Джеймс Трефил и Майкл Саммерс

Воображаемая жизнь

Мысленное путешествие по экзопланетам в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и животных из миров со сверхвысокой гравитацией

Smithsonian books

Washington, DC

Перевод: Павел Волков

2022-2023 гг.

Все права защищены. Ни одна часть этой публикации не может быть воспроизведена или передана в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая копирование, запись или систему хранения или поиска информации, без письменного разрешения издателя.

Эту книгу можно приобрести для образовательных, деловых или рекламных целей. Для получения информации, пожалуйста, пишите по адресу: Special Markets Department, Smithsonian Books, P.O. Box 37012, MRC 513, Washington, DC 20013

Опубликовано издательством Smithsonian Books

Директор: Кэролин Глисон

Креативный директор: Джоди Биллерт

Главный редактор: Кристина Вигинтон

Редактор: Лора Харгер

Помощник редактора: Хайме Швендер

Редакция: Джулиана Фроггатт

Дизайн электронной книги адаптирован по дизайну печатной книги Джоди Биллерт

Данные библиографической записи Библиотеки Конгресса США

Имена: Трефил, Джеймс, 1938 — автор. | Саммерс, Майкл Э., автор.

Название: Воображаемая жизнь: мысленное научное путешествие по экзопланетам в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и животных из миров со сверхвысокой гравитацией / Джеймс Трефил и Майкл Саммерс.

Описание: Washington, DC : Smithsonian Books, [2019] | Включает указатель. Идентификаторы: LCCN 2018047097 | ISBN 9781588346643 (твердый переплет: щелоч. бумага) | ISBN 9781588346735 (электронная книга)

Темы: LCSH: Жизнь на других планетах. | Внеземные живые существа. | Экзопланеты. | Обитаемые планеты.

Классификация: LCC QB54.T74 2019 | DDC 576.8/39—dc23 2019 / DDC 576.8/39-dc23

Запись в каталоге Библиотеки конгресса доступна по адресу https://lccn.loc.gov/2018047097

Электронная книга ISBN 9781588346735

Для получения разрешения на воспроизведение иллюстраций, представленных в этой книге, пожалуйста, свяжитесь напрямую с владельцами работ, которые указаны в подписях к ним. Smithsonian Books не сохраняет за собой права на воспроизведение этих изображений по отдельности и не ведет списков адресов источников.

Изображения на первых разворотах глав взяты из иллюстраций НАСА и Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института.

Посвящаем эту книгу всем, кто страдает рассеянным склерозом или болезнью Паркинсона.

Не сдавайтесь.

Предисловие

Мы живем в золотой век научных открытий. Великие тайны, занимавшие учёных в прошлые века, уже раскрыты одна за другой. Сейчас мы понимаем, например, что Вселенная зародилась в горячем, плотном состоянии 13,8 миллиарда лет назад и с тех пор расширяется и охлаждается. Сейчас мы знаем, что жизнь основана на химии, и что химией жизни управляет молекула под названием ДНК. Мы понимаем, что сама поверхность нашей планеты меняет свой облик в ответ на бурное движение вещества глубоко у нас под ногами. Наше видение мира, а также нашего места в нём, становится всё более ясным и понятным.

Тем не менее, глубокие и фундаментальные вопросы по-прежнему остаются. Среди них одним из старейших и глубочайших является тема данной книги. Проще говоря, это вопрос звучит так: одиноки ли мы во вселенной?

Дело в том, что нам известна только одна форма жизни во вселенной — жизнь, которая развилась на нашей собственной планете. Но мы не знаем, была ли эта жизнь результатом самых обычных химических и физических процессов, или же то, что произошло на Земле, было своего рода статистической случайностью — случайной ошибкой природы. Наши мысли по данному вопросу в настоящее время претерпевают радикальные изменения, потому что в последнее десятилетие были открыты тысячи ранее неизвестных планет, которые вращаются вокруг звёзд, отличных от нашего собственного Солнца (или вообще не вращаются вокруг звезды). Сейчас мы понимаем, что наша Солнечная система — всего лишь одна из огромного числа таких систем в нашей галактике, и что Земля — всего лишь одна из многих миллиардов планет, которые могли бы поддерживать развитие жизни. Но развилась ли жизнь на этих планетах, и если да, то какого рода может быть эта жизнь? Единственные ли мы разумные существа в галактике?

У нас есть достаточно хорошее представление о некоторых шагах, которые привели к появлению жизни на Земле, и очень чёткое понимание того, как эта жизнь эволюционировала до своего нынешнего разнообразия после появления первого примитивного микроба. Большая часть истории жизни на Земле зависит от особенностей той окружающей среды, в которой делались эти шаги — от специфических условий нашей собственной планеты. И здесь возникает наш вопрос: как эти шаги пройдут в тех радикально отличных природных условиях, которые мы видим на экзопланетах? Будет ли жизнь развиваться там так же, как на Земле? Будет ли она развиваться иначе? Насколько сильно она может отличаться от нас? Какие виды жизни мы можем представить себе в свежеоткрытом царстве экзопланет?

Очевидно, что для решения подобных вопросов следует в значительной степени задействовать образное мышление. Тем не менее, существуют некоторые основополагающие законы природы, которые действуют во всей вселенной, и эти законы накладывают ограничения (хотя и довольно великодушные) на наши рассуждения о жизни в иных местах вселенной. Поскольку мы, авторы, являемся профессорами физики (Дж. Т.) и астрономии (М. С.) соответственно, далее по тексту книги мы аккуратно соблюдали эти ограничения. И всё равно самым удивительным будет количество разительно отличных друг от друга сценариев, которые могут разыгрываться в нашем воображении даже в рамках тех ограничений, которые устанавливают эти законы.

В первых пяти главах этой книги мы описываем базовые методики, которыми мы руководствуемся в ходе наших исследований природы жизни в целом. Мы рассмотрим сложную проблему определения того, что мы считаем жизнью (глава 3), а далее последует обсуждение правил игры в происхождение и эволюцию жизни (глава 4). Затем в главе 5 мы начнём рассмотрение довольно сложной задачи, с которой сталкиваются учёные, когда пытаются обнаружить присутствие жизни на далёкой планете.

С этого момента мы переходим в режим, который потребует немало воображения, а также некоторых знаний в области фундаментальных наук. Мы взглянем на типичные экзопланеты и попытаемся понять, как основные правила, регулирующие развитие жизни, будут действовать в природной среде каждой из них. Мы зададимся вопросом о том, как, где и какие разновидности жизни могут развиться в этих экзо-мирах, а затем поразмышляем о том, как там может возникнуть развитая технологическая цивилизация.

В конце глав этой части книги вы встретите диалоговые разделы под названием «Майк и Джим» (имена, выбранные нами по очевидным причинам). В каждом из них мы представляем, что в мире, который мы только что описали, развились не только живые существа, но и сложные технологии. В каждом диалоге приводятся шуточные аргументы, при помощи которых мы пытаемся доказать (и опровергнуть) утверждение о том, что вариант жизни на экзопланете, которую мы только что посетили, должен быть единственным вариантом жизни, который только может существовать во Вселенной. Это упражнение — дань уважения великому писателю-фантасту Айзеку Азимову и написанной им в 1941 году повести «Приход ночи», действие которой разворачивается на воображаемой планете в системе из шести звёзд. В какой-то момент истории группа астрономов изучает возможность вращения планеты вокруг одиночной звезды и приходит к выводу о том, что жизнь в такой среде была бы невозможной — ведь половину времени там было бы темно! Аналогичным образом диалоги «Майк и Джим» можно рассматривать как призывы к открытости мышления, когда речь идёт о возможностях жизни в иных местах Вселенной.

Во время путешествия по экзопланетам мы в первую очередь уделяем внимание жизни, «похожей на нас», то есть, такой жизни, какова она на нашей планете — основанной на химии молекул, содержащих атомы углерода. Однако в главе 15 мы расширим наш поиск. Вначале мы рассмотрим то, что мы называем «жизнью, не похожей на нас», то есть жизнь, которая по-прежнему основана на химии, но не обязательно на химии углеродсодержащих молекул. Наконец, в главе 16 мы снимаем все ограничения и представляем то, что мы называем «жизнью, совершенно не похожей на нас», то есть жизнь, которая вообще не основана на химии. Мы обнаруживаем, что по мере нашего полёта всё дальше и дальше от знакомого нам мира, и по мере того, как научные основы нашей дискуссии становятся всё более и более шаткими, нам приходится всё больше и больше обращаться к сценариям, которые можно было бы позаимствовать из научной фантастики.

—

Прежде чем продолжить, мы должны сказать пару слов о том, какими единицами измерения мы пользуемся. Когда мы приводим цифры, наша цель — дать читателю общее представление о размерах обсуждаемых объектов (планет, звёзд и т.д.). Соответственно, мы представляем все веса и меры в английской системе мер, а за ними в скобках указывается их приблизительный эквивалент в единицах метрической системы.

Прежде чем начать путешествие за пределы земной атмосферы, мы также должны сказать несколько слов благодарности. В любом проекте вроде этого авторы полагаются на советы друзей и коллег. Сделав стандартную оговорку насчёт того, что любые ошибки, которые остались в книге, лежат исключительно на совести авторов, мы особенно благодарны докторам Джеффу Ньюмейеру и Ванде О’Брайен-Трефил за их неоценимую помощь во время написания этой книги.

1

НЕОЖИДАННАЯ ГАЛАКТИКА

Похоже, что мы ежедневно открываем для себя во Вселенной нечто новое и восхитительное. Астрономы находят новые планеты (а также целые новые планетные системы) с такой скоростью, что за новостями сложно поспевать. Средства массовой информации полны историй о новых планетах, новых особенностях нашего собственного мира и новых способах удивлять нас, чем наша вселенная продолжает заниматься. Мы хотели бы поднять это восхищение на ступень выше, попросив вас поразмышлять над тем, какого рода живые существа могут быть нашими соседями по галактике и по вселенной. Мы хотим, чтобы вы представили себе, кто ещё, помимо нас самих и известных нам растений и животных, может населять те новые миры, которые наши учёные открывают с головокружительной скоростью. Чтобы помочь вам начать, давайте немного позанимаемся арифметикой.

Занимаясь математикой

Мы живём в галактике, где планет больше, чем звёзд. Это утверждение вряд ли вызовет у вас удивление, пока вы не осознаете, что в нашей родной галактике, Млечном Пути, насчитывается около 300 миллиардов звёзд. Это 300 000 000 000 звёзд, и нулей здесь ужасно много. Наше собственное Солнце, всего лишь одна из этих звёзд, содержит в своей системе более 100 планет, лун и крупных астероидов. Каждый объект из этой коллекции обладает уникальными признаками, и многие из них представляют собой потенциальные дома для жизни. Если такая ситуация типична для других звёзд, то в галактике должно находиться 30 триллионов таких объектов — такое число можно встретить лишь в астрономии и в расчётах государственного долга.

Из этих возможных 30 триллионов объектов мы пока идентифицировали менее 4000 — ничтожную долю того, что есть на самом деле. Тем не менее, как говорится в нашей книге «Экзопланеты» ("Exoplanets”, Smithsonian Books, 2017), в эту ничтожную долю попадают миры, разнообразие которых просто поражает воображение. Есть миры, которые вращаются внутри атмосферы своей звезды, миры, покрытые водой, миры, блуждающие в холодном космосе и лишённые звезды, которая сияла бы на их небе. Мы можем лишь стоять в благоговейном ожидании того, что ещё обнаружится во вселенной, когда с течением времени наши приборы станут лучше и точнее.

Но цифры говорят нам нечто иное. Если хотите, создайте в своём воображении странный мир — возможно, мир, совершенно не похожий ни на один из тех, что мы нашли на данный момент. Возможно, в вашем воображаемом мире будет высокая концентрация редкого элемента — например, иттербия. Может быть, это будет луна блуждающей планеты, вечно дрейфующей во тьме космоса. Или, может быть, он похож на Землю, и жизнь кишит на его суше и в океанах на его поверхности. Предположим далее, что ваш воображаемый мир действительно маловероятен — возможно, его плотность меньше, чем у воды, или он сделан из твёрдого железа. Предположим, что шансы против того, что ваша планета хотя бы просто сформируется, составляют миллион к одному (для справки, это примерно равно вероятности того, что в этом году в вас ударит молния). Даже при таких низких шансах на существование вашего мира вы можете расчитывать на то, что в одной только нашей галактике вы найдете примерно 10 миллионов таких миров. Убавьте шансы существования вашего мира до триллиона к одному, и количество планет, подобных вашей необычной, упадет «всего лишь» до 10 000. Ваш воображаемый мир может быть сколь угодно странным, однако, если он не противоречит законам физики и химии, нечто подобное, вероятно, действительно существует — с учётом огромного количества планет в галактике. Фактически, мы можем превратить предыдущее предложение в руководящий принцип для нашей беседы:

Если вы можете представить себе мир, который соответствует законам физики, то есть большая вероятность того, что он уже существует где-то в нашей галактике.

Если приведённые выше цифры недостаточно впечатляют, просто помните, что во Вселенной существуют миллиарды галактик, подобных нашей, и в каждой из них предположительно найдётся по столько же планет.

Что это расскажет нам о жизни?

В свете невероятного разнообразия планет мы должны ожидать найти аналогичный, или даже ещё более высокий уровень разнообразия и изменчивости у жизни, которая также может существовать в этих мирах. Это создаёт нам проблему, потому что нам знакома лишь одна форма жизни: жизнь, которая «похожа на нас», то есть, основанная на химии углеродсодержащих молекул и требующая наличия жидкой воды. Всё биоразнообразие Земли, в сущности, является результатом единственного «эксперимента», проведённого всего лишь в одной из бесчисленных лабораторий Вселенной, и в силу этого обстоятельства наша планета даёт нам очень мало конкретных указаний в размышлениях о той огромной сложности, которую мы ожидаем найти в Млечном Пути. Но пока это всё, что у нас есть, и поэтому нам придётся использовать наши ограниченные знания с максимальной отдачей.

Мы начнем исследование форм, которые может принимать жизнь в галактике, со знакомства с тем, что мы называем правилами игры: это те основополагающие принципы, которые сделали жизнь на Земле такой, какая она есть. Мы утверждаем, что важнейший среди этих принципов, эволюция под действием естественного отбора, должен действовать практически во всех остальных природных средах в галактике. Второй великий принцип — то, что жизнь основана на химии атомов углерода — вероятно, менее универсален. Тем не менее, мы будем придерживаться углеродной химии так долго, как сможем, поскольку знакомое легче понять.

Соответственно, мы разбиваем наше обсуждение возможной жизни на три категории, указанные в предисловии: жизнь, похожая на нас; жизнь, не похожая на нас, и жизнь, совершенно не похожая на нас. По очевидным причинам мы начнём с того, что уделим значительную часть нашего внимания первой категории. Определив основные правила для нашего исследования возможности существования жизни, похожей на нас, мы рассмотрим, во что они могут вылиться в разнообразных типах природных условий на экзопланетах:

• Планета Златовласки: похожая на Землю планета, расположенная на таком расстоянии от своей звезды, которое позволяет ей обладать океанами жидкой воды на своей поверхности на протяжении длительных периодов времени. Такая планета — самый простой случай для анализа, потому что мы уже обладаем хорошими знаниями об одной планете Златовласки — о самой Земле. Многие из экзопланет, которые мелькали в последнее время в новостях, вроде той, что вращается вокруг Проксимы Центавра (это звезда, являющаяся нашим ближайшим соседом), и трёх членов семьи из целых семи планет, вращающихся вокруг звезды TRAPPIST-1, представляют собой планеты Златовласки — все они находятся на нужном расстоянии от центральной звезды, поэтому вода на их поверхности остаётся жидкой.

• Мир с подповерхностным океаном: планета, на которой океаны жидкой воды ограничены снизу твёрдой породой, а сверху — льдом. Мы знаем о подобных мирах в нашей собственной солнечной системе: у планеты Плутон (см. «Лингвистическое отступление» в главе 7) и нескольких спутников внешних планет есть подповерхностные океаны.

• Планета-сирота: планета, которая была выброшена из своей родной солнечной системы и теперь блуждает в космосе, не привязанная к звезде. Таким сиротам не обязательно быть замёрзшим, безжизненным местом, поскольку они могут обладать всеми теми внутренними источниками тепла, которые доступны другим планетам, и отсутствие света не окажет никакого влияния на тепло от этих источников.

• Водный мир: планета, на которой вообще нет суши. В таких условиях главной особенностью окружающей среды являются чётко разграниченные слои, находящиеся в водах планеты на разных глубинах. В океанах Земли эти слои создаются массивами воды с разной температурой и солёностью, но на экзопланетах могут существовать и другие факторы (например, давление). Мы рассмотрим увлекательную возможность того, что в разных слоях водных миров может эволюционировать жизнь различного рода, и это наводит на мысль о поистине удивительных сценариях. Если хотите, представьте себе межслоевую войну, во время которой существа с верхнего уровня сбрасывают подводный эквивалент бомб на существ с нижнего уровня, а нижний уровень отвечает на это, посылая вверх пузыри.

• Мир в приливном захвате: планета, которая всегда обращена к своей звезде одной и той же стороной подобно тому, как Луна всегда смотрит на Землю одним и тем же боком. Считается, что к этому типу относятся многие из открытых нами миров, вроде планет звезды TRAPPIST-1. Их отличительная особенность состоит в том, что одна сторона всегда невероятно жаркая, тогда как другая вечно заморожена. Жизнь может существовать лишь в узкой переходной зоне между этими крайностями, и важной дополнительной особенностью этих планет являются свирепые ветры, которые переносят тепло со стороны, обращённой к звезде, на сторону, направленную в космос.

• Суперземля: каменистая планета, которая по размерам стоит между Землёй и Нептуном. Похоже, в космосе их очень много, и наша Солнечная система может оказаться довольно необычной из-за того, что в ней их нет. Принимая во внимание их массу, главной особенностью природной среды на этих планетах является их сильная гравитация. Если живые существа в этих мирах остаются жить в океанах, супергравитация не будет проблемой, но если они переселятся на сушу, им придётся в процессе эволюции разработать стратегию решения этой проблемы. На Земле, где гравитация более умеренная, в процессе эволюции возникло множество стратегий, разных для различных форм жизни: сосудистые системы у растений, наружные скелеты у насекомых, внутренние скелеты у млекопитающих. Какие стратегии породила бы эволюция, если бы гравитация Земли была вдвое больше, чем сейчас? А если в десять раз? А если бы вид рептилий адаптировался, приобретя в процессе эволюции плавательный пузырь, как это сделали рыбы, чтобы двигаться в толще воды, то смог бы он в итоге превратиться в летающих драконов, способных парить в плотной атмосфере планеты?

Исследовав эти возможности, мы можем начать отходить от ограничивающих нас первоначальных предположений и размышлять о жизни, которая совершенно не похожа на нас. Мы будем делать это постепенно, каждый раз отказываясь от одного из удобных свойств жизни, которая похожа на нас.

Что, если мы рассмотрим жизнь, основанную на химии какого-то элемента, отличного от углерода? Например, кремний находится в периодической таблице прямо под ним и обладает многими схожими свойствами, из-за чего кремниевая жизнь уже на протяжении десятилетий является основным элементом научной фантастики. Возможно, самый знаменитый пример встречается в эпизоде сериала «Звёздный путь» в 1967 году, в котором шахтёры на далёкой экзопланете сталкиваются с изначально враждебными формами жизни на основе кремния под названием Хорта, которые живут в сплошной скальной породе. Мы рассмотрим те виды планет, на которых могли бы возникнуть подобные существа. Мы зададим и другой ряд вопросов: а смогли бы мы признать такую жизнь жизнью, если бы увидели её? Будем ли мы видеть в кремниевой форме жизни живое существо, или же мы будем воспринимать её всего лишь как камень? Чем больше мы удаляемся от жизни, похожей на нас, тем более запутанными становятся такие вопросы: химическая жизнь может быть основана даже на таких элементах, которые редки на Земле, но в изобилии встречаются вне её, о чём свидетельствует недавняя работа, в которой каталогизируются различные типы химического состава, определённого для звёзд (а отсюда предполагается, что и для планет, которые их окружают).

Если дать волю нашему воображению, то мы сможем порассуждать о возможности существования жизни, совершенно не похожей на нас — жизни, которая не основана на химии, а также жизни, которая функционирует не в соответствии с законами естественного отбора. В конце концов, главный вопрос будет таким: если принимать во внимание чрезвычайную сложность и разнообразие, которые мы уже обнаружили у экзопланет, обнаружим ли мы соответствующие сложность и разнообразие среди живых существ на этих планетах?

2

ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ

ВСЕЛЕННАЯ ЗАКОНОВ

Наше исследование жизни в других частях галактики оказывается возможным благодаря двум общим принципам, но в то же время ими же оно и ограничено. Эти принципы заключаются в следующем:

• Физическая вселенная управляется относительно небольшим количеством общих правил.

• Законы, действующие в настоящее время на Земле, применимы к любому месту во Вселенной в любое время.

Эти идеи занимают центральное место в мышлении любого из учёных — они изначально были частью образования авторов книги. Собственно, они являются примерами того, что антропологи называют глубинными убеждениями. Это убеждения, настолько важные для племени или другой группы людей, что о них даже вслух говорят редко. Они просто считаются чем-то само собой разумеющимся и принимаются всеми без вопросов.

Однако авторы пришли к осознанию того, что эти два глубинных убеждения не относятся к широко известным или принимаемым широкой общественностью принципам. Дело здесь даже не в том, что многие люди считают эти принципы неправильными — просто эти правила не сразу приходят на ум, когда они задумываются о таких предметах научного интереса, как внеземная жизнь. Поэтому есть смысл уделить немного времени обсуждению этих принципов, в чём и заключается цель данной главы. Далее мы кратко изложим основные законы физики и химии, которые будут направлять наше путешествие по возможностям экзо-жизни на протяжении всей остальной книги.

Общие правила

Мы можем начать с тех аспектов науки, которые относятся к нашему повседневному миру, или к тому, что мы называем «объектами нормального размера, движущимися с нормальной скоростью». Законы, управляющие нашей повседневной жизнью, также часто называют классической физикой. Вы можете считать эти законы тремя великими столпами знания. Давайте же рассмотрим их, прежде чем окунуться в более эзотерические области.

Механика

Первую подборку законов, управляющих нашей повседневной жизнью, лучше всего объяснил английский учёный Исаак Ньютон (1643-1727). Они относятся к движению материальных объектов — к области науки, известной как механика. Это, пожалуй, один из старейших предметов физических исследований. Со времён древних греков мыслители пытались разобраться с движением понятным способом, но без особого успеха. Ньютон разработал раздел математики, который мы сейчас называем дифференциальным и интегральным исчислением, и эти новые инструменты позволили ему установить правила, регулирующие такие вещи, как движение брошенных тел (то есть объектов, которые брошены или запущены в воздух иным образом). Его правила легко сформулировать, и они известны как законы движения Ньютона:

• В отсутствие внешних силовых воздействий тело будет продолжать равномерно двигаться по прямой.

• Ускорение движущегося тела пропорционально сумме приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе.

• Всякому действию сопоставлено равное по силе и обратное по направлению противодействие.

Эти законы применимы к любому объекту, движущемуся в любой точке Вселенной — к этому моменту мы вскоре вернёмся. По сути, первый закон говорит нам, как узнать, когда на объект воздействует сила, а второй говорит нам, что происходит, когда эта сила действительно воздействует. Однако в своей нынешней формулировке законы ничего не говорят о том, какие силы могут существовать в природе; они лишь описывают, как силы влияют на движение объектов. Поэтому далее мы рассмотрим тот тип силы, который управляет поведением планет.

Среди многих научных открытий, сделанных Ньютоном, пожалуй, нет более известного, чем закон всемирного тяготения. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной возникает сила притяжения (мы называем её гравитацией), которая пропорциональна массам двух объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. (Иными словами, удвойте массу одного объекта — и вы удвоите силу взаимодействия между ними обоими. Удвойте расстояние между ними — и вы уменьшите эту силу до четверти её первоначального значения.)

Вот так. Ньютон даже не подозревал, что в этих простых законах скрыты инструменты, которые позволяют нам определять массы планет, вращающихся вокруг звёзд за много триллионов миль от Земли. Например, в главе 5 мы увидим, что одним из самых действенных способов обнаружения экзопланет является наблюдение за небольшим потускнением света звезды, когда экзопланета движется перед ней, совершая то, что мы называем прохождением. Проследив за временем между последовательными прохождениями, мы можем использовать эти законы, чтобы рассчитать, насколько далеко от звезды находится планета. Соедините это со знанием о температуре поверхности звезды (поддающейся измерению), и вы сможете начать давать ответы на такие вопросы, как «Может ли эта планета обладать жидкой водой на своей поверхности?» И, конечно же, именно такие ответы являются ключевыми в наших рассуждениях о возможности жизни в других мирах.

Однако, отметив эту мысль, мы должны подчеркнуть, что важность ньютоновской картины Вселенной выходит далеко за рамки её применения к экзопланетам — применения, которое в любом случае было бы в значительной степени непонятным современникам Ньютона. На самом деле можно утверждать, что развитие ньютоновской механики положило начало современной науке, которая определяет рамки для теоретических предсказаний эффектов, которые ещё только предстоит измерить, и далее для проверки этих предсказаний не прощающим ошибок миром природы. В каком-то смысле все преимущества нашей современной технологической цивилизации являются прямым следствием ньютоновского подхода к миру.

Мы можем пойти ещё дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы можно уподобить часам. Движение планет можно сравнить с движением стрелок этих часов, тогда как законы движения соответствуют зубчатым колёсам, которые заставляют всё это работать. Применённый ко всей вселенной, этот образ мышления даёт картину порядка, равномерности и предсказуемости — того, что мы называем часовым механизмом Вселенной. В ньютоновском мире нет никаких сюрпризов, никаких неожиданных витков или поворотов. Например, летающие драконы, о которых мы упомянули в предыдущей главе, могли бы подняться в воздух только в том случае, если выталкивающая сила, связанная с их модифицированными плавательными пузырями, будет больше, чем сила тяжести, направленная вниз. Их способность маневрировать будет зависеть как от силы, прикладываемой к их крыльям при взмахах, так и от их массы. Законам Ньютона подчиняются даже детские сказки!

Этот взгляд на мир как на систему с часовым механизмом распространился далеко за пределы науки. Некоторые учёные даже утверждают, что Конституция Соединённых Штатов в долгу перед Исааком Ньютоном. Они утверждают, что отцы-основатели верили, будто они смогли бы открыть, как построить совершенное общество — точно так же, как Ньютон открыл, как устроить совершенную вселенную.

Увы, как мы вскоре увидим, эта картина порядка и предсказуемости не пережила 20-й век. Однако до того момента часовой механизм вселенной послужил фундаментом для развития ещё двух областей науки — ещё двух столпов, на которых будет основываться наше обсуждение жизни на экзопланетах.

Электричество и магнетизм

И статическое электричество (сила, которая заставляет вязаный носок прилипать к полотенцу, когда вы вытаскиваете его из сушилки для белья), и магнетизм (сила, которая позволяет вам прикреплять памятки к холодильнику) известны с древности. Электричество как диковинку изучали ещё древние греки, которые поняли, что оно бывает двух видов — это то, что мы сегодня называем положительным и отрицательным зарядами, — и что разноимённые заряды притягиваются друг к другу, тогда как одноимённые отталкиваются. Однако до 18 века это было практически почти всё, что о нём знали, поскольку считалось, что от этого явления было мало пользы.

Однако магнетизм — это нечто другое. Во-первых, магниты встречаются в природе — это минерал железа, называемый магнитным железняком. Существует множество легенд о его открытии: одна история гласит, что древнегреческий (или, возможно, македонский) пастух по имени Магнес заметил мелкие осколки камней, прилипшие к гвоздям на его обуви. (Предполагается, что именно отсюда и родился термин «магнетизм».) Другая легенда гласила, что где-то в Эгейском море есть остров, сделанный из магнитного камня, и корабли, которые отваживались подойти слишком близко к его берегам, рисковали потерять все железные гвозди, которыми скреплялись их доски.

Однако если оставить в стороне эти россказни, природные магниты обладают одним чрезвычайно важным свойством. Они всегда ориентируются в направлении север-юг, поэтому их можно использовать в качестве компасов. Компас был полезным инструментом, потому что позволял людям определять направление, даже когда у них в поле зрения не оказывалось знакомых ориентиров. Для моряков на борту кораблей в открытом океане или для путешественников в пустынях, где нет дорог, работающий компас был находкой. Китайцы использовали примитивные компасы, изготовленные из магнитного железняка, ещё в 4 веке до нашей эры. Позже, в 9-м и 10-м веках нашей эры, когда викинги вышли из Скандинавии, занимаясь набегами и грабежами по всей Европе, они двигались в открытом море и сквозь густой туман, также пользуясь магнитным железняком.

Дальнейшие исследования электричества и магнетизма выявили два ключевых аспекта их природы. Родившийся примерно за столетие до Ньютона английский учёный Уильям Гилберт (1544-1603), бывший также врачом королевы Елизаветы I, открыл закон, определяющий основные свойства магнитов. Магнитные полюса не могут существовать сами по себе, по отдельности, поэтому у каждого магнита есть, как минимум, одна пара полюсов (сейчас мы называем их северным и южным). Затем французский учёный Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806), родившийся почти через десять лет после смерти Ньютона, тщательно исследовал силу, возникающую между электрическими зарядами, и обнаружил, что её можно описать простым уравнением, аналогичным по форме закону тяготения Ньютона. (Мы не будем брать на себя труд приводить это уравнение здесь, потому что в дальнейшем оно нам не понадобится.)

Вот так обстояли дела на заре индустриальной эпохи. У нас было базовое представление о статическом электричестве и постоянных магнитах, но казалось, что никакой связи между ними не было. Затем, как это часто бывает в науке, новая технология открыла путь к значительному прогрессу в понимании взаимосвязи между этими совершенно разными составляющими мира природы. Итальянский учёный Алессандро Вольта (1745-1837) изобрёл устройство, которое он назвал электрическим столбом, но мы бы назвали его батареей. Это устройство производит движущиеся электрические заряды — иными словами, электрический ток. Это была ранее неизвестная форма электричества, и эксперименты с использованием таких электрических токов привели к пониманию природы электричества и магнетизма.

Древняя стена между электричеством и магнетизмом начала рушиться в аудитории для лекций по физике в Копенгагене. Лектором был датский физик по имени Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851). Он демонстрировал новое устройство Вольты и заметил, что всякий раз, когда от батареи шёл ток, лежащий рядом магнит подёргивался. Иными словами, движущиеся электрические заряды явно могли вызывать магнитные эффекты. Между электричеством и магнетизмом была установлена связь! Но для того, чтобы определить точную природу этой связи, потребовалось гораздо больше времени.

Вполне вероятно, что вы, сами того не осознавая, уже десятки раз за сегодняшний день воспользовались технологическими результатами открытия Эрстеда, поскольку дело в том, что оно напрямую привело к созданию электродвигателя. Когда вы нажимаете кнопку, чтобы поднять стекло в автомобиле, или нажимаете другую кнопку, чтобы измельчить в пюре несколько помидоров на ужин, вы пользуетесь открытием Эрстеда, независимо от того, знаете вы об этом или нет.

Десять лет спустя английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) уложил в мозаику последний кусочек. Он показал, что, если вы измените магнитное поле в области вблизи провода (например, помашете магнитом над петлёй из медного провода), в проводе потечёт электрический ток, даже если к проводу не подключён источник питания.

Мы можем подвести итог этой беседы об электричестве следующими четырьмя утверждениями:

• Разноимённые электрические заряды притягиваются; одноимённые заряды отталкиваются (закон Кулона).

• Магнитные полюса не существуют поодиночке.

• Движущиеся электрические заряды создают магнитные поля.

• Изменяющиеся магнитные поля создают электрические токи.

Эти четыре утверждения, обычно написанные на языке математики, играют для электричества и магнетизма ту же роль, что законы Ньютона для механики. Они обобщают всё, что можно знать в этой теме. Мы в очередной раз пришли к ситуации, когда сложный набор природных явлений сводится к немногим очень общим законам.

В нашем анализе жизни на экзопланетах мы не раз будем обращаться к этим положениям, касающимся электричества и магнетизма. Например, в главе 13 мы поговорим о том, как события, которые называются «корональные выбросы массы» — вылетающие из Солнца массивные сгустки ионизированного газа, формирование и движение которых подчиняются этим законам, — могут оказать влияние на среду обитания планеты и в считанные часы уничтожить развитую технологическую цивилизацию на этой планете. Мы также обсудим тот факт, что такая планета, как Марс, в отличие от Земли, лишена магнитного поля, и это позволяет солнечному излучению достигать её поверхности и, возможно, уничтожать там любую имеющуюся жизнь. Эти законы окажутся особенно полезными, когда мы начнём обсуждать развитие жизни, совершенно не похожей на нас, потому что взаимодействие электрического и магнитного полей даёт нам один из способов достичь такого уровня сложности, которую мы наблюдаем у жизни, основанной на химии. Но истинная важность этих утверждений заключается в том, что они дают нам самый полезный из предметов в том наборе инструментов, который направляет наш поиск жизни в иных местах Вселенной и помогает понять естественные ограничения для эволюции жизни на различных экзопланетах.

Вышеприведённые законы обычно называют уравнениями Максвелла в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-79). Хотя он и не открыл ни одного из них, он был первым, кто понял, что они представляют собой всеобъемлющую математическую систему, объединяющую электричество и магнетизм. В своё время Максвелл был ведущим специалистом на переднем крае математики — в тех областях, которые мы сегодня называем дифференциальными уравнениями в частных производных и векторным исчислением. Когда он применил эти инструменты к математическим формам четырёх утверждений, результат оказался поразительным. Уравнения предсказывают, что при ускорении электрических зарядов они должны излучать своего рода волну. Эта волна включала бы колеблющиеся электрические и магнитные поля и распространялась бы в космосе со скоростью, взаимосвязанной с силами, возникающими при взаимодействии между электрическими зарядами и магнитными полюсами — со скоростью, которую возможно было бы рассчитать, потому что эти силы были известны.

Должно быть, Максвелл пребывал в состоянии шока, когда рассчитал эту скорость, потому что она составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 км/сек): это скорость света. Фактически свет — это форма того, что мы в настоящее время называем электромагнитным излучением. Таким образом, носок, прицепляющийся к полотенцу, и магниты, удерживающие записки-памятки на дверце вашего холодильника, связаны с тем фактом, что вы можете прочитать эти слова, потому что свет движется от страницы в ваш глаз.

И это ещё не всё. Видимый свет состоит из волн, длина которых варьирует от 4000 до 8000 атомов. Уравнения предсказывают, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. Начиная с конца 19 века, эти волны были открыты — если начать с радиоволн и двигаться по электромагнитному спектру, то с одной стороны будут более длинные микроволны и инфракрасное излучение, а с другой — ультрафиолетовое излучение с более короткой длиной волны, рентгеновское излучение и, наконец, гамма-лучи. По мере того как длина волны уменьшается, переносимая волной энергия возрастает. Иными словами, возьмите волну видимого света и растяните её — и вы получите радиоволны. Сожмите её — и у вас будут рентгеновские лучи.

Эти волны несут большую часть информации, которую мы когда-либо сможем получить от экзопланеты. Эти волны движутся к нам со скоростью света. Каждый из типов излучения даёт нам представление о своём виде явлений — например, рентгеновские лучи говорят нам о бурных событиях большой энергии, тогда как инфракрасное излучение рассказывает о событиях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако эти волны, за исключением радиоволн и видимого света, как правило, поглощаются атмосферой Земли. Это объясняет тот факт, что именно спутники на орбите вокруг Земли, а не наземные телескопы собирают так много данных, которыми мы воспользуемся далее. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого было впервые описано уравнениями Максвелла, является нашим основным инструментом для исследования условий экзопланет и (как мы увидим в главе 5) нашим основным инструментом для поиска жизни вне Земли.

Термодинамика

Последним из великих столпов классической науки является термодинамика. Название происходит от сочетания слов «термо» (тепло) и «динамика» (наука о движении) — таким образом, это наука, которая описывает движение (т. е. передачу) тепла (и, следовательно, других форм энергии). Как и механику, электричество и магнетизм, эту область науки тоже можно свести к небольшому числу законов — к двум в обычном изложении. Они называются первым и вторым законами термодинамики:

• Различные формы энергии могут переходить одна в другую, но общая энергия замкнутой системы с течением времени должна оставаться неизменной (сохраняться).

• Общая неупорядоченность (энтропия) замкнутой системы не может уменьшаться с течением времени.

Первый закон — это, возможно, одна из важнейших составляющих нашего понимания Вселенной; он просто говорит нам, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена бесследно, но она может переходить из одной формы в другую. Таким образом, нам следует представлять энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой из экзопланет), в виде своего рода потока. Она приходит извне (в случае Земли — от Солнца), проходит через биосферу и в конечном итоге направляется обратно в космос в виде инфракрасного излучения. В каждом из примеров жизни на экзопланете, который мы рассматриваем, одним из первых упражнений, которое мы выполним, будет исследование доступных источников энергии. В некоторых ситуациях эта энергия может поступать от звезды, но в других — нет. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, которые не зависят от Солнца — они расположены на дне океана в глубоководных горячих источниках — источниках, которые выносят из глубин земных недр тепловую и химическую энергию. Подобные же источники, несомненно, существуют на экзопланетах, и они будут занимать значимое место в нашем обсуждении многих из миров, которые мы будем рассматривать.

Второй закон термодинамики будет фигурировать в нашем обсуждении определения жизни (глава 3), а также в обсуждении жизни, совершенно не похожей на нас (глава 16). Причина этого в том, что каждая живая система, независимо от её состава, должна быть высокоупорядоченной, и к концепции упорядоченности имеет отношение именно второй закон. Основное правило, иллюстрирующее этот закон, состоит в том, что если вы создаёте упорядоченную систему — каковой является жизнь — в одном месте, то вам придется за это заплатить, создав беспорядок где-то в другом месте.

Вот так и обстоят дела. В классическом ньютоновском представлении вселенная действует в соответствии с девятью законами природы: тремя — механики, четырьмя — электричества и магнетизма и двумя — термодинамики. Всё, что происходит где-либо во вселенной, в итоге можно объяснить при помощи набора уравнений, который легко поместился бы на футболке. Тем не менее, это прекрасный, убедительный, хотя и упрощённый до крайности взгляд на вселенную.

Новые науки

Иногда можно услышать утверждение о том, что основные достижения физики 20-го века — теория относительности и квантовая механика — показали, будто бы ньютоновское мировоззрение совершенно неверно. Позволим себе не согласиться с этим. Ньютоновская вселенная основана на результатах экспериментов по поведению объектов, которые, как мы уже говорили, можно примерно охарактеризовать как объекты нормального размера, движущиеся с нормальной скоростью. Что делают новые науки, так это расширяют научное мировоззрение за пределы этого диапазона. Например, теория относительности имеет дело с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, или имеющими большую массу, тогда как квантовая механика имеет дело с объектами атомного или субатомного масштаба. Если применить законы любой из них к объектам нормального размера, движущимся с нормальной скоростью, то они сведутся к знакомой ньютоновской вселенной, описанной выше. Вот почему мы до сих пор обучаем ньютоновской механике инженеров, проектирующих автомобильные мосты, по которым вы проезжаете.

В лучшем случае эти новые области науки добавляют ещё пару законов к «первой девятке», описанной выше. Теория относительности, например, построена на одном принципе: законы природы одинаковы во всех системах отсчёта. В дальнейшем нам мало что понадобится из этой теории, но она действительно играет определённую роль в поиске планет, одиноко блуждающих в межзвёздном пространстве, — тех, которые мы называем планетами-сиротами (см. главу 11).

Квантовая механика сильно отличается от теории относительности. Внутриатомные явления работают не так, как в нашем повседневном опыте. В квантовом мире нет ничего ровного и непрерывного. Всё, что там есть, поступает порциями. И хотя общий научный консенсус относительно того, как интерпретировать результаты, которые мы получаем, вторгаясь в это странное место, ещё не достигнут, многие из научных формулировок обращаются лишь к немногим общим принципам, которые мы можем добавить в наш список.

Самые важные для наших целей следствия квантовой механики вытекают из её объяснения того, как атомы излучают и поглощают свет. В отличие от планет, вращающихся вокруг звезды, электроны не могут занимать какую-либо случайную орбиту у атомного ядра, вокруг которого они вращаются. Вместо этого их орбиты строго определены. Когда электрон переходит с орбиты, расположенной дальше от ядра, на орбиту, расположенную ближе, атомы испускают электромагнитное излучение (в том числе видимый свет), Точно так же атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота испускаемого или поглощаемого излучения, которая в случае видимого света соответствует его цвету, зависит от разницы в энергии между исходной и конечной орбитами. Поскольку расположение допустимых орбит у атомов разных химических элементов обычно различается, спектр излучения, испускаемого или поглощаемого атомом, работает как своего рода отпечаток пальца, позволяющий нам идентифицировать этот атом. Это — основа для области науки под названием спектроскопия; мы обсуждаем её в главе 5. В этой главе мы утверждаем, что данное следствие квантовой механики является нашим лучшим инструментом, позволяющим делать заключения относительно наличия жизни вокруг других звёзд.

Таким образом, понимание вселенной сводится к отысканию немногих универсальных законов вроде тех, что обсуждались выше. Огромное упрощение, начавшееся с Ньютона, позволяет нам надеяться, что такое же упрощение сработает и в будущем, когда мы обратимся к новым областям науки. Это ещё и движущая сила, стоящая за попытками современной физики найти то, что лишь с долей шутки называют «теорией всего». Это было бы единое уравнение, из которого можно было бы вывести все вышеперечисленные принципы, а также те, которые ещё только предстоит открыть. Она, как следует из её названия, объясняла бы всё.

Конечно, сейчас мы ещё даже не приблизились к тому, чтобы найти эту теорию всего, и многие серьёзные учёные сомневаются в том, что она вообще существует. Для того, чтобы начать поиски жизни в иных местах Вселенной, она нам не нужна, но было забавно представить себе, как могла бы выглядеть передовая технология, основанная на теории всего.

Принцип Коперника

Второй великий принцип, которым мы будем руководствоваться в нашем исследовании жизни на экзопланетах, обычно ассоциируется с польским священнослужителем Николаем Коперником (1473-1543), который известен тем, что создал математическую модель Солнечной системы, где в центре находится не Земля, а Солнце. Это был первый шаг на пути к нашему нынешнему пониманию того, что в нашей родной планете нет ничего особенного. Наш мир — это всего лишь один каменный шар, вращающийся вокруг обычной звезды в неинтересной части обычной галактики — одной из миллиардов в видимой части вселенной. Некоторые люди выражали глубокое сожаление по поводу такого взгляда на Вселенную, как будто он каким-то образом унижал человеческую расу. Мы предпочитаем рассматривать этот шаг вперёд с иной точки зрения, потому что для нас наша планетарная заурядность — это драгоценный дар. Она означает, что законы природы, которые мы открываем здесь и сейчас, действуют по всей Вселенной, и что так было всегда.

Древние греки, люди, поставившие нас на путь, ведущий к современной науке, разработали совершенно иную теорию устройства Вселенной. В их космологии Земля находилась в центре творения, отличаясь от всего остального — особенная. На Земле было четыре стихии, которые составляли всю материю: знакомые земля, огонь, воздух и вода. На небесах, однако, существовала иная стихия, называемая эфиром или квинтэссенцией. Более того, на небесах всё было идеально — небесные сферы несли планеты и звёзды по своим круговым (более или менее) путям, и, в отличие от Земли, сами небесные тела были безупречны. (Кстати, открытие Галилеем при помощи телескопа кратеров на Луне и пятен на Солнце противоречило этой важной заповеди аристотелевской космологии.) Иными словами, для древних греков существовало два свода естественных законов, один из которых действовал на Земле, а другой — на небесах.

И именно наш старый друг Исаак Ньютон залечил этот разрыв. По его рассказу, написанному много лет спустя, однажды он гулял в саду своих родителей и увидел, как яблоко упало с дерева, и в то же самое время увидел Луну в небе. Он знал, что падение яблока объясняется «земной» гравитацией — силой, которая, помимо всего прочего, была тщательно изучена Галилеем. Однако он также знал, что Луна движется не по прямой, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) он понял, что на Луну, чтобы удерживать её на орбите, должна воздействовать сила — иначе она просто улетит в космос. Он задался вопросом, который кажется нам очевидным, однако нужно быть гением, чтобы задать его в первый раз: может ли быть так, что сила, заставляющая яблоко падать, — это та же самая сила, что удерживает Луну на орбите?

Ответ, конечно же, «да», и сегодня мы понимаем, что сила, которую он описал, воплощена в законе всемирного тяготения. Иными словами, между земной и небесной гравитацией нет никакой разницы. Это осознание стало первым доказательством, подтверждающим принцип Коперника — законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, — это те же самые законы, которые действуют повсюду во Вселенной.

С 17 века накопилось огромное количество данных, подкрепляющих это утверждение. Мы можем посмотреть на свет, который излучает тот или иной атом в земной лаборатории, и сравнить его со светом, излучаемым таким же атомом в отдалённой части нашей галактики (или, если уж на то пошло, в другой галактике). Свет тот же самый. Мы можем посмотреть на распад радиоактивных ядер, образующихся при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиарда световых лет, и сравнить его с распадом тех же ядер прямо здесь. Опять же, в обоих случаях они одни и те же. Данные очень определённые — на Земле нет ничего особенного, и те законы, которые действуют здесь, действуют везде. Точка.

Кроме того, нам следует понимать, что, когда мы смотрим на галактику в миллиарде световых лет от нас, мы видим тот свет, который был испущен миллиард лет назад и с тех пор находился в пути. Иными словами, мы смотрим в прошлое. Та же гора доказательств, описанная выше, показывает, что атом в той далёкой галактике, когда он появился в прошлом, ничем не отличается от атома в нашей лаборатории, который мы измеряем в настоящее время. Законы физики и химии, которые действуют сейчас, действовали всегда. Ещё раз точка.

Таким образом, как мы говорили в предыдущей главе, нам уже многое известно о природной среде, существующей на экзопланетах. Мы знаем, что горстка законов, описанная выше, будет действовать на этих экзопланетах ровно так же, как на Земле. Это позволит нам определить свойства форм жизни на этих экзопланетах, но одновременно ограничит наше воображение. Например, вымышленный летающий дракон, о котором мы говорили выше, всё равно должен работать в соответствии с законами движения Ньютона, как бы экзотично он ни выглядел. Иными словами, будет разрешено существование только тех форм жизни, которые соответствуют известным законам. Давайте же, держа это в голове, обратимся к вопросу о законах, управляющих живыми системами.

3

ЖИЗНЬ

ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?

Все мы практически уверены, что знаем, что такое «жизнь», и практически уверены, что узнаем её, когда увидим, но дать определение этому понятию всегда было чертовски трудно. Что именно характеризует то, что мы называем жизнью? Главная проблема заключается в том, что жизнь на Земле (единственная жизнь, о которой мы знаем) чрезвычайно сложна и разнообразна. Кроме того, между живым и неживым, как представляется, разверзлась зияющая пропасть — пропасть, которую следует описать и учитывать в любом из определений жизни.

Как и следовало ожидать, история размышлений на тему точного определения жизни очень долгая. Например, Аристотель утверждал, что для того, чтобы быть живым, нечто должно иметь как материальное тело, так и нематериальную «форму», причём эта форма является его душой. Позже это утверждение переросло в представление о том, что живое от неживого отличает некая нематериальная жизненная сила. Представление о том, что присутствие жизни требует таинственной нематериальной силы, названное витализмом, исчезло под натиском клеточной и молекулярной биологии в 19 и 20 веках. Сегодня мы признаём, что на молекулярном уровне живые системы действуют в соответствии с теми же законами химии, что и всё остальное, — просто они, как правило, оказываются более сложными.

Тем не менее, огромное разнообразие жизни на Земле делает поиск простого определения для этого слова чрезвычайно трудным — и действительно, многие учёные в наши дни утверждают, что простое определение невозможно. Для наших целей полезно будет знать три основных современных пути решения людьми этой проблемы: определения жизни, основанные на перечне свойств, определения, основанные на процессе, и определения, основанные на науке термодинамике. Давайте рассмотрим эти категории по отдельности.

Определения по перечню свойств

Люди, которые используют первый из классов определений жизни, составляют список свойств, приписываемых живым системам, и далее утверждают, что всё, обладающее всеми этими свойствами (или, может быть, большей их частью), является живым. И напротив, всё, что лишено всех или многих из этих свойств, не может быть живым. Список, который вы найдёте в типичном учебнике биологии, потребует, чтобы живая система обладала следующими характеристиками и способностями:

Адаптация: способность меняться в ответ на долгосрочные изменения в окружающей среде

Рост: способность меняться и развиваться с течением времени

Гомеостаз: способность поддерживать стабильное внутреннее состояние (например, температуру человеческого тела)

Обмен веществ: способность перерабатывать внешние ресурсы (как люди поступают с пищей)

Организация: состоит из одной или большего числа клеток

Размножение: обладание способностью к воспроизводству

Реактивность: способность реагировать на краткосрочные изменения в окружающей среде

Конечно, проблема с такого рода перечнями заключается в том, что, как только вы составили один такой список, появляется некто, чтобы продемонстрировать пример объекта, явно живого, но не обладающего всеми перечисленными признаками. Например, мул — помесь лошади и осла — вполне очевидно является живым, но не может размножаться. Физик Дэниел Кошланд указал на ещё более забавный контрпример, когда заметил, что, если кролик не способен размножаться в одиночку и, следовательно, не является живым в соответствии с этим списком, два кролика вместе способны к размножению и, следовательно, являются живыми. Очевидно, что включение в список возможности воспроизводства сопряжено с проблемами.

Одним из способов обойти эту трудность будет утверждать, что нечто является живым, если соответствует многим, но не обязательно всем критериям из перечня — по сути, принимать то, что специалисты в области права называют стандартом «перевеса доказательств». Но тогда, конечно же, вы сразу сталкиваетесь с проблемой принятия решения о том, что можно исключить из списка.

Яркий пример проблем, связанных со стандартом перевеса доказательств, иллюстрируется поиском жизни на Марсе. Когда в 1976 году туда прибыли спускаемые аппараты «Викинг», существовали большие надежды на то, что они обнаружат свидетельства жизни на Красной планете. На этих аппаратах было проведено не менее четырёх экспериментов, каждый из которых был разработан для поиска различных химических следов метаболизма земного типа в марсианской среде. Мы подробно поговорим об этих экспериментах дальше, но на данный момент просто отметим, что основная логика программы «Викинга» заключалась в том, чтобы определить жизнь при помощи «списка», который содержал только один пункт: обмен веществ земного типа. Как только начали поступать данные, люди быстро предложили способы, посредством которых эксперименты могли бы дать положительные результаты из-за влияния неживых источников — в данном случае химических реакций в марсианской почве. Многие учёные утверждают, что десятилетия споров, последовавшие за посадкой «Викингов», были, как минимум, отчасти вызваны ограниченностью определения жизни, заложенного в схему эксперимента.

Одна из ярких иллюстраций проблем со «списочным» подходом к определению жизни показана в эпизоде телесериала «Звёздный путь: Следующее поколение», где робот-андроид по имени Дейта утверждал, что огонь можно считать живым. Как-никак огонь потребляет материалы из окружающей среды, перерабатывает их и производит отходы. Он растёт, размножается и реагирует на окружающую среду. Таким образом, огонь удовлетворяет большинству пунктов списка (отсутствует только требование гомеостаза), но мало кто из нас захотел бы утверждать, что он живой.

Новая наука экология позволяет нам подойти с иной стороны к использованию списка признаков для формулировки определения жизни. Вместо того чтобы рассматривать свойства отдельного организма, эколог смотрит на то, как этот организм вписывается в сложную сеть взаимосвязей, составляющих экосистему, частью которой он является. Пожалуй, самым известным проявлением этой точки зрения является так называемая гипотеза Гайи. Эта точка зрения, которую представил эколог Джеймс Лавлок, предлагает нам рассматривать всю Землю, и одушевлённую, и неодушевлённую её части, как нечто похожее на единый живой организм. Эта гипотеза обычно используется для предсказания того, что различные системы на Земле будут функционировать вместе для создания стабильной среды, в которой сможет процветать жизнь. (Следует отметить, что в древнегреческой мифологии Гея была изначальным божеством, прародительницей всего живого.)

Гипотеза Гайи подверглась критике, потому что настоящая геологическая история Земли полна экстремальных событий, которые мешают рассматривать планету как продукт хрупкого экологического баланса. Например, имели место события так называемой «Земли-снежка», когда вся поверхность планеты (включая океаны) полностью замерзала лишь для того, чтобы оттаять в результате массовых извержений вулканов. И хотя мы вряд ли можем не согласиться с мнением о том, что живые существа на Земле являются частями расширенных экосистем, всё, чем экологическая точка зрения поможет нам в формулировке определения жизни — она просто добавит ещё один пункт в приведённый выше список: для того, чтобы нечто считалось живым, оно должно быть частью расширенной экосистемы. Но, даже если это может быть верным для живых существ на Земле, нет никаких причин, по которым это должно быть верно для жизни на экзопланетах.

То же самое можно сказать и в отношении требования о том, чтобы живые системы были организованы в виде клеток. Хотя жизнь, похожая на нас, однозначно связана с клетками, нет никаких причин, по которым жизнь на экзопланетах также должна обладать этим признаком.

Фактически, многие из свойств, указанные в приведённом выше списке, совершенно очевидно применимы к жизни на Земле, однако столь же очевидно, что они не обязательно применимы к жизни на экзопланетах. Поэтому, хоть мы и будем помнить об этом перечне признаков во время движения вглубь галактики, нам также следует помнить о том, что зацикливаться на его полезности не следует.

