекулярный кислород. Такие бактерии – живые реликты древних фотосинтезирующих организмов. На такие глубины с поверхности проникает только 0,05 % света, т. е. уровень освещенности там почти такой же, как на поверхности Плутона. Но даже на таком низком уровне свет остается биологически продуктивным, поскольку каждая бактерия раз в несколько часов аккуратно ловит фотон и использует его энергию для поддержания метаболизма.

Поэтому, если взглянуть на Солнечную систему, то в ней нет границы, за которой мы могли бы с уверенностью сказать, что света Солнца недостаточно для поддержания фотосинтеза. Свет, пусть даже значительно ослабленный, достигает самых дальних уголков Солнечной системы и вполне может служить источником энергии для жизни, если таковая там найдется.

Живительная влага

Получается, что в Солнечной системе нет недостатка в свете и, как мы уже выяснили, простые органические соединения также имеются в избытке. А как насчет воды или – если смотреть шире – жидкости? В этой главе мы намерены сосредоточить свое внимание – и ограниченные ресурсы – на самых многообещающих местах обитания жизни в Солнечной системе. Пора решаться на дерзкий шаг!

Меркурий – атмосферы нет, нечему прикрыть вас от губительного солнечного ветра, дневная температура на поверхности достигает 427 °С – исключается. Венера – плотная атмосфера меня не пугает, но температура на поверхности еще выше, чем на Меркурии (464 °С). Хотя жизнь может существовать в формах, отличных от земных, белки, которые лежат в основе нашей биохимии, разрушаются при температуре 126 °С. Вы находитесь в сухой, раскаленной духовке. Спутников нет, жидкой воды тоже нет. Неплохо бы заглянуть на несколько дней, но мы направляемся в другое место. Планеты, подобные Юпитеру? Их не зря называют газовыми гигантами. В 1995 г. космический аппарат «Галилео» сбросил в атмосферу Юпитера спускаемый зонд, которому удалось проникнуть на 156 км вглубь атмосферы прежде, чем растущая температура вывела его системы из строя. Атмосфера Юпитера и других внешних газовых гигантов допускает существование необычных жидких слоев. Не имея данных, трудно рассуждать о том, какая на них может быть жизнь, а добраться туда очень тяжело (запущенный с «Галилео» зонд сгорел гораздо выше этого места). Как насчет Плутона и пояса Койпера? Далековато, и к тому же, когда мы туда доберемся, у нас не будет ни малейшего шанса найти там какую-нибудь жидкость.

Увы и ах! Мне жаль, если это вас расстроило, но надо смотреть на вещи объективно. Означает ли это, что я исключаю существование жизни на планетах и спутниках, с которыми я обошелся так сурово? Вовсе нет. Так может, они даже входят в число приоритетных направлений для будущих поисков жизни? Угадали. Но что же тогда остается? Содержание книги не оставляет места для неожиданностей: основное внимание мы уделим рассмотрению возможности открытия жизни на Марсе, спутнике Юпитера Европе и спутниках Сатурна Энцеладе и Титане.

Я решил сосредоточиться на этих возможных местах обитания жизни за счет других мест в Солнечной системе в основном из-за того, что мы выяснили в предыдущих главах относительно условий существования жизни на Земле. Мы еще увидим, что Марс, Европа, Энцелад и Титан позволяют если не со стопроцентной уверенностью говорить о присутствии жизни, то располагают достаточным количеством таких косвенных признаков, как наличие жидких сред, органики, энергии и стабильности, которые делают их наиболее интересными для нашего поиска объектами в Солнечной системе. Теперь мы определились с ближайшими целями.

Златовласка и три планеты

Из истории про Златовласку[5]5
  Нам известна как сказка «Три медведя». – Прим. ред.


[Закрыть] и трех медведей мы знаем, как маленькая девочка искала кашу, кресло и кровать, которые пришлись бы ей «как раз впору», когда она без приглашения заявилась в гости к медвежьему семейству, пострадавшему в результате визита. Как ни странно, метод, который использовала Златовласка для поиска условий, которые «как раз впору» для жизни, вполне применим и в астробиологии, где этот принцип получил название «зона обитаемости». Под зоной обитаемости подразумевается диапазон орбитальных расстояний до звезды, на которых температура на поверхности планет «как раз впору» для существования жизни, т. е. между точками замерзания (0 °С) и кипения (100 °С) воды. Думаю, мне не нужно повторять свои обычные предостережения касательно того, что нам не следует излишне ориентироваться на земную жизнь, поскольку вы и так прекрасно понимаете, что к концепции зоны обитаемости следует подходить осмотрительно.

