Текст книги "Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных"

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.