Определения, основанные на процессе

В 1994 году, только-только приступив к поиску жизни в других частях галактики, НАСА созвало группу учёных, чтобы решить вопрос о том, какое определение ей дать. Следуя предложению астрофизика из Корнелла Карла Сагана, они определили жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции» — это определение стало известно как «определение НАСА». Хотя оно явно ориентировано на Землю, мы находим его полезным для рассуждений о возможных формах жизни на экзопланетах. Процесс, называемый «дарвиновской эволюцией», также называется естественным отбором, и мы утверждаем, что он с достаточной степенью вероятности будет обнаружен на подавляющем большинстве экзопланет.

Вот, как она работает на Земле: каждый организм получает генетический материал от своих родителей, и этот генетический материал влияет на свойства, которые проявляются у организма. Данные свойства, в свою очередь, играют важную роль в определении возможности организма прожить достаточно долго для передачи этого генетического материала другому поколению — такой процесс часто называют выживанием наиболее приспособленных. Признаки, которые позволяют это сделать, будут накапливаться в популяции. Таким образом, со временем естественный отбор создаёт организмы, приспособленные к окружающей среде, и это привело к появлению того разнообразия форм жизни, которое мы наблюдаем на нашей планете.

Но если утверждение о том, что каждый живой организм на Земле представляет собой продукт естественного отбора, является верным, из этого не обязательно следует, что нечто, не являющееся продуктом естественного отбора, не может быть живым. Мы рассмотрим некоторые примеры этого в главе 16, когда будем говорить о жизни, совершенно не похожей на нас.

Фактически, определение от НАСА — это всего лишь один из примеров попыток дать определение жизни, отталкиваясь от процессов, связанных с её образованием. По сути, в нём говорится, что узнать, является ли нечто живым, можно, выяснив, как оно появилось. Если оно возникло путём естественного отбора, то в соответствии с данным определением оно является живым. С данной точки зрения мерилом для определения жизни становится естественный отбор.

Для определения жизни были предложены и другие процессы. Один из самых интересных берёт начало в новой науке о сложности, и называется свойством эмерджентности. В данном случае мы определяем жизнь как эмерджентное свойство химических систем.

Стандартной аналогией, используемой для объяснения понятия эмерджентности, является куча песчинок. Представьте себе, что вы создаёте кучу, добавляя по одной песчинке за раз. По мере накопления песчинок сеть сил, действующих внутри кучи, становится всё более и более сложной, хотя сами эти силы генерируются просто контактом между песчинками. В конце концов — скажем, на миллионной песчинке — происходит нечто иное. Мы добавляем эту песчинку, и внезапно вниз по склону кучи движется оползень. Оползень — это эмерджентное свойство песчинок. Суть в том, что от одной песчинки одну миллионную долю оползня вы не получите — чтобы получить эффект, у вас должен быть миллион песчинок.

Точно так же утверждалось, что жизнь — это проявление своего рода химического оползня. Сделайте химическую систему достаточно сложной, говорится далее, и вы, скорее всего, создадите жизнь.

Основная проблема такого рода определений процессов заключается в том, что они требуют достаточно подробного знания о том, как обсуждаемая система стала такой, какая она есть. В главе 5 мы обсудим серьёзные проблемы, связанные с поиском свидетельств существования жизни на других планетах — речь даже не идёт о том, чтобы выяснять, как эта жизнь развивалась. Даже на Марсе, куда мы реально можем отправлять спускаемые аппараты и зонды для проведения измерений на месте, найти убедительные доказательства того, что жизнь есть (или была), оказалось чрезвычайно сложно. Представьте себе, как трудно было бы определить эволюционную историю жизни на далёкой экзопланете.

Определения, основанные на термодинамике

Когда такую проблему, как определение жизни, рассматривают физики, их подход в целом заключается в том, чтобы докопаться до самых основных законов природы, действующих в любой системе, которую они исследуют. Этот приём восходит, как минимум, к Исааку Ньютону, который показал, что движение любого объекта в любой точке Вселенной можно объяснить в рамках трёх законов. Можно сказать, что цель физики — свести вселенную к набору уравнений, которые поместились бы на футболке, как мы уже увидели в предыдущей главе.

Следовательно, когда физик смотрит на жизнь на Земле, он думает о двух фундаментальных свойствах: энергии и энтропии, или порядке. Понимание этих свойств находится в ведении области науки, известной как термодинамика, которая разработана в 19 веке. В предыдущей главе мы описали первый и второй законы термодинамики (вспомните футболку), которые можно сформулировать так:

Первый закон: энергия существует во многих формах, взаимно переходящих друг в друга, но не может быть создана или уничтожена.

Второй закон: с течением времени неупорядоченность в замкнутой системе будет возрастать или оставаться неизменной.

Второй закон часто формулируется через величину, называемую энтропией, которую мы можем рассматривать как меру упорядоченности системы — высокая энтропия приравнивается к большой степени беспорядка, низкая энтропия — к высокой степени порядка.

Стандартная аналогия, которая используется для иллюстрации законов термодинамики — это спальня подростка. С течением времени комната будет становиться всё более и более захламлённой (т. е. становиться менее упорядоченной или, что эквивалентно, переходить в состояние более высокой энтропии). Мы можем считать беспорядок естественным «равновесным» состоянием системы. Единственный способ избежать такого исхода и удерживать систему дальше от состояния равновесия — постоянно исправлять ситуацию, а этот процесс требует использования энергии. Эта энергия, скорее всего, поступит из пищи, которую съест подросток (или, что более вероятно, его или её родители), и после того, как комната будет убрана, рассеется в виде отработанного тепла, излучаемого в космос. Это следует из первого закона — энергия, заключённая в пище, должна куда-то уходить и не может просто исчезнуть. Таким образом, для поддержания состояния высокой упорядоченности (или низкой энтропии) нам необходим постоянный поток энергии, протекающий через систему. На жаргоне физиков мы говорим, что поток энергии поддерживает систему в высокоупорядоченном состоянии, далёком от равновесия.

Живая система вроде человеческого тела находится именно в таком высокоупорядоченном состоянии, по аналогии с прибранной спальней. Атомы в вашем теле, будучи предоставленными самим себе, превратились бы в беспорядочную мешанину недифференцированного материала — это аналог спальни, в которой царит беспорядок. Поток энергии, доставляемый приёмом пищи, но в конечном счёте исходящий от Солнца, удерживает тело подальше от его равновесного состояния, которое было бы той самой кучей неупорядоченных атомов. Мы можем обобщить эту мысль, сказав, что живая система — это система, которую поток энергии поддерживает в состоянии, далёком от равновесия.

Вероятно, вместо того, чтобы искать определение жизни, лучше считать этот процесс свойством живой системы — свойством, которое может работать как сигнал, предупреждающий нас о возможном наличии жизни. На жаргоне логиков это необходимое, но недостаточное условие для жизни. Иными словами, в каждой живой системе должен существовать поток энергии, поддерживающий состояние высокой упорядоченности, но не каждая система с таким свойством является живой. Растущая снежинка, например, представляет собой высокоупорядоченную систему, приводимую в движение тепловой энергией, но живой она не является.

Концепция термодинамической жизни будет особенно полезной, когда мы приступим к рассмотрению возможности существования жизни, совершенно не похожей на нас, в главе 16.

Несколько слов о технологии

В 1960 году палеонтологи Луис и Мэри Лики, работавшие в Олдувайском ущелье в Танзании, обнаружили ископаемые останки гоминида в окружении свидетельств наличия каменных орудий труда. Гоминид, позже получивший название Homo habilis («Человек умелый»), был первым из наших предков, который использовал материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда — в данном случае заострённых каменных отщепов. Обладая мозгом примерно вдвое меньшего размера, чем у современных людей, хабилис вывел нас на путь, ведущий к технологическому обществу, которым мы сейчас наслаждаемся.

Ранее считалось, что изготовление орудий труда, как и язык, было одной из тех особенностей, которые отличали людей от других животных. В настоящее время мы понимаем, что границы такого рода гораздо менее резкие, чем мы когда-то считали. Мы видим, как другие животные используют некоторые примитивные орудия труда — например, шимпанзе засовывают прутик в гнездо термитов, чтобы вытащить насекомых наружу, где их можно съесть. Однако утверждать, что палка и, например, «Боинг-747» в некотором смысле равнозначны — это значит осознанно проявлять тупость. Подобно иным отличиям между человечеством и всей остальной природой, отличия в способности изготавливать орудия труда проявляются скорее в глубине навыка, чем в том, что это за орудия.

Очевидно, что способность использовать материалы из окружающей среды для изготовления орудий труда является необходимым условием для развития технологического общества. Этот факт, однако, ставит интересный вопрос, когда мы размышляем об экзопланетах. На Земле повсеместная доступность горных пород и камней позволила нашим предкам разрабатывать всё более сложный набор орудий труда. То же самое можно сказать и о легко обрабатываемых металлах на поверхности Земли или непосредственно под ней. Без этих металлов мы бы всё ещё жили в каменном веке.

Но наличие легкодоступных материалов для изготовления инструментов не обязательно должно быть всеобщей особенностью экзопланет. В мире, покрытом водой, который мы обсуждаем в главе 8, камни и металлы легко могут оказаться в дефиците, и развитие чего-то такого, что мы признали бы технологической цивилизацией, может оказаться в лучшем случае проблематичным. Таким образом, наше внимание будет приковано не только к наличию жизни на экзопланете, но и к наличию природных материалов, которые могут поддерживать производство орудий труда и, в конечном счёте, технологическую цивилизацию.

4

ПРАВИЛА ИГРЫ

КАК ДОЛЖНА РАБОТАТЬ КАЖДАЯ ЖИВАЯ СИСТЕМА

Как ни парадоксально, но, хотя формулировка определения жизни может быть трудной или, возможно, даже невозможной задачей, определение свойств жизни на отдалённых планетах не является такой уж большой проблемой. Причина этого заключается в том, что у нас есть достаточно хорошее представление о том, как развивается и функционирует жизнь по отношению к окружающей среде, в которой она находится — по крайней мере, в отношении жизни, похожей на нас. Кроме того, далее по тексту мы утверждаем, что «правила игры», которые управляют жизнью на Земле, следует применять практически к любому виду жизни, а не только к жизни, основанной на химических свойствах углерода. Таким образом, мы можем выявить правила, которые управляют развитием жизни любого вида в любой точке галактики, когда выясним, что это за правила, прямо здесь, на Земле. Учитывая это представление — и ещё тот факт, что возникновение жизни на Земле является единственным процессом, создающим жизнь, о котором мы знаем — ниже мы вначале изложим то, что знаем о развитии жизни на нашей собственной планете, а затем попытаемся представить, как подобные процессы будут протекать в экзотических условиях экзопланет.

Каждый из двух основных вопросов, которые мы можем задать о том, как жизнь на нашей планете стала такой, какая она есть, требует знаний из иных областей науки. Первый вопрос заключается в том, каким образом нечто живое возникло из материалов, которые определённо не были живыми — он известен как проблема происхождения жизни. Второй вопрос таков: как после появления живого существа развились те разнообразие и сложность жизни, которые мы наблюдаем вокруг себя в настоящее время? Из двух вопросов этот окажется более актуальным для обсуждения жизни на экзопланетах, поэтому нам повезло, что у нас есть довольно чёткое представление о том, как этот процесс происходил на Земле. Наше нынешнее понимание обращается к естественному отбору (или, что равнозначно, к дарвиновской эволюции), который мы обсуждали в предыдущей главе, коснувшись определения жизни от НАСА.

Происхождение жизни на Земле

Прежде чем мы перейдём к подробному описанию происхождения жизни, нам следует сделать важный вывод. Живые системы на Земле в наше время представляют собой чрезвычайно сложные объекты, продукт миллиардов лет эволюции. Первое живое существо на планете — то, которое мы можем назвать универсальным общим предком, — было бы совсем не похоже на тех живых существ, которых мы видим сегодня. Оно было бы чрезвычайно примитивным и, вероятно, обладало бы лишь немногими особенностями, присущими современным клеткам. Мы увидим, что сложность современных живых существ возникла из этого примитивного начала позже, в процессе естественного отбора.

На заре своей истории наша планета была расплавленным шаром, плавающим в космосе — на ней не было той атмосферы, которую мы могли бы узнать, не было океанов и, конечно же, не было жизни. Вращаясь по своей орбите, ранняя Земля постоянно подвергалась бомбардировке космическим мусором — собственно, именно эти столкновения и давали достаточно тепла, чтобы расплавить планету. Проще говоря, проблема происхождения жизни заключается в следующем: как Земля осуществила переход из этого исходного состояния к планете, на которой есть хотя бы один живой организм? По сути, мы ожидаем, что многие из экзопланет земного типа (то есть, маленькие и каменистые планеты) находились в схожем исходном состоянии, поэтому наши размышления о происхождении жизни на этих планетах будут происходить в свете земного опыта.

Мы считаем, что формирование газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна шло по другому пути, когда водород и гелий быстро накапливались вокруг небольшого твёрдого ядра. Мы рассмотрим вопрос о том, означает ли это, что происхождение жизни на таких планетах может идти по иному пути, нежели на Земле. Однако вполне ожидаемо, что внутренние структуры обнаруженных там клеток будут отличаться от структур у клеток на Земле — например, некоторые из этих структур могут контролировать плавучесть.

Первое, что случилось с Землёй, когда она вышла из своей горячей ранней стадии — это её остывание; её внешний слой затвердел, превратившись в камень. Вода, отчасти вышедшая из недр планеты, отчасти принесённая кометами и астероидами, наполнила океанские бассейны, подготовив сцену для появления жизни. Благодаря воде, заключённой в минералах, известных как кристаллы циркона, у нас есть свидетельство того, что жидкая вода была обычным явлением уже 4,2 миллиарда лет назад. Из летописи окаменелостей мы знаем, что жизнь появилась на Земле вскоре после прекращения её бомбардировки крупными астероидами, не позднее 3,8 миллиарда лет назад. Таким образом, гость нашей планеты 3,8 миллиарда лет назад обнаружил бы, что в её океанах полным-полно цианобактерий (вспомните зелёную прудовую тину). Таким образом, мы можем сказать, что жизнь на Земле появилась быстро, как только она смогла выживать.

Этот факт поднимает интересный вопрос. Во время великой бомбардировки ранней Земли, вероятно, были времена — возможно, длившиеся миллионы лет, — когда сильных ударов небесных тел не было. Если бы жизнь развилась в один из таких периодов покоя, она была бы уничтожена при следующем столкновении с крупным астероидом. Например, небесное тело размером со штат Огайо выделило бы достаточно энергии, чтобы на протяжении 1000 лет кипятить океаны Земли, превращая атмосферу в горячий пар. Мы не ожидали бы, что какие-то примитивные формы жизни переживут такого рода события, и, насколько мы можем судить, такие сценарии могли неоднократно повторяться на ранней Земле. Иными словами, возможно, что наши микробные предки были не первыми формами жизни на нашей планете — возможно, они просто были первыми, кто возник после последнего крупного удара небесного тела. Разумеется, жизнь могла зарождаться на ранней Земле десятки раз, хотя в настоящее время у нас есть свидетельства наличия только той формы жизни, которая пережила последний из стерилизующих ударов астероида.

Первый шаг в зарождении жизни включал накопление сложных молекул, содержащих атомы углерода. Ранее считалось, что собрать сложные углеродные цепочки, встречающиеся в живых системах, было сложной задачей — на самом же деле, до середины 20-го века учёные, как правило, избегали работать в этой области исследований. Общее ощущение, видимо, заключалось в том, что вопрос о происхождении жизни в целом был слишком сложным (и, возможно, слишком философским), чтобы стать частью основной науки.

Можно сказать, что исследование происхождения жизни подстегнул один эксперимент, проведённый в подвале химического корпуса Чикагского университета в 1952 году. Это была попытка воссоздать условия, которые могли существовать на ранней Земле, предпринятая лауреатом Нобелевской премии химиком Гарольдом Юри (1893-1981) и его тогдашним аспирантом Стэнли Миллером (1930-2007). Устройство было простым: в нём была колба с водой (для имитации океана), источник тепла (для имитации воздействия Солнца), электрическая искра (для имитации молнии) и смесь водяного пара, метана, водорода и аммиака (это было самой лучшей догадкой Миллера и Юри в отношении состава ранней атмосферы Земли). Были включены нагрев и подача искры, и аппарат оставили в покое на несколько недель. По истечении этого времени вода стала мутно-бордово-коричневой, а анализ показал, что в смеси присутствуют молекулы, называемые аминокислотами.

Небольшое пояснение: одной из самых важных групп молекул, встречающихся в живых системах, являются белки — именно эти молекулы управляют химическими реакциями в каждом живом существе на Земле. Белки состоят из аминокислот. В принципе, вы можете представить себе белок как цепочку, каждое звено которой представляет собой одну аминокислоту. Таким образом, Миллер и Юри доказали, что естественные процессы могут создавать основные строительные блоки живых систем, работая с материалами, которые совершенно очевидно не являются живыми, но, как считается, были в изобилии представлены на ранней Земле.

Этот результат оказал большое влияние на проблему происхождения жизни уже хотя бы потому, что перенес её из области философии в область науки. С тех пор эксперименты вроде проведённого Миллером и Юри позволили создать практически все важные молекулы, встречающиеся в живых системах, включая участки ДНК и сложные белки. И что удивительно, даже несмотря на то, что сегодня все сходятся во мнении, что состав атмосферы в эксперименте у Миллера и Юри был неправильным, это просто не имеет значения. Эксперименты с различными составами атмосферы и различными источниками энергии дали одинаковые по своей сути результаты, хотя и с разным выходом, в зависимости от предполагаемого состава атмосферы. Кроме того, сложные органические молекулы (включая аминокислоты) были обнаружены в метеоритах, в облаках межзвёздной пыли, и даже в дисках космического мусора, что окружают звёзды, и в которых формируются экзопланеты. Иными словами, вопреки всем ожиданиям, основные молекулярные строительные блоки жизни весьма обычны — фактически, они есть повсюду.

Таким образом, проблема происхождения жизни сводится к вопросу о том, каким образом эти основные строительные блоки собираются во что-то такое, что мы могли бы признать живым. Хотя уже выдвинуто множество теорий о том, как это произошло, ни одна из них не получила всеобщего признания. В любом случае, как мы уже увидели, единственное, что мы знаем, это то, что, каким бы образом ни происходила эта сборка, она произошла очень быстро.

Первичный бульон

После эксперимента Миллера-Юри были выдвинуты теории первого типа, которые утверждали, что процессы Миллера-Юри в ранней атмосфере Земли могли бы вызвать дождь органических молекул, превратив океаны планеты в насыщенный органический бульон, который стали называть первичным бульоном[1]. Расчёты показывали, что это могло произойти в течение нескольких сотен тысяч лет — всего лишь одно мгновение в масштабах геологического времени. После этого, говорится далее, случайные взаимодействия между органическими молекулами в конечном счёте приведут к образованию набора химических веществ, способного поглощать материал из окружающей среды и воспроизводиться — универсального общего предка. Теории утверждали, что при наличии достаточно продолжительного времени должно было произойти нечто подобное. Кстати, Смитсоновский институт зашёл настолько далеко, что снял фильм о телевизионном шеф-поваре Джулии Чайлд, которая смешивает первичный бульон у себя на кухне.

Существовало несколько вариантов сценария «первичного бульона»; все они были разработаны для того, чтобы пролить свет на процесс, посредством которого появился универсальный общий предок. Чарльз Дарвин, например, предположил, что жизнь могла зародиться в «маленьком тёплом водоёме». Следуя его примеру, некоторые учёные утверждали, что при каждом приливе вода, богатая органическими молекулами, попадала в замкнутый водоём. Затем вода могла бы испариться, оставив после себя органические молекулы. В итоге увеличение концентрации молекул в водоёме привело бы к появлению случайной комбинации, породившей первое живое существо.

Не заставили себя ждать и другие теоретические сценарии, которые разрабатывались, чтобы осуществить переход от существования строительных блоков к воспроизведению клеток. Например, было высказано предположение, что электрические заряды на поверхности глин, возможно, сыграли роль катализатора, запустившего первые химические реакции, необходимые для жизни. По мнению других теоретиков, каждый пузырёк океанской пены (или, в качестве альтернативы, каждую каплю жира в первичном бульоне) можно рассматривать как отдельный химический эксперимент, потому что разные капли содержат разный набор молекул. Согласно ещё одному сценарию, жизнь зародилась в небольшой полости в скале рядом с глубоководным океаническим горячим источником. (Преимущество этой схемы состоит в том, что первому общему предку не требовалось создавать клеточную мембрану или клеточную стенку, чтобы отделить живое от неживого, поскольку сама полость будет работать как своего рода клеточная мембрана.)

Все эти идеи о происхождении жизни можно классифицировать как теории «зафиксированной случайности». Основная идея заключается в том, что случайные расположения молекул продолжали появляться до тех пор, пока одна из них, чисто случайно, не оказалась способной к размножению. Как только это произошло, жизнь сменила тему, и на первый план вышел процесс естественного отбора. Взаиморасположение молекул, которое начало работать первым, было «зафиксировано», а конкуренты и опоздавшие остались глотать пыль.

Вы жили с зафиксированной случайностью на протяжении большей части своей жизни, хотя, возможно, и не осознавали этого. Посмотрите на клавиатуру вашего компьютера. Вы видите, что верхний ряд начинается с букв QWERTY? Эта так называемая QWERTY-клавиатура была разработана для замедления скорости набора текста, чтобы облегчить работу машин 19-го века. По сути, комбинация QWERTY оказалась зафиксированной, и хотя сегодня вместо кусочков металла мы перемещаем электроны, мы сохраняем оригинальную клавиатуру, потому что поменять всё, что с ней связано, было бы слишком сложно. Точно так же, как намекают эти теории, первая успешно размножающаяся клетка стала шаблоном для всей жизни — не потому, что этот дизайн был лучшим, а потому, что он был первым.

Мы могли бы продолжить перечислять теории «зафиксированной случайности», но думаем, что вы поняли саму идею. Эксперимент Миллера-Юри запустил настоящую лавину творчества в области идей о происхождении жизни. Но по мере того, как учёные узнавали всё больше и больше об основах химии жизни, в этой области начали доминировать два общих подхода — мы будем называть их «Мир РНК» и «Вначале был метаболизм».

Мир РНК

Современные клетки работают особым образом. Для запуска химических реакций, необходимых для поддержания жизни на Земле, требуется молекула под названием фермент. Ферменты в живых системах на Земле — это белки, и этот факт объясняет, почему эксперимент Миллера-Юри привлек так много внимания после публикации его результатов. В наших клетках информация, необходимая для сборки цепочек аминокислот, составляющих наши белки, закодирована в сложной молекуле, которую мы называем ДНК, и эта информация переводится в белки другим набором сложных молекул, называемых РНК. Первый шаг в этом процессе включает считывание кода ДНК, а для этого требуются белки. Таким образом, у нас получается классическая дилемма курицы и яйца. Для расшифровки кода ДНК нам нужны белки, но мы не можем получить белки, пока не будет расшифрован код ДНК.

Возможный способ обхода этой трудности появился в начале 1980-х годов, когда было обнаружено, что некоторые виды молекул РНК в дополнение к своей обычной роли в декодировании ДНК могут выступать в роли ферментов (специальный термин для этого вида РНК — рибозим). Это привело к появлению новой версии теории «застывшей случайности», где некое подобие РНК собралось случайно, а затем начало действовать и как фермент, и как шестерёнка в цепочке синтеза белка у первых форм жизни. Эта теория, получившая название «Мир РНК», вероятно, является самой распространённой теорией происхождения жизни среди современных учёных.

Ключевым моментом здесь является то, что, как только появится прото-РНК, примитивная клетка сможет использовать её для выживания и размножения. Следовательно, эта клетка стала бы универсальным общим предком. Затем на протяжении последующих миллиардов лет естественного отбора должна была развиться вся сложность современной клетки.

Вначале был метаболизм

Конкурирующая точка зрения сводит на нет всю идею «застывшей случайности». Мы можем назвать её «Вначале был метаболизм». Согласно этому сценарию, первая живая система (или протоклетка) вообще не содержала ДНК или РНК, но запускала ряд простых химических реакций без помощи сложных ферментов за счёт каталитического действия малых молекул. Химия современной клетки развилась значительно позже благодаря стандартным процессам, связанным с естественным отбором.

Вот аналогия, которая может помочь наглядно представить себе, как работает эта концепция. Взглянем на Систему межштатных автомагистралей США. Она чрезвычайно сложна, требует наличия сети дорог, развитой отрасли, занимающейся поставками бензина, развитой отрасли, занимающейся автомобилестроением, и так далее. Если бы мы хотели объяснить, каким образом сформировалась система автодорог между штатами, существующая в наши дни, мы бы не начинали с существующих дорог и не пытались выяснить, каким образом они могли бы породить автомобили. Вместо этого мы углубились бы в прошлое, в доколумбову Америку, и взглянули на самую примитивную транспортную сеть, какой были пешеходные тропы коренных американцев. Мы поговорили бы о том, как они превратились в грунтовые дороги для фургонов, как появились первые примитивные автомобили, за которыми последовали асфальтовое покрытие и заправочные станции, и так далее. Следуя этой эволюционной линии аргументации, мы в конечном итоге дошли бы до современной системы во всей её сложности, не прибегая к помощи крайне маловероятных случайных событий.

Что из этого — «мир РНК» или «Вначале был метаболизм» — проявилось на ранней Земле раньше (если вообще проявлялось), нам ещё только предстоит выяснить. На данный момент всё, что мы можем сказать — это то, что в отношении пути возникновения жизни на нашей планете ясны лишь две вещи: (1) существовал обильный запас основных молекулярных строительных блоков, необходимых для создания живых систем, и (2) каким бы образом ни было собрано первое живое существо, оно было собрано быстро.

Иные корни, иная жизнь

Способ зарождения жизни на Земле — будь то сценарий «мир РНК», или «вначале был метаболизм», или нечто совершенно иное, — не обязательно должен быть единственным способом возникновения жизни в иных местах Вселенной. Даже в мирах с океанами жидкой воды вполне могут существовать десятки, сотни или, возможно, даже миллионы способов зарождения жизни. В этих мирах могут существовать иные молекулы, несущие иной генетический код, и иные белки, управляющие химическими реакциями. В дальнейшем нам придётся постоянно оставаться начеку, чтобы избежать того, что мы можем назвать «земным шовинизмом» — представления о том, что жизнь в иных местах должна быть чем-то похожей на жизнь на Земле. Давайте рассмотрим некоторые из способов проявления таких различий.

Какие молекулы?

Даже жизнь, «похожая на нас», то есть, основанная на химических реакциях с участием соединений углерода, происходящих в среде из жидкой воды, не обязательно должна быть такой же, как жизнь, которая нам знакома. Чтобы привести всего лишь один пример, рассмотрим структуру белков — молекул, которые действуют как ферменты, управляющие химическими реакциями в земных живых системах. Эти молекулы, как мы уже говорили, можно рассматривать как аналог цепочки, в которой каждое звено представляет собой молекулу меньшего размера, называемую аминокислотой. Существует большое количество аминокислот, которые можно получить в лаборатории, и это открывает активно развивающуюся область для исследований белков, содержащих так называемые неприродные аминокислоты, которые можно использовать для чего угодно — от новых фармацевтических препаратов до биоразлагаемых контейнеров. Однако всё дело в том, что в земных живых системах присутствует лишь небольшое количество аминокислот (20 или 22, в зависимости от того, как вы хотите посчитать).

Почему? Может ли это быть результатом ещё одной «застывшей случайности» в начале нашей истории? Если это так, то мы могли бы ожидать, что живые организмы в других местах Вселенной будут использовать белки, составленные из аминокислот, отличных от наших собственных, и, следовательно, будут иметь совершенно иной химический состав. Но если бы существовала какая-то (пока ещё не открытая) причина, по которой именно тот набор аминокислот, который использует жизнь на Земле, давал бы огромное эволюционное преимущество, то мы ожидали бы, что вся жизнь на основе углерода в иных местах Вселенной будет работать с тем же генетическим кодом, что и у нас. Подобные вопросы можно задать в отношении практически любой особенности химического состава земной жизни.

Какая жидкость?

Вода — обычное вещество во Вселенной, но необходима ли она для жизни на основе углерода? Юпитер оказывается самым засушливым местом в нашей солнечной системе — настоящей пустыней Сахара планетарного масштаба. (И действительно, данные космического аппарата «Галилео» показывают, что процент водяного пара в атмосфере Юпитера сопоставим с таковым в Сахаре.) Тем не менее, мы знаем, что в атмосфере Юпитера в результате взаимодействия, вызванного ультрафиолетовым излучением Солнца, образуются довольно сложные органические молекулы — такие, как бензол. Это означает, что сложные молекулы могут создаваться в средах, где не так много воды. Может ли такой процесс привести к реакциям типа Миллера-Юри и к появлению жизни?

Мы склонны обращать больше внимания на жизнь на основе воды, потому что это то, что мы знаем, и потому что вода — очень хорошая среда, в которой могут происходить химические реакции. В конце концов, если предполагается, что молекулы должны взаимодействовать, у них должна быть возможность перемещаться и собираться вместе, а это вне всяких сомнений возможно в жидкой среде. Но вода — не единственная жидкость вокруг нас. Например, на спутнике Сатурна Титане существуют океаны из жидкого этана и метана. Конечно же, химические реакции в ультрахолодных средах такого рода протекали бы очень медленно, но нет никаких оснований полагать, что земные временные рамки — это единственные, в которых может существовать жизнь. На другом конце диапазона возможных температур мы можем представить планеты, достаточно горячие, чтобы иметь океаны жидкой магмы (то есть, лавы). Знакомые нам молекулы не смогли бы выжить в такой жаре, но незнакомые смогли бы. Как всегда, когда мы думаем о жизни вне Земли, мы задаём больше вопросов, чем даём на них ответов.

Какие атомы?

Когда мы переходим к жизни, не похожей на нас, то есть к жизни, основанной на химии атомов, отличных от углерода, вопросы становятся более фундаментальными. Мы обладаем достаточным объёмом знаний о том, как могли возникнуть основные строительные блоки жизни на основе углерода, но проводилось очень мало исследований в отношении того, как другие виды молекул могут быть основой для жизни. Однако нетрудно представить себе, как какой-нибудь учёный, собственная химия которого основана на кремнии (или, что вероятнее, на соединениях кремния), проводит аналог эксперимента Миллера-Юри, чтобы выяснить, как возник его/её тип жизни.

А если дело дойдёт до жизни, совершенно не похожей на нас, нам придется полностью отказаться от своего пристрастия к молекулярной химии — химические базовые строительные блоки здесь могут вообще не применяться. В главе 16, где обсуждается концепция электромагнитной жизни, мы отмечаем, что наши базовые представления о том, как работают электрические и магнитные поля, гораздо лучше, чем наше понимание молекулярной биохимии. Мы знаем, что движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, а изменяющиеся магнитные поля создают электрические поля. Однако эти базовые знания могут не особенно сильно помочь нам в объяснении какой-то сложной живой системы, которая может быть связана с такой картиной явлений электромагнитных взаимодействий.

Эволюция путём естественного отбора

Как только проблема происхождения жизни в данном мире окажется решённой, как только будет собрана одна воспроизводящаяся сущность, в игру вступает совершенно новый набор механизмов. Представьте себе, что жизнь как бы «переключает передачи». Мы уже упоминали об этом факте в предыдущей главе, где говорили об определении жизни от НАСА и знакомили с концепцией, называемой дарвиновской эволюцией. В этом разделе мы объясним, как этот процесс сформировал земную жизнь, опишем убедительные доказательства этого и докажем, что он должен быть основным процессом, определяющим развитие жизни на любой экзопланете.

Аргумент в пользу существования естественного отбора обращается к двум простым (и довольно очевидным) фактам:

• Отдельные представители вида обладают отличающимися друг от друга характеристиками, и эти характеристики могут передаваться из поколения в поколение (с возможностью изменений наподобие мутаций в земной ДНК).

• Представители вида будут конкурировать за любые ресурсы, имеющиеся в окружающей среде.

В этом-то всё и дело. На Земле, например, представители одного вида явно будут обладать разными характеристиками. Некоторые кролики смогут бегать быстрее других; форма клюва некоторых птиц позволит им более успешно добывать пищу; некоторые самцы баранов смогут спариваться чаще, чем другие. Когда Дарвин впервые предложил свою теорию эволюции, он не понимал, почему это так, и не понимал, как черты передаются от одного поколения к другому, но он знал, что разные особи различаются, и что эти различия могут передаваться по наследству. Вообще, одно из самых больших удовольствий при чтении книги «Происхождение видов…» — это следить за его подробным обсуждением разведения голубей и представлять, как он зависает в местном пабе, обсуждая что-то с другими голубеводами-любителями. (Дарвин и сам разводил голубей.)

Простой факт, лежащий в основе дарвиновской эволюции, состоит в том, что некоторые гены создают признаки, которые повышают вероятность того, что организм, частью которого они являются, будет выживать достаточно долго, чтобы размножаться. Это, в свою очередь, означает, что данные гены будут переданы следующему поколению с большей вероятностью, чем другие. На жаргоне палеонтологов мы говорим, что эти гены отбираются. В конце концов, отобранные гены начинают преобладать, и если это случится достаточное количество раз, возникнет новый вид. Хотя Дарвин не и осознавал этого, когда обдумывал название для своей книги, он говорил о происхождении видов посредством передачи генов.

Вначале Дарвин не использовал этот термин, но фраза «выживание наиболее приспособленных» стала популярным способом описания эволюционного процесса. Дело в том, что «приспособленность» в дарвиновском смысле определяет та среда, в которой находится организм. Например, если кролик живет в среде, частью которой являются хищники, могут отбираться гены, позволяющие ему быстро бегать. С другой стороны, если он живёт в условиях нехватки пищи, важнее могут быть другие признаки — такие, как острое обоняние. Иными словами, общего определения приспособленности не существует — она полностью зависит от того, какие признаки дадут организму преимущество в конкретной среде обитания.

Одним из важных следствий постепенного характера эволюционных изменений является то, что при построении сценария развития организма в ответ на давление окружающей среды у нас должен получиться пошаговый процесс, в котором каждый шаг дает эволюционное преимущество. Говорить о том, что свиньям было бы лучше, если бы у них, например, были крылья[2] — это пустое занятие. Вы должны представить пошаговый процесс, который может привести к созданию крыльев, причём каждый шаг делает обладателя нового признака более приспособленным к условиям среды. Например, в таком сюжете могут фигурировать этапы, на которых выросты на боках свиньи помогают ей регулировать температуру тела, затем по мере развития позволяют ей планирующий полёт, и, наконец, превращаются в полноценные крылья. Необходимость обосновывать каждый шаг эволюции в понятиях теории Дарвина приобретёт особую важность, когда мы попытаемся построить эволюционные сценарии жизни в странных условиях экзопланет.

Прежде чем мы обобщим доказательства, подтверждающие теорию эволюции, нам нужно коснуться ещё одного вопроса, а именно скорости, с которой происходит эволюция. Здесь существуют две крайности. Одна из них заключается в том, что крупные изменения являются результатом накопления небольших изменений — это теория, известная как градуализм. Другая крайность носит название «прерывистое равновесие», и это означает, что в большинстве своём виды остаются практически неизменными на протяжении длительных периодов времени, а затем в течение короткого промежутка времени претерпевают быстрые изменения. Зная, что развитие происходит из-за изменений в молекуле ДНК, мы можем увидеть, как может реализоваться любой из этих вариантов. Мутация, которая влияет на один ген (и, следовательно, на специфическую химическую реакцию), скорее всего приведёт лишь к небольшим изменениям в организме. Однако мы также знаем, что существуют участки ДНК, которые не кодируют белки, а работают своего рода переключателями управления для целых серий генов. Мутация в этих областях вполне может привести к значительным изменениям — это тип изменений, востребованный концепцией прерывистого равновесия. Как это часто бывает в подобных ситуациях, правильным ответом на вопрос «Как развивалась жизнь на Земле — постепенно или посредством прерывистых процессов?» будет «да». Справедливо ли то же самое для жизни на экзопланетах, будет зависеть от конкретного механизма, посредством которого живые существа на них передают признаки от одного поколения другому.

Существует множество доказательств в поддержку теории эволюции, но давайте вкратце обратимся к двум важнейшим из них: это летопись окаменелостей и секвенирование ДНК. Среди множества видов окаменелостей самыми впечатляющими, несомненно, являются каменные копии скелетов и других твёрдых частей животных, умерших давным-давно. Они дают нам чёткое представление о том, как развивалась жизнь в прошлом, причём каждая форма жизни, которую мы видим сегодня, представляется ветвью на сложном древе жизни. Ещё мы нашли окаменелости иного рода — вроде отпечатков частей растений, и даже, в последние несколько десятилетий, останки одноклеточных организмов в очень древних породах. Именно открытие последних позволяет нам оценить время, которое было необходимо жизни для её развития на ранней Земле, что мы и сделали выше.

ДНК содержит «чертёж» живого существа, в котором она находится, и способность считывать последовательность, записанную в ней, даёт нам возможность реконструировать историю жизни на Земле ещё одним способом. Основная идея заключается в том, что чем больше разница в ДНК между двумя организмами, тем дальше во времени у них был общий предок. Добавьте сюда оценку скорости, с которой происходят мутации (так называемые молекулярные часы), и вы сможете использовать такого рода информацию для построения ещё одного родословного древа, отображающего развитие жизни на Земле.

С нашей точки зрения, тот факт, что генеалогическое древо, построенное на основе летописи окаменелостей, и генеалогическое древо, построенное на основе секвенирования ДНК, представляют собой одно и то же[3], является самым убедительным доказательством, подтверждающим идею эволюции путем естественного отбора, которое можно было найти. Далее по тексту мы позволим дарвиновской эволюции занять своё место рядом с такими вещами, как гравитация, в качестве основной информации о том, как работает Вселенная.

Естественный отбор не на Земле

Пока существуют процесс, посредством которого признаки передаются от одного поколения другому, и механизм, позволяющий эти признаки изменять, совершенно очевидно, что мы можем ожидать действия естественного отбора. Если жизнь основана на химии углерода или иного элемента, в окружающей среде всегда будут существовать агенты, способные создавать аналог мутаций — на ум приходят тепло, ультрафиолетовое излучение и химические реакции. При таком положении дел всегда будут существовать какие-то представители популяции, которые способны использовать окружающую среду лучше, чем остальные, и это всё, что необходимо для запуска процесса естественного отбора. Таким образом, наше предположение о жизни на экзопланетах по умолчанию состоит в том, что анализ, включающий дарвиновскую эволюцию — это как раз то место, с которого нужно начинать.

Важно подчеркнуть, что, хотя основным законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, будет естественный отбор, виды живых систем, создаваемых в соответствии с этим законом, будут сильно различаться в разных окружающих средах. Например, если бы жизнь развивалась во внешних слоях атмосферы газового гиганта, способность управлять парением могла бы дать преимущество, поскольку это позволило бы организму менять высоту полёта в поисках пищи (вспомните о нашем летающем драконе). С другой стороны, в мире, находящемся в приливном захвате (см. главу 10), способность противостоять интенсивным поверхностным ветрам может сделать выбор в пользу низкого роста и обтекаемого телосложения. В дальнейшем мы проанализируем окружающую среду на каждой из посещаемых нами экзопланет, и воспользуемся этим для определения направления, в котором с наибольшей степенью вероятности пойдёт естественный отбор.

Однако, сказав это, мы также должны признать, что гораздо интереснее будет представить себе ситуации, в которых дарвиновская эволюция может не сработать. Вот пара вариантов, до которых мы додумались.

Не существует отдельных организмов

Естественный отбор требует конкуренции между особями за ресурсы. А что, если форма жизни на экзопланете не состоит из отдельных индивидуумов, а представляет собой единое целое?

Самым крупным живым существом на Земле является гриб Armillaria ostoye, находящийся в Орегоне. Это единый организм, размеры которого превышают 2 мили (3 км) в поперечнике. Нетрудно представить такой организм, охватывающий целую планету. В этом случае попросту не было бы отдельных особей, которые могли бы конкурировать друг с другом. Означает ли это, что естественного отбора может не быть?

Это хитрый вопрос, и он требует хитрого анализа. Упомянутый выше гриб состоит из клеток, которые делятся по мере роста организма — это процесс, на который могут повлиять упомянутые выше факторы окружающей среды. Аналогичный процесс должен был бы происходить в некоем организме, выросшем до всепланетного размера. Если бы существовал также какой-то аналог мутации, возникшей в процессе клеточного деления, у нас могла бы возникнуть ситуация, при которой клетки в разных областях организма обладали бы разными способностями к использованию окружающей среды. Иными словами, вместо того, чтобы воздействовать на разных особей, в том мире естественный отбор будет воздействовать на разные части одной и той же особи.

Единственный способ обойти этот аргумент — это предположить, что сложный организм, охватывающий всю планету спонтанно возник полностью сформировавшимся. Однако такая возможность настолько маловероятна, что мы не побоимся просто проигнорировать её.

Планета Совершенство

Главное обстоятельство, поддерживающее естественный отбор на Земле, — это тот факт, что поверхность планеты постоянно меняется под воздействием бурного движения вещества в мантии. Таким образом, земные живые системы всё время играют в догонялки, постоянно пытаясь приспособиться к новой среде. Но что, если бы существовала планета, в которой эта ситуация не действует? Что, если бы была такая экзопланета, где всё оставалось неизменным на протяжении миллиардов лет?

Как только жизнь зародится в таком месте, как это — давайте назовём его «планета Совершенство», — она будет эволюционировать в соответствии с законами естественного отбора до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, после чего эволюционное давление исчезнет. Дело не в том, что мутации перестали бы появляться — они продолжали бы возникать в своём обычном темпе. Просто ни одна мутация не смогла бы улучшить ситуацию для жизни на планете Совершенство, поэтому они бы угасали, а жизнь оказалась бы в состоянии застоя.

Это не так уж сильно отличается от ситуации на Земле. Каждая мутация на нашей планете порождает то, что немецкий генетик Ричард Гольдшмидт (1878-1958) назвал «обнадёживающим монстром». Многие из таких «монстров» обладают мутациями, которые не повышают их шансы на выживание, поэтому через несколько поколений мутации исчезают. Нетрудно экстраполировать эту ситуацию на ту, при которой исчезают все обнадёживающие монстры, и это то, что мы открыли бы на планете Совершенство, если предположить, что она существует.

Смысл этих двух примеров состоит в том, чтобы просто проиллюстрировать тот факт, что, когда мы отправляемся в галактику для исследования жизни, мы должны непредвзято относиться почти ко всем правилам, которыми будем пользоваться. Да будет так. Так уж устроена вселенная. Так что давайте сначала воздадим ей должное, а уже потом будем ею наслаждаться.

5

В ПОИСКАХ ЖИЗНИ:

ПРАВДА ЛИ, ЧТО ОНА ГДЕ-ТО ЕСТЬ?

Среди всех внеземных мест, где должно быть легко найти свидетельства существования живых организмов, Марс, несомненно, возглавляет список. Пожалуй, за последние полвека на Красную планету прилетела настоящая армада космических кораблей. Спускаемые аппараты совершили посадки во многих местах на поверхности Марса, и в то время, когда мы пишем эти строки, марсоход «Кьюриосити» поднимается на интересную в геологическом отношении гору близ экватора планеты. Несомненно, к настоящему времени мы должны были бы получить окончательный ответ на вопрос о том, существует ли жизнь на этой планете сейчас или существовала ли она там в прошлом.

Не будем торопиться с выводами. Дело в том, что с 1976 года, когда спускаемый аппарат «Викинг» стал первым космическим кораблём человечества, посетившим поверхность Марса, в научном сообществе ведутся вялотекущие дебаты относительно доказательств существования жизни, обнаруженных этими машинами (или же их отсутствия). Важность этого вывода трудно переоценить. Если не будет разработано что-то вроде фантастического варп-двигателя из «Звёздного пути», мы никогда не сможем исследовать ни одну экзопланету так, как мы исследовали Марс. Если после полувека интенсивных исследований мы всё ещё не можем решить, есть (или была) ли там жизнь, есть ли у нас надежда ответить на этот вопрос применительно к планете, удалённой от нас на целые световые годы?

Поиск жизни на Марсе можно описать как упражнение в разочаровании. Раз за разом мы обнаруживали там вещи, которые можно было бы объяснить присутствием жизни, но лишь для того, чтобы понять, что их с таким же успехом могли бы объяснить обычные химические реакции. У нас на руках остаётся множество подсказок, но окончательных ответов на наши вопросы нет. Как мы уже сказали, это печально.

Марсианские хроники

Два спускаемых аппарата «Викинг» в 1976 году были успешно приведены в действие в разных местах на поверхности Марса. В каждый спускаемый аппарат были заложены четыре эксперимента, целью которых было обнаружение признаков жизни:

• анализ с использованием прибора под названием газовый хроматограф — масс-спектрометр, который предназначен для обнаружения и идентификации различных видов молекул

• эксперимент по газообмену, в ходе которого в марсианскую почву добавляли воду и питательные вещества, а затем проверяли её на наличие признаков биологической активности

• эксперимент с пиролитическим высвобождением, в ходе которого марсианская почва подвергалась воздействию газов, содержащих углерод, а затем нагревалась для поиска доказательств наличия фотосинтеза

• эксперимент с маркированным выбросом, который мы подробно обсудим далее

Результаты первых трёх экспериментов были однозначными: они не выявили никаких признаков биологической активности, и фактически вообще не обнаружили никаких признаков органических молекул. Однако эти эксперименты были разработаны исходя из предположения, что жизнь на Марсе будет иметь обмен веществ, аналогичный таковому у жизни на Земле — а это предположение, которое может быть верным или неверным, как мы уже указывали в главе 3. Они также были предназначены для отбора проб только из самых верхних слоёв марсианской почвы, не глубже примерно одного дюйма (2,5 см).

Однако результаты экспериментов с маркированным выбросом привлекли наибольшее внимание и вызвали дебаты, длившиеся полвека. Вот как осуществлялись эти эксперименты: образец почвы, собранный с поверхности, помещали в камеру и добавляли смесь воды и молекул питательных веществ. Эти молекулы были синтезированы так, чтобы в них содержалось большое количество атомов углерода-14. (Углерод-14 является более тяжёлым родственником более распространённого углерода-12.) Углерод-14 вступает в те же химические реакции, что и обычный углерод-12, но он радиоактивен. Следовательно, его присутствие в любом образце легко обнаружить. Логика эксперимента была проста. Если бы в марсианской почве были микробы, они усваивали бы питательные вещества и выделяли углекислый газ (радиоактивный), который появлялся бы в газе над образцом почвы. И вот, о чудо, оба спускаемых аппарата сообщили о присутствии газа с «меченым» углекислым газом.

К сожалению, эйфория, последовавшая за этим объявлением, оказалась недолгой. Когда во второй и третьей повторностях в камеру было добавлено больше питательных веществ, радиоактивного углекислого газа больше не наблюдалось. Если бы первоначальный сигнал исходил от микробов, утверждали учёные, то их популяция должна была бы расти и выделять больше газа всякий раз, когда добавлялся питательный раствор. Однако если бы этот сигнал был вызван небиологической химической реакцией в марсианской почве, реагирующие химические вещества израсходовались бы при первом впрыске, и никаких последующих взаимодействий не случилось бы. Конечно, это именно то, что увидели учёные, и общим мнением, как тогда, так и сейчас, является то, что спускаемые аппараты «Викинг» не обнаружили явных доказательств существования жизни на Марсе. Кроме того, последующие эксперименты выявили способы, посредством которых обычные химические реакции в марсианской почве могли привести к образованию обнаруженного углекислого газа.

Однако это ещё не конец истории. С 1976 года небольшая, но активная группа учёных утверждает, что данные «Викинга», будучи правильно интерпретированными, действительно установили наличие микробной жизни на Красной планете. Например, на крупной конференции НАСА по внеземной жизни в 2016 году почти всё время для вопросов и ответов после одной презентации было занято оживлённым (а иногда и жарким) обсуждением результатов, полученных «Викингом».

Но надежды на марсианскую жизнь поддерживали не только результаты экспериментов «Викинга». Ещё в 1971 году космический корабль «Маринер-9», находившийся на орбите Марса, прислал фотографии его поверхности, которые для всего мира выглядели как земные речные сети. С тех пор орбитальные и посадочные аппараты предоставили неопровержимые доказательства того, что по поверхности планеты когда-то текла жидкая вода, и что в начале истории Марса его северное полушарие несло на себе океан. Поскольку это происходило бы в то же время, когда развивалась жизнь на Земле, идея о том, что на раннем Марсе могла появиться жизнь, получила широкое распространение. Даже если эта жизнь вымерла, когда планета потеряла свои океаны и атмосферу, говорилось далее, мы должны суметь отыскать ископаемые доказательства этого.

У марсианской поверхности есть одна особенность, которая заставляет учёных скептически относиться к мысли о том, что свидетельства прошлой жизни в виде органических молекул могут сохраняться и сегодня. Поскольку у Марса нет магнитного поля, он постоянно подвергается интенсивной бомбардировке солнечным излучением. Это создает высокие концентрации перекиси водорода (H_2O_2), мощного дезинфицирующего средства. В результате учёные полагали, что поверхность Марса, по сути, будет продезинфицирована, что уничтожит любые органические молекулы, созданные живыми организмами в прошлом.

Однако в 2018 году марсоход «Кьюриосити» обнаружил органические молекулы в горных породах, которые образовались, когда на Красной планете ещё существовали океаны на поверхности. И хотя эти молекулы, вероятно, не были созданы живыми организмами, их присутствие даёт нам надежду на то, что молекулы, которые в прошлом были частью живых систем, могли сохраниться до настоящего времени.

А как насчёт жизни, существующей на Марсе прямо сейчас? Мы взяли пробы только с верхнего уровня поверхности планеты, опустившись не более чем на несколько дюймов. Может ли скрываться нечто важное на больших глубинах? Пока марсоход «Кьюриосити» медленно торил себе путь по марсианскому ландшафту, аппарат «Mars Reconnaissance Orbiter» обнаружил на поверхности следы потоков, которые темнеют в зависимости от времени года. Эти следы могут образовываться в результате случайных извержений солёной воды из недр Марса, хотя некоторые учёные недавно предположили, что причиной их появления являются потоки песка, а не воды. Кроме того, в 2018 году учёные, анализируя данные с орбитального аппарата «Марс Экспресс», предположили, что под южным полюсом Марса находится озеро жидкой воды. И если сегодня под поверхностью имеется жидкая вода, разумно спросить: а не существует ли там ещё и микробная жизнь? Это ещё одна возможность, которую мы должны изучить.

А ещё есть метан. Метан — это простая молекула, состоящая из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода. Мы знаем его как природный газ и используем для обогрева наших домов и выработки электроэнергии. Это второстепенный компонент атмосферы Земли, составляющий чуть более 1800 частей на миллиард по объему (т.е. около 0,00018 процента земной атмосферы). Примерно 95 процентов земного метана образуется в результате микробиологических процессов, но существуют и небиологические процессы, в ходе которых он также может выделяться: например, когда грунтовые воды взаимодействуют с магмой вблизи вулканических горячих источников, или, что гораздо медленнее, когда обычные химические реакции в окружающей среде превращают оксид железа (ржавчину) в некоторые другие типы минералов.

В 2003 году астрономы на Земле, наблюдая в телескопы, обнаружили присутствие метана в атмосфере Марса с помощью метода, называемого спектроскопией, который мы опишем ниже. Его было немного — всего около 10 частей на миллиард по объему, намного меньше, чем концентрация на Земле, — но он там определённо был. Затем, когда марсоход «Кьюриосити» двигался по поверхности Марса в конце 2013 и начале 2014 года, произошло нечто странное: количество метана внезапно возросло, превысив в 10 раз порога обнаружения, а затем снова упало через пару месяцев.

Что же могло вызвать это странное событие, которое учёные сейчас называют выбросом метана? Это мог быть выброс в атмосферу пузыря метана, образовавшегося в результате обычных небиологических реакций. С таким же успехом это мог быть и результат резкого роста популяции подземных микробов. Хотя существование метана само по себе наводит на размышления, это определённо не доказательство существования жизни под землёй на Марсе. Еще один намёк, ещё одно расстройство.

Странная история ALH84001

Горы Алан Хиллс — это богом забытый уголок Антарктиды, расположенный примерно в 130 милях (200 км) к югу от основной американской базы в проливе Мак-Мердо. Любой, кто посетит этот район, увидит лишь обширные ледяные равнины с ледниками, медленно надвигающимися на линию невысоких холмов. Реакция большинства людей на это место проста: за каким чёртом кто-то захотел бы туда поехать? Ответ оказывается очень простым: за метеоритами.

Для начала, позвольте сказать пару слов для объяснения. Когда метеорит падает где-нибудь в ледниках вокруг Алан Хиллс, он вмерзает в лёд. Когда ледник течёт, он уносит метеорит с собой. Когда ледник поднимается на невысокие холмы, лёд стирается ветром (технический термин для этого — абляция), оставляя после себя метеорит. Таким образом, вы можете считать ледяные поля своего рода конвейерной лентой, которая ловит метеориты и доставляет их на вершину хребта.

В 1984 году учёные, катавшиеся на снегоходах по ледникам, подобрали метеорит. Он не выглядел впечатляюще — размером с грейпфрут, весил около 4 фунтов (1,8 кг) и был покрыт почерневшим слоем, который появляется на метеоритах, когда они проносятся сквозь атмосферу Земли. Он получил название ALH84001: ALH от Алан Хиллс и 84001, потому что это был первый метеорит, найденный в 1984 году. Потом его положили куда-то в ящик стола и забыли на десять лет.