Опасность ошибки преимущественно связана с неизвестными нам свойствами планетных атмосфер. Во-первых, – и это самое главное – нужно, чтобы атмосфера в принципе была. Земля расположена в самой середине зоны обитаемости, и тем не менее, если убрать давление на поверхности, создаваемое атмосферой, вода бы закипела и испарилась в космос. Во-вторых, хотя температура на поверхности планеты в значительной степени определяется температурой родительской звезды и орбитальным расстоянием до нее, любая атмосфера может существенно влиять на возможный диапазон температур на поверхности планеты.

Возьмем для сравнения три планеты земной группы Солнечной системы: Венеру, Землю и Марс. В течение многих лет сравнительная планетология на примере этих планет пыталась выяснить, как небольшие изменения в основных свойствах планеты (массе, скорости вращения, орбитальном радиусе) могут привести к столь разным условиям на ее поверхности. Они также расположены близко к приблизительным границам зоны обитания Солнечной системы и служат нам предупреждением о том, что может случиться с простой идеей из-за незначительных различий в свойствах планет.

Венера очень похожа на Землю – ее масса составляет примерно 4/5 массы Земли, а орбита немного ближе к Солнцу (примерно 0,7 от земной орбиты). В отсутствие атмосферы теоретически температура{38}38
  Также известная как температура абсолютно черного тела в соответствии с традицией физиков XIX в., которые разработали математические основы теории.


[Закрыть] на поверхности Венеры должна была бы составлять около –13 °C. Но, поскольку Венера обладает сверхплотной, насыщенной углекислым газом атмосферой, которая создает сильный парниковый эффект, температура на ее поверхности поднимается до 464 °С. Любая жидкая вода, которая могла когда-то существовать на Венере, давно испарилась в атмосферу (где внесла свой вклад в парниковый эффект), и даже вода в структуре минералов на поверхности планеты также превратилась в пар.

Марс меньше Земли – только 1/10 от ее массы – и обращается в 1,5 раза дальше от Солнца. Его разреженная атмосфера, состоящая из углекислого газа, создает на поверхности давление, составляющее лишь 1 % земного. Для абсолютно черного тела, помещенного на орбиту Марса, температура составляет –63 °С, а реально измеренная температура на поверхности лишь на несколько градусов выше – результат исключительно слабого парникового эффекта. Вследствие низких температур вся вода и углекислый газ на Марсе остаются в замороженном виде в полярных ледяных шапках и подпочвенном ледяном слое, присутствующем на большей части поверхности планеты.

Давайте попробуем сыграть в увлекательную игру: мысленно перетасуем планетную колоду и постараемся угадать, как изменение положения планеты повлияло бы на ее свойства. Что будет, если мы поменяем местами Марс и Венеру? С Марсом все просто, как мне кажется. Если бы его атмосфера оставалась такой же, как сейчас, тогда температура на поверхности Марса была бы примерно 43 °C. Это вызвало бы таяние ледяных шапок (состоящих из углекислого газа и воды), породив обширную, хоть и короткоживущую, атмосферу (как мы помним, на Марсе нет магнитного поля и вулканизма).

Что было бы с Венерой, предсказать немного сложнее: наличие плотной атмосферы приводит к тому, что температура на поверхности планеты на 400 °С выше теоретического расчета. Поместите Венеру на орбиту Марса, и ее температура будет по-прежнему превышать 326 °С (если атмосфера не обрушится под собственной тяжестью). Такие высокие температуры отчасти объясняются тем, что в начале своей истории планета пережила необратимый парниковый эффект. Она слишком рано и слишком сильно разогрелась. Все океаны испарились, и водяной пар смешался в атмосфере с углекислым газом. В свою очередь это усилило парниковый эффект, образовав катастрофический цикл обратной связи.

Произошло бы нечто подобное, если бы Венера находилась на орбите Марса? Короткий ответ – мы этого не знаем, хотя подобная постановка вопроса вызывает у тех, кто занимается компьютерным моделированием планетных атмосфер, приступы воодушевления и отчаяния одновременно.

Поэтому не стоит делать поспешных выводов на основании пресс-релизов или новых статей, в которых говорится, что только что открытая планета находится в зоне обитания своей родительской звезды. При отсутствии точных данных о составе атмосферы любой расчет температуры на поверхности планеты всего лишь умозрительные рассуждения (а если исключить из рассмотрения атмосферу, то как можно строить предположения о присутствии на планете жидкой воды?). Совсем как у Златовласки: без дополнительной информации нельзя заранее сказать, будет ли кроватка (или в нашем случае планета) как раз впору для жизни.