Однако, когда его, наконец, проанализировали в середине 1990-х годов, оказалось, что ALH84001 — редкая находка. Во-первых, газ, заключённый во внутренних пузырьках, соответствовал химическому составу атмосферы Марса, показывая, что метеорит происходит с этой планеты. Само по себе это не так уж необычно — мы обнаружили более 100 кусков породы, которые были выбиты с поверхности Марса астероидами и оказались на Земле. А вот возрастные характеристики ALH84001 действительно привлекали внимание. Радиометрическое датирование установило, что порода образовалась около 4 миллиардов лет назад, когда на Марсе было много жидкой воды. Метеорит был выброшен с Марса около 17 миллионов лет назад в результате падения метеорита, блуждал по орбите вокруг Солнца, и в итоге упал в Антарктиде около 13 000 лет назад. Другими словами, ALH84001 сформировался в то время, когда на Марсе могла развиться жизнь. Это молчаливый памятник тому периоду, когда сосед нашей планеты был очень похож на Землю.

В 1996 году группа учёных НАСА во главе с астрономом Дэвидом Маккеем (1936-2013) сделала удивительное заявление. После изучения ALH84001 они утверждали, что метеорит содержал окаменелости живых существ, которые обитали на Марсе. В основе их утверждения лежали четыре открытия:

• наличие в метеорите органических молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ)

• физическое сходство минеральных структур метеорита с окаменелостями земных микробов

• сходство комбинаций минералов в метеорите с теми, которые образуют земные бактерии

• наличие в метеорите цепочек кристаллов магнетита, подобных тем, которые встречаются в некоторых земных микробах

Трудно переоценить то влияние, которое оказало это утверждение на учёных и общественность. Оно даже стало причиной заявления президента Билла Клинтона в Белом доме, и, возможно, повлияло на создание нынешней программы НАСА в области астробиологии. Но шло время, и начали всплывать неизбежные контраргументы.

Например, отмечалось, что молекулы ПАУ встречаются во Вселенной повсеместно и обнаруживаются во многих местах — таких, как кометы и даже межзвёздное пространство, где жизни нет. Что касается физического сходства «окаменелостей», то было отмечено, что формы некоторых известных небиологических минеральных образований на Земле имитируют формы клеток. Кроме того, образования из метеорита, объявленные биологическими, были примерно в 100 раз меньше, чем те, что обнаруживаются в любых известных клетках на Земле. На самом деле они должны были бы быть примерами нового класса жизни, известного как нанобактерии — это нечто теоретически возможное, но так никогда и не обнаруженное. Наконец, было высказано предположение, что некоторые из помянутых учёными комбинаций минералов были результатом процедур, используемых при подготовке образцов для исследования в электронных микроскопах.

Некоторое время самым сильным аргументом в пользу утверждения о марсианских окаменелостях оставались цепочки магнетита. Земные бактерии используют подобные цепочки, чтобы различать «верх» и «низ» в мутной воде пруда, следуя линиям магнитного поля. Поскольку у Марса в начале его жизни, возможно, было магнитное поле (сейчас его нет), такая адаптация имела бы смысл на Красной планете. Однако учёные показали, что кристаллы магнетита того типа, который был обнаружен в ALH84001, могли появиться в результате небиологических процессов, связанных с прохождением метеорита сквозь атмосферу Земли до его столкновения с поверхностью.

Итак, мы снова сталкиваемся с неоднозначными доказательствами, вызывающими лишь разочарование. Структуры в ALH84001 могли быть марсианскими окаменелостями, но они также могли быть результатом небиологических процессов. И мы опять не можем сделать определённый вывод о текущем или былом присутствии жизни на внеземной планете, которую мы исследовали тщательнее всего. Как же тогда мы будем искать жизнь на всех известных нам экзопланетах?

Спектроскопия как последний довод

В самом начале 19 века французский философ Огюст Конт (1798-1857), выделивший область науки, которую он назвал социальной физикой, а мы называем социологией, составил список научных проблем, которые никогда не будут решены. Примечательным дополнением этого списка был химический состав звезд.

Рассуждения Конта были просты. В его время единственным способом определения химического состава какого-либо материала было подвергнуть его анализу в лаборатории. Поскольку мы никогда не сможем положить кусок «звёздного вещества» на лабораторный стол, рассуждал Конт, мы никогда не сможем узнать, из чего сделана звезда. Можно даже представить себе, как он говорит, что мы никогда не сможем узнать химический состав экзопланеты, поскольку не можем отправиться туда.

Однако в 1859 году два немецких учёных, каждый из которых был известен главным образом своими прочими достижениями, встретились в лаборатории в Гейдельберге и изменили наш подход к анализу Вселенной. Густав Кирхгоф (1824-77) хорошо известен студентам-физикам как автор свода законов, позволяющих анализировать сложные электрические цепи, а Роберт Бунзен (1811-99) изобрел бунзеновскую горелку, которая есть в любой самой простой химической лаборатории. Они ввели в употребление процесс, в ходе которого свет от нагретого образца чистого материала пропускался через стеклянную призму для разделения цветов. Вместо того, чтобы получить ожидаемый непрерывный спектр (как радуга) они обнаружили, что каждый химический элемент даёт характерный, уникальный и хорошо распознаваемый набор определённых цветов. Эта совокупность называется спектром излучения, и поглощению фотонов определённых энергий соответствует определённый спектр. Раздел науки, посвященный изучению этих спектров, называется спектроскопией.

На самом деле тот факт, что химические элементы излучают свет определённого цвета, вам знаком. Вы когда-нибудь замечали, что некоторые уличные фонари излучают желтоватый свет? Такие натриевые лампы часто используются в районах, где часто бывают туманы, потому что их цвет обеспечивает наилучшую видимость в таких условиях.

Поскольку каждый химический элемент излучает свет с характерным набором цветов, если мы увидим этот оптический «отпечаток» в свете от какого-то источника, то мы можем быть уверенными, что источник содержит соответствующий химический элемент. Смысл этого так называемого спектроскопического анализа заключается в том, что неважно, насколько удалён источник света от детектора. Это может быть несколько дюймов или же несколько миллиардов световых лет. Как только спектроскопический «отпечаток» сформируется, он останется в луче света навсегда.

Здесь есть один забавный побочный эффект: в наше время сложный спектроскоп может поставляться с собственным встроенным компьютером и стоить много тысяч (и даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен построили первый спектроскоп из пары старых подзорных труб и (хотите — верьте, хотите — нет) коробки из-под сигар.

Лишь в начале 20-го века учёные, создавшие дисциплину под названием квантовая механика, выяснили, наконец, каким образом атомы образуют спектры. Вот упрощённая картина атома, которую они разработали: в отличие от планет в солнечной системе, электроны в атоме не могут иметь орбиты в произвольных местах. Их можно найти только на определённых расстояниях от ядра — на так называемых энергетических уровнях. Каждый из них обладает определённой энергией, поэтому, когда электрон перемещается между ними, атом будет излучать или поглощать определённое количество излучения, соответствующее разнице. Он испускает излучение, если электрон приближается к ядру, и поглощает излучение, если электрон удаляется от ядра. Поскольку атомы разных химических элементов обладают уникальным расположением энергетических уровней, каждый химический элемент поглощает и испускает излучение с уникальным набором частот — вот, что создаёт спектр.

Однако спектры излучают не только атомы. Любая система, в которой могут присутствовать разные энергетические уровни, может генерировать характерный «отпечаток». Например, сложные молекулы могут вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждый из этих режимов порождает характерный спектр. Поэтому можно подумать, что наука спектроскопия даёт нам идеальный способ поиска молекул, производимых живыми системами на далёких экзопланетах. Достаточно просто найти характерные следы биологических молекул в спектрах экзопланет, и мы получим неопровержимые доказательства существования жизни.

Давайте же взглянем на Землю: на химический состав её атмосферы оказало сильное влияние присутствие жизни. Вообще, среди всех многих сотен известных атмосферных газов лишь очень немногие не подвержены влиянию присутствия живых существ. Гелий, например, образовался в результате Большого взрыва и составляет около 1 процента атмосферы. Аргон присутствует в ещё меньших количествах; он образуется в результате радиоактивного распада калия глубоко в недрах Земли. Но в остальном живая природа образует, разрушает или видоизменяет практически каждый из газов атмосферы.

Кислород, которым мы дышим, образовался в результате фотосинтеза, в ходе которого растения используют солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа в углеводы. Ультрафиолетовый свет Солнца расщепляет биологический молекулярный кислород — два атома кислорода, тесно связанных друг с другом, — на отдельные атомы кислорода. Затем они вступают в реакцию с молекулярным кислородом с образованием озона (O3). При дыхании и разложении организмов образуется углекислый газ — в противоположность процессу фотосинтеза. Другие газы, вроде сероводорода, выделяют сине-зелёные водоросли. А некоторые виды бактерий, как уже говорилось выше, выделяют метан. Жизнь «проявляет» себя в составе земной атмосферы. Мы называем эти произведённые биологическим путём химические вещества биомаркерами или биосигнатурами жизни на Земле.

Можно подумать, что было бы легко просто найти такие химические вещества в атмосферах экзопланет с использованием техники спектроскопии, чтобы установить, есть ли там жизнь. Но при таком подходе мы сталкиваемся с тремя сложностями.

Первая сложность заключается в том, что экзопланеты светят чрезвычайно слабо для нашего зрения. Мы замечаем их по свету, который они отражают от центральных звёзд своих систем. На расстояниях, огромных даже в случае ближайших к Земле звёзд, обнаружить свет, отражённый планетой, невероятно сложно. Однако в последние несколько лет астрономы пользовались высокочувствительными детекторами, а также кое-какими довольно хитроумными стратегиями, для изучения света, отражаемого множеством экзопланет. Самая успешная стратегия состоит в том, чтобы исследовать свет звезды, когда планета находится позади неё, а затем исследовать их смешанный свет, когда экзопланета находится перед звездой. Вычитание первого из второго даёт совокупность частот излучения экзопланеты, которую мы называем её спектром.

Вторая сложность заключается в определении характерных следов конкретных молекул, которые находятся в спектре экзопланеты. Как отмечалось выше, каждый химический элемент и молекула обладают уникальным световым «отпечатком». Но чаще всего уникальная характеристика света, которая идентифицирует биомаркер, составляет лишь очень небольшую часть общего спектра экзопланеты. Это означает, что нам нужно собрать много света от экзопланеты, для чего обычно требуются большие телескопы.

Третья сложность — самая значительная. Как нам решить, какие биомаркеры действительно доказывают наличие жизни на экзопланете? Как уже обсуждалось выше, жизнь производит или изменяет большинство газов в атмосфере Земли, поэтому поиск таких же газов в атмосферах планет вокруг далеких звёзд, чтобы определить, какие из них демонстрируют наличие жизни, показался бы простым делом. Но, как обычно, всё не так просто.

Проблема состоит в том, что небиологические процессы могут привести к образованию практически любой молекулы, которую мы считаем биомаркером в атмосфере Земли. Возьмём, например, кислород. Ультрафиолетовый свет Солнца разрушает молекулы воды в атмосфере, высвобождая атомы кислорода, которые могут рекомбинировать, образуя молекулярный кислород. Таким образом, хотя значительная часть молекулярного кислорода образуется в результате фотосинтеза, не весь он образуется таким способом. Или взглянем на метан. Как мы уже отмечали выше, его можно получить различными способами, и многие из них не связаны с биологией. То же самое можно сказать и о сероводороде (который обладает характерным запахом тухлого яйца), который вырабатывается серовосстанавливающими бактериями, процветающими в экстремальных условиях на Земле — но также в результате вулканических процессов. Мы могли бы продолжить, но суть ясна: практически для каждой молекулы, которую мы могли бы идентифицировать как потенциальный биомаркер жизни на экзопланете, существует небиологический механизм формирования.

Некоторые учёные подумывают об использовании комбинаций молекул, полученных биологическим путём, для установления присутствия жизни. Возьмём в качестве примера кислород и метан. На Земле концентрация метана нестабильна, потому что он окисляется (сгорает) в атмосфере. И всё же он явно присутствует, потому что биология быстро производит его параллельно кислороду. Если бы мы отключили всю биологию на Земле, наша атмосфера потеряла бы свой метан всего за несколько десятков лет. Кислород сохранялся бы примерно несколько тысяч лет, если бы вся жизнь прекратилась, но он тоже в конечном итоге исчез бы, поскольку включился бы в состав минералов. Таким образом, присутствие и кислорода, и метана вместе может служить биомаркером, даже если присутствие любого из этих газов, взятого отдельно, таковым не будет.

Поиск биомаркеров на экзопланетах, безусловно, значительно сложнее, чем просто поиск газов, образующихся в результате биологических процессов на Земле. В настоящее время это область исследований и дискуссий в сообществе учёных, изучающих экзопланеты. На данный момент суть проблемы, по-видимому, заключается в том, что мы не в состоянии выдвинуть неоспоримое утверждение об обнаружении жизни, взглянув на спектры отдельных атомов и молекул — по крайней мере, тех атомов и молекул, которые мы можем наблюдать в спектрах экзопланет. По-видимому, поиск комбинаций газов, имеющих биологическое происхождение, является наилучшим способом достижения успеха в решении этого вопроса.

Следующий шаг

На данный момент мы установили, что естественный отбор (дарвиновская эволюция) должен действовать, придавая облик жизни практически на любой из открытых нами экзопланет, и мы увидели, как трудно будет найти неопровержимые доказательства того, что такая жизнь действительно присутствует там. Однако давайте пока отложим эту проблему в сторону и сосредоточимся на том, как законы естественного отбора могут работать в невероятном разнообразии природных условий, которые, как мы уже знаем, существуют на экзопланетах. Это то, что мы называем исследованием воображаемой жизни.

В дальнейшем мы представляем каждый новый мир при помощи короткого выдуманного очерка, где описывается, как человек, должным образом защищённый и оснащённый сенсорным оборудованием, может воспринимать окружающую среду, с которой он сталкивается. Мы выбрали этот способ представления планет по одной простой причине: как мы уже неоднократно подчёркивали, земная жизнь — это единственный вид жизни, о котором мы знаем. Таким образом, именно её составной частью являются единственные живые организмы, о реакции которых на новую окружающую среду мы можем догадываться с определённой надеждой на успех.

Держа это в памяти, давайте взглянем на мир, который мы назовём Айсхейм.

6

АЙСХЕЙМ

ЖИЗНЬ В ГЛУБОКОЙ ЗАМОРОЗКЕ

Вы находитесь в длинном тёмном тоннеле, окружённом сплошным льдом. Единственный свет, похоже, исходит из далёкого вулканического жерла, которое извергает в ваш тоннель расплавленный материал из недр планеты. У своих ног вы смутно различаете трубу, ведущую в конец тоннеля. Воздух вокруг неё тёплый и влажный, и вы видите, что она выбрызгивает горячую воду, чтобы растопить во льду свободный проход от жерла к выходу. В животе урчит — эта поездка сюда заставила проголодаться. Вы замечаете, что вокруг вулканического жерла раскинулись поля червей, живущих в трубках — белых и красных. Вы пробуете на вкус одного из них. Неплохо. Возможно, они могли бы стать основным продуктом вашего рациона здесь, на этой странной планете под названием Айсхейм.

* * *

Мы начнём наше исследование возможной жизни на экзопланетах с рассмотрения целого ряда водных миров вроде Айсхейма, простая структура которых позволяет сравнительно легко анализировать их. Представьте себе эти миры как нечто вроде слоёного пирога (пусть даже и сферического): в самом центре находится сферическое ядро, состоящее из тяжёлых элементов вроде железа и никеля. Слой вокруг этого ядра состоит из более лёгких материалов — похожих на породы, из которых состоят мантия и кора Земли. Над этим слоем находится слой воды, а над ним — газообразная атмосфера.

Этот слоёный пирог может принимать самые разные формы. Если слой воды промёрзнет полностью, у нас будет ледяной мир вроде того, который в этой главе мы называем Айсхеймом. Если замёрзнет лишь поверхность воды, а под поверхностью будет находиться жидкий океан, у нас будет мир, подобный тому, который в главе 7 мы называем Новой Европой. Если жидкая вода покроет всё так, что суши не будет, у нас будет настоящий водный мир наподобие того, что в главе 8 мы называем Нептунией. Наконец, если существуют и суша, и жидкие океаны, которые сохраняются на протяжении миллиардов лет, у нас будет то, что в главе 9 мы называем миром Златовласки. Мимоходом отметим, что Земля — это именно такой мир.

Важный момент, который мы будем повторять раз за разом, состоит в том, что эти категории несколько непостоянны. Если бы океаны Земли замёрзли на поверхности, она превратилась бы из мира Златовласки в мир, подобный Новой Европе, а если бы наши моря промёрзли до дна, Земля стала бы миром вроде Айсхейма.

После этого общего введения, давайте перейдём к изучению нашего первого водного мира — самого простого мира, который мы можем себе представить. Это мир, в котором внешний слой воды промёрз до дна. Мы назвали его Айсхейм, потому что его замёрзшие просторы вызывают в памяти образы скандинавов и викингов с нашей собственной планеты. Название (с суффиксом -heim, что означает «дом») также подсказывает нам, что эта планета может быть домом для развитой жизни.

Существует ли такой мир на самом деле? Как мы утверждали в главе 1, практически любой мир, который вы можете себе представить, существует где-то на просторах Млечного Пути, — пока он не выходит за рамки законов физики, — и Айсхейм не будет исключением. Вообще, оказывается, что такие миры, как Айсхейм, могут быть довольно обычным явлением в нашей галактике.

Мы можем понять это, если подумаем о том, как формировались планеты в нашей солнечной системе. Они росли за счет накопления материалов из газового облака в форме блина, которое вращалось вокруг новоиспечённого Солнца. Во внутренней части солнечной системы планеты поглощали самые разнообразные материалы, от самых тяжёлых металлов вроде никеля и железа до самых лёгких газов — таких, как водород и вода. Когда формировалась каждая из этих планет, тепло, выделяемое всей массой сливающейся материи, заставляло её плавиться и превращало планету в плотную горячую магму. Самые тяжёлые материалы наподобие металлов опускались в центр, тогда как более лёгкие материалы вроде камней всплывали наверх.

Когда такая планета прекращала расти, она начинала остывать. Ядро (или, по крайней мере, его части) планеты, формирующейся по образу и подобию Земли, может оставаться жидким в течение многих миллиардов лет, если планета такая же большая, как наша, или может остывать и затвердевать быстрее, если планета меньше — как Марс. В нашей системе лишь Земля и Венера всё ещё сохраняют жидкое ядро; у других планет ядро давно остыло и полностью затвердело. Таким образом, мы ожидаем, что планеты земной группы будут обладать твёрдым ядром с жидким компонентом или без него. Мимоходом отметим, что именно движение жидкого ядра создаёт магнитное поле Земли, а отсутствие жидкого ядра приводит к тому, что у Марса такое поле отсутствует.

В настоящее время мы знаем, что вода — это обычное явление в галактике. Планеты, где на долю воды приходится, как минимум, несколько процентов от общей массы, могут составлять до 5 процентов от всех недавно открытых экзопланет. (Обратите внимание, что, если в галактике действительно существует 30 триллионов планет, как мы утверждали в главе 1, то планет описываемого нами типа будет больше триллиона.) Любой из этих миров, который находится вдали от своей центральной звезды, остынет до такого состояния, когда его водяной слой будет существовать в форме льда.

Мы обнаружили несколько примеров экзопланет, которые могли бы быть очень похожими на наш гипотетический Айсхейм. Самой поразительной является также самая удалённая из известных экзопланет. Она называется OGLE 2005-BLG-390Lb (в честь эксперимента по оптическому гравитационному линзированию [Optical Gravitational Lensing Experiment, OGLE], в ходе которого её обнаружили). Она находится в созвездии Скорпиона и расположена примерно в 21 500 световых лет от Земли. Масса планеты примерно в 5,5 раз больше массы Земли, но температура поверхности составляет -360 °F (-218°C). Этот мир получил прозвище «Хот», потому что напомнил своим первооткрывателям ледяной мир в фильме «Империя наносит ответный удар».

Таким образом, оказывается, что миры с металлическим ядром и мантией из скальных пород, окружённые водой, могут быть обычным явлением. Мы начнём исследовать важные аспекты нашей воображаемой жизни в таких мирах с того, что немного обдумаем мир Айсхейма.

Энергия

Энергия требуется для любой жизни, поэтому мы хотим определить возможные источники энергии, которые могут существовать на поверхности и внутри того или иного мира. Самый простой тип энергии, который можно рассмотреть, — это, конечно же, излучение звезды у планеты. Это именно тот тип энергии, который питает большую часть биосферы Земли. Принимая во внимание низкие температуры на поверхности Айсхейма, можно подумать, что планета должна находиться вдали от своей звезды, но это не обязательно так. Например, если бы не присутствие углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере, средняя температура на Земле была бы около 0°F (-18 °C) — гораздо ниже точки замерзания воды. Поверхность Земли, в том числе океаны, замёрзнет, несмотря на то, что мы находимся относительно близко к Солнцу. На самом деле, как мы указывали в главе 3, пару раз в геологическом прошлом из нашего мира уже получалась так называемая «Земля-снежок» — это события, от которых планета была спасена, когда вулканы выбросили углекислый газ обратно в атмосферу, создав сильный парниковый эффект, который растопил всемирный ледяной покров.

Однако события «Земля-снежок» были недостаточно продолжительными, чтобы океаны успели промёрзнуть до дна, поэтому наша планета никогда не была ледяным миром наподобие Айсхейма. Вместо этого в состоянии «Земля-снежок» на нашей планете существовал бы подповерхностный океан, как на Европе, спутнике Юпитера. Мы подробнее обсудим миры такого рода в следующей главе.

Другим (и, на наш взгляд, более важным) источником энергии для жизни на Айсхейме является тепло, исходящее от его ядра, находящегося под слоем льда. Существует несколько возможных источников этого тепла, и относительная доля их участия будет зависеть от возраста и размера ядра.

Первый источник — это остаточное тепло от образования экзопланеты. В начале своей истории протопланета, ставшая Айсхеймом, двигалась по своей орбите, собирая весь рассеянный материал в своих окрестностях. Если бы вы оказались в это время на её поверхности, то вы наблюдали бы непрерывный дождь из падающих метеоритов. Энергия, приносимая этими метеоритами, была преобразована в тепло. (На Земле, как мы видели выше, такие метеориты выделяли достаточно тепла, чтобы полностью расплавить планету.) Как только весь метеоритный материал стал частью новорождённой планеты, началось неизбежное остывание. В случае Земли, спустя 4,5 миллиарда лет после образования нашей планеты, этот процесс всё ещё продолжается — добрая половина тепла недр является результатом этого исходного расплавления.

Распад радиоактивных элементов в недрах планеты — это ещё один источник тепла. Некоторые из них имеют удивительно долгий период полураспада, поэтому они снабжают ядро энергией на протяжении длительного времени. Например, период полураспада урана-238 составляет около 4,5 миллиардов лет — его продолжительность примерно равна возрасту Земли. Таким образом, у Земли всё ещё остаётся примерно половина её исходного запаса этого на удивление распространённого элемента. Учёные подсчитали, что вторая половина тепла, поступающего из недр Земли, образуется за счёт распада долгоживущих радиоактивных элементов вроде урана-238.

Количество радиоактивного материала, находящегося внутри Айсхейма, будет зависеть от химического состава облака межзвездной пыли, из которого он сконденсировался, и который, в свою очередь, будет зависеть в первую очередь от видов звёзд, чьи остатки посде взрыва сверхновой создали облако. У звёзд, образовавшихся из облаков, состоящих главным образом из первичного водорода, — так называемых звёзд первого поколения — в их первоначальном составе было совсем немного радиоактивных материалов. С другой стороны, можно ожидать, что системы, которые конденсируются из облаков, обогащённых за счёт переработки вещества ядерными реакциями за несколько поколений жизни звёзд, будут обладать гораздо более высокими концентрациями этих элементов и, следовательно, в недрах их планет выделится больше тепла, образующегося за счёт радиоактивности. Для справки: наша солнечная система считается третьим поколением — этим и объясняется высокий уровень радиоактивности, при котором мы живём, и широкий спектр элементов, которые мы здесь обнаруживаем.

Если принять во внимание эти два источника планетарного тепла, становится понятно, что размер ядра имеет огромное значение, и мы можем подтвердить это, рассмотрев объекты в нашей солнечной системе. Понять динамику тепла в ядре планеты можно, если представить себе кастрюлю с водой на плите. Когда происходит нагрев, вода вначале неподвижна, но, если подержать над ней руку, можно почувствовать тепло, излучаемое в комнату. Тепло передаётся через воду в результате столкновений молекул друг с другом — это процесс, который мы называем теплопередачей. Однако в итоге накопление тепла достигает такого состояния, что оно больше не может передаваться путём теплопередачи, и вода начинает кипеть. Вода, нагретая на дне кастрюли, поднимается на поверхность, где излучает энергию в помещение и охлаждается, а затем опускается обратно на дно. Этот процесс называется конвекцией, и он начинает работать, когда тепла слишком много, чтобы его можно было отводить исключительно за счёт теплопередачи.

Если ядро Айсхейма маленькое, как ядро у Меркурия, Марса и земной Луны, то внутреннее тепло уйдёт на поверхность за счёт теплопередачи, планета быстро остынет, и Айсхейм превратится в стабильный мёртвый мир. Однако, если ядро Айсхейма более крупное, больше похожее на ядро Земли или Венеры, всё становится гораздо интереснее.

На самом деле Земля представляет собой яркий пример действия конвекции. На протяжении сотен миллионов лет породы в мантии планеты «кипят», вынося расплавленную магму из недр на поверхность. В целом, чем больше ядро, тем больше энергии будет подниматься вверх за счет конвекции. Для наших целей самой важной особенностью этого процесса является образование горячих вулканических источников — областей, где богатые энергией материалы выводятся на поверхность. Срединно-Атлантический хребет, подводная горная цепь, протянувшаяся от Исландии до края Антарктиды, представляет собой такую особенность. Эти горы состоят из магмы, которая поднялась из жерл на морском дне вдоль центральной рифтовой долины хребта, а затем остыла, когда достигла дна океана. Если ядро Айсхейма достаточно велико, то мы можем ожидать, что подо льдом будут присутствовать такого рода жерла, и этот факт будет очень важен, когда мы станем обсуждать развитие жизни в этом месте.

Существует два важных вида энергии, которые поднимутся на поверхность через жерла Айсхейма. Один из них — это, разумеется, тепло. Вполне вероятно, что тепла хватит, чтобы растопить достаточное количество льда и создать вокруг жерла пузырь жидкой воды значительных размеров. В таких пузырях мы ожидаем найти те же молекулярные процессы, которые привели к появлению жизни, наблюдаемой нами вокруг гидротермальных источников на Земле.

Второй вид энергии, которая поступит из недр планеты, будет иметь химическую природу. Мы знаем, что наряду с магмой гидротермальные источники срединно-океанических хребтов на Земле (называемые «чёрными курильщиками») выносят из недр смесь разнообразных химических элементов. Они поставляют сырьё для богатой и разнообразной глубоководной экологии. На Земле вблизи гидротермальных источников процветают живые существа, начиная с бактерий, находящихся в самом низу пищевой цепочки в глубоководных участках океана, и заканчивая гигантскими трубчатыми червями и крабами. Вместо того, чтобы использовать для энергетической подпитки жизни солнечный свет, как это происходит у деревьев и трав на поверхности Земли, эти бактерии используют для получения энергии для своего обмена веществ процесс, известный как хемосинтез — на основе метана и соединений серы, а также минералов, растворённых в жидкостях гидротермальных источников. Эта энергия приводит в движение целые экосистемы.

Очевидным дополнительным источником энергии для Айсхейма является излучение его звезды. На Земле Солнце поставляет первичную энергию, ответственную за жизнь. Поскольку температура поверхности Айсхейма ниже точки замерзания воды, мы ожидаем, что он либо вращается вокруг маленькой тусклой звезды, либо находится далеко от обычной звезды. Само по себе это не является непреодолимым препятствием для развития жизни — это просто означает, что всё, что собирает энергию, должно быть больше, чем то, к чему мы привыкли на Земле. Например, чтобы собрать такое же количество энергии, которое падает на Земле на лист площадью 1 квадратный дюйм (около 6 кв. см), длина стороны «листа» на Плутоне должна быть около 3 футов (1 м). (Это, кстати, объясняет, почему плутоний, а не солнечные коллекторы питают космические корабли, отправленные на внешний край солнечной системы. Солнечные коллекторы должны быть огромными и, следовательно, будут весить слишком много.) На Айсхейме свет звезды будет поглощаться льдом и, вероятно, проникнет в толщу поверхности не больше, чем на несколько ярдов.

Могут существовать и другие виды излучения звезды — такие, как солнечный ветер или выбросы частиц. Конечно, мы видим это на нашем Солнце. Однако эти вспышки, скорее всего, будут спорадическими и, вероятно, больше повредят, чем принесут пользу жизни на поверхности Айсхейма. Жизнь на поверхности, если бы она когда-нибудь утвердилась там, вероятно, смогла бы приспособиться к постоянному солнечному ветру, как это сделала жизнь на поверхности Земли. Однако в любом случае маловероятно, что эти явления могут повлиять на жизнь в нижней части ледяного слоя.

Таким образом, с точки зрения наблюдателя в ледяном слое планеты, Айсхейм обладает довольно простой энергетической экономикой. Тепло поступает к нижней стороне льда из ядра, просачивается вверх сквозь лёд и в итоге выходит в космос в виде инфракрасного излучения. В то же время излучение звезды питает энергией слой вблизи верхней стороны льда. Таким образом, стоящая перед нами проблема состоит в том, чтобы понять, как в такой среде будет развиваться жизнь.

Происхождение и ранняя эволюция жизни

Давайте начнем с гидротермального источника срединно-океанического хребта. Как мы уже отмечали, из недр планеты будет поступать два вида энергии: тепловая и химическая. Тепло создаст вокруг источника пузырь жидкой воды. Такие пузыри могут быть довольно большими — в конце концов, цепи гидротермальных источников на Земле протягиваются на тысячи миль. Вообще, туннель может лучше, чем пузырь, изображать области вокруг гидротерм Айсхейма.

Многие учёные считают, что жизнь на Земле возникла вокруг такого рода гидротермальных источников, и мы не видим причин, по которым на Айсхейме не могло произойти того же самого. Предположительно, как уже обсуждалось в главе 4, первыми должны были развиваться одноклеточные организмы. Чисто теоретически давайте предположим, что осуществился также и переход к многоклеточной жизни. Как только развилась многоклеточная жизнь, мы можем взглянуть на окружающую среду, в которой она существует, чтобы увидеть, как она может эволюционировать.

Первое, что мы можем отметить, это то, что вдоль гидротермы будут находиться места, где питательные вещества, необходимые для жизни, будут поступать из недр в большей концентрации, чем в других местах. Это означает, что вдоль гидротермы будет наблюдаться градиент, а количество нужных материалов будет расти по мере приближения к областям с высокой концентрацией питательных веществ. Существует очевидное эволюционное преимущество в том, чтобы двигаться вверх по этому градиенту в более богатые ресурсами области, и мы ожидаем, что естественный отбор создаст жизнь с такой способностью. Такие формы жизни должны стать конечным продуктом длинной цепочки актов отбора, причём каждый шаг позволял бы им чуть быстрее продвигаться вверх по градиенту питательных веществ. Это удовлетворяло бы требованию, которое мы предъявляли к эволюционным изменениям в главе 4: каждый шаг в цепочке событий должен давать эволюционное преимущество.

Один из способов обеспечить мобильность — это быть формами жизни, которые способны двигаться независимо, как рыбы в океанах Земли. Но независимая мобильность — это не единственный способ, посредством которого организмы могут реагировать на градиент питательных веществ. Немобильные формы жизни (например, устрицы) могут доставлять новые поколения потомства в области, более богатые ресурсами: например, споры могут высвобождаться преимущественно в направлении «вверх по градиенту». В этом случае каждая особь была бы привязана к одному месту, но популяции переселялись бы с течением времени.

Какая из этих двух стратегий станет преобладать, будет зависеть от того, насколько быстро менялось расположение богатых питательными веществами окрестностей горячих источников. Быстрые изменения благоприятствовали бы независимому передвижению, тогда как более медленные изменения могли бы способствовать переселению популяций. Мы предполагаем, что можно ожидать обоих типов эволюции — так что у нас будут как «рыбы», так и «устрицы».

Есть ещё один градиент, который может существовать в туннелях, образованных гидротермальными источниками — это температурный градиент. Вода в гидротермальном источнике будет весьма горячей. На Земле, например, температура воды в гидротермальных источниках может превышать 750°F (400°C) — высокое давление, создаваемое лежащим выше океаном, не даёт воде закипеть. С другой стороны, на поверхности льда температура обычно не будет превышать примерно 32°F (0°C). Таким образом, в туннеле должны существовать области с разными уровнями температуры, как и на Земле. Поэтому можно ожидать, что в итоге в процессе эволюции появятся разные виды, каждый из которых будет приспособлен к собственному температурному режиму (вспомните тигров и белых медведей).

А как насчёт поверхности планеты? Первое, что мы можем сказать — то, что развитие жизни, похожей на нас, и даже жизни, не похожей на нас, зависит от химических реакций в жидкой среде. Поскольку на поверхности Айсхейма жидкостей нет, мы должны сделать вывод о том, что в этой среде жизнь не может развиваться независимо. С другой стороны, учёные утверждают, что часть жизни на Земле, зародившаяся в гидротермальных источниках срединно-океанических хребтов, позже мигрировала на поверхность. Подобный процесс — единственный для нас способ увидеть жизнь, выходящую на поверхность Айсхейма.

Конечно, между Землёй и Айсхеймом существует существенное различие в том, что касается миграции жизни на поверхность. На Земле путь от горячего источника до поверхности проходит по жидкой воде, и всё, что необходимо для перехода, — способность организма справляться с изменениями давления, когда он плывёт вверх. И напротив, в Айсхейме путь наверх ведёт сквозь сплошной лёд — гораздо более внушительный барьер.

Именно в этот момент мы можем увидеть, как вступают в игру свойства естественного отбора. Энергия, которой звезда заливает тонкий слой льда на поверхности, может оказаться полезной для форм жизни, которые эволюционировали вокруг горячих источников. Проблема состоит в том, что для использования этой энергии живые существа должны нащупать такой ряд шагов, которые (1) выведут их на поверхность и (2) наделят эволюционным преимуществом на каждом из этапов.

Например, во льду может существовать сеть микроскопических трещин, в которые может поступать горячая, богатая минеральными веществами вода из гидротермального источника, несущая в себе микробы. Если бы эти трещины дошли до области, куда проникла энергия звезды, эти микробы могли бы эволюционировать в многоклеточные фотосинтезирующие организмы, как они сделали на Земле. Смысл этого сценария состоит в том, что разломы должны были дойти до поверхности хотя бы в одном месте, чтобы жизнь могла колонизировать всю поверхность. Если бы в одном месте слой льда был особенно тонким, то там путешествие сквозь лёд было бы значительно легче. Как только одноклеточные живые системы, первыми мигрировавшие на поверхность, эволюционировали бы в сложные фотосинтетические организмы, они, предположительно, распространились бы по поверхности, и в дальнейшем уже не контактировали бы напрямую с горячими источниками.

Эти эволюционно продвинутые организмы будут зависеть от света звезды как от источника энергии. На Земле преобразование солнечного света в материалы, необходимые для жизни, — это невероятно неэффективный процесс. Например, в жаркий летний день кукурузное поле в Айове — место, где солнечный свет используется, возможно, успешнее, чем где-либо ещё на планете, — преобразует в органические молекулы лишь считанные проценты энергии, содержащейся в солнечном свете. Мы сомневаемся, что растительная жизнь на Айсхейме может оказаться столь же расточительной. Следовательно, мы предполагаем, что уловители солнечной энергии у обитающих на поверхности организмов Айсхейма — за неимением лучшего термина, давайте назовём их «листьями», — будут довольно крупными по земным меркам. Вероятно, они также были бы чёрными, потому что им пришлось бы поглощать всю энергию скудного излучения звезды. Иными словами, вместо того, чтобы выглядеть как блестящий ледяной шар, Айсхейм вполне может быть хотя бы частично покрыт тонким слоем чёрных листьев.

Как мы уже отмечали, между поверхностью льда и поверхностью ядра будут существовать два потока энергии: движущееся вверх тепло изнутри, которое в итоге будет излучаться в космос, и в слое близ поверхности льда — звёздное излучение, распространяющееся вниз. Можно представить себе жизнь, колонизирующую слой льда, подобно тому, как жизнь колонизировала негостеприимные полярные регионы Земли. Нити — давайте назовём их «корнями» — могут протягиваться с поверхности вниз, чтобы поглощать любого рода энергию, которую не улавливают листья; они также могут простираться вверх от туннелей жидкости у гидротермальных источников, улавливая тепло, покидающее каменистую поверхность. В обоих случаях возможность использовать дополнительные источники энергии таит в себе очевидное эволюционное преимущество. В некоторых случаях прорастающие вниз нити могут даже объединяться со своими тянущимися вверх напарниками, создавая аналог леса бурых водорослей.

Разум и технологии

Развитие продвинутых форм жизни на такой планете, как Айсхейм, в лучшем случае проблематично. Мы очень мало знаем об условиях окружающей среды, которые привели к появлению на Земле развитого разума, поэтому мы не можем точно сказать, будут ли они существовать на Айсхейме, но давайте в целях обсуждения предположим, что они существуют. Другими словами, давайте предположим, что живые существа вокруг жерл Айсхейма действительно приобрели то, что мы назвали бы разумом. Как бы выглядела их технология?

Во-первых, их окружение показалось бы нам очень странным. Если не считать свечения лавы, выходящей через жерло, там стояла бы кромешная тьма. Наши гипотетические организмы, вероятно, воспринимали бы окружающий мир в инфракрасном диапазоне, и у них были бы улучшенные тактильные органы, чтобы ощущать движение воды вокруг себя. Конечно, они существовали бы в жидкой среде, но их мир был бы заключён в купол из твёрдого льда. Размеры купола — границы их вселенной — будут зависеть от количества тепла, поступающего из их гидротермального источника. Чем больше будет тепла, тем больше льда будет растоплено и тем большее пространство будет доступно для жизни. Если бы поступление тепла из недр планеты стало достаточно сильным, «туннели» талой воды увеличились бы до такой степени, что слились бы, образовав вокруг ядра толстый слой жидкой воды, который оставался бы покрытым водяным льдом сверху. Это будет мир подповерхностного океана, который мы обсудим в следующей главе. Эта возможность иллюстрирует тот факт, что границы между различными видами водных миров выражены не так резко, как мы отмечали выше.

В жизни этого гипотетического мира доминирующим явлением будет температурный градиент между гидротермальным источником и ледяной стеной или потолком, поэтому, вероятно, можно предположить, что первой наукой, разработанной на Айсхейме, будет термодинамика. Первые машины планеты, вероятно, использовали бы этот градиент для производства энергии, подобно тому, как люди использовали энергию ветра, строя ветряные мельницы.

Переброска тепла также представляла бы особую важность в технологии айсхеймеров. Она, по всей вероятности, сыграла бы в их технологии роль, аналогичную той, которую играла переброска воды в ирригационных системах в ранних культурах у людей. Поскольку у наших гипотетических организмов на Айсхейме не было бы огня, тепло, перемещаемое из области гидротермального источника, должно было бы удовлетворять их потребности — например, обогревать какие-то укрытия, которые им требовались для поддержания цивилизации вблизи поверхности льда.

Что касается материалов и инструментов, то айсхеймеры оказались бы практически в той же ситуации, в какой когда-то находились наши собственные предки на Земле. Предположительно, по полу их туннеля были бы разбросаны камни, подходящие для изготовления примитивных орудий труда, и вблизи горячих источников были бы отложения различных минералов, которые можно добывать. Без огня металлургия была бы совершенно иной, хотя мы подозреваем, что инженеры Айсхейма смогли бы изготавливать инструменты из расплавленной смеси камня и металла, поступающей из жерл подводных вулканов. Они могли бы, например, разливать материал из жерла по формам. По сути, жерла подводных вулканов будут бесплатно обеспечивать процессы нагрева и расплавления, необходимые для металлургии на Земле. Мы даже можем представить себе, что айсхеймерская металлургия достигнет такого уровня точности, что ведение записей и хранение информации будут происходить при помощи подходящих для этого металлических изделий.

Мы предполагаем, что устройством, которое символизировало бы технологию Айсхейма, стала бы труба — подобно тому, как колесо символизирует нашу собственную технологию. Если бы для какой-либо работы потребовалось тепло, его можно было бы просто подать в соответствующее место по трубе, начинающейся у гидротермального источника. Если, например, требуется больше жилых площадей, для их создания можно было бы распылять горячую воду из гидротермального источника на ледяную стену. Вместо того, чтобы дробить материал, как мы делаем на Земле, когда хотим построить туннель, инженеры Айсхейма могли бы просто удалить его при помощи горячей воды.

Общение и язык

А как айсхеймеры общались бы друг с другом? В океанах Земли киты и дельфины используют звуковые волны по аналогии с человеческим языком. Поэтому представляется разумным ожидать, что эволюция жизни в туннелях жидкости вокруг горячих источников на Айсхейме может привести к аналогичному использованию звука для связи и, возможно, в качестве гидролокатора для навигации. Нам также известно, что некоторые виды угрей взаимодействуют с окружающей средой с помощью электричества, поэтому электромагнитные сигналы могут представлять собой ещё один способ общения.

На ранних этапах эволюции жизни на Айсхейме организмы, которые могли бы лучше всех обнаруживать небольшие изменения в тепловых выбросах, производимые хищниками, обладали бы преимуществом в выживании. Если помнить о преобладании тепловой энергии в области вблизи горячего источника, обнаружение и модуляция рисунка тепловых колебаний могут также служить средствами связи и навигации. Это будет происходить параллельно с развитием глаз, которые собирают видимый свет на Земле. Мир, каким его видят жители Айсхейма, представлял бы собой богатую смесь тепловых колебаний. Это может даже послужить толчком к появлению науки на их планете.

Наука

В большинстве ранних цивилизаций на Земле сформировалось тонкое понимание движения Солнца, Луны и планет на звёздном ночном небе. Такие наблюдения преследовали главным образом практические цели, и изначально использовались для определения сезонных сроков посева и сбора урожая сельскохозяйственных культур и, возможно, для отслеживания миграций животных, добывавшихся для получения пищи и одежды. Позже они понадобились нашим самым первым путешественникам для мореплавания. Исследование движения планет относительно фоновых, «неподвижных» звёзд привело к разработке первых космологий в греческой и других культурах. Ответ на вопрос о месте Земли в огромной вселенной, окружающей нас, неизменно оставался основным в философии практически всех культур.

Самым ранним разумным видам на Айсхейме ночное небо было бы недоступно, но мы можем задать себе вопрос: что они «увидели» бы, если бы взглянули вверх? Конечно, они увидели бы ледяной потолок, но если бы их «глаза» были тонко настроены на небольшие колебания теплового излучения, то они действительно смогли бы увидеть доказательства того, что за этим потолком существует вселенная. Если на их планете существуют сезонные изменения, как на Земле, то изменение местоположения солнца в небе над Айсхеймом вызовет тепловые волны, которые по-разному распространяются вниз сквозь лёд.

Возможно, айсхеймеры смогли бы обнаружить эти тепловые волны. Они могли бы даже попытаться понять закономерность движения источника тепла по их ледяному «небу». Если на их планете есть ещё и источники тепла от крупных близлежащих планет и лун, то картина этих движений может быть довольно сложной, что может привести к развитию сложной космологии.

Исследователи Айсхейма

Вы можете представить себе бесстрашных исследователей, покидающих свой родной горячий источник и отправляющихся в путь сквозь льды, подобно тому, как европейские моряки отправлялись в плавание по океанам в эпоху географических открытий. Разработать технологию, необходимую для такого путешествия, — термоизолированную трубу — было бы не так уж сложно. И точно так же, как европейские моряки обнаружили Новый Свет, исследователи Айсхейма открывали бы новые горячие источники, новые места, где их вид жизни мог бы процветать. Они могли бы даже использовать тепловые знаки в своем ледяном «небе» в качестве вспомогательных средств навигации. В конце концов, может появиться опоясывающая весь мир система туннелей, соединяющих горячие источники планеты, подобно авиационным маршрутам, соединяющим разные места на поверхности Земли.

Если жители Айсхейма обладают склонностью к науке, можно даже представить себе экспедицию, предназначенную для того, чтобы двигаться вверх сквозь лёд, а не по скалистой поверхности, как это делали люди в нашу эпоху первых исследований Земли. Айсхеймерам было бы несложно направить свои трубы в новом направлении вверх, а не вбок, — если бы им стало интересно узнать о закономерностях и источниках тепловых колебаний в их «небе». Тогда они с изумлением обнаружили бы, что в их мире есть «самый верх»! Любопытство может завести их ещё дальше. Они могли бы открыть для себя космическое пространство и задаться вопросом о том, что их ждёт на этих просторах. Возможно, они будут совершенствовать космоплавание и получат возможность ответить на собственную версию вопроса «Есть здесь кто-нибудь ещё?»

Майк и Джим

Джим: Я вижу, что некоторые ребята из университета Седьмого Источника предлагают проложить тоннель, ведущий вверх.

Майк: Ты имеешь в виду, удаляясь от горячего источника? Зачем им это нужно?

Дж.: Они утверждают, что те небольшие изменения в тепловых сигналах, которые мы недавно обнаружили, исходят от источника за поверхностью льда.

М.: Ты имеешь в виду, что они думают, будто бы у льда есть поверхность?

Дж.: Они так говорят.

М.: Это же полная чушь! Поверх льда не может быть воды — любая поверхность наверху оказалась бы слишком далеко от горячих источников, чтобы что-нибудь могло растаять. Как же можно получить воду без горячего источника?

Дж.: И все знают, что без горячего источника жизни просто не может быть.

М.: А горячего источника не будет без скалистой поверхности.

Дж.: Да уж, вся эта затея — бред какой-то.

7

НОВАЯ ЕВРОПА:

ОКЕАН ПОДО ЛЬДОМ

Вы сидите в подводной лодке, плывущей прямо над самым дном океана. Вдали виднеется подводный горный хребет. Под вами — гидротермальный источник срединно-океанического хребта, из которого в воду исторгается нечто напоминающее чёрный дым. Вокруг горячего источника колышется густой лес растениеподобных организмов, питающихся богатой химической смесью, извергаемой из недр планеты. Левее вы замечаете косяк рыб, которые используют для плавания растворённые в воде газы, накапливая их в плавательном пузыре. Вы приглядываетесь к горячему источнику внимательнее: похоже, рядом с ним есть здания, а над ними плавает что-то вроде воздушных шаров. Но какими бы удивительными ни были эти вещи, вас больше всего интересует нечто иное. Вы ведёте свою подводную лодку вверх, сквозь толщу воды, пока её нос внезапно не врезается в сплошной слой льда. Вы добрались до предела этого мира.

* * *

Когда мы только начали исследовать внешние пределы солнечной системы, одним из величайших сюрпризов стала Европа, спутник Юпитера. Космический аппарат «Галилео», запущенный в 1989 году и достигший Юпитера в 1995-м, сделал удивительное открытие, связанное с этим небесным телом. На основании измерений, которые мы сейчас подробно опишем, команда «Галилео» пришла к выводу, что под ледяной поверхностью Европы находится подлёдный океан жидкой воды. На самом деле оказывается, что на этой крошечной Луне жидкой воды больше, чем во всех океанах Земли. В отличие от планеты Айсхейм, которую мы обсуждали в предыдущей главе, и где были лишь пузыри жидкой воды вокруг горячих источников, а остальная поверхность была покрыта толстым слоем льда, Европа обладает большим океаном под сравнительно тонким слоем льда.

Трудно переоценить то влияние, которое это открытие оказало на научный мир. Ранее предполагалось, что значительное количество жидкой воды в нашей солнечной системе находится исключительно в океанах Земли. Вообще, в 1980-е годы один из авторов этой книги (Дж. Т.) назвал нехватку воды главным препятствием для экспансии человеческой расы в космос. Конечно, Европа с температурой поверхности -370°F (-223°C) была последним местом, где кто-либо ожидал бы найти жидкую воду. Однако это именно то, что обнаружил «Галилео».

Взгляд на поверхность Европы намекает нам на то, что именно в этой луне есть нечто особенное. Прежде всего, на ней очень мало кратеров. Поскольку за время своего существования Европа должна была подвергнуться ударам множества небесных тел, отсутствие кратеров подразумевает наличие механизма их стирания или скрытия. Детали этого механизма мы обсудим позже, а пока просто отметим, что нынешней поверхности Европы менее 50 миллионов лет — лишь мгновение ока по астрономическому времени. Кроме того, на ледяной поверхности есть большое количество трещин, которые, по-видимому, заполнены пока ещё неопознанным чёрным веществом, которое, очевидно, поступает изнутри. Трещины свидетельствуют о том, что в прошлом лёд на поверхности раскалывался и смещался.

Первые свидетельства существования подповерхностного океана жидкой воды были получены в результате магнитных измерений, проведенных космическим аппаратом «Галилео», когда он пролетал мимо Европы. Они показали наличие магнитного поля, и лучший способ объяснить этот факт — предположить, что на Европе есть глобальный океан солёной воды под тонкой ледяной поверхностью. Космический телескоп «Хаббл» убедительно подтвердил этот вывод в 2016 году, когда обнаружил столбы водяного пара, выбрасываемые с поверхности на высоту до 120 миль (200 км).

В совокупности эти результаты показывают, что Европа обладает глобальным подповерхностным океаном жидкой воды глубиной от 50 до 120 миль (от 80 до 200 км) под слоем льда толщиной в среднем несколько миль. Толщина льда сильно варьирует в разных местах поверхности Европы и в некоторых районах может составлять всего лишь около мили (0,6 км) или около того.

Первый вопрос, который приходит на ум, как только мы признаём существование подповерхностного океана на Европе, состоит в том, откуда берется энергия, необходимая для поддержания воды в жидком состоянии. В отличие от Айсхейма, Европа слишком мала, чтобы выделять значительное тепло либо в процессе охлаждения, либо благодаря радиоактивности. Мы ожидаем, что она будет геологически мертва, как Луна у Земли.

Однако существует ещё один источник энергии, действующий в системе Юпитера, и он обусловлен гравитационным воздействием, которое оказывают на Европу Юпитер и другие его спутники. Европа завершает оборот по орбите примерно за 85 часов, и за это время расстояние между ней и Юпитером и тремя другими крупными спутниками планеты (Ио, Ганимед и Каллисто) меняется. Следовательно, сила и направленность гравитационного воздействия, которое испытывает Европа, также меняются. В результате она постоянно изгибается, скручивается и деформируется — а при этом, как мы знаем, выделяется тепло. (Вы можете убедиться в этом, если быстро посгибаете металлическую полосу туда-сюда, а затем потрогаете пальцами место изгиба.) Этот процесс, известный как приливный разогрев, способен поддерживать подповерхностный океан Европы в жидком состоянии в течение многих миллиардов лет. (Название дано в связи с тем фактом, что изменяющееся гравитационное поле создаёт приливы и отливы на небесных телах.)

Как только было подтверждено существование подлёдного океана на Европе, аналогичные подповерхностные океаны были обнаружены на Ганимеде и Каллисто, а также на спутниках Сатурна Титане и Энцеладе. Космический аппарат «Кассини», находившийся на орбите Сатурна, смог пролететь через гейзер, извергающийся на поверхности Энцелада. Подповерхностные океаны во внешней области Солнечной системы быстро стали главными кандидатами на звание мест, где могла развиться внеземная жизнь. Это, кстати, объясняет, почему в 2003 году космический аппарат «Галилео» столкнулся с Юпитером, а космический аппарат «Кассини» в 2017 году врезался в Сатурн. Они оба были уничтожены, чтобы исключить (минимальную) возможность того, что они могут упасть на одну из этих лун и тем самым загрязнить её земными микробами.

Прежде чем покинуть нашу Солнечную систему, мы должны отметить, что наблюдения с космического аппарата «Новые горизонты» показывают, что на Плутоне также есть подповерхностный океан жидкой воды, а на его луне Хароне подповерхностный океан существовал в далёком прошлом. Поскольку на Плутоне возможность приливного разогрева отсутствует, источник тепла, необходимого для поддержания существования его океана, в настоящее время остается загадкой.

Существует несколько путей образования мира с подповерхностным океаном, покрывающим каменное и, возможно, металлическое ядро. Большая планета вроде Айсхейма может начинать со слоя твёрдого льда, покрывающего каменное ядро, но остаточное тепло от образования планеты или большое количество тепла, выделяемого за счёт радиоактивного распада в её ядре, может растопить этот лёд в количестве, достаточном для создания океана. В качестве альтернативы, как и в случае с Европой и другими лунами в нашей Солнечной системе, внешний процесс наподобие приливной деформации может генерировать достаточно много тепла для поддержания части воды, покрывающей ядро, в жидком состоянии. В этих ситуациях тепло, которое поддерживает подповерхностный океан, создаёт слой жидкой воды «снизу вверх».

Можно также представить себе мир, на поверхности которого когда-то существовали жидкие океаны, но он охладился достаточно сильно, чтобы его внешний слой воды был заморожен, а внутренняя вода оставалась жидкой. События «Земля-снежок» в истории нашей собственной планеты показывают, что такое может случиться. Вообще, в истории Земли были моменты, когда её можно было бы классифицировать как мир подповерхностного океана. Основная мысль в данном случае заключается в том, что структура планеты развивается в последовательности «сверху вниз», при этом слой льда образуется поверх жидкого океана. События «Земля-снежок» вновь напоминают нам, что планеты могут перемещаться взад-вперёд между различными категориями водных миров, которые мы выделили. Кроме того, мы должны быть готовы к тому, что условия для развития жизни могут различаться в зависимости от того, исследуем ли мы спутник планеты, подвергающийся приливному разогреву, или планету на собственной орбите, не подвергающуюся подобному нагреву.

В этом месте мы сталкиваемся с одним из тех вопросов без ответа, которые иллюстрируют пробелы в наших знаниях об астрономических объектах, потому что дело в том, что мы на самом деле не понимаем особенностей тепловых потоков в небесных телах с подповерхностными океанами. Существует общее мнение о том, что жидкая вода будет переносить тепло вверх за счет конвекции. Однако неизвестно, будет ли конвекция происходить ещё и во внутренней, каменной мантии и металлическом ядре, как на Земле. Некоторые теоретики утверждают, что даже такой маленький мир, как Европа, может поддерживать конвекцию в мантии и, следовательно, обладать такими глубоководными гидротермальными источниками, которые мы обсуждали в предыдущей главе. Чисто теоретически мы предположим, что это так, и рассмотрим только миры с подповерхностными океанами, где существуют глубоководные гидротермальные источники.

Давайте рассмотрим, как могла бы развиваться жизнь в таком мире, и в честь открытий космического аппарата «Галилео» давайте назовём наш воображаемый мир Новой Европой.

Лингвистическое отступление

Вероятно, вам известно, что в 2006 году небольшая группа астрономов на заседании Международного астрономического союза, одним из самых глупых решений, когда-либо принятых научным органом, проголосовала за «понижение» Плутона до статуса «карликовой планеты». В процессе принятия решения им пришлось совершенно непонятным образом переопределить слово «планета» (полное обсуждение этого голосования приводится в нашей книге «Экзопланеты»[4]). Это решение было проигнорировано многими учёными-планетологами, и в этой книге мы поступим так же. Чтобы читателям было легче понимать наши доводы, мы также сохраним общепринятое различие между «планетой» и «луной», но отметим, что среди учёных-планетологов существует тенденция называть любой объект, включая луны, «планетой», если он достаточно велик, чтобы мог собраться в сферическую форму, и достаточно мал, чтобы не быть звездой. Мы отдаём себе отчёт в том, что называть Луну Земли «планетой» несколько странно, по крайней мере, на первый взгляд, но мы ожидаем, что это соглашение в конечном итоге примут ещё больше астрономов.

Жизнь подо льдом

Как мы уже не раз отмечали, самая интересная ситуация в водных мирах возникает, когда ядро достаточно велико, чтобы поддерживать тектоническую активность, и из-за этого на поверхности твёрдого ядра имеются горячие источники в районе срединно-океанических хребтов. Многие учёные считают, что жизнь на Земле зародилась в таких источниках в глубоких океанах нашего мира, и они, бесспорно, создают среду, в которой в изобилии имеются энергия и материалы, необходимые для жизни. Давайте рассмотрим планету с горячими источниками на поверхности её ядра и подповерхностным океаном, покрытым слоем льда, — мир, который мы называем Новая Европа.

Как мы увидели на примере Айсхейма, явным эволюционным преимуществом для живых организмов будет способность переселяться вдоль жерла горячего источника в те места, где материалы, необходимые для поддержания жизни, будут особенно изобильным. Мы ожидали бы, что это окажется справедливым и для Новой Европы, но у её обитателей будет дополнительная возможность, недоступная айсхеймерам. На Айсхейме передвижение между горячими источниками заблокировано твёрдым льдом, однако на Новой Европе живые организмы могут легко колонизировать новые горячие источники, просто передвигаясь в жидкой воде. По факту мы ожидали бы от них способности мигрировать к разным источникам, подобно тому, как живые организмы на Земле переселяются с острова на остров через поверхность океана.

Каждый горячий источник будет представлять собой отдельную экологическую нишу, которую можно колонизировать, и мы ожидаем, что дарвиновская эволюция будет стимулировать развитие различных видов для этих ниш, как и на Земле. Например, различные горячие источники могут выносить на поверхность разные химические смеси, или поддерживать разные температуры, и эти различия приведут к появлению разнообразных видов на дне океана. (Ещё раз вспомните о тиграх и белых медведях.)

Картина потоков энергии на Новой Европе была бы аналогична таковой на Айсхейме. Тепловая и химическая энергия выбрасывались бы вверх через гидротермальные источники, а свет от звезды планеты проникал бы в слой льда. Мы можем представить себе формы жизни, которые возникли в жерлах срединно-океанических хребтов и следуют за восходящим потоком энергии и вещества к нижней части ледяного покрова. Он отмечал бы предел их вселенной. Как и на Айсхейме, эволюционное преимущество получат организмы, которые смогут расселиться сквозь лёд и воспользоваться энергией излучения своей звезды. Мы даже можем представить себе несколько способов, позволяющих осуществить такое расселение.

Например, в слое льда могут быть трещины и расщелины, по которым может просачиваться вода, несущая с собой микробов. Кроме того, мы знаем, что в мирах с подповерхностным океаном в нашей Солнечной системе (в том числе на спутнике, который мы можем назвать «Старой» Европой) время от времени образуются гейзеры жидкой воды, которые представляют собой ещё один путь сквозь лёд. Наконец, мы считаем, что удары метеоритов могут разламывать такие слои льда большими трещинами, позволяя жидкой воде вытекать из недр. Когда эта вода замерзает, она создает новую поверхность — это процесс, который астрономы называют обновлением поверхности. (Он, кстати, объясняет редкость кратеров на поверхности «Старой» Европы.) Любая из этих возможностей может дать живым системам контакт с излучением звезды, и мы предполагаем, что начнётся эволюция какого-то процесса наподобие фотосинтеза, чтобы организмы могли воспользоваться этой энергией.

Вообще, утверждения из предыдущего абзаца поднимают интересный вопрос, потому что, хотя и кажется, что в мирах с подповерхностными океанами жизнь сравнительно легко может пробиться сквозь слой льда, в нашей Солнечной системе нет свидетельств существования жизни на поверхности таких миров. Различие, которое мы провели между лунами и планетами, где океаны на первых поддерживаются в жидком состоянии за счёт приливного разогрева, вполне может оказаться очень важным. В других мирах может существовать какая-то ещё не открытая причина, по которой жизнь в таких мирах, как Новая Европа, не сможет мигрировать на поверхность.

Например, может оказаться, что эти миры просто слишком далеки от Солнца, чтобы поддерживать жизнь на своей поверхности. В предыдущей главе мы увидели, что крупные «листья» могут компенсировать слабый приток энергии. Однако между океаническими микробами и крупными листьями может быть какой-то эволюционный шаг, который представляет собой своего рода «бутылочное горлышко», труднопреодолимое для живых систем. Или же, как вариант, процесс приливного разогрева может обладать каким-то пока неизвестным свойством, которое сдерживает переселение к поверхности. И, разумеется, существует вероятность того, что именно в этих мирах нашей Солнечной системы жизнь просто не возникла.

Кроме того, поверхность «Старой» Европы подвергается интенсивной бомбардировке частицами с Юпитера. Этот поток достаточно силён, чтобы уничтожить любую жизнь на поверхности спутника, но он может проникнуть в лёд всего лишь на несколько дюймов. Это открывает возможность для существования «поверхностной» жизни на Европе в нескольких дюймах под верхней стороной льда, а не над ней. Такую скрытую жизнь нельзя было бы обнаружить при помощи наших современных космических зондов и телескопов.

Есть ещё один факт, который может объяснить отсутствие жизни на поверхности спутников с подповерхностным океаном в нашей Солнечной системе, и он связан с тем, что нам известно о пищевых сетях в океанах Земли. Если исключить экосистемы в горячих источниках срединно-океанических хребтов, вся пищевая сеть в океанах нашей планеты поддерживается за счёт солнечного света. В основании цепочек сети находятся микроскопические организмы вроде фитопланктона, которые используют фотосинтез для преобразования энергии солнечного света в энергию, запасённую в органических молекулах. Несмотря на то, что солнечный свет может проникать в воду чуть меньше, чем на полмили (около 800 м), — это так называемая фотическая зона, — все остальные существа в море в конечном счёте потребляют энергию, запасённую в этих молекулах. Слой льда на Новой Европе воспрепятствовал бы образованию такой фотической зоны. Солнечный свет просто не смог бы проникнуть сквозь лёд в лежащую под ним воду.

И НАСА, и Европейское космическое агентство рассматривают возможность запуска миссий, предназначенных для непосредственного отбора проб и изучения тёмного материала, который появился из трещин на Европе. Для этого потребуется спускаемый аппарат со сложным устройством для химического анализа, очень похожий на марсоход «Кьюриосити», который в настоящее время находится на Марсе. В конце концов, возможно, потребуется пробурить лёд на Европе, чтобы взять пробу воды под ним. Если зонд обнаружит там живые организмы, то мы сможем начать анализировать эволюционную цепочку, которая их породила. Если такой зонд окажется пустым, это будет свидетельствовать о том, что на разогретых приливами мирах с подповерхностными океанами жизни развиваться сложнее, чем мы полагаем в настоящее время. В любом случае к вопросу о том, почему на поверхности этих миров нет жизни, следует подходить путём сбора новых данных, а не путём пустых рассуждений. С другой стороны, данные миссии «Европа» могут рассказать или, напротив, не скажут нам ничего определённого о жизни в мире, подобном Новой Европе, которая является планетой, а не спутником. Как и в случае большей части анализов экзопланет, здесь возникает много вопросов, на которые в настоящее время у нас нет чёткого ответа — этого момента мы вновь коснёмся в главе 17.

Разум и технологии

Учитывая то, как развивается многоклеточная жизнь вокруг океанских гидротермальных источников на Земле, разумно предположить, что многоклеточная жизнь может эволюционировать и в горячих источниках океанов на Новой Европе, и нам снова придётся признать, что мы не знаем, увидим ли мы там ещё и разумную жизнь. Однако, предположив, что разум и технологии действительно развиваются, мы можем строить предположения о том, какая цивилизация может возникнуть в условиях подповерхностного океана.

Как и на Айсхейме, камни на дне океана и материалы, выбрасываемые горячими источниками, станут источником металлов и химических соединений, необходимых для поддержки технологий. Точно так же, как колесо характеризует технологию Земли, а труба — технологию Айсхейма, технологию Новой Европы характеризует воздушный шар как важнейшее приспособление для передвижения по этому миру. Воздушный шар, наполненный газом (или, что более вероятно, жидкостью, менее плотной, чем окружающая вода), мог бы поднимать жителей Новой Европы над твёрдой поверхностью ядра их планеты и позволил бы им исследовать свою планету. Мы ожидали бы, что вначале их передвижение будет направлено в стороны, то есть главным образом параллельно поверхности ядра. Жители Новой Европы нанесли бы на карты вид сверху на поверхность твёрдого ядра своего мира почти так же, как европейские моряки в эпоху географических открытий исследовали поверхность океанов Земли. Однако они постепенно обратили бы внимание на подповерхностный океан сверху над ними. Единственной технологией, которая им понадобится для этого, будут всё более и более лёгкие жидкости, которыми они будут наполнять свои «воздушные шары».

И далее они, разумеется, наткнулись бы на лёд.

Что случилось бы на Земле, если бы на ранних этапах освоения космоса нам встретилось препятствие, которое мешало бы нам двигаться дальше вверх? В космологии греков существовал именно такой барьер: твёрдая хрустальная сфера, вращение которой перемещало по небу Луну. Стали бы жители Новой Европы строить свою космологию на основе такой концепции и остановились бы, удовлетворённые тем, что достигли пределов своей вселенной? Или вместо этого они решили бы проложить туннель в слое льда, чтобы посмотреть, насколько далеко его можно протянуть?

Можно представить себе серию событий на Новой Европе, которые образуют своего рода зеркальное отражение того, что происходило на Земле. Главное отличие состоит в том, что, если отдельные учёные на Земле сосредоточились на том, чтобы заглянуть внутрь нашей планеты ради понимания её природы, учёные на Новой Европе станут смотреть вверх, в слой льда. В 20 веке была разработана наука сейсмология, которая дала нам представление о внутреннем строении Земли. Точно так же учёные на Новой Европе могли бы разработать способ использования звуковых волн для составления карты слоя льда и, что ещё важнее, обнаружить, что он не простирается наружу до бесконечности, а вместо этого обладает конечной толщиной.

Земные учёные также провели бурение на Земле. Самая глубокая из всех сделанных нами — Кольская сверхглубокая скважина неподалёку от Мурманска в России. Эта скважина пробурена на 7,5 миль (12 км) вглубь Земли. Если бы у жителей Новой Европы была аналогичная технология, они, вероятно, смогли бы добраться до поверхности льда, просто пробурив его вверх — по крайней мере, если бы его толщина была такой же, какую мы ожидаем для спутника Юпитера Европы.

Выполнению этой задачи способствовало бы не только любопытство. Достижение поверхности льда также могло бы нести в себе огромные технологические и экономические преимущества, поскольку оно позволило бы жителям Новой Европы использовать энергию, излучаемую их звездой. Точно так же, как мы используем геотермальную энергию для выработки электроэнергии и подачи тепла, они могли бы установить на льду солнечные коллекторы, преследуя те же самые цели. Можно даже представить себе «гонку к поверхности» между цивилизациями, привязанными к разным горячим источникам — аналог космической гонки XX века на Земле.

Мы можем представить себе энергетические станции на поверхности льда, окружённые солнечными коллекторами и соединённые длинными кабелями с дном океана. Мы даже можем провести аналогию между жителями Новой Европы, эксплуатирующими поверхность льда, и людьми, эксплуатирующими околоземное пространство. Для людей основные экономические преимущества этой среды в настоящее время заключаются в осуществлении связи и навигации, хотя предлагались также проекты огромных солнечных коллекторов, выведенных в космос.

Жители Новой Европы, набранные в штат своих поверхностных энергетических станций, должны быть защищены от космического вакуума или газовой атмосферы своей планеты точно так же, как люди на Международной космической станции должны быть защищены от суровых условий, в которых они находятся. По той же причине значительная часть наших космических исследований осуществляется с помощью беспилотных спутников. Возможно, жители Новой Европы пошли бы по аналогичному пути — заселили бы поверхность своего мира машинами и роботами, удовольствовавшись тем, что они сами остались в своей комфортной домашней обстановке на дне океана. Или, возможно, они продолжили бы смотреть вверх, на новооткрытые звёзды, и решили бы продолжить исследования, как это сделали люди. Для этого им пришлось бы преодолеть множество препятствий — даже просто достичь поверхности льда было бы сложно, а для создания чего-либо, напоминающего пусковые установки, потребовалось бы много ресурсов, которые нужно было бы доставить на очень большое расстояние. Возможно, лучшей аналогией было бы создание людьми постоянной базы на Луне у Земли. Однако на бумаге у нас уже есть планы такого объекта, и нет никаких причин считать жителей Новой Европы менее предприимчивыми, чем мы сами.

Интересно порассуждать о том, как жители Новой Европы могли бы относиться к освоению космоса и колонизации планет. Долгие годы люди мечтали найти возле другой звезды «другую Землю», которую мы могли бы колонизировать и сделать вторым домом для людей. Это была бы каменная планета, где на поверхности находится жидкая вода в стабильном состоянии — то, что в главе 9 мы называем миром Златовласки. Мы уже нашли несколько десятков таких планет, хотя Земля — единственная в нашей солнечной системе. Покрытые льдом океанические миры понравились бы жителям Новой Европы гораздо больше, чем планеты земной группы, которые нравятся людям. Учитывая, что в нашей Солнечной системе сушествует, как минимум, пять таких миров — Европа, Ганимед, Каллисто, Титан и Энцелад, — она может оказаться более пригодной для жизни скорее для них, чем для людей. Таким образом, они смогли бы добиться гораздо большего успеха в колонизации планет, чем люди, и смогли бы сделать это быстрее.

Майк и Джим

Майк: Помнишь, Атон 112 проводил семинар по верхним слоям океана несколько лет назад?

Джим: Ага, у него была идея, что можно исследовать ледяной потолок, посылая звуковые волны и прислушиваясь к их отражениям.

М.: Ну, оказывается, он получил финансирование для своего проекта. И это ещё не всё — он нашёл такое место, где, как он утверждает, лёд тонкий, и действительно просверлил его насквозь!

Дж.: И что же он нашёл?

М.: Ничего.

Дж.: Что ты имеешь в виду под словом «ничего»?

М.: То и имею — он утверждает, что надо льдом находится вакуум.

Дж.: Чушь какая-то. Он, что, не проходил курс общей философии? Всем же известно, что природа не терпит пустоты. И жизнь никогда не смогла бы выжить в вакууме.

М.: Давай взглянем правде в глаза — там не может быть ничего, кроме льда.

Дж.: Ну да, только лёд, лёд, лёд на всём пути вверх.

8

НЕПТУНИЯ:

ВОДА, ВОДА, КРУГОМ ВОДА

Вы плывёте в маленькой лодке. Вода раскинулась до самого горизонта, куда бы вы ни взглянули, и поскольку вы уже бывали на этой планете раньше, вы знаете, что, куда бы вы ни поплыли, вид будет точно таким же. Несколько тонких белых облаков плывут над вашей головой, но вы помните, что они могут собираться во внезапные штормы. Над вами пролетает несколько птиц, похожих на альбатросов и принадлежащих к виду, который овладел искусством защиты своих яиц в этой среде: он оставляет их плавать на поверхности воды. Под килем можно заметить косяки рыб, и вы знаете, что где-то глубоко внизу скрываются гигантские хищники, которые ими питаются. Гораздо дальше внизу, в 100 милях (160 км) под корпусом вашей лодки, сильное давление прессует молекулы воды в странные формы льда. Это Нептуния.

* * *

Мы продолжаем наше исследование покрытых водой миров с каменистой мантией и металлическим ядром, и рассматриваем экстремальный пример: мир с океаном жидкой воды и вообще без суши. Неудивительно, что такие миры существуют и уже открыты. Планета под названием Глизе 1214 b, которую мы подробно обсудим в главе 14, является одной из таких. Расположенная в 40 световых годах от Земли, она получила от астрономов прозвище «Водный мир», поскольку напоминает одноимённый научно-фантастический фильм 1996 года. Слой жидкой воды, покрывающий её поверхность, может достигать глубины 100 миль, представляя ещё одну среду обитания в нашем обзоре воображаемой жизни. Мы будем немного более официальными, чем наши коллеги, охотящиеся за планетами, и назовём наш воображаемый водный мир Нептунией в честь греческого бога моря[5].

Первое, что мы можем сказать о Нептунии — для того, чтобы быть водным миром, она должна находиться в обитаемой зоне своей звезды — в той области, где излучение звезды имеет достаточную интенсивность, чтобы не допустить замерзания океанов. И действительно, если бы океан Нептунии замёрз на поверхности, она была бы похожа на мир, который в предыдущей главе мы назвали Новой Европой, а если бы её океан промёрз до дна, Нептуния была бы похожа на мир, который мы назвали Айсхеймом в главе 6. Это подчёркивает тот момент, на котором мы уже не раз заостряли внимание: водные миры бывают разных форм, и всегда есть вероятность того, что одна форма может превратиться в другую.

Чтобы понять, как мог возникнуть мир вроде Нептунии, мы можем напомнить себе о том, как образовались океаны на Земле. Во время первоначального расплавления планеты наверх всплыли самые лёгкие материалы. Это материки. Этого материала хватило лишь для того, чтобы покрыть примерно четверть поверхности Земли, так что в результате между большими массивами суши образовались глубокие котловины. Представьте, что котловины — это ванны, ожидающие наполнения. Вода, наполнявшая их, поступала из трёх источников: это недра Земли (при помощи вулканов), астероиды и кометы. Точный процент воды на Земле, полученный из каждого из них, остаётся предметом споров среди учёных, но конечным результатом является то, что ванны были заполнены, но не до самых краёв.

Этого не должно было случиться. Если бы Земля получила примерно в пять раз больше воды, чем ей досталось, то все континентальные районы, в том числе и гора Эверест, оказались бы под водой, а Земля стала бы планетой, похожей на Нептунию. Количество жидкой воды, которая накапливается на поверхности планеты, зависит от множества факторов: сколько воды находится в туманности, из которой образуется планета, сколько этой воды попадает на планету, каковы масса и сила притяжения планеты, и, конечно, её температура. Однако, если помнить наше утверждение из главе 1 о количестве и разнообразии планет в галактике, мы считаем вполне возможным предположить, что будет обнаружено множество миров, подобных Нептунии.

В качестве отступления отметим, что в начале истории нашей Солнечной системы произошла реорганизация орбит внешних планет, которая нарушила орбиты комет и астероидов и направила их к Земле. Мы не знаем, всегда ли происходит такая перестройка при формировании планетных систем, но иногда она происходит совершенно определённо. В нашей системе дождь из комет и астероидов никогда не прекращался; он просто уменьшался со временем. Масса Земли увеличивается примерно на 40 тонн (36 метрических тонн) каждый день по мере того, как космический материал сталкивается с планетой, сгорает в атмосфере и оседает на землю в виде мелкой пыли.

Жизнь на Нептунии

Потоки энергии на Нептунии похожи на те, что мы видели на Айсхейме и Новой Европе. Излучение звезды попадает на поверхность океана, а тепло и химическая энергия поднимаются из горячих источников на дне океана. Однако важным моментом здесь является то, что Нептуния — это первый из посещённых нами миров, где, как и на Земле, развитие жизни стало возможным на поверхности (благодаря наличию жидкой воды), а не только у горячих источников срединно-океанических хребтов.

В главе 4 мы описали опыт Миллера-Юри, который показал, что обычные химические процессы в атмосфере Земли могут генерировать основные молекулярные составные части жизни. Мы также отметили, что этот эксперимент привёл к появлению теории происхождения жизни из первичного бульона: это представление о том, что эти составные части выпадут дождём и превратят океан в насыщенный органический бульон. Теория гласит, что при наличии достаточного времени сформируется первая клетка, начнётся естественный отбор, и жизнь пойдёт своим чередом.

Первичный бульон не нуждается в наличии суши на Земле, поэтому нет причин, по которым этот процесс не должен происходить на Нептунии. Фактически, единственная версия появления жизни на Земле, которая не могла осуществиться на Нептунии, — это та, которая зависит от существования литоральных ванн — разновидности дарвиновского «маленького тёплого водоёма». Причина проста: для литоральной ванны требуется сухая земля, которой на Нептунии не существует по определению.

Если бы жизнь возникла на Нептунии через образование первичного бульона, мы бы ожидали, что её развитие будет аналогичным развитию жизни в океанах Земли. Образуется фотическая зона глубиной в сотни ярдов, и пищевая цепочка, основанная на фитопланктоне (вспомните зелёную тину на пруду), в итоге приведёт к появлению более сложных организмов — возможно, с неким аналогом рыбы на вершине пищевой сети. Ничего похожего на земные формы жизни, зависящие от наличия мелководья, вроде морских макроводорослей и устриц, не появилось бы просто потому, что на Нептунии нет мелководий. Кроме того, также отсутствовали бы существа вроде китов и дельфинов, которые эволюционировали на суше, прежде чем переселиться в море на Земле. Однако в остальном многоклеточная жизнь в верхних слоях океана Нептунии, вероятно, не слишком отличалась бы от того, что мы видим на нашей планете.

Аналогичный довод можно высказать в отношении развития жизни вокруг гидротермальных источников срединно-океанических хребтов Нептунии. Если предположить, что дополнительная глубина океана Нептунии не имеет особого значения, то какой бы процесс ни привёл бы к эволюции таких экосистем на Земле, это же, вероятно, случится и на Нептунии. Таким образом, жизнь на двух границах океана Нептунии, верхней и нижней, вероятно, не сильно отличалась бы от того, на что она похожа на Земле. Разница проявится именно в промежуточной области, потому что там нас поджидает новое явление: экстремальное давление.

Давление

Осознаёте вы это или нет, но вы прожили всю свою жизнь на дне океана. Конечно, это не океан воды, а океан газов, который мы называем нашей атмосферой. Нарисуйте у себя в голове такую картину: отметьте у себя на ладони 1 квадратный дюйм (около 6 кв. см) и представьте себе трубку, поднимающуюся от неё до самого космоса. Если вы стоите на уровне моря, вес воздуха в этой трубке составляет около 14,7 фунтов (6,5 кг). Этот вес давит на вашу руку, и для того, чтобы противостоять ему, ваше тело создаёт равную ей силу противодействия в 14,7 фунтов.

Наши тела оказывали это противодействие на протяжении всей нашей жизни, так что это не то, что мы обычно осознаём. Мы замечаем это только тогда, когда находимся в среде, где внешнее давление сильно отличается от того, к чему мы привыкли. На больших высотах, например, в нашей воображаемой колонне гораздо меньше воздуха, поэтому давление атмосферы значительно ниже. Вот почему пилоты надевают герметичные костюмы, когда летают на высотных самолётах. Точно так же, когда мы входим в океан, вес вышележащей воды добавляется к весу воздуха в колонне, увеличивая давление. Вот почему для работы на глубине необходимы водолазные костюмы.

Давление определяется как сила, действующая на единицу площади, а атмосфера давит на вашу руку с силой 14,7 фунтов на квадратный дюйм на уровне моря. Эта величина давления называется 1 атмосфера (обычно сокращенно «атм») — стандартная единица измерения, используемой для количественной оценки давления. Учёные также часто используют единицу измерения под названием бар, которая представляет собой примерно то же самое, что атмосфера, но выражается в единицах метрической системы мер. Слушая сводку погоды, вы можете услышать, что атмосферное давление измеряется при помощи ещё одной единицы измерений — миллиметров ртутного столба. Она по-прежнему используется по историческим причинам и представляет собой высоту столба ртути, вес которого точно уравновешивает вес столба воздуха, о котором мы говорили выше. Воздух при давлении в 1 атмосферу уравновесит столб ртути высотой 30 дюймов (760 мм или 76 см), и небольшие изменения этого давления — это движущая сила изменений погодных условий. Официальной единицей метрической системы для измерения давления является паскаль, названный в честь французского учёного и математика Блеза Паскаля (1623-62), который первым понял, как работает барометр. Одна атмосфера составляет около 100 000 паскалей.

Возможно, что вы, вероятнее всего, столкнётесь с измерением давления в кабинете врача, когда измеряется ваше кровяное давление, или на заправочной станции, где вы накачиваете шины своего автомобиля. Цифра на манометре у врача — это величина в миллиметрах ртутного столба, на которую давление в ваших артериях превышает давление атмосферы. Таким образом, значение артериального давления, равное 120, будет представлять собой общее давление 880 мм рт. ст., при этом вклад со стороны атмосферы составляет 760 мм рт. ст., а ваша кровь добавляет всё остальное. Шинный манометр на вашем автомобиле показывает давление в psi (фунты (p) на квадратный дюйм (si)).

Давление несколько необычно в том смысле, что в разных областях науки используются совершенно разные единицы измерения, несмотря на случайные замечания в духе школьной учительницы со стороны официальных органов. Как отмечалось выше, в медицине и метеорологии по-прежнему используется миллиметр ртутного столба, но в инженерных приложениях вы, скорее всего, столкнетесь с фунтами на квадратный дюйм, а учёные, работающие с высоким давлением, часто используют бар и т. д. По-видимому, это глубоко укоренившаяся человеческая черта — цепляться за старые системы измерений. Как же ещё объяснить тот факт, что, когда вы идёте в хозяйственный магазин, чтобы купить гвозди, вы обнаруживаете, что их размеры указаны в пенни[6], единице измерения, обозначаемой буквой d? Хотите верьте, хотите нет, но мы унаследовали эту единицу от Римской империи («d» означает «денарий» — название одной из серебряных монет империи). Ещё один пример нежелания отказываться от старых единиц измерения можно увидеть в том факте, что Соединённые Штаты остаются единственной промышленно развитой страной, которая не перешла на метрическую систему мер — здесь следует отметить, что оба автора считают это положение дел в высшей степени разумным, поскольку такой переход доставит гораздо больше проблем, чем оно того стоит.

Как мы уже сказали выше, опускаясь под поверхность океана, мы испытываем увеличение давления. Марианская впадина в Тихом океане — это самое глубокое место в океанах Земли. Его глубина составляет чуть более 6,5 миль (36 070 футов, или 10 994 м). На этой глубине давление воды составляет 1086 бар, что более чем в 1000 раз превышает атмосферное давление на уровне моря. Чтобы понять это наглядно, представьте, что на каждом квадратном дюйме вашей кожи стоит слон, а затем добавьте ещё по одному слону на каждые 4 квадратных дюйма (около 25 кв. см) для ровного счёта.

Если ядро Нептунии размером с Землю, а глубина её океана составляет 100 миль, то давление на скальном дне океана будет примерно в 16 раз выше давления в Марианской впадине. Это эквивалентно тому, что на каждом квадратном дюйме вашей кожи стоит около 20 слонов.

Давление такой величины можно легко создать в лабораториях с помощью устройства под названием «алмазная наковальня», в котором исследуемый образец раздавливается между двумя алмазами. Один алмаз имеет выемку, в которую помещается образец, а другой — выпуклость, которая соответствует углублению. Поскольку давление зависит от размера области, к которой прикладывается сила, и поскольку точка соприкосновения в этом инструменте очень маленькая, он может развивать огромное давление при относительно небольшом приложенном усилии. Такие устройства могут создавать давление, значительно превышающее то, с каким мы столкнулись бы на Нептунии. (Кстати, у исследований в области высоких давлений есть заметный привкус Дикого Запада — например, учёные, работающие в этой области, часто рассказывают, что их алмазы раскалываются со звуком, похожим на выстрел.)

При высоком давлении материалы ведут себя странным образом: при повышении давления атомы и электроны смещаются и перестраиваются — протекает процесс, который может коренным образом изменить природу материала. Кислород, который при нормальном давлении является бесцветным, безвкусным газом, по мере увеличения давления на него становится синим, затем превращается в рубиново-красный кристалл и, наконец, в блестящий металл. Аналогичные изменения наблюдались и в других материалах. На Земле такого рода изменения наблюдаются только в лабораториях, потому что происходят они при давлениях, намного превышающих те, что наблюдаются даже в Марианской впадине.

Чтобы понять, что мы увидим, когда спустимся в океан Нептунии, мы должны обсудить понятие фазового перехода. Обычно мы считаем, что такие вещества, как вода, находятся в трёх фазах: газообразной (пар), жидкой и твёрдой (лёд). Переходы между ними (такие, как замерзание и кипение) называются фазовыми переходами. Нас будет интересовать в первую очередь переход из жидкого состояния в твёрдое, поэтому давайте посмотрим, как выглядит процесс замерзания на молекулярном уровне. В жидкости молекулы движутся свободно, но находятся в тесном контакте со своими соседями — представьте себе мешок, полный шариков, перекатывающихся друг через друга. В твёрдом теле молекулы образуют жёсткие структуры, словно собранные из конструктора. Таким образом, чтобы произошёл переход из жидкого состояния в твёрдое, мы должны отвести энергию из системы и лишить молекулы свободы движения. Вы делаете это всякий раз, когда кладёте кубик льда в стакан, чтобы охладить напиток — тепловая энергия из вашего напитка переходит в лёд и плавит его (т.е. меняет его фазу), и, соответственно, температура вашего напитка падает.

Осознание того, что вода — старая добрая Н2О — является одним из самых странных веществ во Вселенной, часто повергает в шок. Учёные обнаружили, что при изменении температуры и давления вода может существовать в виде не менее чем 17 фаз льда, каждой из которых соответствует различное расположение атомов водорода и кислорода. Эти отличающиеся друг от друга фазы обычно обозначаются римскими цифрами — например, «лёд X» (лёд 10); название вещества мы обсудим далее. (Следует отметить, что ни одна из фаз льда, которые мы обсудим, не имеет ничего общего с вымышленным льдом-девять из романа Курта Воннегута «Колыбель для кошки».)

Лёд, с которым мы знакомы — тот, который образуется на поверхности тротуара, когда мы пишем эти строки холодным январским днём, — называется лёд Ih («лёд один-аш»). Во льду этого типа молекулы воды расположены в гексагональном порядке («h» означает «гексагональный»). В нашей земной среде нет ничего, что могло бы создать достаточное давление для преобразования льда Ih в любую из иных форм льда, хотя при очень низких температурах (ниже -368° F или -222° C) образуется структура, называемая льдом XI, где шестиугольники выстраиваются более упорядоченно, чем во льду Ih.

Ситуация несколько усложняется, когда дело доходит до того давления, которое мы ожидаем обнаружить на дне океана Нептунии. Если его глубина достигает 100 миль, то давление там будет составлять около 16 000 атмосфер. Давление такой величины способно превратить жидкую воду в лёд VI при нормальной температуре воды. Молекулы льда VI обладают так называемым тетрагональным расположением. (Представьте, что вы взяли куб и растянули его так, чтобы его бока стали прямоугольниками, а не квадратами.) Таким образом, из-за давления воды над скалистой мантией Нептунии должен находиться слой льда VI, а над ним — жидкий океан. Это означает, что глубоководные местообитания Нептунии будут напоминать таковые на Айсхейме — горячие источники создают полости и тоннели жидкой воды, в которых под слоем льда могла бы развиваться жизнь.

Это пояснение иллюстрирует важный момент, связанный с водой. Неважно, насколько высока температура — жидкую воду всегда можно превратить в одну из фаз льда, увеличив давление. Именно этот факт сделает поверхность мантии у водных миров таким интересным местом. Например, мы исходили из предположения, что тепло, выносимое на поверхность камня гидротермальными источниками, способно растопить слои лежащего над ними льда. Однако дело в том, что если бы давление на дне океана Нептунии было чуть выше — если бы твёрдое ядро планеты было значительно больше Земли или океан был значительно глубже наших предполагаемых 100 миль — это предположение уже было бы неверным. Это происходит потому, что при таком давлении мы бы начали получать лёд X. Лёд X — это кристалл кубической формы, который существует только при чрезвычайно высоких давлениях — давлениях, которых нет в земной среде, но которые легко можно найти на экзопланетах. С нашей точки зрения, ключевым фактом в отношении льда X является то, что его нельзя растопить, повысив его температуру. Как только давление спрессовало молекулы воды в лёд X, тепло, связанное с восходящим током магмы, просто не сможет их расшатать.

Водный мир со слоем льда X прямо над его мантией был бы странным местом. Магма, выходящая на каменистую поверхность, обнаружит, что её продвижение вверх перекрыто слоем льда, который не растает. Это переросло бы в битву между силой восходящего тока магмы и структурной целостностью ледяного покрова. Результат будет зависеть от особенностей ситуации — например, важное значение будет иметь толщина ледяного покрова.

Относительно тонкий слой льда X может непрерывно вспучиваться и трескаться, подобно тому, как внешний слой твёрдой Земли распадается на тектонические плиты из-за того, что мантийная конвекция выносит магму на поверхность. Поэтому пограничный слой, который образует лёд X, будет аналогичен земной коре. Но хотя мы ожидали бы увидеть непрерывное образование трещин в покрове изо льда X, если бы он оказался достаточно толстым, конвективное тепло накапливалось бы до тех пор, пока магма не вырвалась бы наружу в результате события, напоминающего взрыв. Это ситуация, которая, как мы полагаем, наблюдается на Венере, кора которой настолько тонкая, что тепло накапливается под ней до тех пор, пока не вызовет «взрывной выброс» глобального масштаба. В этом случае вся поверхностная кора планеты распадается на куски, которые затем погружаются в магму под ней — это сценарий, который, как полагают, реализуется на Венере каждые 500 миллионов лет или около того.

Сможет ли жизнь сформироваться на такой поверхности, зависит от того, насколько долго мог сохраняться стабильный пограничный слой льда X, прежде чем его разрушил жар под ним. Если бы он мог просуществовать сотни миллионов лет, то, возможно, там могла бы возникнуть сложная химия. Но если бы распад произошел быстро, то эта территория, вероятно, была бы слишком неспокойным местом для развития жизни. Таким образом, существует ряд ограничений на размер ядра Нептунии и глубину её океана, за рамками которых развитие жизни было бы невозможно из-за свойств льда X. За этими рамками жизнь возникла бы только на поверхности океана планеты. Давайте назовём это «пределом льда X».

Разум и технологии

Нептуния — это первый мир из рассмотренных нами, где может сложиться ситуация развития жизни в одной из двух областей, или же сразу в обеих: на поверхности океана и на океанском дне. Давайте рассмотрим возможное развитие технологий для каждой из этих двух ситуаций по отдельности.

Выбор таков: либо давление на дне океана достаточно велико, чтобы образовался слой льда VI, либо до самой поверхности тянется слой жидкой воды. Если бы существовал слой льда, то мы бы столкнулись с ситуацией, аналогичной той, которую обсуждали в главе 6, когда говорили о мире, который мы назвали Айсхейм. Как вы помните, устройство, которое символизирует тамошнюю технологию, — это труба: устройство, способное перемещать тепло из горячего источника срединно-океанического хребта в другие места. Единственная разница заключалась бы в том, что, если бы нептунианцы двинулись вверх, к верхней границе слоя льда VI, они столкнулись бы с «атмосферой» жидкой воды, а не газа. Они не увидели бы и звёзд, если бы не начали работать над возможностью перемещения к поверхности океана, и это потребовало бы технологий совершенно нового типа. Не исключено, что это может случиться — в конце концов, путешествие нептунианцев к поверхности океана было бы для них не более странным, чем для нас — полёт на Марс.

Когда мы рассматриваем развитие разума и технологий на поверхности океана Нептунии, изучение жизни в океанах Земли может оказаться поучительным. Некоторые животные из наших океанов, которых обычно считают интеллектуально развитыми — например, дельфины и киты, — возникли не в океанской среде. Летопись окаменелостей описывает эволюцию этих существ от наземных обитателей до их нынешнего облика на протяжении десятков миллионов лет. Действительно, у современных китов всё ещё остались маленькие косточки, являющиеся наследием ног, которыми когда-то пользовались их предки. Таким образом, хотя киты и дельфины могут жить в глубоком океане вдали от суши, они не могли появиться в процессе эволюции в мире без суши вроде Нептунии. Иные формы жизни в океанах Земли, такие как осьминоги и омары, обычно считаются обладателями определённого уровня интеллекта[7]. Подобные существа обитают на дне океана в мелководных морях — как правило, на континентальных шельфах. Поскольку на Нептунии эти среды обитания не существуют по определению, мы подозреваем, что разум земного типа не мог бы появиться на поверхности водного мира.

Существует ещё одно препятствие для развития технологий на поверхности, и это нехватка материалов, из которых можно изготовить инструменты — ситуация, которую мы обсуждали в главе 3. В распоряжении многоклеточных форм жизни на поверхности океана Нептунии не было бы твёрдых материалов вроде камней, которые наши предки использовали на заре своего технологического прогресса. Фактически, единственными твёрдыми телами, которые мы можем представить на поверхности океана, были бы куски льда или, возможно, полярные ледяные шапки. В любом случае, мы утверждаем, что классический водный мир с глубокими океанами и без ледяных шапок на полюсах вряд ли породит технологическую цивилизацию на своей поверхности.

Дело даже не в том, что в нептунийском океане не могло быть металлов. Мы знаем, что в океанах на Земле содержатся все встречающиеся в природе элементы периодической таблицы. Проблема в том, что большая часть материалов в наших океанах попадает туда в результате эрозии континентов, которых на Нептунии не существует. Следовательно, нептунианцам пришлось бы зависеть от таких событий, как подводные извержения вулканов и удары астероидов, которые наполнят их океан металлами и другими тяжёлыми элементами.

Нептунианцы, которые могли бы извлекать эти элементы с помощью какого-либо крупномасштабного процесса фильтрации, возможно, с помощью чрезвычайно больших ртов или жабр, могли бы собрать достаточное их количество для образования твёрдых частей тела (вспомните рыб, покрытых пластинами брони), которые, в свою очередь, могут служить источником материала для изготовления инструментов. Известно, что в водоёмах на Земле можно отыскать виды бактерий, которые используют извлечённые из воды металлы именно так. Обладающие магнитотаксисом бактерии используют оксид железа, проникающий сквозь их клеточные стенки, для образования крошечных цепочек железных магнитов. Эти цепочки позволяют бактериям ориентироваться в верхних слоях своих водоёмов, чтобы двигаться вверх или вниз, в зависимости от того, нужны ли им солнечный свет или питательные вещества, соответственно. Если эволюция смогла сделать это на Земле, то нет причин исключать такую возможность и на Нептунии. Дальнейшая эволюция подобных организмов на Нептунии может привести к появлению кремнезёмных или металлических компонентов в их клеточных стенках или других клеточных структурах, которые в конечном итоге могут стать необходимыми частями тел многоклеточных организмов.

Однако нам это кажется некоторой натяжкой, и хотя жизнь может развиваться как на поверхности океана Нептунии, так и на его дне, мы считаем наиболее вероятным, что технологии будут развиваться только в последнем из этих мест. В предыдущих двух главах этот процесс обсуждается для Айсхейма и Новой Европы. Как только на Нептунии разовьётся технологическая цивилизация, колонизация ею поверхности океана станет очевидным преимуществом, поскольку излучение звезды планеты превратится ещё в один источник энергии. Мы представляем себе процесс колонизации как некий аналог освоения людьми околоземного пространства. Иными словами, независимо от того, контактирует ли дно океана с жидкой водой или со льдом VI, технологическая цивилизация, развившаяся на глубине, по всей вероятности, рано или поздно вышла бы на поверхность.

Инструментом, символизирующим этот вид цивилизации, будет подводная лодка. Как только нептунианцы достигнут поверхности океана, нетрудно представить, как они создадут постоянные места обитания — это подвиг, который будет не сложнее, чем колонизация человеком Марса. Можно представить себе большие сооружения, строящиеся на дне океана, а затем всплывающие на поверхность с балластными цистернами, заполненными газами из гидротермальных источников срединно-океанических хребтов.

Подобно будущим людям-колонистам на Марсе, нептунианцы, мигрировавшие на поверхность океана, были бы окружены средой, где давление гораздо ниже того, к которому приспособлена их биологическая структура. И тем, и другим понадобятся герметичные жилища и скафандры для путешествий за пределами их искусственно созданных убежищ. Однако, в отличие от ситуации с людьми на Марсе, мы можем представить себе значительные экономические причины для сохранения нептунианцами своего присутствия на поверхности океана. Мы уже упоминали солнечную энергию как один из возможных экспортных товаров колонии на поверхности. Ещё одним стала бы пища в виде органических соединений, полученных из фитопланктона в фотической зоне. Водоросли, спрессованные в блоки и снабжённые грузом, можно было просто сбросить в океан и дать им опуститься на дно.

Как только мы начинаем представлять нептунийскую цивилизацию двухуровневой (т.е. существующей и на поверхности океана, и на его дне), становятся возможными разного рода интересные ситуации. Предположим, например, что колонистов на поверхности стало достаточно много, чтобы потребовать независимости. Может ли вспыхнуть война за независимость, в ходе которой обитатели поверхности сбрасывают бомбы вниз, а обитатели дна отвечают, посылая вверх пузыри, начинённые взрывчаткой? Может ли получиться аналог «Бостонского чаепития», когда обитатели дна разрывают пакеты с водорослями и позволяют их обрывкам всплывать вверх? Если бы мирные отношения между двумя уровнями сохранялись, смогли бы появиться у нептунианцев астрономия и космические путешествия? Смогли бы они когда-нибудь отправиться на поиски других водных миров?

Не видим причин, делающих это невозможным.

Майк и Джим

Джим: Я вижу, они предсказывают, что лёд в западном владении снова сместится.

Майк: Да, хорошо, что там так мало народа. Это облегчит эвакуацию.

Дж.: Мне уже почти хочется жить в одной из этих колоний на поверхности.

М.: Ты жить не можешь без шуточек — там же, наверху, нет никакого давления. Если бы ты вышел на улицу без скафандра, ты бы взорвался.

Дж.: Я знаю, и ты прав — при таком низком давлении жизни быть не может.

М: Да, и даже те микробы, которых они собирают, появились здесь, внизу, и только потом уже попали на поверхность.

9

МИР ЗЛАТОВЛАСКИ

СОВСЕМ КАК МЫ

Так приятно откинуться на спинку кресла, впитывать тёплые солнечные лучи и слушать мягкий шум волн, набегающих на песчаный пляж. Зелёные растения шелестят на тихом ветерке и весь мир, кажется, говорит вам, что нужно расслабиться и наслаждаться жизнью. Вдалеке лениво кружит в небе один из летучих драконов этой планеты. Если бы не дракон, можно было бы подумать, что это место не так уж и сильно отличается от Земли.

* * *

Все мы помним детскую сказку «Златовласка и три медведя». Мы с удовольствием рассказываем нашим детям и внукам о том, как каша папы Медведя была слишком горячей, каша мамы Медведицы — слишком холодной, но каша Медвежонка была как раз в меру тёплой. Поэтому неудивительно, что, когда учёные начали задумываться о том факте, что океаны Земли должны были оставаться жидкими на протяжении миллиардов лет, чтобы жизнь могла выжить — температура планеты должна была быть не слишком высокой и не слишком низкой, а как раз в меру — они окрестили её первой «планетой Златовласки».

Взгляните на это с другой стороны: как и все звёзды своего типа, наше Солнце постепенно становилось ярче на протяжении 4,5 миллиардов лет, прошедших с момента его образования. Около 4 миллиардов лет назад, когда на Земле впервые образовались океаны, Солнце было примерно на 30 процентов тусклее, чем сейчас, поэтому планете приходилось удерживать гораздо больше поступающей солнечной энергии, чтобы её океаны не замерзали. С течением времени, когда Солнце начало изливать на Землю всё больше и больше энергии, состав атмосферы планеты также менялся, влияя на температуру через парниковый эффект. (Напоминаем вам, что парниковый газ поглощает любое инфракрасное излучение, пытающееся уйти в космос с поверхности планеты, а затем переизлучает его. Поскольку часть этой переизлучённой энергии направлена вниз, воздействие газа выражается в нагревании планеты.) Тем не менее, несмотря на всё это, оказалось, что на протяжении всей истории Земли температура океанов оставалась всего лишь на несколько градусов выше точки замерзания. Не слишком холодно, но и не слишком жарко.

Чтобы привести всего лишь один пример изменений в атмосфере, скажем, что 3,5 миллиарда лет назад океаны Земли были населены процветающими колониями цианобактерий — очень похожих на то, что мы называем зелёной прудовой тиной. В то время в атмосфере практически не было свободного кислорода, но бактерии выделяли кислород как побочный продукт фотосинтеза (растения до сих пор занимаются тем же самым). Вначале этот кислород удалялся путём химических реакций вроде ржавления железа в породах на поверхности, но около 2,5 миллиардов лет назад его содержание начало расти в результате процесса, который некоторые учёные называют Кислородной катастрофой. Предположительно, многие первоначальные обитатели планеты, которые не обладали устойчивостью к кислороду, после этого вымерли, утонув в отходах собственной жизнедеятельности. Однако другие приспособились и смогли использовать кислород, чтобы запустить дыхательный цикл, который в наши дни поддерживает вашу жизнь и жизнь любого другого животного на планете.

В качестве отступления отметим, что многие из крупнейших месторождений железа на Земле, например, в горнодобывающем районе Месаби в Миннесоте, отложились в это время, когда выделявшийся в изобилии кислород соединялся с железом в океанах, а затем выпадал на океанское дно, образовав богатые железом слои осадочных пород. Металл в соседней с вами машине, которую вы видите, проезжая по улице, на самом деле может быть сделан из материала, который является памятью о Кислородной катастрофе.

В 1978 году астрофизик Майкл Харт, работавший в то время в Университете Тринити в Техасе, опубликовал компьютерную модель, описывающую историю атмосферы Земли. В этой модели слабому теплу раннего Солнца помогал парниковый эффект, создаваемый аммиаком и метаном в атмосфере (оба они, как и более знакомый углекислый газ, CO_2, являются парниковыми газами). По мере того как Солнце светило ярче, кислород, вырабатываемый живыми организмами, разрушал эти соединения, снижая парниковый эффект и тем самым компенсируя повышенное излучение Солнца. В итоге возникла наша нынешняя атмосфера, где парниковый эффект обусловлен углекислым газом и водяным паром. По сути, Земля прошла по лезвию ножа между бесконтрольным парниковым эффектом с одной стороны и полным промерзанием с другой.

Однако важнейшая с нашей точки зрения часть расчётов Харта проистекала из анализа того, что произошло бы, если бы Земля находилась на ином расстоянии от Солнца, нежели то, какое имеет место в реальном мире. Согласно его модели, если бы Земля была на 1 процент дальше или на 5 процентов ближе к Солнцу, хрупкий баланс, который позволял океанам оставаться в жидкой форме, был бы утрачен. Таким образом, соображения об эволюции атмосферы нашей планеты привели к мысли о том, что вокруг звезды существует пояс, в пределах которого океаны на поверхности могут оставаться жидкими на протяжении миллиардов лет. Этот пояс называется зоной обитаемости в окрестностях звезды (ЗООЗ), и стал одной из основных идей, определяющих мысли учёных относительно жизни на экзопланетах.

Зоны обитаемости в окрестностях звёзд и способность поддерживать жизнь

Первое, что мы можем сказать о ЗООЗ — это то, что она будет у каждой звезды. Иными словами, вокруг звезды всегда будет существовать пояс, в котором энергетический баланс мог бы сохранять температуру поверхности планеты между точками замерзания и кипения воды. Для маленьких тусклых звёзд этот пояс узок и близок к звезде. Например, многие из известных экзопланет, находящиеся в ЗООЗ своей звезды, расположены ближе к этой звезде, чем Меркурий к Солнцу. Аналогичным образом ЗООЗ больших ярких звёзд шире и располагается дальше от них. Кроме того, как уже отмечалось выше, излучение энергии звездой увеличивается с течением времени, поэтому по мере старения звезды обитаемая зона фактически смещается кнаружи. Однако здесь есть важный момент: из-за того, что где-то вокруг каждой звезды имеется ЗООЗ, мы ожидаем, что просто волей случая некоторые планеты сформируются именно в этих зонах.

Но, сделав это замечание, мы должны добавить, что за последние одно-два десятилетия учёные пришли к пониманию того, что ЗООЗ необходимо рассматривать гораздо тщательнее, чем позволяет простой расчёт температурного баланса. Как отмечает астрофизик Массачусетского технологического института Сара Сигер, присутствие планеты в зоне обитаемости ещё не гарантирует того, что она действительно пригодна для жизни. На самом деле существует множество факторов, которые могут повлиять на возможность жизни в мирах в ЗООЗ.

По мере прогресса в исследованиях экзопланет поиск планеты земного типа в ЗООЗ стал чем-то вроде Святого Грааля в астрономическом сообществе. Но в настоящее время мы поняли, что обитаемость планеты зависит не только от расположения её орбиты. В главах 6 и 7, например, мы рассмотрели миры, которые не находились в ЗООЗ своих звёзд, не имели на поверхности океанов жидкой воды, однако представляли собой возможный дом для жизни и даже развитой цивилизации. Подобного рода соображения заставили учёных гораздо шире взглянуть на условия, необходимые для возникновения жизни.

Тип материнской звезды

Тип звезды, вокруг которой вращается планета, может иметь важные последствия для развития жизни, даже для планет в ЗООЗ. Например, маленькие тусклые звёзды, которые называются красными карликами и составляют наибольшую долю звёзд Млечного Пути, часто переживают периоды чрезвычайно высокой активности. Звёздные вспышки и выбросы огромного количества заряженных частиц весьма усложнили бы жизнь на любой поверхности планеты — неважно, находилась ли планета в ЗООЗ, или же нет. В таких системах жизнь, скорее всего, должна оставаться на дне океана или под землёй, чтобы выжить. В таких ситуациях понятие ЗООЗ становится просто неактуальным.

Учёные начинают отказываться от идеи о том, что жизнь должна эволюционировать и сохраняться на поверхности планет. Например, многие современные доказательства заставляют сделать вывод о том, что какие-либо живые организмы на Марсе будут обнаружены под поверхностью. Кроме того, если жизнь существует в подповерхностных океанах во внешних районах Солнечной системы, например в океанах Европы и Энцелада, то она уже по определению будет находиться под поверхностью. Даже на Земле, похоже, под поверхностью планеты может находиться больше биомассы, чем на ней. Так что интенсивная радиационная обстановка, идущая в комплекте с маленькими звёздами, не обязательно должна препятствовать развитию жизни, хотя эту жизнь, вероятно, было бы невозможно обнаружить напрямую с помощью технологий, которыми мы располагаем в настоящее время.

С другой стороны, более массивные звёзды обеспечивают более благоприятную радиационную обстановку, но время их жизни может быть относительно коротким. В некоторых случаях они могут прожить всего 30 миллионов лет. Маловероятно, что за такой короткий промежуток времени на планете могло развиться что-то помимо простой микробной жизни. Кроме того, такие звёзды заканчивают свою жизнь мощным взрывом, который называется сверхновая и наверняка уничтожит любые близлежащие планеты. Таким образом, даже если бы жизнь действительно смогла развиться в ЗООЗ такой звезды, все её следы были бы уничтожены после гибели звезды.

Именно из-за этих ограничений охотники за экзопланетами сосредоточили свое внимание на планетах в зоне звёзд среднего размера наподобие Солнца.

Эволюция атмосферы

Второй источник сложностей при обсуждении обитаемости появляется из-за того, что атмосферы планет не являются стабильными, неизменными системами, а развиваются с течением времени. Описанная выше Кислородная катастрофа Земли является лишь одним из примеров процессов такого рода. Конечно, есть и другие, и ниже мы обсудим некоторые из них, особенно важные для планет земной группы.

Для малых планет вроде Марса большую роль играет диссипация атмосферы. Вот как работает этот процесс: молекулы, составляющие атмосферу планеты, всегда находятся в движении, и чем выше температура, тем быстрее они движутся. Однако независимо от температуры всегда найдутся какие-то молекулы, которые движутся быстрее или медленнее среднего. Если более быстрые молекулы наберут достаточную скорость и будут двигаться в направлении, перпендикулярном поверхности планеты, они смогут преодолеть силу притяжения планеты и вырваться в космос.

Чем больше планета, тем больше её сила притяжения и тем легче ей удерживать атмосферу. Например, на Земле для того, чтобы покинуть планету, молекула должна была бы двигаться со скоростью около 7 миль в секунду (11 км/сек). Важно отметить, что разгонять до высокой скорости тяжёлые молекулы сложнее, чем лёгкие. Это означает, что более лёгкие молекулы с большей вероятностью, чем тяжёлые, будут утрачены из-за диссипации атмосферы. Земля, например, потеряла большое количество изначально присутствовавших в ней водорода и гелия — самых лёгких элементов своей атмосферы, ну а Марс потерял ещё более тяжёлые газы — кислород и азот.

Сходный механизм рассеивания атмосферы под названием «фотодиссоциация» особенно важен для молекул воды. Если на поверхности планеты есть вода, то в атмосфере будет присутствовать некоторое количество водяного пара. Ультрафиолетовое излучение звезды планеты разрушит молекулы воды, которые окажутся в верхних слоях атмосферы. Получившийся водород, будучи лёгким газом, окажется утраченным в результате диссипации атмосферы, а кислород соединится с атомами на поверхности планеты, образуя различные окисленные минералы. Мы считаем, например, что именно таким образом Марс потерял океан, который существовал на нём в начале его истории, и что красный цвет планеты является результатом окисления (коррозии) железа в его поверхностных породах.

Другой важный вид изменений относится к двуокиси углерода, важному парниковому газу (наряду с водяным паром) в атмосфере Земли. Каждый раз, когда на Земле извергается вулкан, углекислый газ выделяется из глубин мантии и закачивается в атмосферу. В ходе сложного процесса, известного как глубинный углеродный цикл, углекислый газ попадает в океан и связывается в составе таких материалов, как известняк, после чего может, помимо прочего, вернуться обратно в недра Земли. Таким образом, преобладающие геологические процессы на планете могут воздействовать на количество углекислого газа в её атмосфере, а это, в свою очередь, повлияет на её температуру. Мы полагаем, что какие-то океаны на поверхности, существовавшие на Венере в начале её истории, испарились из-за высокой температуры планеты, вызванной её близостью к Солнцу. Таким образом, у Венеры не было возможности удалить углекислый газ из своей атмосферы, и без глубинного углеродного цикла планета страдала от накопления этого газа в результате так называемого бесконтрольного парникового эффекта.

Эти примеры показывают, что изменения в атмосфере экзопланеты — изменения, которые, стоит особо отметить, мы не можем наблюдать с помощью современных телескопических приборов, — могут оказать значительное влияние на её обитаемость. Приведу только один пример: планета, которая находилась в центре ЗООЗ своей звезды, но имела очень мало воды, могла бы пострадать от бесконтрольного парникового эффекта и оказалась бы похожей на Венеру. Издалека было бы очень трудно понять, случилось это, или нет.

Разум и технологии

Тот факт, что у нас есть довольно хорошее понимание, как и когда развилась жизнь в одном из миров Златовласки (Земля), позволяет вывести некоторые предположения из дискуссий о развитии жизни на планетах такого рода. Хотя химия инопланетной жизни не обязательно должна основываться на системе ДНК-РНК, которая действует в жизни на Земле, будет не так уж сложно предположить, что формы жизни из других миров Златовласки будут аналогичным образом зависеть от сложной информации, заключённой в большие молекулы на основе углерода. В главе 15 мы поговорим о том, почему углерод занимает особое место в этом отношении. На данный момент мы просто обращаем внимание, что углерод может образовывать прочные и стабильные цепочки и кольца атомов, которые идеально подходят для использования в качестве биомолекул, несущих информацию.

Кроме того, нам не нужно допускать существование стандартной научно-фантастической галактики, населённой говорящими по-английски двуногими гоминидами, чтобы понять, как может работать естественный отбор в других мирах Златовласки. Мы можем посмотреть на развитие разума и технологий на Земле и провести возможные аналогии со сходными планетами Златовласки в галактике.

Ключевой момент естественного отбора, на который мы должны обратить внимание, заключается в следующем: это не процесс отбора по доброте или моральной ценности. Для того, чтобы донести эту мысль до своих студентов, один из авторов (Дж. Т.) использует старую шутку:

«Два туриста в горах сталкиваются с явно голодным медведем гризли. Один из туристов начинает сбрасывать свой рюкзак. Другой спрашивает:

— Что ты делаешь? Разве ты не можешь бежать быстрее этого медведя?

— Мне не нужно бежать быстрее медведя — я просто должен бежать быстрее тебя».

Не имеет значения, что более медленный бегун — это добрый человек, который помогает старушкам перейти улицу. Естественному отбору всё равно. Единственное, что имеет значение, — то, что его спутник быстрее. Это те гены, которые перейдут в следующее поколение[8].

Итак, что это говорит нам о типах форм жизни, которые будут развиваться в мирах Златовласки? Мы боимся, что ответ не очень обнадёживающий, поскольку наиболее вероятным результатом будет то, что они, вероятно, будут не более мягкими и добрыми, чем Homo sapiens. Если взглянуть на историю нашего вида и отметить исчезновение более 20 видов гоминид, которые были обнаружены в летописи окаменелостей, нам не стоит питать особых надежд на возможность встречи с технологически развитым видом, который будет миролюбивее нас. Любой, кого мы там обнаружим, будет, скорее всего, не более нравственным или не менее воинственным, чем мы сами. Жуть!

Посмотрим на это с другой стороны: если мы сожмём историю Вселенной в один год, то Земля и наша Солнечная система сформировались примерно в День Труда[9], а развитие науки занимает не более нескольких последних секунд года. Крайне маловероятно, что ни один другой вид существ не развил бы науку в течение всего «года» до появления Homo sapiens. Законы физики и химии не являются малопонятными или скрытыми — их может открыть любая умеренно разумная цивилизация. По крайней мере, какие-то из этих цивилизаций Златовласки должны были бы это сделать. Наверное, где-то какой-то инопланетный Исаак Ньютон дал толчок к развитию технологической цивилизации. Самый тревожный факт здесь — то, что мы не можем найти никаких свидетельств существования ни одной из таких цивилизаций. Даже если у нас не будет сверхсветового варп-двигателя и значительных успехов в технологиях, расчёты показывают, что через 30 миллионов лет — это менее одного дня в нашем вселенском году — человеческая раса может распространиться по всей галактике. Если мы сможем это сделать, то на это способна и любая другая цивилизация, такая же развитая, как мы сами.

Так где же эти другие цивилизации? Этот вопрос является выражением так называемого парадокса Ферми (названного в честь Энрико Ферми [1901-54], одного из ведущих физиков 20 века). Кто-то однажды сообщил ему о расчётах, которые предполагают, что в галактике существуют миллионы развитых цивилизаций. Ферми на мгновение задумался, а затем спросил: «И где же все?» Иными словами, почему они ещё не здесь? Почему мы ощущаем то, что учёные называют «Великим молчанием», когда речь заходит об инопланетянах?

Учёные и писатели-фантасты, наделённые богатым воображением, выдвинули множество возможных объяснений. Вот несколько самых популярных:

• Гипотеза зоопарка: Инопланетяне объявили Землю чем-то вроде охраняемых природных территорий.

• Гипотеза «Звёздного пути»: Инопланетяне приняли Первую директиву, которая не позволяет им влиять на естественный ход событий в развивающихся цивилизациях вроде нашей.

• Гипотеза рая: инопланетяне толстые и счастливые в идеальной среде обитания, и не проявляют интереса к исследованиям.

• Гипотеза замещения: органическая жизнь была замещена разумными машинами (будущее, часто предполагаемое для человеческой расы), и машины не заинтересованы в контакте с органической жизнью.

Мы могли бы продолжить, но думаем, что вы уловили суть. Проблема, однако, состоит в том, что, хотя мы можем представить себе развитие по одному из этих сценариев в каких-то внеземных цивилизациях, рассматривать любой из них как неизбежный результат развития жизни — очень сложная задача. Чтобы понять важность этого момента, вернитесь к разделу «Математика» главы 1. В ЗООЗ у звёзд должно существовать много миллионов планет размером с Землю — эта гипотеза подтверждается тем фактом, что мы уже обнаружили пару десятков таких в нашей небольшой выборке из нескольких тысяч экзопланет. Крайне маловероятно, что все они примут, например, нечто вроде Первой директивы из «Звёздного пути». Мы боимся, что самый логичный ответ на вопрос о том, почему мы не знаем о существовании развитых внеземных цивилизаций, состоит в том, что этих цивилизаций там нет. Насколько мы можем видеть, единственное объяснение этого, связанное с законами природы (см. главу 11), зависит от действия естественного отбора.

Это подводит нас к очень мрачным размышлениям относительно судьбы жизни в мирах Златовласки. Учитывая тенденцию естественного отбора к созданию агрессивных видов — видов, подобных Homo sapiens, — возможно, что вся история Вселенной была занята процессом эволюции, производящим разумные формы жизни на одной планете Златовласки за другой, но лишь для того, чтобы эти формы жизни уничтожали сами себя, едва открыв для себя науку. Иными словами, вполне возможно, что существовало огромное количество цивилизаций, достигших нашего уровня, но все они уничтожили себя ещё до того, как смогли колонизировать ближайшие звёзды. Этот сценарий конца света является распространённым объяснением парадокса Ферми.

Эта мысль заставляет содрогнуться. Однако, сказав это, мы должны отметить, что открытия, сделанные в межзвёздной среде во время написания этой книги, могут предложить иное возможное решение, которое, как и описанный выше сценарий, основано на фундаментальных законах природы. Эти открытия, наряду с другими вопросами, пока ещё не получившими ответов, обозначены в главе 17.

Настоящие Майк и Джим

Майк: Неважно, как много мы узнаём о жизни в галактике; мы гарантируем, что уже на следующий год вас удивит что-то новое и неожиданное.

Джим: Наверное, всё случится именно так. Это будет нечто настолько странное, что мы даже не сможем предположить, что это может быть, пока не обнаружим эту штуку.

10

ГАЛО:

ЖИЗНЬ НА ТЕРМИНАТОРЕ

Солнце стоит на горизонте. В этом нет ничего удивительного — здесь солнце всегда стоит на горизонте. Оно никогда не движется в небе. Со своего наблюдательного пункта на вершине горы вы можете посмотреть вниз на залитую солнцем часть планеты, где вы видите скорченную, измученную, выжженную солнцем пустыню. Прищурившись, взгляните в другую сторону, в темноту другой половины планеты, и вы сможете разглядеть гигантские горы льда. Узкая переходная полоса, называемая терминатором, где вы совершили посадку, является единственным местом, где жизнь может уцелеть на этой планете двух крайностей, одна сторона которой вечно горяча, а другая вечно холодна. В окружающей вас природной среде господствуют свирепые ветры, дующие из пустыни в сторону ледников, и неподалёку вы можете увидеть ветряные мельницы, построенные существами, живущими под поверхностью планеты. Несколько обслуживающих ветряные мельницы инженеров и техников, которых вы замечаете, — это существа обтекаемых очертаний, едва возвышающиеся над землёй. А как ещё они смогли бы противостоять ветрам Гало?

* * *

До этого момента мы посещали планеты, которые вызывают определённое ощущение знакомого мира. В конце концов, вода, лёд и океаны — это часть повседневного опыта здесь, на Земле. Однако наши следующие визиты будут на планеты, которые уже не кажутся нам такими знакомыми. В этой главе, например, мы рассмотрим миры, которые всегда обращены к своей звезде одной и той же стороной, поэтому их сторона, обращённая к звезде, раскалена, в то время как другая сторона, обращённая в космос, обжигающе холодна. В таких мирах существует лишь узкая переходная зона между горячим и холодным. Она окружает планету подобно ореолу (гало). Собственно, мы и примем во внимание эту особенность, использовав её в качестве названия нашей воображаемой планеты: Гало.

Приливный захват

Вы с детства знали, что Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной, но задумывались ли вы когда-нибудь о том, какое совершенно необычайное совпадение необходимо для такого положения дел? Чтобы оставаться обращённой к Земле одной и той же стороной, Луна должна повернуться вокруг своей оси один раз за то же самое время, которое требуется для завершения одного оборота по орбите. По сути, её «день» должен быть ровно такой же длины, что и её же «год». Любое другое соотношение между её вращением вокруг своей оси и вращением вокруг Земли показало бы наблюдателям на нашей планете её обратную сторону.

Невероятное совпадение? Ну, не настолько. Как ни странно, но такого рода ситуации — довольно обычное дело в галактике. Говорят, что Луна находится в приливном захвате у Земли (или, на как говорят астрономы, синхронизирована). В нашей солнечной системе многие луны находятся в приливном захвате у своих планет, тогда как другие находятся в более сложных приливных отношениях, известных как орбитальные резонансы. Также возможно, что планета будет находиться в приливном захвате у своей звезды, особенно если расстояние между ними невелико. Мы считаем, например, что все семь планет размером с Землю, вращающиеся вокруг звезды TRAPPIST-1 (см. главу 13), находятся в приливном захвате, и в качестве исторического экскурса скажем, что мы привыкли считать, будто Меркурий всегда обращён к Солнцу одной и той же стороной, прежде чем точные измерения его вращения доказали, что это представление ошибочно.

Как подразумевает само название явления, Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной из-за действия приливов и отливов. Мы привыкли думать о приливах и отливах на Земле как явлении, связанном с океанами. Любой, кто проводил время у морского берега, знает, что каждый день бывает два прилива, а услышав слово «прилив», мы автоматически думаем о повышении и снижении уровня воды. Мы знаем, что эти океанские приливы вызваны силой тяготения Луны и, в меньшей степени, силой тяготения Солнца.

Однако на нашей планете существует другой вид приливов, который столь же регулярен, как и океанские, но далеко не так хорошо известен. Чтобы понять это утверждение, вы должны осознать, что, где бы вы ни находились, два раза в день земля под вами поднимается и опускается чуть менее чем на 1 фут (около 30 см) во время так называемого земного прилива или смещения уровня поверхности. Подобно океанским приливам, земные приливы на нашей планете вызваны силой притяжения Луны. Обычно мы их не замечаем, потому что подвергшаяся её действию область планеты имеет тысячи миль в поперечнике. Например, если поверхность большей части континентальной территории Соединённых Штатов поднимается на 1 фут или около того в течение многих часов, по сути, никаких заметных эффектов не наблюдается — в действительности же земной прилив можно обнаружить лишь очень чувствительными научными приборами. (Например, учёные, работающие с Большим Адронным Коллайдером в Швейцарии должны учитывать земные приливы при выполнении тонких настроек своей машины.)

Если Луна может вызывать приливы и отливы на Земле, то из этого следует, что гравитационное воздействие Земли может вызывать приливы и отливы на Луне, и это именно то, что приводит к приливному захвату. Подобно поверхности Земли, поверхность Луны в некоторой степени эластична. Он реагирует на силу притяжения Земли, слегка перемещаясь вверх и вниз, когда Земля проходит над ней. Это создает так называемую приливную волну. Волна всегда находится под Землёй и по мере вращения Луны перемещается по её поверхности, так что разные части Луны приподнимаются в разное время.

Ещё одно следствие земной гравитации, хотя и менее очевидное, заключается в создании на поверхности Луны второй приливной волны в месте, прямо противоположном тому, что находится напротив Земли. Самый простой способ представить себе этот момент — сказать, что гравитация Земли оттягивает поверхность Луны от основного тела Луны с одной стороны и оттягивает основное тело Луны от поверхности с другой. (Кстати, существование аналогичной второй приливной волны, создаваемой Луной на нашей собственной планете, приводит к тому, что океаны Земли демонстрируют два прилива в день, а не один.)

Можно представить две приливных волны Луны как «ручки», за которые может ухватиться земная гравитация. Если бы Луна вращалась быстрее, чем раз в месяц (т. е. поворачивалась бы вокруг своей оси больше одного раза за время, необходимое для облёта Земли), суммарный эффект земной гравитации заключался бы в замедлении вращения — как будто Земля схватилась за эти ручки и тянет назад. Точно так же, если бы Луна вращалась медленнее, Земля схватилась бы за ручки и ускорила её движение. Таким образом, конечным результатом этого является то, что на протяжении всей истории существования системы Земля-Луна Луна стала делать всего лишь один поворот в месяц и всегда обращена к нам одной и той же стороной.

Приливный захват может возникать всякий раз, когда меньший объект вращается на орбите вокруг большего, особенно если орбита меньшего объекта близка к нему, и потому силы притяжения велики. Многие из обнаруженных нами экзопланет расположены близко к своей звезде, поэтому мы ожидаем, что как минимум некоторые из них будут находиться в приливном захвате. Каковы были бы условия на такой планете? Оказывается, в зависимости от особенностей строения планеты и звезды существует множество интересных возможностей.

Сумеречная зона

Наиболее очевидным последствием приливного захвата является то, что обращённая к звезде поверхность планеты будет очень горячей, тогда как сторона, обращённая в космос, будет очень холодной. По сути, поверхность планеты будет наполовину раскалённой пустыней, наполовину замёрзшей тундрой. Однако между этими двумя крайностями будет находиться упомянутая выше переходная зона: тонкая полоса, вытянутая в направлении север-юг, где температура может поддерживать присутствие жидкой воды. Эта переходная зона со всей очевидностью является первым из мест для поиска признаков жизни, похожей на нас.

Если бы вы находились в переходной зоне, то оказались бы в странном окружении. Солнце всегда будет на горизонте, готовое к рассвету или закату, который никогда не наступит. Если отойти от неё слишком далеко в сторону звезды, то окажешься в жаркой пустыне. Отойди от неё слишком далеко в другую сторону — и ты замёрзнешь. С вашей точки зрения, жизнь была бы явлением, ограниченным строгими рамками, привязанным к узкой полосе, опоясывающей планету.

А ещё здесь будут дуть ветры. Один из основных законов физики, второй закон термодинамики (см. главу 2), заключается в том, что тепло перетекает из жарких областей в холодные. На Земле разница температур между тропиками и полюсами относительно небольшая, и имеет место вращение планеты, которое управляет циркуляцией атмосферы и великими океанскими течениями. Представьте себе, что Гольфстрим и господствующие погодные условия — это попытки Земли привести температуру на всей планете к одинаковому значению.

У находящейся в приливном захвате планеты разница температур между обращённой к звезде и обращённой к космосу сторонами будет огромной по сравнению с таковыми на Земле — вероятно, порядка сотен градусов и более. Хотя конкретные особенности будут зависеть уже от географии Гало и расстояния от звезды, можно предположить некоторые общие особенности ветров на планете. Можно ожидать, что газы на стороне, повёрнутой к звезде, будут скорее нагреваться и подниматься, в то время как газы на стороне, обращённой в космос, будут охлаждаться и опускаться. Это создаст общую схему циркуляции, при которой высотные ветры дуют к стороне, обращённой в космос, и одновременно поток холодных ветров возвращает воздух на сторону, обращённую к звезде, на меньших высотах.

Циркуляция воздуха наподобие описанной, когда тёплый воздух поднимается на экваторе и опускается на полюсах, наблюдалась бы и на Земле, если бы планета не вращалась. Она называется ячейкой Хэдли в честь британского метеоролога Джорджа Хэдли (1685-1768), который впервые предложил её в качестве объяснения механизма возникновения пассатов. (Мимоходом отметим, что крупное британское исследовательское учреждение, занимающееся изучением изменений климата, называется Центром Хэдли в его честь.)

Если бы температура была единственной движущей силой циркуляции атмосферы Земли, то на ней существовало бы всего лишь две ячейки Хэдли, в которых тёплый воздух поднимался бы на экваторе, двигался на север в Северном полушарии и на юг в Южном полушарии и опускался бы на полюсах, а более холодный воздух возвращался бы к экватору вдоль поверхности планеты. Поверхностные ветры всегда дули бы с севера в Северном полушарии и с юга в Южном. Конечно, наша планета устроена совсем не так. В действительности на Земле существует три типа атмосферных ячеек: пассаты, дующие с востока на запад вблизи экватора; господствующие западные ветры, дующие с запада на восток в средних широтах; и полярные восточные ветры, дующие, как и пассаты, с востока на запад в Арктике и Антарктике. Эта сложная структура обусловлена вращением Земли. На самом деле, чем быстрее вращается планета, тем больше образуется подобных разграничений. Многочисленные полосы, которые мы видим, например, на Юпитере, частично объясняются тем фактом, что юпитерианский день длится всего 10 часов.

Однако приливный захват Гало означает, что её вращение будет относительно медленным — в конце концов, она делает лишь один оборот за весь свой «год». Поэтому мы ожидаем, что основной движущей силой циркуляции атмосферы будет разница температур между полушариями, обращёнными к звезде и в космос, причём, чем больше будет разница, тем быстрее станут дуть ветры. Расчёты показывают, что на планете, расположенной вблизи её звезды, эти ветры, безусловно, были бы сверхзвуковыми — возможно, достигающими скорости 15 Махов[10] — гораздо быстрее, чем любые ветры в нашей солнечной системе. Основываясь на этой общей схеме атмосферных течений, мы могли бы ожидать, что на атмосферу будут накладываться всевозможные осложнения, подобно тому, как струйные течения и ураганы на Земле накладываются на простую циркуляцию Хэдли.

Существует ещё одно важное следствие разницы температур на Гало. Мы ожидали бы, что любая вода на стороне, обращённой к звезде, быстро испарится из-за высокой температуры. Затем ветры отнесут её на сторону, обращённую в космос, где из-за низких температур она выпадет в виде снега или льда. Таким образом, сторона, обращённая в космос, будет покрыта слоем льда, толщина которого будет зависеть от количества воды на планете (см. в главе 8 обсуждение механизмов накопления планетарной воды в контексте водных миров). Если бы на Гало было много поверхностных вод, как на Земле, то её космическую сторону мог бы покрыть ледник толщиной во много миль, охватывающий всё полушарие. Если бы планета также была достаточно большой, чтобы поддерживать мантийную конвекцию, то её сторона, обращённая в космос, была бы очень похожа на планету, которую в главе 6 мы назвали Айсхейм — с горячей магмой, поднимающейся изнутри через вулканические жерла. Это создало бы под ледником пузыри жидкой воды, где в принципе могла бы возникнуть жизнь. Таким образом, все замечания, которые мы сделали о развитии жизни и цивилизации в главе 6, применимы к подповерхностной стороне Гало, обращённой в сторону космоса.

Но даже после того, как на Гало образовался ледник, горячие ветры продолжали бы дуть. Тепло, переносимое со стороны, обращённой к звезде, может растопить ближайшую к переходной зоне часть ледяной кучи. Если бы всё случилось таким образом, вы могли бы представить себе тонкий океан жидкой воды в форме бублика вдоль внешнего края ледника, растянутого на всё полушарие, который образует ещё один ореол над тем, который даёт планете её название.

Если бы вы оказались в переходной зоне, то вы смогли бы увидеть по одну сторону узкого океана замёрзшую тундру, а по другую — раскалённую пустыню. На самом же деле, открывшееся вам зрелище может оказаться ещё драматичнее, чем это. По мере своего накопления на обращенной в космос стороне планеты, лёд начал бы всё больше напоминать антарктический ледяной покров на Земле. Под действием силы тяжести лёд вытекал бы из центра обращённого в космос полушария в виде могучих ледников. Когда ледники достигали бы берегов океана, от их массива откалывались бы куски, превращаясь в айсберги, как это происходит с ледниками на Земле. Вы будете стоять спиной к пылающей пустыне, слышать плеск волн рядом и наблюдать, как на воде появляются айсберги. Вот это зрелище!

Сильные ветры могли бы оказать два прямо противоположных воздействия на воды Гало. С одной стороны, они ускорили бы испарение с поверхности океана и перенесли бы образовавшийся пар на космическую сторону планеты, как уже говорилось выше. (Вы используете то же явление, когда дуете на что-то, чтобы обсушить это.) С другой стороны, чем сильнее ветер, тем больше будет таять ледник на обращённой в космоса стороне, и тем больше воды будет поступать в переходную зону. В зависимости от того, какой из этих эффектов победит в перетягивании каната, жидкая вода Гало может представлять собой что угодно — от глубокого моря, покрывающего всю переходную зону, до случайной струйки, которая быстро испарялась бы в бесплодной пустыне. Поскольку нас интересует развитие жизни, в дальнейшем мы предположим, что на планете присутствует океан, опоясывающий её всю.

Выполнив наш обычный приём «следования за водой» и исследовав причудливую окружающую среду Гало, мы воспользуемся моментом, чтобы обсудить ещё одну особенность, которую мы можем обнаружить на планетах, находящихся в приливном захвате, — особенность, которая может быть важна для жизни, не похожей на нас.

Кремниевый цикл

Мы знаем, что на Земле Солнце испаряет воду из океанов, и что эта вода в итоге выпадает в виде дождя или снега и возвращается обратно в океан. Это то, что мы называем гидрологическим циклом или круговоротом воды. Одна из самых интересных вещей, которая может произойти на планете, находящейся в приливном захвате, заключается в том, что, по аналогии с гидрологическим циклом на Земле, здесь может сложиться цикл, в котором задействованы минералы на основе кремния.

Представьте себе, если хотите, планету в приливном захвате, у которой обращённая к звезде сторона становится настолько горячей, что камни на её поверхности плавятся. Если бы они состояли из кремниевых минералов, у нас мог бы возникнуть жидкий океан из этих материалов на, обращённой к звезде стороне планеты. (Для справки, температура плавления чистого кремния составляет 2577° F, или 1414° C, тогда как температура плавления диоксида кремния, обычного минерала, составляет 3110° F, или 1710° C.) Часть этой жидкости испарится и, попав в атмосферу, будет унесена ветром на сторону, обращённую в космос. Оказавшись там, она замёрзнет.

Иными словами, на стороне планеты, обращённой в космос, пошёл бы «снег» из твёрдых каменных «снежинок».

Мы можем представить себе процессы, которые вернули бы этот твёрдый кремний обратно в жидкий океан — вероятно, процессы, которые по своей природе являются геологическими, как тектоническая активность на нашей планете. Дело в том, что мы легко можем представить себе «кремниевый цикл». Мы обсудим возможность жизни на основе кремния в главе 15, но сейчас просто отметим, что кремниевый цикл, который мог бы существовать в мире в приливном захвате, мог бы стать местом протекания основных химических процессов, ведущих к появлению новой формы жизни — той, которую мы назвали жизнью, не похожей на нас.

Недавние теоретические расчёты показали ещё один интересный аспект приливного захвата и возможность кремниевого цикла. Под руководством одного из нас (М. С.) студент-стипендиат Джорджа Мейсона Прабал Саксена исследовал, как кремниевые «снежинки», описанные нами выше, могут повлиять на вращение планеты, если они накопятся на стороне, обращённой в космос. Если бы механизм возврата кремния на солнечную сторону отсутствовал, возник бы эффект, аналогичный тому, что происходит в несбалансированной стиральной машине во время цикла отжима. Сдвиг массы «разблокирует» вращение планеты, и планета начнёт поворачиваться таким образом, что сторона, обращённая к звезде, развернётся в космос, и наоборот.

Интересной особенностью этого процесса разблокировки будет то, что ждать его результатов нужно будет всего лишь несколько десятков тысяч лет, тогда как для попадания планеты в приливный захват требуются миллионы лет. Таким образом, на некоторых планетах может происходить постоянная гравитационная битва. На протяжении миллионов лет планета будет двигаться в сторону состояния приливного захвата, но едва это случится, её вновь раскрутит сдвиг массы.

Особенно необычная вариация этой темы может иметь место, если параметры системы окажутся «в самый раз». Планета может выглядеть находящейся в приливном захвате, если смотреть на неё в течение короткого промежутка времени, но если наблюдать за ней в течение тысяч лет, то на самом деле она будет медленно вращаться. Это вращение заставило бы переходную зону медленно перемещаться по поверхности планеты. Что делает эту возможность интересной, так это то, что она заставит живых существ в переходной зоне постоянно сталкиваться с новыми экологическими проблемами. Многие палеонтологи считают, что именно такого рода экологические проблемы привели к развитию человеческого разума на Земле. Например, когда пышные тропические леса Африки начали высыхать и превращаться в саванну, те из наших предков, которые выработали прямохождение, имели преимущество, потому что могли перемещаться с одного участка леса на другой легче, чем другие гоминиды. Это освободило их руки для использования инструментов и, как утверждается, привело к последующему значительному увеличению размера мозга. Существо из переходной зоны столкнулось бы с теми же проблемами, потому что сама зона перемещалась бы по равнинам и горам. Можно ли позволять отстать разуму и технологиям?

Жизнь, разум и технологии

На Гало мы сталкиваемся с ситуацией, которая аналогична обнаруженной нами в водных мирах из главы 8, где есть два места, в которых может развиться жизнь. В данном случае одно из них — это водяные пузыри вокруг горячих источников подо льдом на обращённой в космос стороне планеты, а другое — это океан в переходной зоне. Давайте рассмотрим их по отдельности.

Развитие жизни, разума и технологий в среде, особенности которой определяют слои льда и горячие источники, обсуждалось в главе 6. Основной довод состоит в том, что на Земле многоклеточная жизнь развилась вокруг горячих источников срединно-океанических хребтов, и мы ожидаем, что, какой бы процесс там ни происходил, он может повториться вокруг аналогичных источников на Гало. Кроме того, нет никаких оснований предполагать, что тот тип разума и технологии, который мы обсуждали для Айсхейма (помните трубу?) не смог бы развиться также и подо льдом на Гало. Условно предположим, что всё так и произошло. Каковы же будут последствия?

На Айсхейме, как только цивилизации с гидротермальных источников начнут исследования, они смогут достичь наружной поверхности льда лишь одним способом — двигаясь вверх. С другой стороны, цивилизации из горячих источников на Гало, в дополнение к поиску края своего мира путём движения вверх, могли бы найти его край, двигаясь вбок. Иными словами, они могли бы вырваться из слоя льда в переходной зоне. Выход в океан Гало был бы проще, чем выход в атмосферу над обращённой в космос стороной планеты, так что это один из способов, которыми можно было бы заселить океан переходной зоны.

Но существует и иная возможность, и она заключается в том, что жизнь может развиться в океане на Гало так же, как, по мнению некоторых учёных, она развивалась на Земле. Несмотря на свою несколько необычную географию, этот океан вполне мог обладать всеми свойствами, необходимыми для развития жизни. Повсеместное присутствие сильных ветров может несколько изменить процесс Миллера-Юри, но нет оснований полагать, что он будет остановлен. Например, молекулы в атмосфере могут быть сдуты на слой льда и вернуться в океан в процессе таяния, вместо того, чтобы упасть прямо в воду. Кроме того, география планеты могла бы легко создать множество версий дарвиновского «маленького тёплого водоёма», где могла бы развиваться жизнь (хотя здесь не было бы океанских приливов, чтобы концентрировать органический материал).

Обращая внимание на жизнь в переходной зоне, мы отмечаем, что основной характеристикой окружающей среды будут сильные ветры, дующие со льда в сторону, обращённую к звезде. Мы можем представить себе несколько способов, позволяющих справиться с такими сильными ветрами. Например, живые существа могут оставаться под землёй (или под водой). Если они эволюционируют на поверхности, то, вероятно, будут обладать обтекаемой формой и станут держаться у самой земли, возможно, напоминая приземистых жуков. Ветер может даже сыграть определённую роль в продолжении рода. Мы знаем, что на Земле некоторые организмы вроде устриц используют движение воды для переноса гамет с места на место, а распространение растениями пыльцы при помощи ветра — это обычное дело. Аналогичным образом жизнь на поверхности Гало может использовать ветры для распространения репродуктивных материалов по переходной зоне.

Ещё ветры были бы основным источником энергии для какой-то технологической цивилизации. Вполне вероятно, например, что инженеры Гало разработали бы ветряную мельницу задолго до того, как создадут паровую машину. Несомненно, они очень хорошо научились бы проектировать сооружения, способные выдерживать сильные ветры, и не было бы причин, по которым они не могли бы строить телескопы и развивать астрономическую науку — при условии, что приборы хорошо защищены.

Самым интересным аспектом развития жизни на Гало может оказаться сравнение тех живых организмов, что развивались под ледяным покровом на стороне, обращённой в космос, с теми, кто развивался в переходной зоне. В зависимости от толщины ледяного покрова основной план строения на Гало может породить организмы, которые могли бы легко приспособиться к средам обитания друг друга. По сути, для них переселение из переходной зоны в область под слоем льда может мало чем отличаться от переселения с уровня моря на вершину высокой горы для людей на Земле. Таким образом, «ледяные существа», прокладывающие туннели в переходную зону, и «существа переходной зоны», прокладывающие туннели в лёд, легко могут столкнуться друг с другом.

Если верно утверждение о тенденции естественного отбора к порождению агрессивных видов, которое мы представили в предыдущей главе, то эти столкновения могут быть далеко не мирными. С другой стороны, эти две группы, вероятно, будут обладать взаимодополняющими способностями. Ледяные существа, подобно уроженцам Айсхейма, хорошо показали бы себя в горнодобывающей промышленности и металлургии, в то время как существа переходной зоны добились бы успехов в использовании энергии ветров планеты. Эти две группы могли бы прийти к взаимовыгодному соглашению. В любом случае, их встреча послужила бы отличной основой для научно-фантастического рассказа.

Майк и Джим

Майк: Я вижу, астрономы обнаружили планеты, расположенные так далеко, что они не находятся в приливном захвате.

Джим: Ты имеешь в виду, что они просто свободно вращаются и не повёрнуты к своему солнцу одной и той же стороной?

М.: Именно так и говорят ребята из обсерватории.

Дж.: Какая бы это была странная природная среда. Я имею в виду, что едва часть планеты получит чуточку тепла от солнца, вращение перенесёт его на другую сторону, и оно рассеется.

М.: Да, и это означает, что никогда не удастся создать достаточной разницы температур, чтобы получить ветер приемлемой силы, и потому там просто не было бы гидросферы!

Дж.: А как же можно жить без ветра? Как можно перемещать материалы? Это становится совершенно бессмысленным.

М.: И даже если бы примитивная жизнь всё-таки была, она бы никогда не разработала передовых технологий — как же можно было бы вырабатывать электричество без быстрых ветров и ветряных мельниц?

Дж.: Это точно.

11

ОДИНОЧКА:

САМ ЗА СЕБЯ

Здесь темно. Это не полуночная темнота на боковой улочке, а темнота глубин закрытой пещеры. И неудивительно: в небе нет солнца, потому что это мир-странник, который не обращается вокруг звезды. Где-то там наверху есть луна, но без источника света, который она могла бы отражать, это просто чуть более тёмное пятно на небе. Какие бы формы жизни ни населяли эту планету, им лучше видеть в инфракрасном диапазоне, потому что другого света здесь просто нет. К счастью, на вас надеты инфракрасные датчики, и вы замечаете нескольких из этих существ, спешащих обратно в подземные туннели планеты, где они могут погреться в тепле, исходящем из недр планеты. Добро пожаловать на Одиночку.

* * *

Раньше мы думали, что формирование нашей Солнечной системы было величественным, степенным событием. Гигантские межзвёздные облака газа и пыли конденсировались в куски размером от одной до двух масс Солнца, когда их собственная гравитация стягивала материал к центру. Центральное ядро этих спадающихся облаков, вокруг которого оставшийся газ и пыль образовали вращающийся «блин», в конце концов стало настолько горячим и плотным, что начался ядерный синтез, создавая новую звезду. Во внутренней части солнечной системы вращающиеся газ и пыль слипались в объекты размером с булыжник, называемые планетезималями, которые, в свою очередь, собрались в протопланеты и, наконец, образовали планеты земной группы, которые мы видим сегодня. Тем временем, также под действием силы тяжести, внешние планеты сформировались и объединились в огромные тела, содержащие главным образом более лёгкие элементы — такие, как водород и гелий. В конце концов, остатки газа и пыли унёс сильный солнечный ветер, и мы остались с «окончательным» расположением планет. Основная идея заключалась в том, что планеты, которые мы видим сегодня, сформировались в результате упорядоченного процесса и приблизительно в тех местах, где они находятся и сейчас.

А вот и нет. Эта точка зрения начала меняться в 2005 году, когда астрономы разработали так называемую модель Ниццы (она названа в честь города во Франции, где была впервые сформулирована). Эта модель, построенная с использованием компьютерного моделирования, предполагает, что формирование Солнечной системы было далеко не величественным процессом. По мере того, как на протяжении многих лет модели такого рода совершенствовались, наше видение ранней Солнечной системы претерпело серьёзные изменения. Теперь мы знаем, что образовалось гораздо больше планет, чем их существует сегодня, и что начало больше напоминало титаническую игру в космический бильярд, чем медленное приращение. Объекты размером с планету формировались и разрушались при столкновениях, но лишь затем, чтобы чуть позже сформироваться вновь. Некоторые из этих объектов упали на Солнце. Другие были выброшены из солнечной системы. Гравитационные силы перемешали внешние планеты, вызвав дождь из комет, который принёс воду в океаны Земли. В общем, это было дикое и хаотичное время.

Важным доказательством, подтверждающим эту картину, является следующее: в настоящее время мы можем видеть, как подобный процесс происходит в других планетных системах в процессе их формирования. Например, космический телескоп «Хаббл» видел в системах, где формируются планеты, обломки от столкновений объектов размером с планету. Учитывая этот факт и принимая всерьёз идею о том, что 4,5 миллиарда лет назад объекты размером с планету были выброшены из нашей зарождающейся Солнечной системы, разумно задать простой вопрос: где же сейчас находятся эти миры?

Они не могут просто исчезнуть — значит, они должны быть где-то поблизости. Маловероятно, что многие из них будут обладать достаточно высокой скоростью, чтобы вырваться из Млечного Пути. Следовательно, они всё ещё должны быть где-то там, вращаясь вокруг центра галактики вместе с Солнцем и другими звёздами. На самом деле, если задуматься, между звёздами должно находиться много так называемых планет-сирот. В конце концов, звёзды и планетные системы формировались с тех пор, как Вселенной исполнилось несколько сотен миллионов лет, и сменилось уже много поколений звёзд. Если бы каждая из этих систем внесла несколько объектов в общий запас планет-сирот, количество сирот легко превысило бы количество планет, вращающихся вокруг звёзд. Теоретики даже предположили, что число сирот может превышать число обычных планет где-то минимум вдвое, а максимум — в тысячи раз. Межзвёздное пространство должно быть усеяно ими!

Если это так, то почему мы обнаружили так мало планет-сирот? Чтобы ответить на этот вопрос, спросите себя, как бы вы нашли хоть одну. Как и все экзопланеты, сироты не излучают собственного видимого света, и, конечно же, от их поверхностей не отражается свет от ближайшей звезды. Это означает, что для проведения наших поисков мы не можем пользоваться обычными оптическими телескопами. Сироты испускают излучение в инфракрасном диапазоне, о чём мы скажем ниже, но наша способность осуществлять систематический поиск в инфракрасном диапазоне очень ограничена. По сути, планета-сирота должна была бы случайно оказаться в той точке, на которую мы случайно направили инфракрасные детекторы с какой-то другой целью.

Другой метод обнаружения планет-сирот опирается на данные общей теории относительности. В 1919 году британский астроном Артур (позже сэр Артур) Эддингтон (1882-1944) поразил мир, подтвердив предсказание Альберта Эйнштейна о том, что световые лучи, исходящие от далёких звёзд, искривляются, когда проходят вблизи Солнца. Современные астрономы превратили это свойство света в инструмент, пригодный для обнаружения материи, которую трудно найти иными способами. Эффект, на котором он основан, носит название гравитационное линзирование.

Чтобы понять, как он работает и как его можно использовать для обнаружения экзопланет-сирот, представьте себе планету-сироту, движущуюся в поле зрения между далёкой звездой и наблюдателем на Земле. Луч света, который покинул звезду и прошёл бы мимо Земли в отсутствие планеты-сироты, теперь будет изгибаться, минуя планету-сироту и тем самым будет виден земному наблюдателю. Взглянув в противоположную сторону вдоль этого луча, обнаруженного прибором, этот наблюдатель увидит свет, исходящий от видимого источника, слегка смещённый относительно фактического положения звезды. Поскольку то же самое будет справедливо для лучей, испускаемых звездой в любом направлении, конечным проявлением прохождения экзопланеты-изгоя перед звездой будет изменение изображения звезды с точки на кольцо. Самый простой способ представить себе это — вообразить конус световых лучей, испускаемых звездой, причём все лучи изогнуты планетой-изгоем и фокусируются в местоположении наблюдателя с Земли. Мы называем этот процесс гравитационным линзированием. В честь человека, чья работа позволяет нам понять это явление, астрономы назвали результат этого изгибания кольцом Эйнштейна. Также следует отметить, что если траектория планеты-изгоя несколько отклонена от линии прямой видимости между звездой и Землёй, то мы увидим дуги вместо колец.

Астрономы, наблюдающие за галактиками, уже давно используют гравитационное линзирование для обнаружения галактик, которые недостаточно ярки, чтобы их можно было увидеть обычными средствами. В таких случаях удалённым источником света является другая, но ещё более удалённая галактика, однако эффект здесь тот же. Масса, находящаяся между наблюдателем и источником света, действует как линза, изгибающая световые лучи от далёкой галактики и превращающая её маленькое изображение в кольцо или дугу. Хотя в настоящее время всестороннего поиска экзопланет-сирот с помощью этой техники не проводилось, несколько сирот были обнаружены более или менее случайным образом при помощи гравитационного линзирования.

Таким образом, организация поиска планеты-сироты будет включать поиск ситуаций, в которых точка света, идентифицирующая звезду, превратилась в кольцо или дугу, а затем вновь превратилась в точку. В некотором смысле это было бы похоже на то, как космический телескоп «Кеплер» ищет обычные экзопланеты. Телескоп «Кеплер» непрерывно наблюдает за светом примерно 150 000 звёзд, отслеживая временные затемнения, вызванные планетой, проходящей перед одной из них. Нетрудно представить себе подобный спутник, отслеживающий огромное количество звёзд, чтобы увидеть, какие из них образуют временное кольцо Эйнштейна. Если число планет-сирот так велико, как мы того ожидаем, такой поиск, несомненно, выявит многие из них.

Полуденная тьма

Условия на планете-сироте будут зависеть от многих факторов. Наши компьютерные модели предполагают, например, что когда-то во внутренней части Солнечной системы вращалось более дюжины объектов размером с Марс. Фактически, столкновение одного из них с Протоземлёй привело к образованию нашей Луны. Из-за своей небольшой массы планета-сирота размером с Марс быстро потеряет своё тепло и превратится в холодный мёртвый мир, а её атмосфера либо исчезнет, преодолев силу тяготения, либо превратится в замёрзший слой на грунте.

С другой стороны, суперземлю вроде той, которую в следующей главе мы назовем Здоровяком, может постигнуть совершенно иная судьба. Он не обязательно потеряет свою атмосферу, и у него будет, как минимум, два важных источника энергии: остаточное тепло, полученное при формировании, и радиоактивность. Первый из них относится к тому времени, когда «сирота» ещё вращался вокруг своей звезды, собирая материал из протопланетной туманности и нагреваясь в результате каждого столкновения. После накопления такого тепла для его рассеивания может потребоваться много времени. Земля, например, во время своего формирования расплавилась фактически полностью, и даже сегодня половина тепла, исходящего из её недр, является результатом охлаждения со времён того горячего начала. Другая половина внутреннего тепла Земли образуется в результате радиоактивного распада долгоживущих материалов вроде урана. Ключевым моментом является то, что, когда планета сформировалась, оба этих источника продолжат работать вне зависимости от того, продолжает ли эта планета вращаться вокруг своей звезды или будет выброшена в глубокий космос.

Если планета-сирота является газовым гигантом вроде Юпитера или Сатурна, и у неё есть спутники, существует ещё один возможный источник тепла. Процесс выброса может быть недостаточно интенсивным, чтобы преодолеть гравитационное взаимодействие между планетой и её лунами, поэтому мы можем представить себе блуждающей всю систему — луны и всё остальное. В этом случае луны испытали бы приливный разогрев, как это происходит сегодня у Юпитера и Сатурна. Таким образом, у них легко могли бы существовать жидкие океаны под покровом льда, как у планеты, которую в главе 7 мы назвали Новой Европой.

Вывод из этого обсуждения состоит в том, что планеты-сироты обладают множеством возможных источников тепла, доступного им, и не обязательно должны быть замороженными и безжизненными телами. В других публикациях мы, кстати, сравнивали такие планеты с домами, в которых уже отключили свет, но печи всё ещё греют.

Есть ещё один фактор, который может сделать поверхность планеты-сироты пригодной для жизни, и это своего рода модифицированный парниковый эффект. На Земле парниковый эффект работает следующим образом: солнечный свет проникает сквозь атмосферу, которая прозрачна для света в оптической части спектра. Солнечный свет нагревает поверхность Земли, и его температура заставляет её испускать инфракрасное излучение. Это излучение поглощается такими молекулами атмосферы, как углекислый газ и водяной пар, которые затем повторно излучают его. Часть этого повторно испускаемого излучения в дальнейшем уходит в космос, но часть направляется обратно к поверхности Земли, где оно поглощается. Результатом этого является более высокая температура поверхности планеты по сравнению с тем, какой она была бы при отсутствии этого парникового эффекта. Кстати, без естественного парникового эффекта средняя температура Земли составляла бы 0°F (-18°C).

Если вы отследите детали этого процесса, то поймёте, что для его работы не требуется поступающего солнечного света. Всё, что необходимо, — это чтобы на поверхности планеты был источник тепла, чтобы она испускала инфракрасное излучение. Как мы уже видели, у планет-сирот есть несколько возможных источников тепла. Если у планеты есть достаточное количество поверхностного тепла и атмосфера с достаточным содержанием парниковых газов, можно представить, что планета-сирота является разумным приближением к тому, что мы назвали миром Златовласки в главе 9.

В конце концов, мы можем представить, что планеты-сироты похожи на многие из миров, которые мы рассматривали до сих пор. Единственная черта, которая была бы общей для них всех, — это темнота. Без звезды на их небе единственным источником света для них были бы далёкие звёзды. Какая-то жизнь, развившаяся в таком мире, должна была бы найти что-то помимо видимого света, чтобы ей можно было ощущать окружающую среду.

Давайте подумаем о том, как жизнь могла бы развиваться и процветать на планете-сироте с парниковым эффектом и жидкими океанами на поверхности, и, следуя нашему порядку присвоения соответствующего названия каждой планете, которую мы исследуем, назовём её Одиночкой.

Жизнь, разум и цивилизация

Учитывая огромное разнообразие миров-сирот, было бы удивительно, если бы жизнь не возникла на поверхности или внутри хотя бы некоторых из них. Мы можем представить сценарии, в которых первичный бульон образовывался в океане планеты-сироты, хотя вместо фотосинтеза источником энергии для развитых форм жизни могло бы быть что-то вроде разрядов молнии или радиоактивного излучения. Однако нам кажется, что жизнь, зарождающаяся в глубоководных источниках и питающаяся материалами и энергией, поступающими из недр планеты, является более вероятным направлением развития событий на планете-сироте. Такая последовательность событий уже обсуждалась для мира, который мы назвали Нептунией, в главе 8.

На Земле выход на сушу позволил фотосинтезирующим организмам продолжать использовать энергию поступающего извне солнечного света. На планете-сироте аналогичного источника энергии нет, поэтому для выхода на сушу там по-прежнему будут нужны поднимающиеся из недр материал и энергия или какой-то другой источник химической энергии. Мы можем представить себе жизнь, которая развивалась в вулканических жерлах срединно-океанического хребта, приспосабливаясь к условиям вулканической кальдеры или района горячих источников. Любое удаление от этих источников энергии потребовало бы разработки, как минимум, элементарной технологии — например, сети труб или туннелей, соединяющих одну геологическую горячую точку с другой, по аналогии с нашими электрическими сетями. И точно так же, как эти сети доставляют энергию в отдалённые уголки Земли, сеть на Одиночке будет переносить химическую энергию и материалы по поверхности планеты или, возможно, по всей её внутренней части.

Конечно, как только возникнет цивилизация, могут появиться и более привычные формы энергии — например, геотермальная энергия. Отсутствие фотосинтеза означало бы, что ископаемые виды топлива вроде угля и нефти никогда не будут образовываться на Одиночке, поэтому первичные источники энергии всегда будут ограничены не беспредельными ресурсами самой планеты. Это были бы тепло (то, что мы называем геотермальной энергией), гидроэлектроэнергия (которая использует гравитационную энергию планеты) и ветер (использующий вращение планеты).

В связи с этим возникает важный вопрос. В отсутствии практически безграничного запаса энергии ближайшей звезды у Одиночки в конце концов закончится энергия. Планета остынет, все радиоактивные элементы распадутся, и Одиночка превратится в замёрзшую мёртвую глыбу, вечно блуждающую между звёздами. Таким образом, самый важный вопрос, которым можно задаться в отношении жизни на Одиночке, заключается в следующем: как долго она может продолжаться?

Мы знаем, что основные источники энергии Одиночки, тепло и радиоактивность, могут питать планету на протяжении довольно длительного времени. Даже на такой маленькой планете, как Земля, ещё они дают значительное количество энергии через 4,5 миллиарда лет после образования планеты. В случае суперземли мы могли бы ожидать, что они продолжат функционирование ещё дольше. Таким образом, конечная продолжительность существования планеты не является ограничивающим фактором для жизни на Одиночке.

К слову, отметим, что приливный нагрев не сильно уменьшается со временем, поэтому, если Одиночка — это луна газового гиганта, а не сама планета, у неё будет почти бесконечный источник тепла. Это ещё один способ, позволяющий существовать удивительным планетным телам.

Однако есть одно обстоятельство, с которым придётся иметь дело любому живому существу на планете-сироте, и оно связано с непроглядной темнотой, которая будет его окружать. Давайте сделаем небольшое отступление, чтобы поговорить о свете и тьме.

Законы физики говорят нам, что любой объект с температурой выше абсолютного нуля испускает какое-то электромагнитное излучение. Например, Солнце с температурой поверхности выше 9000° F (5000° C) испускает видимый свет — излучение, длина волны которого составляет от 4000 до 8000 атомов. Земля с гораздо более низкой температурой поверхности около 80 ° F (27 °C) испускает излучение с гораздо меньшей энергией и гораздо большей длиной волны — то, которое мы называем инфракрасным, невидимое для человеческого глаза. Вы сами испускаете излучение этого типа прямо сейчас, с длиной волны, пропорциональной температуре вашего тела. Обычно вы не осознаете этот факт, потому что ваше окружение постоянно посылает на вас инфракрасное излучение с немного большей длиной волны, компенсируя большую часть ваших потерь тепла.

Единственное, чего мы можем ожидать в таких мирах, как Одиночка, — это изобилие источников инфракрасного излучения, даже если там почти отсутствуют источники видимого света. Любого рода «глаза», которые разовьются у обитателей Одиночки, будут обнаруживать эти более длинные волны — те, которые мы назвали бы теплом. (Следует отметить, что многие формы жизни на Земле, такие, как гадюки, которые охотятся в тёмных норах, уже обладают такими инфракрасными детекторами в дополнение к детекторам видимого света.) Точно так же, как люди создали очки и микроскопы, чтобы работать с излучением, которое мы видим и используем для взаимодействия с нашим миром, техники Одиночки могли бы изобрести аналогичные устройства для работы со своим инфракрасным миром.

Таким образом, мы ожидаем, что если на Одиночке появятся астрономы, первым пунктом среди их приоритетов будут инфракрасные телескопы. И если планет-сирот действительно так много, как мы думаем, то первыми мирами, которые увидели бы эти астрономы, были бы соседние планеты-сироты, похожие их собственную, поскольку эти миры ярко выделялись бы на инфракрасном небе. Кроме того, в зависимости от плотности миров-сирот в галактике, среднее расстояние между ними может быть значительно меньше, чем между планетами, вращающимися вокруг разных звёзд.

Представьте себе такую картину: в типичном случае расстояние между звёздами в Млечном Пути измеряется световыми годами, тогда как расстояние между планетами-изгоями вполне может составлять лишь доли светового года. Это означает, что колонизация других миров может показаться обитателям Одиночки более лёгким делом, чем нам — колонизация других звёздных систем. Ближайшая среди них к Земле, Альфа Центавра, находится на расстоянии более 4 световых лет. Если предполагать лишь незначительные улучшения в конструкции космического корабля, подсчитано, что путешествие в один конец от Земли до Альфы Центавра займёт от 80 до 100 лет. С другой стороны, соответствующее путешествие с Одиночки в соседний мир-сироту может занять всего лишь порядка 10 лет.

Указав на это, мы должны отметить, что высокая плотность планет-сирот также предположительно способна изменить стратегии человечества по колонизации других звёзд. Представьте себе ряд поселений, стратегически расположенных на мирах-сиротах как ступеньки к ближайшим звёздам. Представьте себе, что это аналог угольных баз, которые военно-морские силы человечества содержали по всему миру для обслуживания своих кораблей в конце 19 века. Космический корабль, которому не нужно перевозить всё топливо, необходимое для его путешествия, будет гораздо легче обычных современных кораблей и, следовательно, сможет путешествовать значительно быстрее. Вы можете представить себе межзвёздное путешествие как серию коротких, быстрых прыжков вместо утомительного странствия, затянувшегося на десятилетия.

Если уж мы начали думать о создании заправочных станций в мирах-сиротах, следует задать вопрос: а почему бы людям не колонизировать сами миры-сироты? В конце концов, темнота не создаёт нам неудобств — мы знаем, как зажечь свет. Нет сомнений, что вы видели сделанные из космоса снимки поверхности ночной Земли — снимки, на которых планета ослепительно сияет благодаря искусственному освещению. Нет причин, препятствующих нам сделать то же самое в таком мире-сироте, как Одиночка. По сути, как только мы доберёмся до такого рода мира, который мы охарактеризовали как «свет отключен, но печка греет», мы могли бы просто вновь включить свет.

Человеческая колония на Одиночке не так уж сильно отличалась бы от человеческой колонии на Луне или Марсе. Во всех трёх местах основным жилищем был бы купол или подземная пещера. Людям, которые хотели бы выйти наружу на Одиночке, возможно, придётся надеть какую-нибудь защитную одежду, хотя вполне возможно, что существуют планеты-сироты с пригодной для дыхания атмосферой. Отсутствие видимого света означает, что культуры, выращиваемые для питания колонистов, следует снабжать искусственным освещением — чем-то вроде увеличенной версии ламп для выращивания растений ламп, которые люди на Земле используют для выращивания трав у себя на кухне зимой. Эти культуры, скорее всего, будут получены из семян, ввезённых с Земли, поскольку маловероятно (хотя и возможно), что какая-либо флора и фауна на Одиночке будет содержать молекулы, которые могли бы использовать в пищу люди. В конце концов, мы можем даже представить, что генная инженерия могла бы точно подогнать земные пищевые культуры под особенности отдельных миров-сирот, что облегчило бы проблему снабжения продовольствием.

Перспектива колонизации людьми поднимает ещё один вопрос. На первый взгляд, можно подумать, что люди и обитатели таких миров, как Одиночка, находятся в классической ситуации «разошлись, как в море корабли»: мы колонизировали бы планеты вокруг звёзд, а жители Одиночки колонизировали бы планеты-сироты, и наши пути просто никогда бы не пересекались. Однако если бы люди начали колонизировать миры-сироты, мы начали бы конкурировать с колонистами с Одиночки за один и тот же ресурс — обитаемые планеты-сироты. Взгляд на историю человечества показывает, что, когда за один и тот же ресурс конкурируют две группы, результат редко оказывается приятным.

Оумуамуа

Осенью 2017 года произошло довольно необычное событие. Впервые в истории астрономы обнаружили объект из межзвёздного пространства, движущийся через Солнечную систему. Прибор, сделавший это открытие, расположен на Гавайях и называется Pan-STARRS (сокращение от Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System — панорамный исследовательский телескоп и система быстрого реагирования). Он оснащён двумя телескопами и был разработан для каталогизации всех изменяющихся объектов в небе, видимых с Гавайев, в том числе астероидов.

С 1980-х годов, когда учёные обнаружили, что столкновение с астероидом диаметром около 8 миль (13 км) привело к вымиранию динозавров, в научных и политических кругах возникла лёгкая обеспокоенность по поводу того, что может появиться ещё один астероид, и на нём будет написано уже наше имя. Pan-STARRS был первым ответом на эту проблему, и в число его задач входит поиск сближающихся с Землёй объектов, которые могут представлять угрозу для планеты.

Но, как часто бывает в науке, эта система, созданная в ответ на единственную осознанную политическую потребность, оказалась бесценной во многих отношениях. За своё недолгое существование Pan-STARRS собрал базу данных из более чем 3 миллиардов изменяющихся объектов в небе — астероидов, комет, звёзд и галактик. (Забавный побочный эффект: программное обеспечение Pan-STARRS содержит специальный код, который не позволяет ему определять местоположение секретных военных спутников.)

Когда осенью 2017 года в Интернет была выгружена обновлённая версия прибора, одна из первых увиденных им вещей была совершенно неожиданной. Объект длиной в пару городских кварталов вошёл в Солнечную систему из области над плоскостью орбит планет, описал петлю вокруг Солнца и вылетел обратно в космос. Сначала он был идентифицирован как комета, но по его траектории быстро стало ясно, что он прибыл из межзвёздного пространства (и вернулся в него). Объект был назван «Оумуамуа», что по-гавайски означает «разведчик» или «гость из дальних мест». В представлении художников он выглядит как нечто вроде бетонной плиты длиной около 1200 футов (400 м) и шириной около 120 футов (40 м).

Вначале некоторые астрономы предположили, что объект может быть сделан большей частью из металла, и это дало повод для предсказуемых утверждений, что Оумуамуа — это космический корабль, возможно, потерпевший крушение и вечно блуждающий в космосе. Однако попытки обнаружить радиоизлучение (сигнальный маяк?) оказались безрезультатными, и мы считаем, что можно смело сбрасывать со счетов любое объяснение его происхождения, навеянное странствиями звездолёта «Энтерпрайз».

Ещё одной из первых мыслей об Оумуамуа было то, что это астероид, выброшенный из другой планетной системы. Если бы это было правдой, то его форма была бы весьма необычной — среди сотен тысяч астероидов в нашей Солнечной системе, не известно ни одного, который был бы таким длинным и тонким. Если это фрагмент, оставшийся после столкновения планёт в далёкой системе, это может означать, что такие столкновения ещё более катастрофичны, чем мы считаем в настоящее время.

В 2018 году загадка была окончательно разгадана, когда астрономы заметили небольшие изменения в орбите объекта, связанные с выбросом водяного пара, когда он проходил вблизи Солнца. В настоящее время мы считаем, что Оумуамуа — это комета, вылетевшая из другой звёздной системы. В этом выводе есть смысл, поскольку кометы — это самые многочисленные объекты в галактике.

Если межзвёздное пространство действительно усеяно такими объектами, как Оумуамуа, это может оказать серьёзное влияние на парадокс Ферми (см. главу 9). Часть основополагающего довода, как вы помните, включает представление о распространении передовых технологических цивилизаций по всей галактике в течение относительно короткого времени. Однако, если космическому кораблю всё время приходится иметь дело с большими кусками вещества, это может существенно увеличить время, необходимое для его прилёта к нам. Возможно, межзвёздное путешествие на релятивистских скоростях просто невозможно, потому что на таких скоростях было бы сложно избежать столкновений с огромным количеством мусора, плавающего между звёзд.

Майк и Джим

Джим: Я вижу, что Биней 17 вновь взялся за своё. Он запланировал прочитать лекцию о том, почему мы должны исследовать планеты, вращающиеся вокруг звёзд, вместо того, чтобы просто сконцентрировать своё внимание на беззвёздных мирах вроде нашего.

Майк: Но эти планеты просто утонули бы в высокочастотном излучении — ни от одной из них не было бы приличного инфракрасного сигнала.

Дж.: Да, и у него есть сумасшедшая теория о том, что энергию из этого излучения — он называет его «видимым светом» — можно запасать в какого-то рода углеводородной связи.

М.: Хотя на этих планетах может быть приличная геотермальная энергия.

Дж.: Просто прикинь, на что похожа их окружающая среда. Звёзды постоянно извергают плазменные облака — люди, которые изучают звёзды, называют их выбросами корональной массы. Если бы одно из них попало в планету, это немедленно уничтожило бы всякую жизнь.

М.: Это ещё не всё. Глянь на все эти маленькие кусочки камня, плавающие вокруг звёзд и сталкивающиеся с планетами.

Дж.: И на кометы.

М.: Тут не может быть никаких вопросов: межзвёздное пространство — это единственное место, достаточно безопасное для развития жизни.

12

ЗДОРОВЯК:

САМЫЙ ТЯЖЁЛЫЙ

Боже, какой же ты тяжёлый! Здесь всё кажется гораздо тяжелее. Растения, которые вы видите, толстые и низкорослые — они скорее прямоугольные, чем вытянутые и изящные, как на Земле. Хотя в данный момент вокруг нет ни одного животного, вы подозреваете, что они тоже должны быть прямоугольными и приземистыми. А чего ещё можно ожидать на планете, сила тяжести которой на 50 процентов больше земной?

* * *

На протяжении всей этой книги мы делали одно предположение — предположение, настолько глубоко укоренившееся в научном мировоззрении, что мы его почти не замечаем. Оно называется «принципом Коперника» в честь Николая Коперника, который первым установил, что Земля не является центром Вселенной. В своей простейшей формулировка принцип гласит, что в нашей планете или нашей солнечной системе не существует ничего особенного. Он говорит нам, что законы природы, которые мы видим работающими здесь и сейчас, действуют по всей Вселенной и действовали всегда.

Трудно переоценить важность этой идеи в науке. Как бы мы смогли прийти к пониманию Вселенной, если бы законы природы менялись от одной галактики к другой? Принцип Коперника является примером того, что антропологи называют глубинным мифом — убеждением, настолько глубоко укоренившимся в обществе, что оно никогда не излагается явно, а просто принимается как есть (хотя мы должны отметить, что в случае принципа Коперника существует множество доказательств в поддержку «мифа»). Однако, сказав это, мы должны признать, что, хотя в каждой планетной системе должны действовать одни и те же законы природы, это не означает, что все планетные системы должны быть одинаковыми. Тем не менее, у нашей Солнечной системы существует одна особенность, которая кажется несколько необычной: у нас не представлен тип планеты под названием суперземля.

Самый простой способ понять это утверждение — это посмотреть на массы планет в нашей солнечной системе. Существуют маленькие каменные планеты земной группы, среди которых самой большой является Земля, а далее следует разрыв, пока мы не добираемся до Урана (15 масс Земли) и Нептуна (17 масс Земли). После этого у нас есть ещё газовые гиганты Сатурн и Юпитер, имеющие 95 и 318 масс Земли соответственно.

Почему же существует разрыв? Ваша первая мысль может состоять в том, что по какой-то причине планеты в этом диапазоне масс просто не формируются. Однако открытия, сделанные космическим телескопом «Кеплер», показывают, что это не так. Планеты, занимающие промежуточное положение по массе между Землёй и Ураном, оказались довольно широко распространёнными в других системах. Вообще, сложилось неформальное соглашение, которое определяет различия между суперземлями (от 2 до 10 масс Земли, причём нижний предел слегка варьирует от одной группы астрономов к другой) и мега-землями (свыше 10 масс Земли).). Планеты в верхней части этой шкалы распределения масс можно также назвать мини-нептунами.

Первая суперземля, вращающаяся вокруг обычной звезды, была открыта в 2005 году. Она называется Глизе 876 d, что означает — это третья планета, найденная на орбите 876-й звезды в каталоге, составленном немецким астрономом Вильгельмом Глизе (1915-93). С 2005 года было открыто еще много суперземель, в том числе некоторые, находящиеся в ЗООЗ их звезды.

Когда астрономы используют термин «суперземля», он относится только к массе и не содержит никакой информации о размерах или обитаемости планеты. Суперземля может быть водным миром, подобным тому, что мы назвали Нептунией в главе 8, замёрзшим миром вроде того, который мы назвали Айсхеймом в главе 6, или миром наподобие того, который мы назвали миром Златовласки в главе 9, с океанами на поверхности и сушей. Из-за имеющихся в нашем распоряжении методов измерений каменистая суперземля с разреженной атмосферой, водяная суперземля с ледяным покрытием или без него и планета вроде Нептуна, с толстым внешним слоем газов вполне могут казаться нам одинаковыми. Однако, учитывая наше внимание к живым системам, в этой главе мы ограничим наше внимание типами суперземель, которые могли бы поддерживать жизнь.

Мы можем начать разговор, попытавшись ответить на вопрос, заданный выше: если такие миры настолько обычны в других системах, почему в нашей собственной системе такого нет?

Есть несколько вариантов ответа на этот вопрос. Один из них — просто заметить, что существует ряд систем, в которых суперземель нет, и утверждать, что наша просто случайно является одной из них. Другой подход состоит в изучении компьютерных моделей, описывающих формирование Солнечной системы, и в поиске процессов, которые могли бы уничтожить какие-то суперземли, которые в ней когда-то были. В некоторых моделях, например, движение планет-гигантов смещает суперземли в сторону Солнца. В других случаях гравитационное «перетягивание каната», продолжавшееся во времена образования планет, выбросило суперземли из системы, превратив их в планеты-сироты, которые мы обсуждали в предыдущей главе. Однако какова бы ни была причина — образовались ли они, а затем были уничтожены, или же вообще никогда не образовывались, — в настоящее время в нашей Солнечной системе суперземель нет.

Это не является нарушением принципа Коперника. В нашей планетной системе действуют те же законы, что и везде, но в особенностях того, как зарождалась наша система, есть нечто, породившее иной результат по сравнению с тем, что мы наблюдаем в других системах. Возможно, распределение массы в облаке туманности нашей системы было немного иным; возможно, проходящая звезда потревожила газы в туманности во время формирования планет. Какова бы ни была та причина, рядом с нами нет суперземли, которую можно изучать.

Очень сильная гравитация

Отсутствие суперземель в Солнечной системе не означает, что мы не можем установить, какие условия могли бы существовать на одной из этих планет. Давайте начнём с наиболее очевидного различия между суперземлёй и нашей Землёй: с гравитации. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, сила притяжения, действующая на любой объект, прямо пропорциональна его массе — удвойте массу планеты, сохранив при этом её геометрические размеры, и вы удвоите силу тяготения на её поверхности. Закон также гласит, что сила уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния — удвойте радиус планеты, сохранив её массу неизменной, и сила притяжения на её поверхности составит четверть от той, что была.

Эти две характеристики определяют силу тяжести на поверхности любой планеты. Например, прямо сейчас Земля воздействует на вас направленной вниз силой тяготения — вот почему вы не улетаете в космос. Величина силы зависит от массы Земли и вашего расстояния от центра Земли (т. е. радиуса планеты). Фактически, одним из величайших триумфов закона Ньютона является то, что если вы примените его к массе и радиусу Земли, вы получите стандартные 32 фута в секунду в квадрате (9,8 м/сек2), что соответствует ускорению любого объекта, падающего на поверхность Земли.

Таким образом, определение силы тяжести на гипотетической планете предполагает простой ньютоновский расчёт. Рассмотрим, например, суперземлю в восемь раз массивнее Земли, но с той же плотностью. Её радиус был бы в два раза больше земного. Таким образом, при определении силы тяжести на поверхности планеты необходимо было бы учитывать два конкурирующих эффекта: большая масса увеличивает силу, в то время как больший радиус уменьшает её. В результате на этой планете вы будете весить в два раза больше, чем здесь, на Земле.

Вполне возможно, ситуация на настоящей суперземле была бы не такой простой. Увеличенная сила тяжести, скорее всего, сжала бы материалы в теле планеты, так что её радиус превышал бы земной меньше, чем в два раза. Это, в свою очередь, приведёт к увеличению силы тяжести на поверхности и, следовательно, к увеличению вашего веса.

Увеличенная сила тяжести также повлияла бы на состав атмосферы на суперземле. Например, она усложнила бы диссипацию атмосферы, которую мы обсуждали для планеты Златовласки в главе 9. Таким образом, вполне вероятно, что атмосфера суперземли сохранит такие лёгкие газы, как гелий и водород, собственный запас которых Земля большей частью растеряла.

Кроме того, возросшая сила тяжести увеличила бы давление на атмосферу и океаны планеты. Самый простой способ убедиться в этом — вернуться к примеру, который мы использовали в главе 8, где мы говорили о колонне с основанием в виде квадрата со стороной в 1 дюйм (около 2,5 см), которая поднимается от вашей руки до космоса. Давление на этот 1 квадратный дюйм вашей руки будет равно весу воды и воздуха в колонке. Это означает, что если бы в атмосфере суперземли находилась та же масса воздуха и воды, что и на Земле, где давление в колонне составляет 14,7 фунтов (6,5 кг), то давление на 1 квадратный дюйм вашей руки составляло бы около 30 фунтов (14 кг). Это, в свою очередь, означает, что явление, которое мы назвали пределом льда X в главе 8, на суперземлях будет наблюдаться в более мелких океанах, чем на планете вроде той, что мы назвали Нептунией.

Жизнь и выход на сушу

Давайте чисто теоретически рассмотрим суперземлю в восемь раз массивнее, чем Земля, но с той же плотностью — планету того типа, о котором мы говорили в предыдущем разделе. Давайте предположим, что она находится в центре ЗООЗ своей звезды, и на её поверхности есть океаны жидкой воды. Мы назовём эту планету Здоровяком.

Нет никаких причин, по которым на Здоровяке не повторились бы те же самые процессы, которые привели к появлению жизни на Земле. Возможно, там жизнь зародилась бы в первичном бульоне или вокруг гидротермальных источников срединно-океанических хребтов, а затем переселилась бы на поверхность. Возможно, фотосинтез насытил бы атмосферу кислородом, и в океанах распространилась бы многоклеточная жизнь. Увеличенная сила тяжести Здоровяка не оказала бы значительного влияния ни на один из этих процессов.

Однако она имела бы большое значение во время расселения жизни на сушу. Чтобы понять, почему это происходит, нам нужно вернуться к древним грекам. Архимед Сиракузский (ум. 212 г. до н.э.) — первый человек, о котором известно, что он открыл закон плавучести. Представьте себе, если хотите, куб, который ограничивает блок воды на поверхности океана. Вода в кубе имеет определённый вес, и давление, оказываемое снизу вверх на дно куба океаном, находящимся под ним, просто поддерживает этот вес. Это называется выталкивающей силой.

Если мы заменим куб воды кубом, содержащим какой-либо другой материал, существуют два возможных последствия: новый куб весит либо больше, чем старый, либо меньше. Если он весит больше, выталкивающая сила не сможет уравновесить силу тяжести, воздействующую на материал, и объект утонет. С другой стороны, если новый материал весит меньше, чем вытесненная вода, выталкивающая сила будет больше, чем сила тяжести, воздействующая на новый материал, и он будет продолжать плавать на поверхности океана.

Обратите внимание, что здесь имеет значение количество вытесненной воды — в нашем примере это объём куба. Вот почему стальной корабль будет плавать, даже если стальной стержень без воздуха внутри утонет: корабль вытесняет объём воды, равный объёму как самого корпуса, так и воздуха внутри корпуса, который весит значительно меньше, чем вода.

Когда жизнь, будь то микробная или многоклеточная, ограничивается океаном, выталкивающая сила всегда будет поддерживать её, потому что физические объекты всегда будут вытеснять определённое количество воды. Однако когда жизнь выходит на сушу, всё меняется: лишенные поддержки выталкивающей силы воды, живые существа должны найти способ поддерживать себя в условиях действия силы тяжести.

Мы можем получить некоторое представление о том, как происходит этот переход, взглянув, как процесс выхода на сушу происходил на Земле. Точная дата его по-прежнему является предметом дискуссий. Генетический анализ показывает, что зелёные водоросли образовали слизистый слой на прибрежных скалах ещё 610 миллионов лет назад, и существуют ископаемые свидетельства наличия спор (присутствие которых указывает на процветание наземной растительной жизни) около 450 миллионов лет назад. Однако мы знаем, что растения (а позже и животные) выработали в процессе эволюции стратегии борьбы с утратой опоры в виде выталкивающей силы. По нашим представлениям, они подразделяются на два противоположных друг другу класса, которые мы схематично представим как омар против скелета или, для тех, кого больше интересует архитектура, как романская церковь против современного небоскрёба.

Суть такова: у каждого живого существа на суше должна быть какая-то граница, которая отделяет его от окружающей среды, и оно должно каким-то образом поддерживать себя и противостоять силе тяжести. Вопрос здесь в том, выполняет ли эти две функции один и тот же структурный элемент, или же разные.

Экзоскелет омара (и других организмов, например, насекомых) и стены романской церкви выполняют обе эти функции одновременно: они отделяют внутреннюю среду от внешней и поддерживают вес тела. В противоположность им, человеческий скелет и стальной каркас современного небоскрёба держат на себе вес, но оставляют функцию разграничения другим структурам. В случае с людьми кожа отделяет нас от окружающей среды, но не играет никакой роли в противодействии силе тяжести. То же самое можно сказать и о стеклянных ненесущих стенах, которые так часто используются в современных небоскребах. Мы не видим причин, по которым живые системы на Здоровяке не могли бы использовать стратегии обоих типов: мы ожидаем, что скелеты живых существ там будут более мощными, чем у их земных собратьев, а «кожа» обладающих скелетом существ планеты, вероятно, должна быть толще нашей, чтобы выдерживать свой собственный вес.

Чтобы получить некоторое представление о том, как могли бы эволюционировать живые организмы на Здоровяке, мы можем вернуться к 17 веку и работе Галилео Галилея. Хотите верьте, хотите нет, но последняя из написанных им книг, «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (1638), очень важна для обсуждения жизни на суперземлях. «Две новых отрасли науки», упомянутые в названии, — это то, что мы сегодня назвали бы наукой о материалах, и наукой о движении брошенного тела. Нас интересует первая из них.

Одну из проблем, к которым обращался в этой книге Галилей, подсказало его давнее сотрудничество с Венецианским Арсеналом, Пентагоном тех времён. Её можно сформулировать просто: когда инженеры хотели построить судно большего размера, они брали конструкцию судна меньшего размера, которая идеально соответствовала требуемым характеристикам, и просто удваивали все размеры. К их удивлению, судно большего размера показывало себя уже не так хорошо. Объяснение этого факта было, по сути, одной из «новых наук», которые изучал Галилей. Его результаты играют решающую роль в определении того, как будут развиваться организмы на суперземле вроде Здоровяка.

Чтобы понять его доводы, начните с того, что представьте себе куб из какого-то материала с длиной стороны 1 фут (около 30 см). На нижнюю поверхность этого блока должен приходиться вес только одного этого блока. Теперь удвойте все размеры, сложив другие блоки со сторонй в 1 фут, чтобы у нас получился куб из восьми блоков с длиной стороны 2 фута (около 60 см). Теперь вес, приходящийся на нижнюю поверхность исходного блока, будет вдвое больше, чем был раньше — он должен выдерживать и собственный вес, и вес блока сверху. Ещё раз удвойте размеры, сложив в куб 64 блока (длина стороны 4 фута, или 1,2 метра), и нижняя грань исходного 1-футового блока должна будет выдерживать вес уже четырёх таких блоков. Продолжайте увеличивать размер штабеля по вертикали, и вес, приходящийся на нижнюю поверхность исходного блока, будет продолжать увелчиваться.

В итоге мы достигнем точки, где прочность материала исходного блока уже не сможет выдерживать накопившийся на нём вес, и исходный блок рассыплется. Это означает, что существует максимальная высота, до которой может увеличиться куб, прежде чем начнёт разрушаться. Это, кстати, объясняет, почему на Земле нет гор высотой более 5 миль (7,5 км) — высота горы Эверест. Нагромождение ещё большего количества материала на высокую гору привело бы к растрескиванию и разрушению нижележащих скальных пород, поэтому высота гора не могла бы увеличиваться дальше. К тому же это говорит ещё и о том, что самые высокие горы на Здоровяке будут достигать высоты примерно 13 000 футов (4 км) или около того — где-то вдвое меньше высоты Эвереста. (Для читателей с математическим складом мышления отметим, что довод Галилея основывается на том факте, что объём и, следовательно, масса конструкции зависят от куба, тогда как размер площади опоры — от квадрата её размеров.)[11]

Одним из следствий этого является то, что, захотев создать постройку или организм большего размера, мы не можем просто увеличить все их размеры. Мы должны дополнительно изменить ещё и форму конструкции. Например, в случае со сложенными блоками мы могли бы наложить их ещё больше, если бы нижняя часть конструкции представляла собой прямоугольник, а не куб. Чем больше штабель, который мы хотели бы сложить, тем шире мы должны сделать его основание.

Мы видим, как этот принцип действует у животных на Земле. Сравните, например, форму тела муравья, чей крошечный вес могут выдерживать тонкие ноги, и очертания слона, которому нужны толстые ноги и большие ступни, способные выдерживать его массу. На Здоровяке, где всё, что находится на суше, должно противостоять его увеличенной силе тяжести, мы ожидаем, что живые существа — как растения, так и животные — будут низкорослыми и приземистыми. Единственным исключением из этого правила, как на Здоровяке, так и на Земле, были бы организмы вроде китов, которые живут в океане, могут пользоваться преимуществами принципа плавучести, и могут быть, по сути, какого угодно облика.

Мимоходом отметим, что один из авторов (Дж. Т.) является поклонником классических научно-фантастических фильмов 1950-х годов. В них часто встречаются злобные гигантские насекомые, но это насекомые, которые просто увеличены по сравнению с их нормальным размером при сохрении тех же очертаний. И всё же одной вещи Галилей нас научил: гигантские муравьи не просто не смогут угрожать героиням таких фильмов — они рухнут под собственным весом.

Если бы наземные организмы на Здоровяке избрали для противодействия гравитации стратегию скелета, мы могли бы поинтересоваться, каково было бы строение этого скелета. Ответ может оказаться довольно сложным. Это, безусловно, относится к людям: дело в том, что кость принадлежит к числу самых сложных и загадочных конструкционных материалов, которые нам известны. Начнём с простого вопроса: почему у людей на Земле так часто бывают переломы костей? Можно подумать, что при той чрезвычайной угрозе для выживания, которую может представлять сломанная кость для гоминида, естественный отбор привёл бы к появлению костей, сломать которые гораздо труднее, чем те, которыми снабжены мы.

Обычный довод, который слышится по этому поводу от сторонников теории эволюции, состоит в том, что построение костей — очень затратный процесс, поэтому естественный отбор проводит своего рода анализ затрат и выгод. Польза от более прочных костей должна уравновешивать пользу, которую можно получить при использовании необходимой для этого энергии в какой-либо иных целях (например, для улучшения зрения). Справедливое замечание, хотя это будет слабым утешением для тех из наших собратьев, которых мы видим разгуливающими с гипсом и бандажами.

Но что случится, если мы используем этот довод в ходе обсуждения жизни на Здоровяке? Удвоение силы тяжести склоняет анализ затрат и выгод в сторону решения с более прочными костями. Взглянем на это с другой стороны: если на Здоровяке некто упадёт с дерева, он ударится о землю на 40 процентов быстрее, чем некто, упавший с той же высоты на Земле. Таким образом, к любым костям, которые коснутся поверхности земли первыми, будет приложена сила, превышающая таковую на Земле. Это означает, что в дополнение к большей площади опоры скелетные формы жизни на Здоровяке, несомненно, будут обладать более толстыми и прочными костями по сравнению с нами. То же самое справедливо и для живых организмов с экзоскелетами. Съесть омара на Здоровяке было бы гораздо сложнее, чем здесь, на Земле, потому что взломать его панцирь было бы очень трудно!

Можно лишь гадать, будут ли кости живых организмов на Здоровяке обладать биологическими свойствами, аналогичными свойствам костей на Земле. Например, красные кровяные тельца вырабатываются в нашем костном мозге. Кроме того, кости на Земле изменяют свою форму в ответ на внешние воздействия, поэтому они принципиально отличаются от конструктивных элементов здания, даже если выполняют некоторые из тех же опорных функций.

Технология

Повышенная сила тяжести на поверхности Здоровяка препятствует развитию космических путешествий на этой планете. Создать там ракетный корабль, способный покинуть планету, было бы сложнее, чем создать аналогичный корабль здесь, на Земле. Та же сила, которая позволяет атмосфере удерживать лёгкие элементы (это явление мы рассматривали выше), заставит инженеров Здоровяка столкнуться с гораздо более сложной проблемой, когда они попытаются вывести в космос полезные грузы. Например, им было бы сложнее использовать для связи орбитальные спутники, поэтому они могли бы в большей степени, чем мы, зависеть от волоконной оптики. Кстати, если бы всё так и было, то здесь возник бы побочный эффект, значительно затрудняющий разумными видами из других солнечных систем обнаружение присутствия развитой жизни на Здоровяке, потому что планета не посылала бы в космос электромагнитные волны.

С другой стороны, повышенная сила тяжести вполне может оказать положительное влияние на такие процессы, как выработка энергии. Она будет сжимать воздух, делая его более плотным вблизи поверхности. Это означает, что ветры будут нести больший импульс, чем на Земле, а это, в свою очередь, увеличит выработку энергии ветряными мельницами. Как и инженеры Гало (см. главу 10), инженеры Здоровяка вполне могли бы разработать ветряные мельницы для выработки электроэнергии до того, как ими будет разработан двигатель внутреннего сгорания.

Аналогичным образом, вода, текущая по водопаду или водосбросу плотины, достигая дна, будет двигаться быстрее, чем в аналогичной ситуации на Земле. Если бы эта вода использовалась для вращения лопасти турбины, её более высокая энергия означала бы большее количество вырабатываемой электроэнергии. В зависимости от геологии Здоровяка нетрудно представить себе технологию, построенную исключительно на использовании дешёвой электроэнергии, а не ископаемого топлива, как у нас.

Майк и Джим

Майк: Видел ту статью в последнем номере «Журнала исследований гигантских планет», где пишут, что на одной из внутренних планет может существовать развитая цивилизация?

Джим: Ты имеешь в виду ту мелочь? Ту, у которой почти нет гравитации? Это же просто глупость — как такая маленькая планета смогла бы сохранить свою атмосферу?

М.: В статье утверждают, что некоторые из них, возможно, потеряли только лёгкие элементы — там говорится об атмосфере, состоящей в основном из азота.

Дж.: Но такая атмосфера была бы недостаточно плотной, чтобы вырабатывать электроэнергию при помощи ветряных турбин. Откуда эта цивилизация рассчитывает получать свою энергию?

М.: Да — там может существовать примитивная жизнь, но все мы знаем, что цивилизация зависит от силы тяжести.

Дж.: Это точно.

13

TRAPPIST-1:

КОГДА НА ОРБИТЕ ТЕСНОВАТО

Вы откидываетесь на спинку удобного кресла и отпиваете глоток «Пангалактического горлодёра», который только что принёс официант. Взглянув в небо, вы видите три соседних планеты, а свечение на горизонте говорит, что скоро взойдёт и четвёртая. На одной из них можно разглядеть городские огни. Завтра будут видны все шесть планет по соседству — это зрелище, не имеющее аналогов в галактике. Боже, эти ребята из НАСА и впрямь знали, что делали, когда рекомендовали вам это место для отельного отдыха.

* * *

Когда ты писатель, одна из твоих величайших радостей состоит в том, что иногда, блуждая в дебрях малоизвестных знаний, ты случайно натыкаешься на нечто совершенно неожиданное, но потрясающе интересное. Это случилось и с нами, когда мы начали работать над этой главой, которая посвящена, вероятно, самой известной системе экзопланет: планетам, вращающимся вокруг звезды, известной как TRAPPIST-1 — это красный карлик, находящийся примерно в 40 световых годах от Земли.

Все мы знакомы с понятием аббревиатуры — это термин, который сложен из начальных букв фразы, описывающей какое-либо явление, и произносится как одно слово. Так возникли такие термины, как WASP (white Anglo-Saxon Protestants — белые англосаксонские протестанты), NASA (National Aeronautics and Space Administration — Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) и WIMP (weakly interacting massive particles — слабо взаимодействующие массивные частицы). Чего авторы не понимали, так это того, что у данного явления существует зеркальное отражение: бэкроним, слова которого подобраны так, чтобы соответствовать заранее составленной аббревиатуре. TRAPPIST (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope — малый телескоп для наблюдения за транзитными планетами и планетезималями) — на первый взгляд это выглядит как простая аббревиатура. Однако вы можете отметить, что система телескопов TRAPPIST (описанная ниже) создана и эксплуатируется бельгийскими учёными. Напомним, что Бельгия — это страна, в которой одной из старейших и наиболее уважаемых организаций является группа траппистских монастырей. Они представляют действующий по всему миру цистерцианский орден, основанный в 17 веке в Нормандии (Франция), и если вы когда-то и слышали о них, то, скорее всего, потому, что монахи делают чудесный напиток, который, естественно, называется траппистским пивом. Большинство монастырей, которые варят это пиво, находятся в Бельгии, поэтому естественно возникает вопрос: относится ли бэкроним к пиву или к монастырям?

Мы знаем, что несколько общественных докладчиков бельгийского астрономического сообщества утверждают, будто бэкроним был создан в честь монашеского ордена, а не пива. Надеемся, вы позволите нам выразить некоторый скептицизм по этому поводу. Слишком уж легко представить себе позднее ночное заседание, без сомнения, подпитанное траппистским пивом, на котором группа астрономов, повеселившись от души, создала свой бэкроним. И не важно, получилось ли название таким образом на самом деле, или нет — пиво и впрямь великолепно.

Покончив с этимологией названия, мы можем перейти к описанию того, для чего предназначен TRAPPIST. Он состоит из двух небольших телескопов — поперечник их зеркал составляет всего лишь около 2 футов (60 см) — расположенных на двух отдалённых друг от друга горных вершинах: одна в Чили, а другая в Марокко. Телескопы являются частью роботизированной системы, управляемой из офиса в Льеже, Бельгия, и предназначенной для наблюдения за кратковременными событиями вроде прохождений комет, затмений далёких звёзд объектами из пояса Койпера и, конечно же, за прохождениями экзопланет по дискам их звёзд. В 2016 году TRAPPIST обнаружил три планеты, обращающихся вокруг карликовой звезды примерно в 40 световых годах от Земли. Звезда была названа TRAPPIST-1, потому что она является центром первой системы экзопланет, обнаруженной телескопами TRAPPIST. Последующие наблюдения с помощью телескопов на земле и на орбите выявили не менее семи планет размером с Землю, вращающихся вокруг звезды.

Мы подозреваем, что многие из наших коллег были удивлены не меньше, чем мы сами, когда система TRAPPIST-1 вызвала массовую волну общественного внимания. Иллюстрации планет от НАСА появились на первых страницах газет по всему миру, а исследования экзопланет удостоились короткого всплеска общественного внимания. (Разве Энди Уорхол не говорил, что в будущем каждый из нас побудет знаменитым свои 15 минут?)

Но пока внимание общественности переключалось на сексуальные скандалы и спортивные события, медленный процесс накопления фактов о планетах системы TRAPPIST-1 продолжался. Вопреки изначально возникшей шумихе, эта система совсем не похожа на нашу Солнечную систему. Несмотря на то, что все семь планет размером примерно с Землю, и три из них находятся в ЗООЗ, ни одна из них, скорее всего, не является миром Златовласки (см. главу 9), которые являются объектом столь пристального внимания во время поиска экзопланет.

Давайте начнём с самой звезды. TRAPPIST-1 технически известна как 2MASS J23062928–0502285 (цифры указывают на её местоположение в небе). Это, как мы упоминали выше, карликовая звезда, размером 11 процентов от размера Солнца и едва ли крупнее Юпитера, хотя её масса примерно в 84 раза превышает массу Юпитера. Она также холоднее и краснее нашего Солнца. Её малый размер означает несколько важных последствий для планет, вращающихся вокруг звезды. Во-первых, это означает, что сила притяжения, действующая на планеты, невелика, поэтому их орбиты находятся очень близко к звезде. Фактически, все семь планет находятся ближе к TRAPPIST-1, чем Меркурий к Солнцу. Таким образом, «год», связанный с каждой из орбит, довольно короток — он варьирует от 1,5 до чуть более 18 земных дней, в зависимости от планеты.

Продолжительность года экзопланеты оказывает значительное влияние на нашу возможность изучать планету. Причина проста: количество времени, в течение которого мы можем сосредоточиться на конкретной звезде для поиска прохождений планет, ограничено сроком службы платформы наблюдения. Например, космический телескоп «Кеплер», упомянутый в главе 11, собирал данные около 10 лет. Лучший способ установить существование экзопланеты — увидеть несколько точно рассчитанных прохождений. В системе TRAPPIST-1 это можно сделать всего лишь за несколько месяцев. Наблюдателю с экзопланеты, следящему за нашей Солнечной системой, напротив, пришлось бы ждать несколько лет, чтобы увидеть несколько прохождений Земли, и несколько десятилетий для нескольких прохождений Юпитера.

TRAPPIST-1 — это более распространенный тип звёзд по сравнению с нашим Солнцем: астрономы подсчитали, что до половины звёзд в Млечном Пути являются карликами. Одно из свойств карликовых звёзд, которое может оказаться важным при поиске жизни, заключается в том, что они обладают продолжительным временем существования. Например, TRAPPIST-1 существует уже около 8 миллиардов лет, тогда как наше Солнце — всего лишь 4,5 миллиарда. Кроме того, по оценкам, продолжительность существования TRAPPIST-1 составляет более 12 триллионов лет, поэтому он будет светить ещё долгое время после того, как наше Солнце погаснет. На самом деле звезда настолько холодна — температура её поверхности примерно вдвое ниже температуры Солнца, — что излучает много инфракрасного излучения. Следовательно, некоторые важные данные о прохождениях её планет были получены с помощью космического телескопа «Спитцер» — орбитального инфракрасного телескопа.

Систематика продолжительности жизни звёзд несколько противоречит здравому смыслу, поэтому, вероятно, стоит потратить немного времени и рассмотреть это более подробно. Каждая звезда начинает свою жизнь с определённым количеством водорода. В ходе реакций термоядерного синтеза он превращается в гелий. Энергия, возникающая в результате этих реакций, создаёт давление, которое удерживает звезду от схлопывания внутрь самой себя из-за безжалостной силы её собственной гравитации, направленной внутрь неё. Солнце, например, каждую секунду «сжигает» 600 миллионов тонн (544 миллиона метрических тонн) водорода, чтобы не схлопнуться, и энергия, выделяемая при этом «горении», заставляет его сиять.

Нашей первой мыслью может быть то, что более крупная звезда, в которой сжигается больше водорода, должна просуществовать дольше, чем более мелкая. Однако оказывается, что более крупные звёзды также обладают большей силой притяжения, направленной внутрь, и потому, чтобы противостоять ей, они быстрее сжигают своё водородное топливо. В результате очень большие звёзды сгорают быстро — их продолжительность жизни может измеряться лишь десятками миллионов лет, — тогда как более мелкие, более скромные звёзды вроде TRAPPIST-1 могут светить во много раз дольше, чем возраст Вселенной на настоящий момент.

В качестве идентификаторов планетам системы TRAPPIST-1 были присвоены буквы. В соответствии со стандартным правилом, они обозначены буквами от b до h в порядке их обнаружения — это порядок, который в данном конкретном случае также отражает их расстояние до звезды (обозначенной в соответствии с данным правилом как a). Таким образом, TRAPPIST-1b является самой близкой планетой к TRAPPIST-1, а TRAPPIST-1h — самой дальней. Из этих планет пять (b, c, e, f и g) размером с Землю, а две (d и h) несколько крупнее Земли. Три планеты (e, f и g) находятся в ЗООЗ, и это означает, что на их поверхности могут находиться океаны. Самые последние измерения показывают, что планеты c и e полностью каменистые, тогда как b, d, f и g покрыты слоем какого-то летучего материала — водой, льдом или плотной атмосферой.

Поскольку все эти планеты находятся так близко к своей звезде, мы думаем, что некоторые из них должны находиться в приливном захвате, обратив к ней одну и ту же сторону. Таким образом, они, вероятно, похожи на планету, которую в главе 10 мы назвали Гало, и многие из комментариев относительно жизни, которые мы сделали там, применимы и здесь.

Кроме того, планеты оказывают гравитационное воздействие друг на друга, что влияет на форму их орбит: каждая из них последовательно приближается к звезде и удаляется от неё во время витка вокруг неё. Таким образом, мы ожидаем встретить вид энергии, высвобождающейся благодаря трению при деформации недр планеты, благодаря которому на спутнике Юпитера Европе появился подлёдный океан (см. главу 7). Фактически, вполне вероятно, что все планеты TRAPPIST-1 испытывают приливный разогрев, и оценки количества теплоты, выделяющейся благодаря этому эффекту, указывают на то, что на самых отдалённых из них могут существовать подлёдные океаны. Также в одном случае (TRAPPIST-1c) расчёты показывают, что этот эффект может генерировать достаточно теплоты для работы обширной системы вулканов.

Из-за небольшого размера системы звезды TRAPPIST-1 её планеты, скорее всего, видны с поверхности друг друга. В некоторых ситуациях в небе будет одновременно находиться сразу несколько планет, а в других планета, наблюдаемая с одного из её соседей, может иметь видимый размер в несколько раз больше, чем полная Луна на Земле. В первые дни общественных восторгов по поводу системы НАСА подчеркнуло этот факт, выпустив причудливые плакаты о «путешествии» по экзопланетам, на одном из которых изображено небо, полное планет, как будто наблюдаемое с воображаемого курорта на TRAPPIST-1 (он воспроизведён на обложке этой книги).

Происхождение жизни

Учитывая все эти факты — высокую вероятность наличия воды, положение нескольких планет в ЗООЗ и сильный приливный разогрев — в системе TRAPPIST-1 существует масса возможностей для развития жизни. Как и в мире, который в главе 10 мы назвали Гало, важным экологическим фактором на всех этих планетах будут сильные ветры, переносящие тепло от стороны, обращённой к звезде, на сторону, обращённую в космос. В мирах с поверхностными или подлёдными океанами жизнь могла бы развиваться и процветать вокруг горячих источников срединно-океанических хребтов. В таких случаях возможность выхода жизни на сушу будет зависеть от (пока неизвестных) особенностей атмосферы и климата. Одним из самых интригующих свойств системы TRAPPIST-1 является то, что она, вероятно, обладает огромным разнообразием планетарных сред обитания. Это может быть микрокосм в мире экзопланет.

Существуют два фактора, которые могут препятствовать развитию жизни в системах, подобных TRAPPIST-1. Первым из них является склонность маленьких звёзд испускать очень интенсивное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. Второй — это их склонность поливать своё окружение интенсивными потоками заряженных частиц — потоками, которые называются солнечные вспышки и корональные выбросы массы (КВМ, обсуждаются ниже). Один автор сравнил TRAPPIST-1 с «буйным подростком». Несмотря на то, что эта звезда почти на 60 процентов старше нашего Солнца, по отношению к расчётной продолжительности её жизни (12 триллионов лет) она очень молода. У её буйства есть два важных следствия. Первое из них заключается в том, что интенсивное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение может способствовать потере поверхностных вод на планетах с течением времени. Во-вторых, события, связанные с КВМ, могут оказать разрушительное воздействие на любое технологически развитое общество, которое может там развиваться.

Давайте начнём с потери воды. На Земле в атмосфере всегда есть некоторое количество водяного пара, потому что вода испаряется из океанов и озёр. Высокоэнергетическое излучение Солнца может взаимодействовать с этими молекулами воды, расщепляя их на составляющие атомы кислорода и водорода. Водород, будучи очень лёгким, может рассеяться в космосе в результате обычной диссипации атмосферы. Считается, что именно в результате этого процесса Венера и Марс потеряли свой эквивалент нынешних водных океанов Земли в течение времени своего существования. Однако Земля, будучи больше Марса, обладает более сильной гравитацией, которая противодействует этой диссипации. Кроме того, она обладает очень сильным магнитным полем, которое защищает её атмосферу от высокоэнергетических заряженных частиц, которые Солнце выбрасывает во время солнечных бурь. Ни Марс, ни Венера не обладает значительным магнитным полем.

Из-за того, что планеты TRAPPIST-1 находятся так близко к своей звезде, они поглощают значительно больше высокоэнергетического излучения, чем планеты, находящиеся дальше от звезды. Это могло бы оказать существенное влияние на количество воды, которое сохранилось на их поверхности. Некоторые расчёты показывают, что планеты TRAPPIST-1, возможно, уже потеряли значительно больше воды, чем есть сейчас в океанах Земли. Если это так, то вначале они могли бы обладать поверхностными океанами, в которых жизнь могла развиться в жерлах срединно-океанических хребтов. Кроме того, количество воды на них в данный момент зависит от того, сколько её у них было тогда. Если вся вода с поверхности будет утрачена, то жизнь там не сможет развиваться так же, как, по нашему мнению, она развивалась на Земле. Может ли он возникнуть на такой планете где-либо ещё (например, в подземном водоносном горизонте) — этот вопрос пока остаётся открытым.

Однако, сделав это замечание, мы должны отметить, что наличие интенсивного излучения не означает, что жизнь в системе звезды TRAPPIST-1 не могла развиться. Во-первых, если бы какая-либо из планет в ЗООЗ обладала плотной атмосферой, её поверхность, включая поверхностные океаны, могла бы быть защищена. Кроме того, вода является хорошим поглотителем ультрафиолетовых лучей, и даже 3 фута (1 м) жидкой воды полностью защитили бы любую более глубоководную жизнь от излучения звезды. Наконец, если бы вода на внешних планетах существовала в форме льда, а не жидкости, у нас было бы нечто вроде мира, который в главе 6 мы назвали Айсхейм, и все комментарии, которые мы сделали в отношении возможности развития жизни в глубинах этого мира, были бы применимы и здесь.

Кроме того, мы отмечаем, что любая подземная жизнь на планете звезды TRAPPIST-1 также будет защищена от излучения звезды. Идея о жизни глубоко под землёй не такая уж и странная, как может показаться на первый взгляд. Например, было высказано предположение, что на нашей собственной планете под землёй находится больше биомассы, чем на её поверхности. На Земле такая жизнь представлена в основном бактериями, и мы предполагаем, что то же самое возможно на любой из планет звезды TRAPPIST-1.

Относительно небольшой размер системы TRAPPIST-1 имеет ещё одно важное следствие для происхождения жизни. Дело в том, что, как только на любой из планет развивается жизнь, запускается простой механизм её быстрого распространения по всей звёздной системе этой планеты: перенос микробов на обломках, образовавшихся в результате столкновения с астероидами. На первый взгляд это может показаться странным утверждением, но мы знаем, что уже миллионы лет в нашей собственной системе происходит межпланетный обмен материалами. Например, на Земле мы идентифицировали более 100 метеоритов, которые происходят с Марса. (Такая идентификация производится путём исследования образцов атмосферных газов, захваченных метеоритами.) Они образуются, когда большой астероид ударяется о поверхность Марса, выбрасывая материал с поверхности в космос. Оказавшись вдали от Марса, обломки блуждают по орбите вокруг Солнца, пока не встретятся с гравитационным полем Земли, которое притягивает их на поверхность планеты, где они ждут, когда их обнаружат. Весьма вероятно, что микробы способны перелетать на таких обломках с одной планеты на другую.

Поскольку планеты TRAPPIST-1 расположены так близко друг к другу, там перенос материала при столкновении с астероидами был бы гораздо более распространённым явлением, чем в нашей Солнечной системе. Следовательно, если бы мы нашли жизнь на одной планете системы TRAPPIST-1, то мы могли бы ожидать, что обнаружим её на многих, а то и на всех остальных планетах.

Также мы ожидали бы, что естественный отбор, действующий в различных условиях на разных планетах, приведёт к появлению отличных друг от друга видов развитой жизни. Представьте, например, что неандертальцы развивались на холодной ледяной планете, где они смогли конкурировать с Homo sapiens, тогда как последний развивался на планете с более благоприятными условиями. Что произойдёт, когда они столкнутся друг с другом? Когда это произошло на Земле около 30 000 лет назад, последовал (как бы помягче выразиться?) обмен ДНК между двумя видами с последующим вымиранием одного из них. Однако если бы у каждого из них была своя планета, мы бы и в этом случае ещё могли бы получить обмен ДНК, но, вероятно, не вымирание. Знаменитая сцена в баре из «Звёздных войн», когда представители множества форм жизни пьют и играют в азартные игры, может стать реальностью на межпланетной станции для отдыха в системе TRAPPIST-1.

Цивилизация и технологии

Учитывая большое разнообразие планетарных сред обитания в системе TRAPPIST-1, мы можем представить себе появление сразу многих видов развитых цивилизаций. Если бы одна из внешних планет была покрыта замёрзшей водой, у нас мог бы быть мир, подобный тому, который в главе 6 мы назвали Айсхеймом, где основным источником энергии было бы тепло, получаемое из недр планеты. С другой стороны, планета из ЗООЗ может быть похожа на мир, который мы назвали Гало в главе 10, где основным источником энергии являются интенсивные ветра, дующие через переходную зону. Фактически, за исключением планеты-сироты, которую мы назвали Одиночкой в главе 11, все миры, которые мы обсуждали до этого момента, могли бы существовать в системе звезды TRAPPIST-1, и мы можем представить себе, что развитые цивилизации возникают больше, чем лишь в одном из них.

Именно развитые технологические цивилизации в наибольшей степени пострадают от второго аспекта «буйства» звезды, о котором мы упоминали выше — от КВМ, огромных масс заряженных частиц, испускаемых во время звёздных бурь, которые происходят с нерегулярными интервалами. На нашем Солнце они тоже случаются — к этому моменту мы вернёмся буквально через мгновение, — но от такой звезды, как TRAPPIST-1, мы ожидаем, что они будут происходить значительно чаще, и с большей интенсивностью. Кроме того, из-за того, что планеты системы TRAPPIST-1 находятся так близко к своей звезде, у них гораздо больше шансов оказаться на пути КВМ, чем у планет в нашей системе. Фактически мы можем получить некоторое представление о влиянии этих выбросов на технологическую цивилизацию, если обсудим то, что произойдёт, если в наши дни КВМ Солнца попадёт в Землю.

Чтобы рассмотреть этот вопрос, нам не нужно полагаться на предположения, поскольку это уже произошло на самом деле в 1859 году. Это событие, известное как событие Кэррингтона, получило название в честь британского астронома Ричарда Кэррингтона (1826-75), который наблюдал его и зафиксировал. Событие началось как возмущение магнитного поля Солнца, которое было связано с солнечной вспышкой. Возникшее при этом интенсивное электромагнитное излучение описанного выше типа — например, ультрафиолетовое — достигло Земли в течение 8 минут. В те времена оно оказало на планету незначительное влияние — помните, что это было до появления радио, электрического генератора и электросети. Сегодня такого рода излучение может повлиять на работу спутников и повредить здоровью космонавтов на Международной космической станции. Несколько дней спустя за вспышкой электромагнитного излучения последовало обширное облако ионизированных атомов, движущееся со скоростью миллионы миль в час, которое врезалось в магнитное поле Земли. Результаты были поразительными. Интенсивное и повсеместно наблюдаемое северное сияние было видно на юге вплоть до Карибского бассейна, и соответствующее явление наблюдалось и в Южном полушарии (южное сияние). Северное сияние было настолько ярким, что жители Бостона могли читать газету в полночь.

Один из основных законов электродинамики состоит в том, что изменяющиеся магнитные поля вызывают течение электрических токов в проводниках (см. главу 2). В 1859 году такие т. н. индуцированные токи возникли в телеграфных линиях, и мировая сеть телеграфных линий (Интернет того времени) отключилась. Поступали сообщения об искрах из телеграфных ключей, которые вызывали шок у операторов и поджигали лежащие рядом бумаги.

Однако на этом всё и закончилось — событие завершилось, и оно мало повлияло на жизнь большинства людей. Всё было бы совсем по-другому, если бы такое событие случилось сегодня. Мы живём в обществе, которое коренным образом зависит от электроэнергии, поставляемой нашей электросетью. Если бы КВМ, равный по масштабу событию Кэррингтона, обрушился на Землю в наши дни, последствия были бы катастрофическими. Внезапная волна заряженных частиц вызвала бы возникновение мощных индуцированных токов в электрической сети и ещё, возможно, в подземных металлических конструкциях вроде трубопроводов. Скачки тока быстро нанесут удар по самой уязвимой части сети: по трансформаторам, которые работают посредниками между очень высоким напряжением в линиях электропередачи и более низким напряжением, используемым для распределения электроэнергии по городу. Ток расплавил бы медную проводку в трансформаторах, и города Земли один за другим погрузились бы во тьму.

Задумайтесь об этом на минуту. Ни света, ни отопления, ни кондиционирования воздуха, ни Интернета, ни банкоматов. Очень быстро отключились бы системы водоснабжения и водоотведения. Самолёты, которым не повезло оказаться застигнутыми в воздухе, потеряли бы связь с GPS, которая помогает им приземляться в обычных обстоятельствах. Сгнили бы скоропортящиеся продукты, и очень быстро опустели бы полки супермаркетов. Замена всего повреждённого оборудования вполне может занять месяцы, и даже годы. И словно этого всего недостаточно, вполне вероятно, что будут повреждены, а возможно, что и уничтожены многие метеорологические спутники и спутники связи. Как охарактеризовал эту возможную ситуацию один из комментаторов, «Это было бы не очень хорошо».

Мы описываем здесь этот сценарий не для того, чтобы напугать вас невероятным событием. В 2012 году на Солнце был крупный КВМ, который пересёк орбиту Земли в том месте, где наша планета находилась несколькими днями ранее. Если бы он случился несколькими днями позже, мы бы, вероятно, ещё продолжали бороться с его последствиями, даже когда в конце 2018 года были написаны эти строки. Вполне возможно, авторы даже написали бы эти слова на старой механической пишущей машинке.

Какой бы серьёзной ни была проблема КВМ в нашей системе, в окрестностях звезды TRAPPIST-1 она была бы гораздо серьёзнее. Эта буйная звезда испускает их гораздо чаще, чем Солнце, и её планеты, находясь вблизи неё, с гораздо большей вероятностью окажутся на линии огня, как уже упоминалось выше. В ранние времена развития жизни эти события были бы просто частью хаотической окружающей среды, и мы ожидали бы, что естественный отбор создаст формы жизни, способные противостоять им, точно так же, как он создал формы жизни, способные восстанавливать повреждения, вызванные нормальным радиационным фоном на Земле. Более того, как мы можем видеть по последствиям события Кэррингтона, примитивные общества это не сильно побеспокоит. КВМ становятся катастрофическими лишь тогда, когда цивилизации начинают эксплуатировать обширные энергетические системы.

Однако мы утверждаем, что цивилизация, построенная в среде, подвергающейся частым КВМ, будет иметь радикально иную энергосистему, чем та, к которой мы привыкли — со встроенной защитой от событий на звезде. Мы можем воспользоваться опытом одного из авторов (Дж. Т.), чтобы проиллюстрировать, как может работать такая система. На Земле основным источником индуцированных электрических токов являются удары молнии. Эти токи недостаточно велики, чтобы расплавить трансформаторы, но они могут повредить чувствительное оборудование — вот почему вы включаете компьютер через сетевой фильтр, а не в розетку на стене напрямую. Дж. Т. построил дом в Блу-Ридж в сельской местности Вирджинии и спроектировал электрическую систему таким образом, чтобы достаточно было воспользоваться одним выключателем, и дом был бы отключён от сети. Всякий раз, видя, что на долину надвигается гроза, он просто нажимал этот выключатель, и не допускал попадания в дом индуцированных токов.

КВМ движутся относительно медленно — Земля, как правило, получает предупреждение об их прибытии за несколько дней, а у планет в системе TRAPPIST-1 на это будут лишь часы. Вероятно, любой проектировщик электросетей с планеты системы TRAPPIST-1 включил бы в схему эквивалент переключателя Дж. Т. Такая мера предосторожности была бы для них столь же естественной, как для нас проектирование городов с ливневой канализацией для отвода воды во время интенсивных дождей. Вообще, инженеры уже начинают говорить о необходимости модифицировать нашу энергосистему, чтобы придать ей именно такую защитную способность. Исключительно из-за того, что КВМ относительно редки в нашей системе, перед нами встаёт необходимость модернизации нашей энергосистемы, чтобы справиться с ними. На TRAPPIST-1 эти функции будут присутствовать уже изначально.

Вероятно, близость планет системы TRAPPIST-1 друг к другу окажет влияние на развитие их космических технологий. И действительно, если бы технологические цивилизации развились не на одной из них, они вряд ли могли бы не знать друг о друге. Как мы указывали выше, планеты видны с поверхностей друг друга. Если бы на одной из них появились города и искусственное освещение, они были бы видны с других планет — вспомните фотографии ночной Земли, сделанные из космоса. Будет ли это способствовать развитию космических путешествий, которыми движет любопытство, или же заставит избегать космоса из страха — этот вопросом остается открытым. Поскольку эти планеты находятся всего лишь в несколько раз дальше друг от друга, чем мы от Луны, цивилизациям системы TRAPPIST-1 было бы значительно проще по сравнению с нами наладить и межпланетную связь, и межпланетные путешествия.

Мы можем завершить это рассуждение о космических цивилизациях, указав на один довольно интересный момент. Запустить в космос ракеты с планеты системы TRAPPIST-1 было бы не сложнее, чем с Земли — так называемая вторая космическая скорость в обоих случаях приблизительно одинакова, поскольку планеты примерно одного размера. Однако в системе TRAPPIST-1 ракетный корабль столкнулся бы с незнакомой нам проблемой. Несмотря на то, что звезда TRAPPIST-1 значительно меньше Солнца, тот факт, что орбиты планет так близки к нему, означает, что звезда будет оказывать гораздо большее в сравнении с Солнцем гравитационное воздействие на ракетный корабль, который преодолел гравитацию планеты в своей системе. Таким образом, для цивилизации TRAPPIST-1 выход в межзвёздное пространство будет связан с серьёзными проблемами.

Это не означает, что жители планеты TRAPPIST-1 не смогли бы разработать межзвёздные космические путешествия — это просто означает, что они должны быть значительно умнее в этом вопросе. Например, люди научились использовать гравитационный манёвр, чтобы вывести наш космический корабль к внешним границам Солнечной системы. В арсенале технологий TRAPPIST-1 такой трюк должен присутствовать уже изначально. В итоге космическим путешественникам системы TRAPPIST-1 было бы легче путешествовать между планетами в своей системе, чем нам в нашей, но было бы труднее удалиться от своей звезды. В заключение мы отмечаем, что тот же самый эффект затруднил бы космическим путешественникам-людям отбытие с планет звезды TRAPPIST-1, если бы мы когда-нибудь совершили постадку на одной из них. Визит человека в один из этих миров вполне может оказаться экскурсией с билетом в один конец.

Майк и Джим

Майк: Ты видел, что в ЗООЗ Солнца была обнаружена планета размером с Землю?

Джим: Ты имеешь в виду ту звезду, что находится в 40 световых годах отсюда? Это классно.

М.: Да, но это странная система. Все планеты находятся дальше от своей звезды, чем мы от нашей. А Калто 47 говорит, что с поверхности любой из них остальные выглядели бы просто как светящиеся точки. По сути — как звёзды.

Дж.: Так если ты не можешь даже разглядеть соседние планеты, зачем тогда суетиться с космическими путешествиями? В чём был бы их смысл?

М.: Есть кое-какие свидетельства того, что вокруг этой планеты размером с Землю может вращаться луна, но она была бы слишком мала, чтобы удержать свою атмосферу — вряд ли это то место, которое тебе захотелось бы колонизировать.

Дж.: Таким образом, даже если бы в этом мире формы жизни развивались в океанах и создавали технологии, им было бы некуда податься. Они застряли бы всего лишь на одной планете.

М.: Жить так — это просто ужасно!

14

ЕСЛИ ВЗГЛЯНУТЬ ПОБЛИЖЕ

ВСЁ СТАНОВИТСЯ ЕЩЁ БОЛЕЕ СТРАННЫМ

Мы исследовали возможность развития жизни в целом ряде воображаемых миров разного рода. Однако в галактике с почти бесконечным разнообразием это даже не оставило бы царапинки на поверхности планет, которые на самом деле могут существовать в ней. Тем не менее, чтобы подчеркнуть, что воображение может быть лучшим инструментом для исследования галактики, в этой главе мы подробно рассмотрим некоторые реально открытые миры, похожие на те миры, которые мы обсуждали в предыдущих главах. Мы начнем с водного мира, похожего на тот, который в главе 8 мы назвали Нептунией, затем перейдём к некоторым большим планетам, вроде той, что в главе 12 мы назвали Здоровяком. Наконец, мы поговорим о целой галерее планет-сирот вроде той, которую мы окрестили Одиночкой в главе 11.

Gliese 1214 b: водный мир

По состоянию на сегодняшний день экзопланеты в большинстве своём были открыты при помощи космических телескопов — таких, как космический аппарат «Кеплер» (см. главу 11). Однако одна из самых изученных экзопланет, Gliese 1214 b, о которой мы упоминали в главе 8, была открыта в декабре 2009 года проектом MEarth. Это наземный массив из восьми идентичных телескопов, который следит примерно за 2000 звёзд из числа красных карликов в поисках прохождений планет.

Как отмечалось в предыдущей главе, присвоение имён экзопланетам — это странное дело. Оно начинается с указания звезды, затем каждой из экзопланет вокруг неё присваивается буква в порядке открытия, причем буква A зарезервирована для самой звезды. Таким образом, Gliese 1214 b является первой планетой, обнаруженной на орбите 1214-й звезды по каталогу ближайших к нам звёзд, составленному Вильгельмом Глизе. (Возможно, вы помните, что в главе 12 мы обсуждали Gliese 876 d.)

Звёзды из числа красных карликов невелики — обычно их масса не превышает 30 процентов от массы нашего Солнца. Они составляют почти 40 процентов звёзд в нашей галактике и, следовательно, вполне могут быть самым распространённым типом светил, вокруг которых вращаются планеты. Для наших целей важнейшей особенностью красных карликов является то, что они проявляют значительную звёздную активность (солнечные пятна и солнечные бури), и потому время от времени купают свои планеты в интенсивных потоках ультрафиолетового и рентгеновского излучения.

Gliese 1214 находится примерно в 42 световых годах от Земли. Её масса достигает примерно одной шестой массы нашего Солнца, а температура поверхности составляет около 4900°F (2700°C). Возраст системы Gliese 1214 оценивается в 6 миллиардов лет, или примерно на 30 процентов старше нашей Солнечной системы.

Gliese 1214 b — суперземля с массой, примерно в 6,55 раз превышающей массу Земли. Однако её плотность составляет лишь около трети от плотности нашей планеты — ненамного больше плотности воды. Таким образом, у Gliese 1214 b, скорее всего, есть небольшое ядро из металла и камня, но мантия состоит в основном из воды, как у мира, который мы назвали Нептунией в главе 8.

Поскольку средняя плотность экзопланеты является таким важным показателем её структуры, стоит сделать небольшое отступление, чтобы объяснить, как её можно рассчитать. Радиус планеты (и, следовательно, её объём) можно определить по величине затемнения, наблюдаемого, когда планета проходит перед своей родительской звездой. Массу планеты можно определить, измерив, насколько сильно её гравитация притягивает звезду. Поскольку плотность — это просто масса, поделённая на объём, при помощи этих двух измерений мы можем рассчитать плотность планеты. Результат для Gliese 1214 b: плотность примерно в 1,87 раза больше, чем у воды.

Начав с внешнего слоя водного мира Gliese и двигаясь внутрь, вначале мы встретим воду в виде пара из-за высокой температуры поверхности планеты — она находится очень близко к своей звезде. На поверхности вода будет существовать в виде горячего кипящего океана, глубина которого может составлять, возможно, 70 миль (около 100 км) или более. На более глубоких уровнях, где давление ещё выше, как обсуждалось в главе 7, мы обнаружили бы воду в виде льда. Это даёт образ планеты, который чем-то напоминает луковицу с многочисленными слоями кожицы, в каждом из которых вода находится в фазе, отличной от соседних слоёв. Каждый слой также будет обладать уникальными химическими свойствами, а также собственным типом энергетики, химии и даже «океанографии».

Поскольку Gliese 1214 b состоит в основном из воды, она должна была образоваться достаточно далеко от своей центральной звезды, чтобы у неё была возможность удерживать воду, накопленную на этой стадии. То есть, планета должна была образоваться за пределами того, что мы можем назвать снеговой линией звезды — за тем местом, где температура окружающей среды опускается ниже точки замерзания воды. В противном случае её жидкая вода и водяной пар были бы сдуты, как это случилось в ходе формирования планет земной группы в нашей системе, в том числе Земли. Однако по какой-то неизвестной причине Gliese 1214 b не превратилась в газового гиганта наподобие Юпитера или Сатурна. Вместо этого она, видимо, переместилась внутрь, на свою нынешнюю близкую к звезде орбиту, уже после того, как сформировалась.

Это означает, что на протяжении времени своего существования планета испытала огромные изменения количества звёздного света (энергии), который она получала от центральной звезды, а это, в свою очередь, подразумевает, что она пережила эволюцию климата в невиданных на Земле масштабах. Иными словами, атмосфера, которую мы видим сегодня на Gliese 1214 b, — это не та атмосфера, которая была там вначале.

Расчёты показывают, что температура поверхности Gliese 1214 b составляет от 250° до 540°F (от 120° до 280°C). Поскольку гравитация на её поверхности составляет около 90 процентов от земной, атмосфера удерживается на её поверхности так же, как атмосфера Земли удерживается на поверхности нашей планеты. Мы ожидаем, что на Gliese 1214 b будут бури и погодные явления, связанные с низким и высоким давлением. Наконец, анализ её спектра показывает, что у неё есть облачный покров по всей поверхности на очень большой высоте.

Есть ещё один вывод, который мы можем сделать на основании исследований Gliese 1214 b. При помощи наших современных косвенных методов обнаружить большие планеты, вращающиеся вблизи своей центральной звезды, значительно легче, чем маленькие планеты, вращающиеся вдали от неё. Таким образом, существование близкого к звезде водного мира вроде Gliese 1214 b предполагает, что вполне может существовать масса водных миров меньших размеров и более прохладных, расположенных дальше от своих звёзд. Миры, которые мы назвали Айсхейм и Новая Европа, могут быть примерами этой ещё не открытой группы планет. Их обнаружение требует более совершенных астрономических методов.

Kepler-10с: супер-суперземля

Примерно в 540 световых годах от нас, в созвездии Дракона находится система, в которой самая большая из известных землеподобных планет вращается вокруг очень похожей на наше Солнце звезды под названием Kepler-10 (так назван центр 10-й планетной системы, существование которой подтвердил спутник «Кеплер»).

Самый последний анализ показывает, что звезде и её системе около 10 миллиардов лет, или она примерно на 5,5 миллиарда лет старше нашей Солнечной системы. Уже одно это делает любые планеты вокруг Kepler-10 особенно интересными, потому что любые процессы, происходящие там, будь то физические, химические или биологические, должны были протекать на 5,5 миллиарда лет дольше, чем на Земле.

Первая планета, обнаруженная в этой системе, Kepler-10b, представляет собой мир расплавленной лавы, который вращается вокруг центральной звезды с периодом около 19 земных часов. Масса Kepler-10b в 3,7 раза превышает массу Земли, а её средняя плотность мало отличается от земной. Это говорит о том, что она состоит из металлов и скального материала, почти как Земля, и это относит её к категории суперземель, подобно планете, которую мы окрестили Здоровяком (см. главу 12). Как мы уже говорили, суперземли — достаточно обычное явление в галактике.

Однако в системе Kepler-10 есть планета, которая не столь обычна и фактически может быть уникальной среди тысяч экзопланет, открытых на сегодняшний день. Kepler-10с (вторая планета, обнаруженная на орбите вокруг Kepler-10) имеет массу, примерно в 14 раз превышающую массу Земли, и плотность, близкую к земной. Модели предполагают, что планета имеет либо газообразную атмосферу, либо жидкий океан, но для этого требуется внешняя оболочка либо из газообразного водорода и гелия, либо из водного океана. Kepler-10с — самая большая планета земного типа, о которой мы знаем.

Kepler-10c находится очень близко к своей центральной звезде, поэтому перспективы жизни земного типа там не очень хорошие — равновесная температура для планеты, по расчётам, составляет около 400°F (200°C). С другой стороны, основные потребности для жизни, которые в целом общеприняты — жидкая вода, полезная энергия, питательные вещества — явно находятся в изобилии. Кроме того, из-за больших размеров Kepler-10c, на её поверхности, вероятно, часто происходят извержения вулканов, а деятельность вулканов в условиях плотной атмосферы или океана будет выбрасывать в окружающую среду газы и более тяжёлые элементы, которые, предположительно, могут служить питательными веществами.

Если внешние области Kepler-10c состоят в основном из водорода и гелия, они могут породить интересные эволюционные адаптации для продвинутых форм жизни: летающих существ, которые могли бы, например, «плавать» в атмосфере так же, как рыбы плавают в наших океанах. Возможно, на Kepler-10с могли бы эволюционировать как плавающие, так и летающие существа — первые в океане, а вторые — в атмосфере.

HD 69830: суперземли и мега-земли

Примерно в 41 световом году от нас, в северо-восточной части созвездия Кормы, находится система, в которой три чрезвычайно большие планеты вращаются вокруг звезды, очень похожей на наше Солнце. «Корма» (лат. Puppis) буквально обозначает «ют» — крышу над каютой, построенной в задней части корабля, используемую в качестве помоста. Корма когда-то была частью более крупного созвездия под названием «Корабль Арго», которое представляло корабль Ясона и аргонавтов из греческой легенды.

Звезда в интересующей нас системе обозначена как HD 69830 — это указывает на то, что она является 69 830-й звездой в каталоге, созданном американским астрономом Генри Дрейпером (1837-82). HD 69830 немного меньше нашего Солнца и имеет возраст около 7,5 миллиардов лет — примерно на 3 миллиарда лет старше нашей солнечной системы.

Две внутренних планеты в системе HD 69830 обладают массами, примерно в 10 и 12 раз превышающими массу Земли, а масс самой внешней планеты в 18 раз превышает массу Земли. (Для справки: масса Урана и Нептуна, соответственно, в 15 и 17 раз больше массы Земли.) Их состав варьирует от преимущественно камня и металла для двух самых внутренних до непонятной смеси камня, металла и воды для третьей. Планеты HD 69830 не имеют аналогов в нашей солнечной системе. Две внутренние планеты вписываются в категорию, которую в главе 12 мы назвали суперземлёй, в то время как третья и самая большая вполне может быть примером категории, которую астрономы начинают обозначать как мегаземли.

Высокие температуры в двух внутренних мирах исключили бы существование жидкой воды на их поверхности. Считайте их горячими Нептунами. Самая большая планета находится достаточно далеко от звезды, чтобы жидкая вода сохраняла стабильность на её поверхности, поскольку она находится прямо внутри классической ЗООЗ. Давайте обратим внимание на эту планету — на ту, что называется HD 69830 d.

Есть две модели, которые одинаково хорошо соответствуют имеющимся у нас данным об этой планете. Можно предположить, что HD 69830 d является примером огромного водного мира. Мир этого типа обладает небольшим металлическим ядром, окружённым глубокой водной мантией, поверх которой находится плотная атмосфера из водорода и гелия или водяного пара. Другая возможность состоит в том, что внутренняя часть планеты гораздо больше похожа на Землю, с железно-никелевым ядром, окружённым богатыми кремнием минералами. В этом случае на её поверхности могут находиться океаны жидкой воды, а в атмосфере много углекислого газа и водяного пара.

Какая бы из этих моделей ни оказалась правильной, ясно, что HD 69830 d обладает жидкой водой в изобилии, полезной энергией в виде солнечного света и, возможно, химической энергией в глубоководных океанских горячих источниках, а также сырьём, необходимым для развития жизни. Главной необычной особенностью её окружающей среды является интенсивная сила притяжения на её поверхности. Однако маловероятно, что это повлияет на развитие живых клеток в океане на поверхности планеты. Таким образом, HD 69830 d может превратиться в то, что мы называем миром зелёной тины. Однако мы ожидаем, что внешний вид наземных организмов, если они появятся в процессе эволюции, будет примерно таким же, как у приземистых форм жизни, которые мы обсуждали в главе 12 для Здоровяка. Поскольку выталкивающая сила будет, как минимум, отчасти противодействовать гравитации планеты, формы жизни в жидкой воде могут не сильно пострадать от большого размера HD 69830 d — иными словами, появятся обычные рыбы и коренастые динозавры.

В 2005 году космический телескоп «Спитцер», орбитальная инфракрасная обсерватория, открыл кое-какую интересную информацию о планетах вокруг HD 69830. Похоже, что за пределами орбиты планеты d существует кольцо пыли — возможно, результат разрушения большого астероида. (Пыль обычно ярко выделяется в инфракрасном небе.) Звёздный свет, отражённый от этой пыли, создаст полосу света в небесах внутренних планет системы HD 69830, так что там наблюдатели увидят второй «Млечный Путь»: на их ночном небе будут находиться две пересекающиеся полосы света, а не одна, видимая с Земли.

Галерея миров-сирот

В последнее десятилетие стало ясно, что межзвёздная среда далеко не пуста. В главе 11 обсуждалось открытие первой межзвёздной кометы Оумуамуа. Теперь мы знаем, что в межзвёздном пространстве существует множество объектов. Большая часть мусора в межзвёздном пространстве, вероятно, находится в форме комет. Кроме того, существуют астероиды и крупные тела, очень похожие на объекты пояса Койпера нашей собственной системы (Плутон — яркий пример объектов такого типа). Более того, наши компьютерные модели говорят нам, что в начале истории нашей Солнечной системы, до того, как всё закрепилось на нынешних стабильных орбитах, из неё были выброшены целые планеты, и эти планеты по-прежнему должны где-то находиться.

Планеты, выброшенные в межзвёздную среду, назывались по-разному: «миры-изгои», «тёмные планеты», «планеты-невидимки», «планеты степных волков» (названные так потому, что в воображении некоторых астрономов любая жизнь в этих странных местах обитания существовала бы как одинокий волк, бродящий по галактической степи), но чаще всего используется название «свободно плавающие планеты». Мы называем их мирами-сиротами. Несколько таких планет должны возникать всякий раз, когда вокруг зарождающейся звезды формируется планетная система. Фактически, их могут быть сотни или тысячи на каждую из планет в нашей галактике, вращающуюся вокруг звезды. Если это правда, то миры-сироты, безусловно, являются самым распространённым типом планет, существующим в природе.

Как мы уже видели в главе 11, проблема, с которой мы сталкиваемся, — это наблюдение за такими мирами-сиротами. Они не светятся видимым светом, как звёзды, и находятся так далеко от звёзд, что не отражают сколько-нибудь заметного звёздного света, как планеты в солнечных системах. До настоящего момента было обнаружено лишь несколько однозначно определённых миров-сирот, но тот факт, что несколько из них всё же были обнаружены, несмотря на огромную сложность их обнаружения, говорит о том, что они действительно представляют собой довольно обычное явление.

PSO J318.5-22: Большой свободно плавающий мир

Обсерватория Pan-STARRS на Гавайях, та же самая, что открыла Оумуамуа, обнаружила несколько миров-сирот. Одним из самых интересных является PSO J318.5-22. Строка цифр относится к его положению в небе — для краткости мы будем называть его PSO 22. Этот объект находится примерно в 80 световых годах от нас — достаточно близко, чтобы можно было установить некоторые из его особенностей.

Масса PSO 22 примерно в 6,5 раза больше массы Юпитера. Поскольку для запуска ядерных реакций, создающих звезду, требуется масса, превышающая массу Юпитера в 15-20 раз, PSO 22 иногда называют субзвёздным объектом. Количество излучаемой им инфракрасной энергии указывает на то, что его температура составляет около 1800°F (900°C), что значительно выше температуры Юпитера, но значительно ниже диапазона, характерного для малых звёзд.

Одна из особенностей PSO 22, которая делает его таким интересным, заключается в том, что можно получить кое-какую информацию о его составе. В частности, в его атмосфере был обнаружен метан, а также пара щелочных элементов — натрий и калий. Таким образом, по составу мир может быть похож на Уран и Нептун.

Ещё одна интересная особенность PSO 22 обусловлена тем фактом, что его масса значительно больше, чем у Юпитера. Когда он был выброшен из планетной системы, где родился, он, скорее всего, забрал с собой большое количество местного мусора благодаря своей сильной гравитации. Эти обломки должны представлять собой материал, из которого формировались местные планеты, а также материал типа кометного и астероидного. Он также мог бы унести все луны, которые образовались вокруг него. Таким образом, PSO 22 является хорошим кандидатом в миры-сироты с собственной луной или лунами на его орбите.

CFBDSIR214947.2-040308.9: Планета-сирота, связанная со звёздным скоплением

Многие звёзды образуются внутри так называемых звёздных «яслей» — облаков, достаточно больших, чтобы породить звёзды в количестве от тысяч до миллионов. CFBDSIR214947.2-040308.9, которую мы будем сокращённо называть C9, представляет собой планету, которая сформировалась в окрестностях члена таких «яслей», а затем была выброшена в межзвёздное пространство. Она была обнаружена с помощью прибора, разработанного специально для поиска объектов, испускающих инфракрасное излучение, на больших участках неба.

C9 — очень молодой объект, возраст которого составляет всего от 20 до 200 миллионов лет. Он связан со скоплением звёзд, известным как AB Золотой Рыбы, примерно в 65 световых годах от Земли. Все звёзды в этом скоплении движутся в одном и том же общем направлении и поэтому, как полагают, сформировались все вместе примерно в одно и то же время. C9 движется вместе с группой AB Золотой Рыбы, что даёт нам очень веские доказательства в пользу того, что миры-сироты выбрасываются из планетных систем, когда эти системы только формируются. Это не говорит о том, что миры-сироты не могут быть выброшены в другие моменты истории планетной системы, но с учётом нашего понимания процессов формирования планет и эволюции ясно, что наиболее вероятным сценарием является выброс миров-сирот в эпоху формирования планет.

WISE J085510.83-071442.5: Свободно плавающий мир-изгой

Если C9 — это мир-сирота, который образовался в звёздном скоплении и всё ещё движется вместе с этим скоплением, то существуют и другие миры-сироты, которые не имеют явной связи ни с какими звёздными скоплениями. WISE J085510.83-071442.5, который мы будем сокращенно называть WISE-5, является прекрасным примером миров такого рода. WISE-5 был обнаружен с помощью телескопа НАСА WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer — Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь), который исследует большие участки неба в поисках слабых источников инфракрасного излучения.

Масса WISE-5 несколько неясна, но, вероятно, превышает массу Юпитера в 3-10 раз. Его температура низкая — возможно, до -70°F (-50°C). Возраст WISE-5 совершенно непонятен, но составляет не менее 1 миллиарда и меньше 10 миллиардов лет.

Расстояние от Земли до этого мира-сироты оценивается примерно в 7 световых лет. Для сравнения, ближайшие к нашей Солнечной системе звёзды находятся на расстоянии около 4 световых лет. Таким образом, WISE-5 станет отличным кандидатом для дальнейших наблюдений с помощью телескопов следующего поколения — таких, как TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) и космический телескоп «Джеймс Уэбб» (см. главу 17). Вероятно, он находится достаточно близко к нашей солнечной системе, чтобы мы могли искать признаки наличия жизни.

Молодые обособленные объекты планетарной массы в звёздном скоплении Сигмы Ориона

В звёздном скоплении Сигма Ориона была обнаружена совокупность очень молодых, но обособленных планет. Эти миры-сироты обладают массой в пределах от 5 до 15 масс Юпитера, поэтому они слишком малы, чтобы запустить ядерный синтез и тем самым превратиться в звёзды. Однако температура их поверхности колеблется от 2800° до 3600°F (от 1400° до 1900°C), что гораздо выше, чем у планет-гигантов в нашей Солнечной системе. Эти миры-сироты представляют собой новый тип гигантских планет.

Звёздное скопление Сигма Ориона находится примерно в 1200 световых годах от Земли и отличается своей молодостью — ему всего от 1 до 5 миллионов лет. Считается, что формирование планет-гигантов в таких Солнечных системах, как наша, происходит в течение отрезков времени продолжительностью от 1 до 10 миллионов лет, поэтому данные миры-сироты, должно быть, были выброшены из своих родных систем на самом пике процесса формирования планет. Это подтверждает утверждение о том, что процесс формирования планет протекает весьма жёстко.

Как мы упоминали выше, благодаря своей большой массе подобные миры смогли бы унести изрядное количество материала туманности, из которой формировались планеты. Таким образом, у этих сбежавших планет могли бы быть собственные вращающиеся облака газа и пыли, из которых могли бы сформироваться луны. Такие системы лун могли бы оставаться пригодными для жизни до тех пор, пока приливные взаимодействия поддерживали бы их источники тепла, а это время могло бы растянуться на миллиарды лет.

MOA-2011-BLG-262Lb: Мир-сирота с небольшой луной на орбите

При использовании гравитационного линзирования (см. главу 11) была обнаружена система планет-сирот из двух объектов, среди которых более крупная планета представляет собой газовый гигант, а другая — луну, обращающуюся вокруг него. Эта система известна как MOA-2011-BLG-262Lb, которую мы будем сокращённо называть MOA-b. Считается, что масса газового гиганта примерно в четыре раза превышает массу Юпитера, а луна должна быть меньше Земли. Помимо этого, о системе MOA-b известно не так много. Её значение в данном случае заключается в том, что, если эти наблюдения точны, данная система является доказательством того, что у планет-сирот могут быть собственные луны. Если учесть сложность использования гравитационного линзирования для обнаружения планет, факт находки системы «планета плюс луна» говорит о том, что их, ожидающих своего открытия, ещё очень много.

15

ЖИЗНЬ, НЕ ПОХОЖАЯ НА НАС.

ЧТО, ЕСЛИ МЫ — НЕ ЕДИНСТВЕННЫЙ ВАРИАНТ?

До настоящего момента мы прямо или косвенно обсуждали жизнь, похожую на нас. То есть мы говорили о жизни, основанной на химических реакциях, в которых участвуют соединения углерода и которые происходят (или, по крайней мере, происходили изначально) в жидкой воде. В этой главе мы рассмотрим возможность жизни, не похожей на нас — жизни, которая всё ещё основана на химии, но в образовании которой участвуют химические элементы, отличные от углерода, или жидкости, отличные от воды. Это расширение нашего определения значительно увеличивает спектр разнообразия, которое необходимо учитывать, когда мы говорим о живых существах в нашей галактике.

Сказав это, мы должны отметить, что в данной главе мы рассматриваем только жизнь, сформированную естественными причинами. Увлекательная возможность жизни, созданной как следствие развития передовых технологий (вспомните о компьютерах и роботах), оставлена для следующей главы, которая посвящена жизни, действительно не похожей на нас.

Мы начинаем это обсуждение с утверждения, которое можно воспринимать как честную рекламу. Оба автора признаются, что являются так называемыми углеродными шовинистами. То есть, мы считаем, что специфические особенности атома углерода делают его идеальным инструментом для развития и поддержания сложной жизни. Возможно, лучший способ начать изучение возможности существования жизни, не похожей на нашу, — это узнать, что же делает углерод таким особенным.

Атом углерода имеет шесть положительно заряженных протонов в своем ядре, и шесть вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов, чтобы уравновесить этот положительный заряд. О том, где могут находиться эти электроны, законы квантовой механики говорят нам две вещи:

• Электроны могут занимать так называемые энергетические уровни, расположенные на некоторых строго ограниченных и определённых расстояниях от ядра.

• На каждом энергетическом уровне есть место только для определённого, строго ограниченного количества электронов.

В целом, на ближайшем к ядру энергетическом уровне есть место для двух электронов, в то время как на следующих двух уровнях может находиться до восьми электронов на каждом. (У более крупных атомов больше электронов, и они занимают более высокие уровни. На этих уровнях также находится строго определённое количество электронов, но точные значения вычислить сложнее.) Это означает, что в атоме углерода на самом нижнем уровне находятся два из шести электронов, и в то же время на следующем уровне находятся остальные четыре. Именно самые внешние электроны (они называются валентными электронами) образуют связи с другими атомами для создания молекул. Представьте себе, что каждый из четырёх внешних электронов — это своего рода липучка на поверхности атома, позволяющая атому углерода сцепляться с другими атомами, в том числе с другими атомами углерода[12].

Когда атомы углерода соединяются друг с другом, они образуют длинные цепочки, кольца, сложные петли и множество иных форм, которые мы наблюдаем в молекулах, поддерживающих жизнь на Земле. Иногда они отдают для связи с другим атомом углерода сразу два своих валентных электрона — представьте, что два атома склеены двумя парами липучек вместо одной. Эти так называемые двойные связи играют важную роль в создании сложности, которую мы наблюдаем в молекулах на основе углерода на Земле.

Чрезвычайно важной молекулой на основе углерода является ДНК, которая позволяет живым существам на Земле передавать информацию от одного поколения к другому. Она делает это с помощью четырёх молекул, называемых азотистыми основаниями. Эти молекулы обычно обозначаются первой буквой их названий — аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T) — и их последовательность в ДНК организма представляет собой сообщение, передаваемое от поколения к поколению. Мы утверждаем, что у любой жизни, основанной на химических веществах, должно быть нечто, играющее роль ДНК — что-то такое, что может передавать информацию от одного поколения другому. Очевидно, что это «что-то» не обязательно должно быть тем же самым, что и наша ДНК. И действительно, учёные смогли создать в лаборатории ДНК, которая содержит кодирующие молекулы, отличные от упомянутых выше, и это позволяет предположить, что в других мирах могли возникнуть другие молекулы, переносящие информацию.

История кремния

Подход многих учёных к решению вопроса об альтернативной жизни состоит в том, чтобы найти в живых системах на Земле какую-то функцию, которую сейчас выполняют молекулы на основе углерода, а затем узнать, могут ли выполнять ту же функцию молекулы на основе иного химического элемента. Это такой же хороший способ начать нашу дискуссию, как и любой другой, хотя ниже мы утверждаем, что он может быть полон всякого рода ограничений.

Однако прежде, чем перейти к подробному обсуждению конкретных типов атомов, мы должны уделить чуточку внимания одной вещи: относительному изобилию химических элементов в природе. Очевидно, что более обычный в природе атом с большей вероятностью послужит основой для жизни, чем более редкий — уже хотя бы потому, что первый более доступен для химических реакций, ведущих к образованию жизни. Следовательно, в дальнейшем мы сосредоточим наше внимание на обычных элементах и проигнорируем возможность жизни, основанной на относительно редких атомах.

Если мы взглянем на нашу Солнечную систему или на галактику в целом, то обнаружим, что самыми распространёнными элементами являются водород и гелий, за которыми следуют кислород и углерод. Чтобы подчеркнуть то, что будет важно в ходе нашего последующего обсуждения, скажем, что на каждый атом кремния в Солнечной системе приходится около 10 атомов углерода. Один балл в пользу углеродных шовинистов.

Однако если мы рассмотрим только Землю, ситуация будет совершенно иной. Формирование планет земной группы включало процесс сортировки — например, на Земле почти нет гелия, хотя во Вселенной он встречается в изобилии. Мы считаем, что значительная часть углерода, который мог бы пойти на формирование Земли, вместо этого связалась в виде летучих соединений, которые были выброшены из внутренней области Солнечной системы новорождённым Солнцем. По сути, оказывается, что на Земле на каждый атом углерода приходится около 30 атомов кремния — полная противоположность их относительному содержанию в Солнечной системе в целом. Один балл в пользу парней, топящих за кремний, хотя значительная часть кремния на Земле заключена в минералах глубоко под её поверхностью и, следовательно, недоступна жизни.

Когда мы получим представление о распространённости химических элементов, реальный вопрос о жизни, не похожей на нас, сводится к следующему: существуют ли атомы, отличные от атомов углерода, которые могли бы обеспечивать такую сложность молекул, которую мы наблюдаем у земной жизни? То есть, могут ли эти другие атомы образовывать цепочки, кольца и сложные структуры, как это делает углерод, чтобы заложить основу для существования широкого спектра молекул, необходимых для жизни? Это, как мы указывали выше, ведёт нас к кремнию.

Самый простой способ наглядно представить это — вспомнить о втором правиле квантовой механики, приведённом выше. Представьте, что вы начинаете с углерода, а затем добавляете восемь электронов (конечно же, сопровождая это аналогичным увеличением числа протонов в ядре). Это даст нам атом, который, как и углерод, имеет четыре валентных электрона, поскольку из новых электронов четыре заполнят до конца второй энергетический уровень, и останется ещё четыре для следующего, самого верхнего уровня, на котором они могут образовывать связи. И действительно, элемент, у которого на восемь электронов больше, чем у углерода, — это кремний, расположенный в периодической таблице прямо под углеродом.

Это упражнение объясняет, почему формы жизни на основе кремния на протяжении десятилетий были неотъемлемой частью научной фантастики. С химической точки зрения кремний — это элемент, обладающий наибольшим сходством с углеродом, и, как мы уже отмечали, он довольно распространён во Вселенной. Однако, сделав это замечание, мы должны отметить, что между углеродом и кремнием существует фундаментальная разница. Поскольку валентные электроны кремния находятся на третьем энергетическом уровне, тогда как электроны углерода находятся на втором, атом кремния крупнее своего углеродного аналога. Химики предположили, что именно это различие так затрудняет образование длинных цепочек из атомов кремния. Это означает малую вероятность того, что в жизни на основе кремния цепочки атомов кремния смогут играть ту же роль, что и молекулы типа ДНК в жизни на углеродной основе: «липучки» расположены слишком далеко друг от друга, чтобы два атома кремния могли образовать больше одной связи друг с другом. Таким образом, значительная часть сложности, которую мы наблюдаем в молекулах на основе углерода, просто недоступна кремнию. Это отражается в таком факте: известно, что специалисты в области органической химии используют для описания самых сложных молекул на основе кремния такие слова, как «монотонный».

Другая проблема возникает во время анализа обмена веществ у кремниевой жизни. Углеродный метаболизм основан на соединении атмосферного кислорода с углеводами — молекулами, содержащими атомы углерода и водорода. Простейшим примером этого процесса является сжигание метана[13], молекулы, в которой один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Конечными продуктами этой реакции являются углекислый газ (газообразный) и вода. (По сути, кислород воздуха соединяется с углеродом метана с образованием двуокиси углерода и с его водородом с образованием воды.) Оба эти вещества легко удалить из того места, где вырабатывается энергия организма — например, такого рода взаимодействием с кислородом является появление углекислого газа в воздухе, выдыхаемом вами прямо сейчас.

Аналогичной реакцией в кремниевом мире было бы сгорание молекулы, в которой один атом кремния связан с четырьмя атомами водорода — вещества, известного как моносилан. Это привело бы к образованию в качестве отходов диоксида кремния (диоксида кремния). При привычных для нас температурах это вещество является твёрдым и выводится из организма с гораздо большим трудом, чем углекислый газ — оно является основным компонентом кварца и песка, например. Кстати, есть такие научно-фантастические рассказы, в которых формы жизни на основе кремния выдают свою истинную природу, испражняясь кирпичами из твёрдого диоксида кремния и оставляя за собой безошибочный след.

Из-за сложностей такого рода в научном сообществе существует общее мнение о том, что живые системы, полностью основанные на кремнии (то есть системы, в которых кремний полностью заменяет углерод), вряд ли будут существовать на планетах, которые мы обычно считаем пригодными для жизни. (Сделав это замечание, мы должны добавить, что данное утверждение не означает, что кремний не может быть включен в живые системы. Многие организмы на Земле — например, диатомовые водоросли в океане — создают твёрдые части, используя атомы кремния в своей основанной на углероде структуре.) Однако мы можем представить себе экзотические планеты, где химия кремния может генерировать некоторые очень сложные молекулярные структуры: например, находящаяся в приливном захвате планета земной группы с расплавленной дневной стороной в звёздной системе, богатой металлами и другими тяжёлыми элементами. Но у нас нет возможности узнать, будут ли большие потоки энергии, пронизывающие такую экзопланету, создавать автономные самовоспроизводящиеся системы, которые мы обычно ассоциируем с жизнью.

Мы завершаем это обсуждение жизни на основе кремния представлением того, что мы считаем одним из самых сильных аргументов в пользу углеродного шовинизма. Как мы видели выше, кремния на Земле гораздо больше, чем углерода. Однако, несмотря на это численное преимущество, роль кремния в живых системах на Земле лучше всего охарактеризовать как незначительную, в то время как углерод, представленный относительно бедно, составляет основу всех живых систем. Это подсказывает нам, что в углероде есть нечто особенное, если дело касается жизни, и что жизнь в других местах, возможно, за некоторыми исключениями, будет основана на углероде.

Мы потратили много времени на разговоры о возможности жизни на основе кремния по нескольким причинам. Во-первых, как мы уже отмечали, кремний является элементом, в наибольшей степени подобным углероду. Кроме того, научно-фантастических сценариев, затрагивающих жизнь на основе кремния, существует, вероятно, больше, чем посвящённых любой другой её форме. Такая художественная литература обычно изображает кремниевые формы жизни в виде оживших минералов или скал. Если же принять во внимание аргументы, приведённые в этом разделе, то нам кажется, что эти формы жизни будут редкими в галактике, или же вообще не будут существовать.

Так какие же другие виды жизни, не похожей на нас самих, мы обнаружим с большей вероятностью?

Иной выбор

До настоящего момента мы достаточно вольно использовали словосочетание «жизнь на основе углерода». В целом молекулы в живых системах на Земле в своём функционировании могут зависеть от уникальных свойств углерода, но многие из них содержат атомы других материалов, чередующихся с их углеродом. Например, знакомая нам двойная спираль ДНК построена на каркасе из атомов фосфора и кислорода. Поэтому мы должны рассмотреть возможность появления в живых системах кремния в сочетании с другими атомами.

Мы знаем много веществ, в структуре молекул которых есть цепочки из кремния и кислорода, но не цепочки, полностью состоящие из атомов кремния: например, водонепроницаемые герметики и иная коммерческая продукция. Недавно учёные из Калифорнийского технологического института, используя бактерии, собранные в горячих источниках в Исландии, создали молекулы с химическими связями непосредственно между углеродом и кремнием. Хотя основной химический интерес к таким молекулам заключается в том, что они могут выступать в качестве ферментов для создания широкого спектра промышленных материалов, но они также предполагают возможность развития в других мирах форм жизни, основанных на комбинациях углерода и кремния.

Изредка учёные рассматривали в качестве замены углерода в живых существах элементы, отличные от кремния. Как мы уже видели, основная стратегия состоит в том, чтобы найти элемент, который (1) является довольно распространённым и (2) способен образовывать длинные молекулярные цепочки. Одним из элементов, отвечающих этим критериям, является сера, которая находится в периодической таблице прямо под кислородом. Хотя сера встречается не в таком изобилии, как углерод или кремний, она всё же входит в первую десятку самых распространённых элементов в галактике. Она также способна образовывать линейные цепочечные молекулы, хотя это явно не такие сложные разветвлённые структуры, как в биомолекулах на Земле.

Наиболее заметные концентрации серы в Солнечной системе находятся на спутнике Юпитера Ио (это тот, что похож на пиццу с пепперони). Ио является ближайшей к Юпитеру среди четырёх больших галилеевых лун планеты (остальные — это Европа, Ганимед и Каллисто), и гравитационные взаимодействия между этими спутниками генерируют много тепла в его недрах. В результате Ио оказывается самым вулканически активным объектом в Солнечной системе, а вулканы выбрасывают продукты извержения на сотни миль в атмосферу. Пятнистая окраска на его поверхности в основном обусловлена серой из вулканов, которая осела после этих извержений. Большая часть этого покрытия представляет собой чистую серу в нескольких из множества её форм.

Атомы серы обычно объединяются в группы от 6 до 20 атомов, причем наиболее распространённой является структура в форме короны из 8 атомов. Нет ничего необычного в том, что атомы одного элемента группируются в разных конфигурациях: например, алмазы и графит (карандашный грифель) являются чистым углеродом, но у них разное расположение связей между атомами. Когда две молекулы, состоящие из атомов одного и того же типа, имеют разную конфигурацию, говорят, что они являются аллотропными модификациями друг друга. Большое количество аллотропных модификаций серы, которые мы наблюдаем в таких местах, как Ио, иногда используется как основание для предположения о возможности жизни на основе серы — предположения, рождённого широким разнообразием форм, которые могут принимать аллотропные модификации серы. Однако мы не знаем ни одной работы, которая выводила бы этот аргумент за рамки простых предположений.

Мы могли бы продолжить эту дискуссию, двигаясь по всей периодической таблице, но чем дальше мы уходим от углерода, тем более слабыми становятся аргументы. Думаем, что лучше всего придерживаться углерода, сохраняя при этом непредвзятое отношение к случайному редкому появлению жизни, основанной на других химических элементах.

Заменители воды

Быть водным шовинистом во многих отношениях даже ещё проще, чем углеродным. Вода обладает многими свойствами, которые делают её пригодной для поддержания жизни, и она действительно практически вне конкуренции. Давайте начнём нашу дискуссию с рассказа о некоторых из её желательных свойств.

Прежде всего, для повышения температуры воды требуется много энергии. На языке физиков мы говорим, что она обладает высокой удельной теплоёмкостью. Это позволяет относительно легко поддерживать постоянную температуру в водоёмах, что является очевидным преимуществом для живых систем.

Кроме того, вода обладает довольно необычным свойством, состоящим в том, что плотность её твёрдой фазы (льда) меньше, чем плотность жидкой фазы. Почти все прочие материалы обладают противоположными свойствами. Это означает, что когда вода начинает замерзать, лёд всплывает наверх, а не опускается на дно. Как правило, в больших водоёмах лёд образует теплоизолирующий слой, а вода под ним остаётся жидкой, что является ещё одним очевидным преимуществом для жизни. Если бы лёд был плотнее жидкой воды, он опустился бы на дно, едва образовавшись, и озеро или океан промёрзли бы полностью снизу вверх. И это, как минимум, создало бы стресс для водных обитателей.

Возможно, важнейшим свойством воды с нашей точки зрения является её способность растворять самые разнообразные вещества. Собственно, её часто называют универсальным растворителем, так как она может растворять больше веществ, чем любая другая обычная жидкость. Это означает, что молекулы других веществ, растворённых в воде, в целом свободно перемещаются и взаимодействуют друг с другом — это очевидный плюс в том, что касается развития жизни. Причина, по которой вода обладает такой способностью, заключается в том, что она представляет собой пример так называемой полярной молекулы.

Небольшое пояснение: законы квантовой механики управляют силами, действующими между атомами в молекулах воды, определяя их конфигурацию. Если вы представите, что атом кислорода — это голова, то два атома водорода — это прикреплённые к нему уши Микки Мауса, причем угол между отрезками, проведёнными от кислорода к двум водородам, составляет 105 градусов. Законы квантовой механики также говорят нам, что электроны в молекуле будут стремиться собираться вокруг атома кислорода. Таким образом, хотя молекула воды в целом электрически нейтральна, один её конец будет нести отрицательный заряд, тогда как другой конец будет положительным. Это распределение зарядов и делает воду полярной. Давайте посмотрим, как это работает, когда вода растворяет другое вещество.

Представьте себе молекулу воды, приближающуюся к куску вещества. Чисто теоретически предположим, что она приближается отрицательным концом вперёд. Молекула в веществе будет испытывать воздействие электрических сил от обоих концов приближающейся молекулы воды, но те, которые связаны с отрицательно заряженным концом, находящимся ближе, будут оказывать более сильное воздействие. Вступив в контакт с молекулой вещества, молекула воды приобретает чистый отрицательный заряд. Из-за этого электроны в молекулах материала будут отталкиваться от приближающейся воды, оставляя в веществе положительно заряженную область, обращённую в сторону молекулы воды. В итоге у нас получается, что к положительному концу молекул материала приближается отрицательно заряженный конец молекулы воды.

Мы знаем, что противоположные электрические заряды притягиваются, а это означает, что, как только электроны сместятся, как описано выше, между молекулой воды и молекулой вещества возникнет сила притяжения. Это вытянет молекулу вещества из её первоначального положения, и по мере продолжения этого процесса вещество будет растворяться молекула за молекулой.

Любой, у кого есть кулинарный опыт, знает, что один из способов удалить липкий налёт с кастрюль и тарелок — просто дать им немного побыть в воде. Эта маленькая кухонная хитрость работает, потому что полярные процессы, запущенные конфигурацией электронов в молекуле воды, медленно растворяют липкий материал.

Учёные рассуждали о многих веществах, которые могли бы заменить воду в химии жизни. В целом мы можем выделить здесь две функции воды. Одна из них, упомянутая выше — просто быть средой, поддерживающей сложные молекулы. Для описания жидкостей, способных образовывать жидкие океаны, писатель-фантаст и биохимик Айзек Азимов придумал слово «талассоген» (образователь морей). Вторая функция — участие в химических процессах жизни. Образование молекул воды играет определённую роль в создании так называемой пептидной связи, которая, например, удерживает белки вместе. Далее мы рассмотрим два возможных заменителя воды. Один из них — аммиак, распространённая молекула, больше всех похожая на воду, а другой — метан. Последний упомянут здесь, потому что мы знаем об одном метановом океане во Вселенной — он находится на спутнике Сатурна Титане.

Давайте начнем с аммиака, NH_3. Аммиак, состоящий из азота и водорода, двух распространённых элементов, является обычным веществом — это была одна из первых сложных молекул, обнаруженных в межзвёздных облаках. Вы, вероятно, сталкивались с ним в виде водного раствора, обычного бытового чистящего средства (его часто используют для стекла и керамики, потому что он высыхает, не оставляя разводов). И, конечно же, он играет важную роль в производстве удобрений, которые позволяют относительно небольшому числу фермеров прокормить миллиарды людей на нашей планете. При давлении в 1 атмосферу аммиак представляет собой жидкость в диапазоне от -108° до -28°F (от -78° до -33°C). В этом состоянии он способен растворять самые разнообразные материалы, в том числе некоторые металлы. Кроме того, многие важные молекулы, обнаруженные в системах на основе углерода, имеют аналоги в системах на основе аммиака. Относительное изобилие аммиака и такого рода химические свойства побудили некоторых учёных предложить его в качестве заменителя воды в процессе развития жизни.

Однако здесь есть некоторые проблемы. Вероятно, важнейшей из них является то, что аммиак является жидкостью только при температурах, которые значительно ниже, чем встречающиеся в большинстве мест на Земле. Как правило, при понижении температуры химические реакции замедляются. Вот почему мы используем холодильники и морозильники — если уж об этом заговорили, порча продуктов представляет собой химический процесс. У химиков есть общее эмпирическое правило, согласно которому скорость реакции падает вдвое при каждом снижении температуры на 18°F (10°C). Таким образом, химические реакции в аммиачном океане происходили бы примерно в 30-50 раз медленнее, чем в относительно спокойных океанах Земли. Таким образом, развитие жизни, которое на Земле заняло сотни миллионов лет, в аммиачном океане может занять несколько миллиардов лет. (Мы столкнёмся с проблемой температуры в ещё более выраженной форме далее, когда будем обсуждать жидкий метан.)

Отметив этот момент, мы должны добавить, что не рассматриваем сравнительно низкую температуру жидкого аммиака как абсолютный барьер для развития жизни — как основанной на углероде, так и какой-либо иной. Это просто означает, что для развития жизни в мире, океаны которого состоят из аммиака, потребуется больше времени. Можно было бы рассчитать размеры ЗООЗ для планетных систем с аммиачными океанами, хотя мы не знаем, делалось ли это вообще. Вероятно, они будут находиться дальше от звезды, чем ЗООЗ для воды.

Некоторые учёные, однако, выразили серьёзную обеспокоенность по поводу пригодности аммиака в качестве среды для жизни. Возражения основаны на том факте, что силы, удерживающие молекулы жидкости вместе, в аммиаке слабее, чем в воде. Попутно отметим, что отсутствие разводов на стекле от аммиака связано именно с этим свойством. Притяжение между молекулами воды создаёт поверхностное натяжение, которое заставляет воду на стекле собираться в капли. Аммиак, обладающий более низким поверхностным натяжением, не образует столько капелек и, следовательно, не оставляет разводов. К сожалению, это свойство молекул аммиака может затруднить им образование длинных цепочек, встречающихся в живых системах.

Как и кремний, аммиак является излюбленным альтернативным веществом среди любителей научной фантастики. Например, его часто используют, чтобы представить жизни в холодных внешних слоях атмосферы газовых гигантов. Его способность растворять металлы также порождает увлекательные дискуссии о том, какие цвета вы могли бы увидеть в аммиачном океане. Однако на данный момент, хотя мы и должны рассматривать аммиачные океаны как возможное место зарождения жизни на экзопланетах, у нас нет доказательств того, что они существуют.

Как следует из термина «природный газ», метан — это газ при тех температурах, которые мы считаем нормальными. Если точнее, то он является жидкостью только при температурах между -260° и -297°F (от -162° до -183°C). Тем не менее, нам известен один мир с такой низкой температурой поверхности, и мы знаем, что в этом мире есть океаны, состоящие из метана и других углеводородов. Таким образом, метан является единственным талассогенным веществом, в отношении которого мы можем быть уверены, что оно действительно участвовало в формировании океана (помимо воды, разумеется).

Мир, о котором мы говорим, — это Титан, самый большой спутник Сатурна. С нашей точки зрения, об этом теле известно два важных факта: во-первых, это единственная луна в Солнечной системе с плотной атмосферой (состоящей в основном из газообразного азота, как у Земли), а во-вторых, она действительно холодная — температура поверхности колеблется около -290°F (-179°C).

Чтобы охарактеризовать этот мир лучше всего, можно сказать, что в нём есть знакомые геологические структуры (например, озёра и горы), состоящие из незнакомых материалов. При температуре поверхности Титана водяной лёд твёрд, как камень, а озёра и океаны состоят из жидкого метана и других углеводородов, как уже упоминалось выше. Самым распространённым из этих других углеводородов является этан, двоюродный брат метана, содержащий два атома углерода. Песчаные дюны вблизи экватора Титана состоят из органических соединений тёмной окраски — один учёный сравнил их с дюнами из кофейной гущи.

Атмосфера Титана представляет собой оранжевую дымку, которая препятствует хорошему обзору поверхности. На протяжении многих лет наблюдения в телескоп и данные с космических аппаратов показали, что атмосфера насыщена сложными органическими соединениями — молекулами, которые значительно сложнее, чем простой метан. Затем, вскоре после прибытия к Сатурну в 2004 году, космический аппарат «Кассини» сбросил зонд в атмосферу Титана, и мы впервые взглянули на его поверхность. Зонд был назван в честь Христиана Гюйгенса (1629-95), голландского астронома, открывшего Титан. Он совершил посадку на поверхность спутника и передавал оттуда данные в течение примерно 90 минут, прежде чем его поглотила поверхность Титана. После этого «Кассини» ещё несколько раз пролетел рядом с Титаном, картировав его поверхность при помощи радара. Теперь в нашем представлении этот спутник — такое место, где углеводороды дождём льются с неба и заполняют моря и озёра. (Интересно, что озера Титана названы в честь аналогов на Земле: например, Онтарио и Каюга.) Именно в этих озёрах и морях учёные надеются отыскать информацию о развитии жизни в метановой среде.

Существует ещё одно важное следствие чрезвычайно низких температур на Титане, которое может повлиять на происхождение жизни. Если, как мы указывали выше, скорость химической реакции снижается вдвое при каждом понижении температуры на 18°F (10°C), то на Титане они займут примерно в миллион раз больше времени, чем на Земле. Таким образом, если для развития жизни в океанах Земли потребовались сотни миллионов лет, как это и было, судя по всему, то для того, чтобы то же самое случилось на Титане, потребовались бы сотни триллионов лет. Это значительно больше, чем возраст Вселенной, поэтому первый вывод, который мы можем сделать, состоит в том, что, даже если жизнь и может развиться в метановом океане, у неё, вероятно, не было времени это сделать. Следовательно, учёные, изучающие химию Титана, говорят о поиске предшественников жизни, а не самой жизни. Если нет таких низкотемпературных процессов, о которых мы не знаем в настоящее время, нам придётся исключить метановые океаны из нашего списка сред, в которых к настоящему времени могла бы развиться жизнь.

Сделав это замечание, мы должны отметить, что мы не принимаем во внимание возможность существования пока ещё неизвестных каталитических или ферментативных процессов, которые могли бы значительно ускорить скорость реакции. Однако до тех пор, пока они не будут обнаружены, мы будем придерживаться общепринятого довода, приведённого выше, и считать Титан местом, где мы можем изучать химические предшественники жизни.

На протяжении многих лет люди строили предположения в отношении многих других жидкостей, которые могли бы играть ту роль, которую вода играет в жизни на Земле. Одним из таких примеров является сероводород, H_2S. В этой молекуле атом серы занимает то же самое место, какое кислород занимает в воде. Он становится жидкостью при температуре ниже -76°F (-60°C), и потому можно ожидать, что он будет играть важную роль на планетах, удалённых от своих звёзд. Как мы видели в случае с аммиаком, при такой температуре химические реакции, которые привели к возникновению жизни на Земле, протекали бы в несколько сотен раз медленнее, чем на нашей родной планете. С другой стороны, жизни хватило бы времени, чтобы развиться в сероводородном океане на планете, вращающейся вокруг долгоживущей звезды — такой, как красный карлик. Однако, в отличие от аммиака, научных исследований, касающихся пригодности этой молекулы для развития жизни, проводилось очень мало. Таким образом, мы поместим сероводород, а также целый список других веществ, которые могут заменить воду в процессе развития жизни, в папку с пометкой «Возможно».

Написано несколько статей о возможных жидкостях, находящихся на другом конце температурной шкалы по отношению к веществам, которые мы обсуждали до сих пор, — например, о расплавленной лаве. В этом случае проблема заключается не в скорости химических реакций, а в возможности сохранения сложных молекул. В конце концов, высокая температура означает высокую скорость движения и к чрезвычайно сильные столкновения молекул. Мы предполагаем, что в условиях высокой температуры чему-то вроде молекулы ДНК было бы невозможно сохраниться. Скорее всего, какая-либо информация, передаваемая из поколения в поколение, могла бы передаваться посредством сложных минералов, способных сохранять свою структуру при высоких температурах.

Итак, мы завершаем обсуждение этой темы, освежив своё убеждение в том, что наиболее вероятными компонентами в развитии жизни будут молекулы на основе углерода, работающие в воде. Следовательно, мы считаем, что наша нынешняя стратегия, обращающая поисковые усилия на системы, где имеются эти вещества, в высшей степени разумна. Однако мы также понимаем, что следует непредвзято относиться к другим типам молекул, работающих в других жидкостях, поскольку исключать такие типы жизни нельзя, и галактика наверняка будет полна странных и неожиданных находок.

16

ЖИЗНЬ, СОВЕРШЕННО НЕ ПОХОЖАЯ НА НАС.

ОНА МОЖЕТ ВЫГЛЯДЕТЬ ДОВОЛЬНО СТРАННО

Поверхность этой планеты твёрдая — возможно, металлическая. Датчики вашего дельта-флаера сообщают, что температура снаружи всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Они также говорят вам, что электроны на этой металлической поверхности объединились, образуя сверхпроводник. Токи создают магнитные поля, которые, в свою очередь, порождают другие токи, которые создают магнитные поля, и так далее, создавая структуры невероятной сложности. Маленькие кусочки сверхпроводящего материала бегают по поверхности планеты, следуя сложным полям.

Когда вы выглядываете из иллюминатора своей кабины, в голову приходит странная мысль: а не может ли эта штука быть живой?

* * *

До этого момента мы в своём обсуждении неоднократно отмечали, что независимо от того, что мы ожидаем найти, когда отправимся в галактику, то, что нам удастся обнаружить, удивит нас в любом случае. Например, будучи углеродными шовинистами, мы ожидаем, что вся жизнь будет основана на химии молекул, построенных на углеродной основе. Однако никто из нас не захотел бы побиться об заклад на всё, что у него есть, что это единственный тип жизни, который мы откроем для себя. Точно так же, будучи химическими шовинистами, мы считаем, что даже если мы найдём жизнь, не основанную на углероде, она всё равно будет предполагать химические взаимодействия между молекулами, построенными не на углеродной основе. Однако, отталкиваясь от исходного положения о том, что нас обязательно удивит то, что находится в других местах Вселенной, мы должны рассмотреть возможность поиска существ, которые, по нашему мнению, являются живыми, но которые не зависят от химических реакций. Это то, что мы имеем в виду под «жизнью, совершенно не похожей на нас» (специально выделено курсивом).

Одна из основных проблем, с которыми нам приходится сталкиваться на подступах к этой теме, — переосмысление того, что мы имеем в виду, когда говорим о жизни. В главе 3 мы видели, как чертовски трудно вывести определение этого слова. Два варианта, которые мы обсуждали в этой главе — определение через перечень свойств и определение с позиций естественного отбора — явно землецентричны и, вероятно, будут не особенно полезны для распознания жизни, совершенно не похожей на нас. Тогда нам придётся начать с термодинамического определения. Это, как вы помните, представление о том, что живые системы поддерживаются в высокоупорядоченном состоянии, далёком от равновесного, благодаря потоку энергии.

Мы можем выделить два сценария, по которым может развиваться жизнь, совершенно не похожая на нас. В одном из них законы природы самостоятельно создают термодинамически живую систему. В другой ситуации разумная жизнь — вероятно, на углеродной основе — возникает естественным путём, а затем создаёт машины, которые развиваются до такого состояния, что мы стали бы считать их живыми. Как мы увидим далее, последняя возможность ставит перед нами некоторые самые глубокие и сложные вопросы современной философии.

Наконец, мы отмечаем, что и научная фантастика, и спекулятивная научная литература полны идей странных и удивительных форм жизни — их слишком много, чтобы описать их в одной главе. Извиняясь перед теми, чьи идеи мы оставили без внимания, мы представляем здесь несколько наиболее правдоподобных кандидатов на жизнь, совершенно не похожую на нас.

Неорганическая жизнь

Для начала немного терминологии. В каждодневных разговорах термин «органический» относится к продуктам питания, которые были выращены без использования определённых химических соединений. С другой стороны, химики используют этот термин для описания вида атомов в определённого рода молекулах: общее определение, хотя оно лишь одно из многих, состоит в том, что органическая молекула содержит углерод и водород, независимо от того, входит ли эта молекула в состав живых организмов, или нет. Например, метан («природный газ») представляет собой молекулу, состоящую из одного атома углерода и четырёх атомов водорода. В соответствии с нашим определением, эта молекула считается органической, хотя она может быть получена в результате процессов, которые не имеют ничего общего с живыми системами. Аналогичным образом понятие «неорганическая жизнь» относится к любой живой системе, которая не зависит от молекул, содержащих углерод. Например, в предыдущей главе мы обсуждали неорганическую жизнь, когда говорили о жизни на основе кремния.

Мы начнём разговор с замечания о том, что изучение неорганической жизни, будь то в лаборатории или с помощью компьютерного моделирования, в настоящее время не является основной областью научных исследований. Она проводится лишь в относительно небольшом количестве исследовательских институтов по всему миру. В дальнейшем мы опишем некоторые из самых интересных идей, которые уже были выдвинуты, и порассуждаем о других, которые могут получить развитие в будущем. Мы подчёркиваем, что никто не создал ни одного неорганического организма, который можно было бы хотя бы отдалённо считать живым. В лучшем случае кандидаты на звание жизни, совершенно не похожей на нас, проявляют лишь немногие свойства, обычно присущие живым системам. Однако ни один из них не прошёл бы простой тест «Узнáю, когда увижу».

Вначале мы рассмотрим некоторые лабораторные эксперименты, которые предполагают возможность получения металлических (т.е. неорганических) аналогов клеток. Они зависят от химических реакций, но химические реакции настолько отличаются от того, что мы обычно ассоциируем с жизнью, что они заслуживают ярлыка «совершенно не похожих на нас». Затем мы обратимся к компьютерному моделированию, которое предполагает ещё более странную форму жизни, управляемую электромагнитными взаимодействиями, а за этим последуют некоторые наши собственные размышления на тему электромагнитной жизни. Наконец, мы рассмотрим идею, которая существует только в научной фантастике: о том, что «живой» может быть целая планета. Закончив с этим, мы обратимся ко второй категории, упомянутой выше: к жизни, созданной высокоразвитым разумом.

Химик Ли Кронин и его коллеги из Университета Глазго провели серию экспериментов, чтобы выяснить, может ли жизнь на основе металлов развиваться в направлении, аналогичном развитию жизни на основе углерода на Земле. Одна из его целей — найти неорганические процессы, которые могут привести к образованию эквивалента клеточной мембраны — структуры, отделяющей живое от неживого. Используя молекулы, называемые полиоксометалатами — сложные молекулы, содержащие сотни атомов, привязанных к таким металлам, как вольфрам, ванадий или молибден, — и стандартные химические методы, он может создавать полые металлические пузырьки или оболочки, которые могут служить клеточными мембранами. В зависимости от параметров эксперимента, эти оболочки могут даже нести отверстия, аналогичные каналам, по которым химические вещества поступают в живые клетки и покидают их. Кронин называет свои творения неорганическими химическими клетками (inorganic chemical cells) или iCHELL.

Одна из целей Кронина — создание металлической версии естественного отбора. Вот как он может работать: ячейка iCHELL будет заполнена несколькими крупными молекулами и молекулами меньшего размера, которые более крупные могли бы использовать для построения молекулярных структур. Конкуренция между более крупными молекулами за более мелкие была бы металлическим эквивалентом естественного отбора, и успешные молекулы, заключенные в металлическую оболочку, были бы аналогом первых на Земле клеток на углеродной основе. Это действительно амбициозный проект, и Кронин, безусловно, обладает научными знаниями, необходимыми для его реализации. Впрочем, авторы считают, что было бы разумно подождать, пока не будет достигнут дальнейший прогресс в данном подходе к неорганической жизни, прежде чем размышлять о том, как такой процесс может происходить на экзопланете.

Хотя подход с использованием iCHELL к созданию чего-то, что можно было бы назвать «живым», зависит от экзотического вида химии, другие учёные полностью отказались от химии в своих поисках жизни, совершенно не похожей на нас. Например, в 2009 году международная группа теоретиков под руководством физика В. Н. Цытовича из Российской академии наук создала компьютерную модель с интересными выводами в отношении природы жизни. Собственно, они начали с облака пылевых частиц, заключённого в плазму. Определение: плазма — это газ, в котором у части атомов были вырваны один или несколько электронов; созданные таким образом положительные ионы, а также электроны способны свободно перемещаться. Обычный способ образования плазмы в природе заключается в повышении температуры газа, что делает сильнее столкновения между атомами и в итоге выбивает из них слабее всего связанные электроны. Плазма довольно распространена во Вселенной — например, вещество на Солнце почти полностью состоит из плазмы — и её не так уж сложно создать: вы делаете это всякий раз, когда включаете флуоресцентную лампочку. Таким образом, природная среда, представленная в компьютерной модели, не является особо экзотической. В пылевой плазме некоторые электроны присоединяются к частицам пыли и тем самым создают отрицательно заряженные частицы, которые также могут свободно перемещаться.

Теоретики обнаружили, что при определённых условиях действие электрическиех и магнитных сил в системе плазма-пыль способствует сбору пыли в структуры, которые можно описать только как микроскопические спирали. Они сами несут электрический заряд и могут, например, расти и разделяться на две спирали, каждая из которых является копией исходного объекта. Возможно, мы захотели бы обозначить этот процесс как воспроизводство. Кроме того, некоторые из спиралей более стабильны, чем другие, что приводит к своего рода выживанию наиболее приспособленных, которое мы связываем с естественным отбором.

Таким образом, мы можем сказать, что самоорганизующиеся пылинки в плазменной среде проявляют некоторые формы поведения, которые мы ассоциируем с живыми системами. Кроме того, они соответствуют нашему определению термодинамической жизни, поскольку поддержание существования плазмы при высокой температуре требует затрат энергии, а спирали явно далеки от состояния равновесия. Однако, сказав это, мы должны подчеркнуть, что все эти модели поведения до сих пор существуют лишь в компьютерной модели, но не в лаборатории или в космосе. Такая форма жизни может быть возможной, но нам нужно будет увидеть физическое проявление этого прежде, чем хотя бы просто подумать, действительно ли то или иное пылевое облако является живым.

Вообще, когда физики вроде команды Цытовича думают о том, как создавать сложные немолекулярные системы, они обычно обращаются мыслями к электричеству и магнетизму. Как было показано в главе 2, эти явления регулируются группой законов, известной как уравнения Максвелла. Там, где они непосредственно относятся к нашему обсуждению, говорится, что

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

• изменяющиеся магнитные поля создают электрические токи

Второе из этих утверждений как раз и объясняет, например, генерацию индуцированных электрических токов, о чём мы говорили в главе 13.

Электрические токи вроде тех, что текут по медным проводам в вашем доме, состоят из электронов. Когда эти электроны движутся, они передают часть своей энергии тяжёлым атомам меди, с которыми сталкиваются, и те после этого движутся чуть быстрее — это явление мы воспринимаем как выделение тепла, которое рассеивается в среде, окружающей провод. Мы говорим, что провод характеризуется наличием так называемого электрического сопротивления. Если мы не будем продолжать добавлять энергию, чтобы восполнить потерянное тепло, ток перестанет течь. Когда это произойдет, исчезнет также любое созданное им магнитное поле (см. первое правило выше).

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес (1853-1926) сделал удивительное открытие: когда температура некоторых металлов, например, ниобия и олова, понижается до нескольких градусов выше абсолютного нуля (-460°F или -273°C), электрическое сопротивление исчезает. В этой ситуации электрические токи будут течь вечно, и связанные с ними магнитные поля также будут существовать вечно. Явление, которое обнаружил Камерлинг-Оннес, называется сверхпроводимостью. Теперь мы понимаем, что оно возникает из-за того, что при таких низких температурах все электроны в токе объединяются и обходят тяжёлые атомы металла, не передавая им никакой энергии. Весь смысл здесь в том, что, если сохранять электрические провода холодными, сверхпроводящие токи можно использовать для создания интенсивных (и постоянных) магнитных полей. Например, если вы когда-либо проходили магнитно-резонансное томографическое исследование, вас прощупывали магнитным полем, которое создаёт электрический ток в сверхпроводнике. Сверхпроводящие магниты имеют ключевое значение для проектирования крупнейших в мире ускорителей частиц — таких, как Большой адронный коллайдер в Швейцарии. Они также значатся в планах следующего поколения железнодорожных перевозок, поскольку являются неотъемлемой частью так называемых маглевов (от «магнитная левитация»), поездов на магнитной подвеске, которые разрабатываются во всем мире для междугородних поездок. Вообще, коммерческие поезда на магнитной подвеске уже работают в Китае. Как это часто бывает в науке, открытие этого малоизвестного явления привело к появлению отраслей промышленности, оборот которых составляет многие миллиарды долларов ежегодно.

Мы можем представить себе миры настолько холодные (например, планету-сироту вроде тех, которые мы обсуждали в главе 11), что металл на их поверхности или внутри них превратился бы в сверхпроводник. Для того, чтобы заставить сверхпроводящий ток течь в такой структуре, не потребовалось бы много усилий: его могло бы запустить движение планеты в протяжённом и изменяющемся межзвёздном магнитном поле. Появившийся в результате этого ток изменил бы магнитные поля внутри планеты и в космосе вокруг неё, создавая электрические токи, которые, в свою очередь, создавали бы магнитные поля и так далее. Нетрудно понять, как система взаимодействующих токов и полей может развиться до сложности, сравнимой с той, что встречаются у живых существ. Будет ли эта система живой — вопрос открытый, однако это пример того, как может выглядеть неорганическая жизнь.

Может ли на сверхпроводящей планете возникнуть нечто вроде естественного отбора? Мы можем представить себе небольшие, самоподдерживающиеся электромагнитные «пакеты», движущиеся внутри такой планеты. Пакеты, которые были более стойкими — например, те, у которых магнитные поля создавали более прочный барьер между тем, что находилось внутри пакета, и тем, что было снаружи, — сохранялись дольше. К тому же они с большей вероятностью будут расти за счёт электрических или магнитных полей в окружающей среде. Если бы эти пакеты развились до такого состояния, когда они разделятся, то у них было бы средство передать характеристики, которые сделали их более стойкими, своим «потомкам». Это может стать началом своеобразного выживания наиболее приспособленных.

Наконец, мы переходим к обсуждению возможности такой формы жизни, которая существует только в научной фантастике. В романе «Академия на краю гибели» Айзек Азимов представляет концепцию планеты, все компоненты которой образуют взаимосвязанную систему. Этот тип планеты появляется также в фильме «Аватар», где вся жизнь Пандоры связана между собой своего рода нейронной сетью. По сути, такая планета в целом является живой, хотя отдельные её части могут быть живыми, а могут и не быть. Возможно, вы понимаете, что такая планета является логическим результатом гипотезы Гайи, которую мы обсуждали в главе 3. (Кстати, планета в романе Азимова называется Гайя.) Суть такой системы в том, что изучение любого отдельного предмета — например, дерева или камня — почти ничего не скажет вам об огромной взаимосвязанной форме жизни, частью которой они являются. Это было бы всё равно, что изучать характеристики одного транзистора и упускать из виду тот факт, что это — просто один маленький компонент суперкомпьютера.

Как мы уже утверждали в главе 3, не существует никаких научных оснований предполагать, что такая сверхсвязанная система может существовать. С другой стороны, если бы она действительно существовала, мы подозреваем, что это была бы самая трудная для распознания и понимания исследователями-людьми форма жизни.

Искусственная жизнь

Когда цифровые компьютеры были разработаны впервые, это были гигантские, неуклюжие устройства, которые зависели от работы вакуумных ламп. Замена вакуумных ламп на транзисторы улучшила их производительность и уменьшила размеры. Тем не менее, в 1960-х и 1970-х годах, когда авторы учились в колледже, компьютер всё ещё мог занимать большую комнату и требовать команды из полудюжины человек, чтобы он мог работать и предоставлять интерфейс пользователям. На том этапе компьютеры были машинами, которые могли следовать инструкциям, данным им людьми, но не выходить за рамки этих инструкций — их воспринимали как своего рода возвеличенные пишущие машинки. Однако уже к тому времени писатели-фантасты начали представлять себе будущее, населенное сложными, осознающими себя компьютерами, обычно воплощёнными в роботов. В зависимости от автора, эти технологически развитые, похожие на живых существ машины могут быть злобными, как в серии фильмов «Терминатор», полезными, как в фильме «Я, робот», или даже богоподобными, как в серии романов о космических путешествиях «Культура» покойного Иэна М. Бэнкса. Во всех этих случаях машины «живые» в каком-то довольно неоднозначном смысле.

Как же всё изменилось! В 1965 году американский инженер Гордон Мур, один из основателей Intel, сделал наблюдение, которое стало известно как закон Мура: в целом, любой из показателей производительности компьютера, вроде количества транзисторов, которые можно разместить на чипе, будет удваиваться каждые два года. Позже было высказано предположение, что производительность компьютера может удваиваться каждые 18 месяцев. За десятилетия, прошедшие с момента его формулировки, закон Мура подтверждался даже тогда, когда технологии менялись — от транзисторов к интегральным схемам и микрочипам.

Важно понимать, что «закон» Мура не является законом природы, подобным закону всемирного тяготения Ньютона. Это просто наблюдение и руководство к действию, аналогичное закону Мерфи (если что-то может пойти не так, всё именно так и случится). Более того, можно утверждать, что закон Мура не может продолжать действовать вечно — рано или поздно вам придётся иметь дело с эквивалентом транзистора размером меньше атома или молекулы. Это кажется невозможным, хотя стоит отметить, что некоторые специалисты по вычислительной технике пытаются разработать системы, которые хранят информацию на отдельных молекулах.

В любом случае закон Мура естественным образом заставляет нас задуматься о двух возможных событиях в будущем. Одно из них — это тот момент, когда мы можем разместить на чипе столько же транзисторов, сколько есть нейронов в человеческом мозге (считается, что их около 100 миллиардов). Назовём его «точкой нейронной эквивалентности». Второе (и более важное) событие — это момент, когда машины достигают уровня интеллекта, эквивалентного интеллекту, которым обладают люди, и вдобавок приобретают способность совершенствоваться. Это состояние называется технологической сингулярностью, и оно было предметом долгих размышлений и анализа.

Пока закон Мура неотвратимо продвигался вперёд, изменилась сама сущность компьютеров. Вместо того, чтобы быть описанными выше возвеличенными пишущими машинками, неспособными выходить за рамки инструкций, вводимых в них операторами-людьми, они приобрели способность к самостоятельному обучению без присмотра человека. Методы, которые позволяют им делать это, называются машинным обучением и искусственным интеллектом (ИИ).

Вот простой пример того, как работают подобные методы: предположим, вы хотите, чтобы ваш компьютер считывал написанные от руки адреса на конвертах — задача, важность которой очевидна для организации вроде Почтовой службы США. Одним из примеров способностей, требуемых от машины, было бы распознавание буквы «е». Один из способов научить компьютер делать это — написать букву «е» на листе бумаги, а затем компьютер наложит на неё сетку в электронной форме. Каждый из квадратов в сетке — технически обозначаемый как «элемент изображения» или пиксель — будет пустым (если он находится не там, где напечатана буква), тёмным (если он находится в напечатанной области) или чем-то средним (если в нём находится край буквы). Тем самым компьютер может преобразовать изображение буквы на листе бумаги в строку чисел, причем каждое число описывает оттенок одного пикселя.

После того, как компьютер «прочитал» серию светлых и тёмных пикселей и задействовал алгоритм принятия решения о том, соответствуют ли они букве «e», кто-то (или что-то) сообщает ему, успешно ли он осуществил идентификацию. Как правило, этот процесс повторяется на многих листах бумаги, на каждом из которых начертание «е» отличается от других — печатная буква, курсив, готический шрифт и так далее — и каждый раз алгоритм решает, присутствует ли там буква «e». В итоге в определённом проценте случаев он примет правильное решение. Предположим чисто теоретически, что при испытательном запуске успешность составляет 70 процентов — то есть, алгоритм правильно определил букву «e» на 70 процентах изученных листов. Теперь компьютер обновляет свой алгоритм. Он может, например, изменить способ сравнения результатов с разных пикселей, придавая меньшее значение тем, которые находятся ближе к краю бумаги. Затем он ещё раз полностью повторяет этот процесс. Если процент успеха увеличивается, он сохраняет изменения в алгоритме; если нет — возвращается к исходному. Компьютер будет так или иначе продолжать пробовать различные изменения в алгоритме, всегда отдавая предпочтение тем, которые дают более правильное распознавание. В итоге система станет показывать высокий процент успеха, и в этот момент мы скажем, что она «обучилась».

Существуют разного рода навороты и прибамбасы, которые можно ввести в процесс такого рода. Например, машина может скремблировать инструкции из разных программ — по сути, «выводить» новые алгоритмы. После этого самые успешные вновь «скрещиваются», чтобы создавать ещё более успешные программы в странном подобии биологического естественного отбора. Этот метод так называемого эволюционного алгоритма является всего лишь одним из способов ведения разработки программ искусственного интеллекта.

В последнее время описанный выше примитивный вариант развития искусственного интеллекта был усовершенствован до такой степени, что машины обучаются выполнять очень сложные операции — например, распознавать человеческие лица, или управлять беспилотным автомобилем. В литературе можно найти множество прогнозов в отношении того, что эти новоприобретённые способности будут означать для человеческой жизни и занятости в будущем. Однако один из аспектов искусственного интеллекта, который для наших целей важнее всех остальных, заключается в том, что, как только программа начинает свой процесс обучения, ей уже не требуется никаких дополнительных инструкций от человека. В принципе, когда используются сложные программы, люди почти наверняка не будут знать, что сделала машина. Программа становится, по сути, «чёрным ящиком». Этот аспект искусственного интеллекта дал начало области исследований, которую мы можем назвать компьютерной психологией — в этом случае люди пытаются понять, каким путём машина пришла к представленному ею конечному результату.

Отделение процесса модификации алгоритма от контроля и понимания его человеком как раз и является источником концепции искусственной жизни. Эта утрата контроля порождает также мрачные видения будущего под управлением компьютеров, где компьютеры обычно предстают в виде роботов. Именно это является поводом для размышлений об упомянутой выше технологической сингулярности, о том моменте, когда компьютеры становятся такими же «разумными», как и люди, и приобретают способность самосовершенствоваться без контроля со стороны человека.

Однако отбросьте шумиху — и окажется, что опасения по поводу технологической сингулярности вращаются вокруг допущения о том, что существует нечто под названием разум, и что машины, как только овладеют им в достаточной степени, станут механическими версиями человеческих существ. Это, в свою очередь, проистекает из другого (обычно подразумеваемого негласно) предположения: человеческий мозг — это не что иное, как особо совершенный компьютер. Аргументами за и против этого утверждения наполнено множество книг и множество страниц научных журналов. Например, в своей книге «Новый ум короля» физик-теоретик Оксфордского университета Роджер Пенроуз погружается в абстракции современной математики, чтобы доказать, что человеческий мозг способен выполнять операции, которые даже в принципе не могут быть выполнены компьютером.

Таким образом, мы можем вкратце охарактеризовать различия между человеческим мозгом и компьютером (далее мы обсудим это более подробно):

• Мозг может легко делать то, что трудно сделать компьютеру, и наоборот.

• Скорость работы нейронов измеряется миллисекундами; скорость работы транзисторов измеряется наносекундами — это в миллион раз быстрее.

• У мозга электрическое и химическое управление, у компьютера — только электрическое.

Мозг очень хорошо справляется с такими задачами, как выявление закономерностей и оценка контекста произносимых слов — это задачи, которые нелегко даются компьютерам. С другой стороны, где-то есть такой компьютер, который знает всех людей, которые завтра полетят самолётами United Airlines, чего не смог бы сделать ни один человек. Мозг и компьютер хорошо справляются с решением разных задач. В результате вместе они образуют хорошую команду.

Основным рабочим компонентом мозга является нейрон, а у компьютера основным рабочим компонентом является транзистор. Типичный нейрон получает сигналы от других нейронов и с помощью процесса, который мы не особенно хорошо понимаем, решает, посылать ли сигнал другим нейронам. Чтобы сделать всё это и вернуться в исходное состояние для дальнейшей работы, нейрону требуется примерно одна миллисекунда. Современные транзисторы включаются и выключаются не менее чем в миллион раз быстрее. Хотя обе этих величины могут показаться невероятно быстрыми по человеческим меркам, вот небольшое сравнение, чтобы дать понять наглядно, насколько они отличаются друг от друга: предположим, что человек А (который символизирует транзистор) может выполнить данное ему задание за день. Предположим, что человек Б (символизирующий нейрон) тоже может выполнить это задание, однако это займёт в миллион раз больше времени. Если бы человек А приступил к выполнению задания 24 часа назад, то когда человек Б должен был бы начать работу, чтобы они могли закончить её в одно и то же время? Ответ: в 770 году до н.э., за несколько веков до того, как афинские греки составили свод законов логики.

Наконец, мы отмечаем, что эндокринная система человека способна наполнять мозг химическими веществами, которые оказывают значительное влияние на его функционирование. Например, представьте себе попытку сдать трудный экзамен сразу же после расставания со своим женихом или невестой. (Как профессора старой школы, мы оба можем засвидетельствовать, что такого рода вещи случаются чаще, чем вы думаете.) Таким образом, хотя и мозг, и компьютер обладают системами, которые приводятся в действие посредством электричества, только у мозга есть ещё и химический контроль.

Короче говоря, мы не можем относиться к компьютеру, который существует в наши дни, так же, как мы относимся к мозгу. Просто эти две системы слишком разные. Это не значит, что мы считаем, что никто и никогда не сможет создать компьютер, достаточно сложный, чтобы его можно было считать живым и сознательным. Это далеко не так. Просто если бы был создан такой компьютер, он был бы не просто примером Человечества версии 2.0, но обладал бы иным типом разума по сравнению с нами. Хотя мы даже представить себе не можем, как может выглядеть этот разум, мы с большой радостью присоединяемся к группе писателей-фантастов, которые изображают роботов и компьютеры будущего лишёнными человеческих эмоций. Этот вывод, видимо, вытекает из отсутствия компьютеризированного эквивалента эндокринной системы, что либо останется особенностью машин передовой конструкции, либо не останется.

Будет ли развитие «мыслящих» компьютеров обязательно означать конец человечества? Это, безусловно, самый распространённый из всех сценариев в жанре антиутопии. Многие из них предполагают, что где-то на этом пути технически совершенные компьютеры достигнут состояния технологической сингулярности, приобретя разум и научившись улучшать свою собственную конструкцию. Эти изменения, как мы уже говорили выше, могут быть незаметными для людей, следящих за машинами. С этого момента, говорится далее, машины будут совершенствоваться с головокружительной скоростью, быстро выходя из-под контроля человека, что станет началом катастрофы для их создателей. Мы можем назвать это «сценарием ученика чародея».

Наш любимый «сценарий ученика чародея» был сформулирован философом Оксфордского университета Ником Бустрёмом и известен под названием «вселенная скрепок». Создана машина с искусственным разумом, в функцию которой входит брать материалы из окружающей среды и превращать их в канцелярские скрепки. Он совершенствуется до такой степени, что выходит из-под контроля человека и в итоге превращает всю вселенную, в том числе людей, которые его создали, в скрепки. Важно понимать, что в этом сценарии со стороны ИИ не проявляется никаких эмоций. У машины нет к вам ненависти: просто вы сделаны из атомов, которые нужно превратить в скрепки.

Как и любой другой человек, мы получаем удовольствие от просмотра хорошего фильма-катастрофы. С другой стороны, нам трудно воспринимать подобные сценарии слишком серьёзно. В конце концов, они требуют от нас верить в расу существ, которые являются достаточно хорошими инженерами, чтобы создавать машины с искусственным интеллектом передовой конструкции, но слишком глупы, чтобы понять, что в свои творения нужно вставлять ещё и выключатель.

Одной из интересных вариаций темы искусственного интеллекта является нечто под названием «зонд фон Неймана». Он назван в честь американского математика венгерского происхождения Джона фон Неймана (1903-57). Говоря современным языком, зонд фон Неймана — это робот, управляемый искусственным разумом, способным контролировать создание собственных копий. Идея состоит в том, что целый флот этих зондов можно было бы отправить на экзопланету при сравнительно небольших затратах, поскольку они не требуют жизнеобеспечения. Как только несколько из них совершат посадку, они смогут приступить к поиску месторождений полезных ископаемых и других материалов, необходимых для создания большого штата рабочих, которые, в свою очередь, начнут создавать инфраструктуру, необходимую для колонистов-людей (или, как минимум, для кого-то на углеродной основе), которые прибудут, когда роботы закончат работу. (Если предполагать, что способ передвигаться быстрее скорости света не был открыт, колонисты, которых запустили туда отдельно, проведут долгое путешествие между звёздами в состоянии анабиоза или, возможно, будут потомками людей, которые поднялись на борт корабля поколений десятки, или даже сотни лет назад.) Добравшись до экзопланеты, люди, предположительно, отправят ещё одну флотилию зондов фон Неймана, чтобы запустить процесс в следующем подходящем мире. Как вариант можно было бы запрограммировать зонды фон Неймана на самостоятельное выполнение этой задачи.

Дело в том, что как только процесс фон Неймана начнётся, он будет продолжаться до конца, независимо от того, выживут исходные строители, или нет. Без путешествий со сверхсветовой скоростью после того, как произойдут первые несколько повторений этого процесса фон Неймана, существам с родной планеты будет сложно общаться с самым дальним краем фронта колонизации. Назовём получившуюся ситуацию, когда роботы разлетаются веером по колониям по всей галактике, волной фон Неймана. Расчёты показывают, что для покрытия всего Млечного Пути волне фон Неймана потребовалось бы несколько десятков миллионов лет. Хотя по человеческим меркам это долгий срок, в космической астрономии едва ли пройдёт один миг. Если мы воспользуемся нашим старым трюком сжатия истории Вселенной в один год, то волна фон Неймана накроет галактику всего лишь за день или два.

Один из способов сформулировать парадокс Ферми (см. главу 9) — это спросить, почему зондов фон Неймана нет на Земле. Мы сомневаемся, что у людей возникли бы какие-то проблемы с распознаванием обычных роботов, компьютеризированных существ или обладателей искусственного интеллекта, хотя вполне возможно, что зонды фон Неймана были бы настолько совершенными технически, что мы вообще не смогли бы их распознать. В любом случае, вопрос о том, будут ли они «живыми» или «мыслящими», гораздо сложнее. В главе 3 мы видели, как сложно дать определение концепции жизни, которая кажется такой простой. Определить, обладает ли другое существо сознанием, ещё сложнее, и мы считаем, что справедливо будет сказать, что в настоящее время мы и близко не подошли к тому, чтобы дать ответ этот вопрос.

В 1950 году учёный в области информатики Алан Тьюринг (1912-54) предложил один подход к проблеме машинного сознания. Идея его так называемого «теста Тьюринга» состоит в том, чтобы группа людей взаимодействовала с кем-то (или чем-то) таким образом, чтобы они не могли видеть, с кем (или с чем) они взаимодействуют. О машине, которая способна убедить судей в том, что она является человеком, говорят, что она прошла тест Тьюринга. На момент написания этих строк этого не удалось ещё ни одной машине, хотя некоторые добились определённых успехов, когда тема, разрешённая для опроса, была ограничена. Похоже, что компьютеры испытывают проблемы с такими вещами, как сарказм, юмор и человеческая иррациональность. Роботов, способных пройти тест Тьюринга, в ближайшем будущем не ожидается, но, в конце концов, они почти наверняка появятся. Наконец, мы отмечаем, что, несмотря на популярный фольклор, утверждающий обратное, машина, которая прошла тест Тьюринга, не дала доказательство того, что она обладает сознанием — она просто продемонстрировала способность обманывать оценивающих её людей.

В любом случае мы можем быть уверены, что в будущем создадут более мощные компьютеры, и мы не видим причин, по которым некоторые из них не смогли бы приобрести своего рода сознание. Однако, как мы утверждали, говоря о разуме, нет никаких оснований для того, чтобы их разум был того же рода, что и наш. Тем не менее, мы можем быть в достаточной степени уверенными в том, что рано или поздно появится нечто вроде обладающей самосознанием машины. Один из ответов лучше всего выражают перефразированные слова пионера компьютерной техники Дэнни Хиллиса: «Целью человечества должно быть создание таких машин, которые будут гордиться нами».

И вполне возможно, что технологически развитые цивилизации на экзопланетах могут считать так же.

Майк и Джим

Майк: Но, возможно, что и нет.

Джим: Интересный вопрос.

17

ВОПРОСЫ БЕЗ ОТВЕТОВ

Наука обладает одной замечательной особенностью: у неё никогда не заканчиваются вопросы. На протяжении всей этой книги мы видели, как открытия поднимали новые вопросы, которые ещё только предстоит решить. И вполне уместным было бы открыть эту последнюю главу, посвящённую обсуждению нерешённых проблем, цитатой персидского учёного и поэта Омара Хайяма (1048-1131), который написал в книге «Рубайят»:

Кто в тайны вечности проник? Не мы, друзья,

Осталась тёмной нам загадка бытия[14]

Если история науки чему-то нас и учит, так это тому, что разработка новых приборов, новых способов измерений или наблюдений открывает двери, которые ранее были закрыты. Поэтому мы можем начать наше обсуждение с того, что рассмотрим некоторые инструменты, которые, как ожидается, вскоре появятся в Сети, и спросим себя: на какие нерешённые вопросы они могли бы дать ответ? После этого мы обратимся к некоторым новым проблемам, которые возникли во время нашего исследования экзопланет.

Новые инструменты для давнего поиска

Марс 2020

Где-то летом 2020 года космический корабль взлетит с Земли и направится к Марсу, куда прилетит в начале 2021 года. Его груз — марсоход нового поколения. Эта машина размером с автомобиль в настоящее время известна как «Mars 2020», хотя мы уверены, что НАСА придумает более подходящее название задолго до того, как она совершит посадку[15]. Его конструкция основана на феноменально успешном марсоходе «Curiosity», который колесит по поверхности Марса с 2012 года.

Вы помните, что мы посвятили значительную часть главы 5 обсуждению долгих и сложных дебатов по вопросу о существовании жизни на Марсе в настоящее время и в прошлом. Пакет инструментов «Mars 2020» предназначен для сбора доказательств, относящихся к этому вопросу. Например, на нём будут установлены приборы, способные обнаруживать органические материалы в минералах на расстоянии, хотя мы должны иметь в виду, что «органические» молекулы не обязательно должны создаваться живыми системами. Тем не менее, эта новая функциональная возможность будет иметь важное значение для определения направления исследований, которые проводит марсоход.

В техническом плане у марсохода также будут усиленные колеса — марсианские камни повредили алюминиевые «шины» «Curiosity», что ограничило его свободу передвижения. Кроме того, «Марс 2020» станет первым марсоходом, у которого будет разведчик: небольшой беспилотник, оснащённый камерами, полетит вперёд и выберет путь для марсохода. Ожидается, что это позволит аппарату двигаться значительно быстрее — в противоположность ему, «Curiosity» всё ещё должен ждать, пока наземные операторы выберут ему путь следования.

Однако самая важная с нашей точки зрения научная возможность нового аппарата заключается в том, что «Марс 2020» будет обнаруживать породы и минералы, которые были созданы водой и, следовательно, могут содержать химические следы живых организмов, которые развивались на заре истории планеты. Эти образцы будут помещены в условленных местах на поверхности Марса и будут подобраны и доставлены на Землю более поздними миссиями. Обсуждения, идущие в настоящее время, предполагают, что такое возвращение может быть осуществлено уже в 2026 году. Идея заключалась бы в том, что спускаемый аппарат забирает образцы, а затем доставляет их на орбиту, где их переместят на другой космический корабль и доставят на Землю или, возможно, на лунную орбиту.

Если предположить, что такие химические «окаменелости», или, возможно, даже микроокаменелости отдельных клеток, будут обнаружены, то вполне возможно, что долгие дебаты о жизни на Марсе могут разрешиться уже в следующем десятилетии. Разумеется, если они не будут найдены, нынешняя удручающая дискуссия будет продолжаться.

Хотя свидетельства существования жизни на Марсе — в прошлом или в настоящее время — стали бы великим научным открытием, у марсохода «Марс 2020» есть и другие компоненты, применение которых, как мы полагаем, может оказать гораздо более глубокое влияние на будущее человечества. Один из них — набор метеорологических приборов, который знаменует начало серьёзного изучения марсианской погоды с прицелом на понимание условий, с которыми могут столкнуться будущие колонисты-люди. Ещё один — это серия инженерных экспериментов, направленных на поиск способов добычи кислорода из атмосферы Марса. Эта атмосфера, пусть и разреженная, состоит в основном из углекислого газа, так что там, в небе, найдётся вдоволь кислорода, если мы сумеем понять, как его получить. Если нам будет сопутствовать успех, у нас будет кислород не только для систем жизнеобеспечения, но и для использования его в качестве окислителя ракетного топлива. Иными словами, эта технология могла бы представлять собой первый шаг человеческой расы на пути к превращению в звёздную цивилизацию.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб»

Космический телескоп «Хаббл», знаете ли, тоже не вечен. С момента его запуска в 1990 году, посещавшие его астронавты осуществили пять модернизаций (последняя была в 2009 году), но больше их не планируется, и телескоп, вероятно, перестанет функционировать где-то в следующем десятилетии. Нам будет грустно видеть, как это происходит, потому что, если не считать прибора, который Галилей впервые обратил к небу в 17 веке, «Хаббл», возможно, был самым продуктивным телескопом из когда-либо построенных. Впрочем, не волнуйтесь — его замена уже ждёт своего часа. В 2021 году НАСА запустит космический телескоп «Джеймс Уэбб»[16] — это преемник «Хаббла». (Небольшое пояснение: Уэбб [1906-92] был администратором НАСА в 1960-е годы. Напоминаем вам, что в это десятилетие агентство переживало свои золотые дни, и тогда же были первые высадки «Аполлонов» на Луне.)

Однако прежде, чем мы обсудим прибор, давайте взглянем на то, что может быть самым странным аспектом миссии «Дж. У.»: это орбита, на которую он будет выведен. «Хаббл» вращается вокруг Земли по орбите, удалённой от поверхности на несколько сотен миль, что давало возможность периодических визитов астронавтов для технического обслуживания и ремонта. А вот «Дж. У.» будет находиться в так называемой второй точке Лагранжа в системе Земля-Солнце, на расстоянии 930 000 миль (1,5 миллиона км) от Земли в сторону Солнца. Далее мы обсудим, в чём именно заключается смысл этого, но здесь мы должны сразу отметить одну вещь: ни один астронавт не сможет отправиться на «Дж. У.», когда тот окажется на орбите. Это означает, что всё должно работать правильно с самого начала. Здесь просто нет места для ошибок. И поговорите теперь о давлении на инженеров!

Точки Лагранжа в астрономии названы в честь французского физика и математика Жозефа-Луи Лагранжа (1736-1813). Это места, где силы притяжения двух тел (в данном случае Земли и Солнца), совместно воздействующие на объект, точно компенсируют центробежную силу, связанную с орбитой объекта, тем самым позволяя ему оставаться в одном и том же положени относительно двух тел в течение неопределённо долгого срока. Несмотря на то, что «Дж. У.» будет находиться дальше от Солнца, чем Земля, его положение отрегулировано таким образом, чтобы он завершил оборот вокруг Солнца за тот же годичный период, что и сама Земля. (В качестве технического аспекта отметим, что «Дж. У.» фактически будет вращаться вокруг второй точки Лагранжа, а не оставаться в ней.)

Этот телескоп — чудо современной техники. Главное зеркало состоит из 18 шестиугольных сегментов, каждый из которых весит около 46 фунтов (21 кг) и изготовлен из бериллия с золотым покрытием. Бериллий лёгкий и прочный, зато золото хорошо отражает инфракрасное излучение — к этому моменту мы вернёмся буквально через мгновение. Полностью раскрытое зеркало будет более 21 фута (6,5 м) в диаметре. (Для сравнения: зеркало на «Хаббле» — почти 8 футов [2,4 м] в диаметре.) Зеркало слишком велико, чтобы поместиться внутри ракеты, поэтому перед запуском оно будет сложено, а развернётся только тогда, когда телескоп достигнет точки Лагранжа. Чтобы разработать процедуры складывания и раскладывания, инженеры НАСА изучали японское искусство оригами.

В отличие от «Хаббла», «Дж. У.» сконструирован для обнаружения инфракрасного излучения, у которого длина волны больше, чем у видимого красного света. Как мы уже отмечали, при температуре выше абсолютного нуля каждый объект испускает электромагнитное излучение в той или иной форме. Этот факт создаёт особую проблему для инженеров, проектирующих инфракрасный телескоп. Проще говоря, проблема такова: как не дать телескопу обнаруживать самого себя? В конце концов, он находится при температуре выше абсолютного нуля, поэтому нам придется вылавливать инфракрасные сигналы из космоса в дымке излучения, создаваемой самим прибором.

Обычный способ решения этой проблемы состоит в снижении температуры телескопа таким образом, чтобы излучение, которое он испускает, имело длину волны больше, чем та, которую могут зарегистрировать его приборы. Инфракрасные телескопы в космосе обычно снабжены запасом жидкого гелия, чтобы прибор оставался холодным. (Для справки: температура жидкого гелия составляет около 4 градусов выше абсолютного нуля [-450 ° F или -270°C].) Проблема всегда заключается в том, что, когда гелий заканчивается — обычно через несколько лет — больше нет возможности сохранять температуру прибора достаточно низкой.

Такого рода «силовое» инженерное решение явно не подходит для «Дж. У.», который будет снабжён достаточным запасом топлива, чтобы удерживаться на заданной орбите в точке Лагранжа в течение 10 лет — это гораздо дольше, чем могут проработать охлаждающие жидкости. Вместо них «Дж. У.» сохранит холодным сложная конструкция, известная как теплозащитный экран. Полностью развёрнутый, этот экран размером с теннисный корт будет состоять из пяти слоёв плёнки с алюминиевым покрытием. Задумка состоит в том, что он будет поддерживать холод вокруг телескопа — и отражая тепло от внешних источников вроде Солнца и Земли, и отводя от телескопа тепло, создаваемое им самим. При работающем в полную силу теплозащитном экране температура телескопа будет достаточно низкой, чтобы излучение самого «Дж. У.» не искажало данные, поступающие из космоса. Как и главное зеркало телескопа, теплозащитный экран будет развёрнут, как только «Дж. У.» окажется в заданном месте. Отметим между делом, что разрыв щита во время испытаний, развёрнутых в 2017 году, задержал дату запуска «Дж. У.» на год — до назначенной в настоящее время в 2021 году.

Итак, что же мы можем ожидать узнать о жизни на экзопланетах, как только «Дж. У.» будет успешно развёрнут и угнездится на своей орбите в точке Лагранжа? Основными преимуществами этого прибора будут (1) высокое разрешение, обусловленное его большими размерами, и (2) его способность обнаруживать излучение вплоть до длинных инфракрасных волн. Эти возможности позволят телескопу исследовать атмосферы экзопланет в поисках признаков поглощения инфракрасного света специфическими молекулами, которые могут указывать на присутствие жизни — как мы уже обсуждали это в главе 5. В некоторых случаях «Дж. У.» может даже напрямую получить изображения экзопланеты, а в другое время он будет использовать анализ транзита планет, который мы уже описали. Вопрос о том, сможем ли мы истолковать такого рода данные как несомненное обнаружение жизни, может, по нашему мнению, остаться без ответа в обозримом будущем.

Поскольку мы говорим о новых телескопах, мы должны упомянуть TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), запущенный НАСА в 2018 году, и «Хеопс» (CHEOPS — Characterising ExOPlanet Satellite), запуск которого запланирован Европейским космическим агентством в 2019 году[17]. Оба этих космических телескопа будут проводить подробные наблюдения за близлежащими экзопланетами.

SETI

Поиск внеземного разума (the search for extraterrestrial intelligence — SETI) продолжается уже давно. Он начался в конце 1950-х годов, когда учёные поняли, что наши новые радиотелескопы позволят нам обнаруживать радиосигналы, посылаемые другими технологически развитыми цивилизациями нашей галактики — конечно, при условии, что эти сигналы были посланы. С тех пор поиски продолжаются — иногда при поддержке правительства, но обычно без неё.

Исходный довод в пользу поиска внеземного разума основывался на технологии середины 20 века, когда радио- и телевизионные сигналы транслировались без разбора во всех направлениях, в том числе в космос. Идея состояла в том, чтобы мы могли прослушивать чужие передачи. Или же, как вариант, вполне возможно, что кто-то вне Земли пытался связаться с нами, и в этом случае радиотелескопы в настоящее время дали нам возможность «снять трубку».

Лучшая аналогия для проведения поиска в рамках проекта SETI — это поиск определённой радиостанции в незнакомом городе: вы настраиваетесь на одну частоту, некоторое время слушаете, затем настраиваетесь на другую. Точно так же зондирование определённой звезды или планетной системы в рамках SETI должно «перебрать» весь спектр радиочастот — это масштабный проект. Иногда учёные утверждают, что инопланетяне выберут для общения определённую частоту (популярным выбором была так называемая 21-сантиметровая [8 дюймов] линия водорода) и что из-за этого мы должны исследовать только такие частоты. Конечно, проверка меньшего количества частот облегчает поиск, но она также затрудняет интерпретацию отрицательного результата: вы не можете определить, отсутствует ли сигнал вообще, или же присутствует, но не на той частоте, которую вы прослушиваете.

Технический прогресс на Земле показал, что стратегия подслушивания страдает серьёзным недостатком. На заре проекта SETI предполагалось, что, как только технологически развитая цивилизация достигнет точки, когда она сможет осуществлять трансляции, она будет продолжать делать это в течение длительных периодов времени — тысяч или даже, по некоторым расчётам, миллионов лет. Но на самом деле на Земле всё больше и больше передач осуществлялось по оптоволоконным кабелям и напрямую через спутники вместо того, чтобы транслироваться в космос. Таким образом, в последние 30 лет наша «подпись» в теле- и радиоэфире значительно выцвела. Поэтому мы подозреваем, что инопланетяне также будут излучать пригодные для «подслушивания» сигналы в течение короткого периода развития своей цивилизации — по сути, ровно до тех пор, пока их технологии не перейдут от радиопередач к волоконной оптике.

Мы можем подвести итог полувековой работы SETI одним предложением: мы не обнаружили никаких однозначных сигналов от внеземных цивилизаций. Точка. Объяснение этого так называемого «Великого молчания» остаётся одной из неразрешённых задач науки. Попутно отметим, что не всегда легко решить, имеет ли данный сигнал естественный источник или исходит от инопланетян. Например, когда были впервые замечены сигналы пульсара, астрономы, которые их обнаружили, назвали эти регулярно повторяющиеся радиоимпульсы «LGM-1»: это аббревиатура, означающая «маленькие зелёные человечки» ("little green men”).

Важнейшие научные вопросы

Если принять во внимание новые технологические возможности, которыми мы будем обладать в течение следующих нескольких десятилетий, то на какие вопросы мы захотим ответить? Ниже приведён неполный список направлений, по которым мы ожидаем осуществления исследований.

Каково определение жизни?

В главе 3 мы увидели, как трудно дать определение жизни, даже если мы ограничиваем свои усилия лишь нашей планетой. Если мы собираемся отправиться в космос на поиски жизни, у нас должно быть, как минимум, чёткое представление о том, что мы ищем. Это проблема, стоящая на границе между наукой и философией. Например, определение биологической жизни может обращать внимание на присутствие сложных биомолекул, тогда как определение небиологической жизни может обращать внимание на сложность структур.

Что это значит — сказать, что планета пригодна для жизни? ЗООЗ как область, определяемая наличием на поверхности планеты жидкой воды в стабильном состоянии — это слишком консервативное и ограниченное понятие. Новое определение должно учитывать возможность обнаружения жизни под землёй или в океанах подо льдом, а также на поверхности или внутри лун, вращающихся вокруг планет, как мы видели в случае Европы в главе 7. Кроме того, мы почти ничего не знаем об условиях, необходимых для существования неорганической жизни, поэтому для данного явления определение «жизнепригодности» ещё предстоит сформулировать.

Как мы можем обнаружить жизнь на экзопланетах?

В главе 5 мы обсудили трудности, возникающие в ходе поиска однозначных свидетельств жизни на других планетах — даже на Марсе, который находится в нашей Солнечной системе, и на поверхность которого мы уже посадили свои марсоходы. А как обстоят дела с действительно далёкими планетами, находящимися за пределами нашей Солнечной системы? Ни один из телескопов, которые выйдут в онлайн в следующем десятилетии, не позволит нам провести такие измерения, которые смогли бы дать однозначный ответ на вопрос о том, есть ли жизнь на этих планетах, хотя они предоставят нам более точные данные. Существуют ли ещё не использованные измерения, которые мы могли бы провести, чтобы решить эту проблему?

Как мы можем обнаружить развитые цивилизации на экзопланетах?

Обнаружение инопланетных цивилизаций — это классическая ситуация, когда «есть две новости: хорошая и плохая», и успех в поиске зависит от того, насколько они развиты технически. Как мы уже видели, непреднамеренные передачи сигналов в эфир, скорее всего, прекратятся, как только цивилизация разработает оптические волокна. Аналогичным образом то промышленное загрязнение, которое пропитывает атмосферу Земли (и легко обнаруживается издалека), у более развитой цивилизации может отсутствовать. Иными словами, если такая цивилизация не хочет быть обнаруженной, мы, вероятно, даже не узнаем о ней.

С другой стороны, если кто-то вне Земли захочет послать сигнал, это, вероятно, будет совершенно очевидно. Мечта исследователей SETI — чтобы это было лёгкое в расшифровке сообщение, которое инопланетяне используют, чтобы представиться.

Как мы можем обнаружить планеты-сироты?

Если учесть, что планет-сирот, вероятно, значительно больше, чем планет, вращающихся вокруг звёзд, необходимо разработать какой-то лучший метод обнаружения этих изгоев. Скорее всего, для этого потребуется специальный инфракрасный телескоп, расположенный, как и «Джеймс Уэбб», в точке Лагранжа.

Какие расчёты необходимо выполнить?

В дополнение к изложенным выше задачам наблюдения мы можем подумать о том, какие серьёзные расчёты необходимо будет выполнить в ближайшие годы:

• Каковы метеоусловия в мирах, находящихся в приливном захвате? При каких условиях разумно ожидать развития жизни в зонах терминатора или где-то ещё в этих мирах?

• Какой интенсивности могут достигать мощные солнечные вспышки и выбросы массы у красных карликов, и какое влияние они могут оказать на долгосрочную жизнепригодность и саму жизнь на планетах вокруг этих звёзд?

• Каково поведение воды и льда при тех давлениях, которые мы могли бы ожидать найти в водных мирах, особенно там, где очень глубокие океаны?

• Какое влияние оказывает присутствие множества близко расположенных звёзд (ситуация, которую мы наблюдаем вблизи центра галактики) на развитие жизни?

Конечно же, это всего лишь неполный список вопросов, ожидающих ответа. Однако в одном мы можем быть уверены: когда на любой из них будет дан ответ, на их месте появятся новые вопросы.

Находимся ли мы в безопасности?

Мы уже не раз отмечали, что область вокруг звезды является очень опасным местом для развития жизни. Одну из самых больших опасностей представляют собой астероиды, которые могут врезаться в планету, угрожая жизни на ней, или даже уничтожая её полностью. История подобных столкновений с нашей собственной планетой даёт представление о масштабах этой угрозы. Если хотите, взгляните на приведённые далее даты.

15 февраля 2013 года

Камень весом 11 000 тонн (10 000 метрических тонн) размером с 6-этажное здание, миллиарды лет блуждавший по Солнечной системе, вошел в атмосферу Земли 15 февраля 2013 года, двигаясь со скоростью 12 миль в секунду (около 20 км/сек). Сильный нагрев, создаваемый трением в атмосфере, вызвал появление в камне разрушительных напряжений, и тем солнечным зимним утром он взорвался в воздухе примерно в 12 милях (20 км) над Челябинском в Сибири. Этот взрыв, мощность которого, по оценкам, в 20-30 раз превышает энергию одной из атомных бомб, сброшенных на Японию во время Второй мировой войны, повредил более 7000 зданий в этой местности — в основном были разбиты стёкла. К счастью, обошлось без жертв, но свыше 1500 человек получили ранения, главным образом из-за осколков стекла.

Один положительный результат этого события: сложился крупный интернет-рынок, позволяющий людям по всему миру приобрести осколки метеорита.

30 июня 1908 года

30 июня 1908 года камень размером с 20-этажное здание вошёл в атмосферу над рекой Тунгуской в Сибири. Как и его меньший родственник более чем век спустя, он взорвался в воздухе из-за чрезвычайно сильных напряжений, вызванных нагревом из-за трения. Это был чудовищный взрыв, мощность которого примерно в 1000 раз превышала мощность атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму, и он повалил деревья на расстоянии более 10 миль (16 км). Однако из-за того, что этот район был очень малонаселённым, не было ни раненых, ни погибших, и осталось лишь очень немного свидетельств очевидцев. Вообще, этот район настолько отдалённый, что лишь в 1927 году советским учёным удалось добраться до области взрыва и начать её исследование.

47 000 лет до н. э.

Другой метеорит — на этот раз почти 500 футов (160 м) в поперечнике, или размером примерно с 50-этажное здание, — вошёл в атмосферу в 47 000 году до нашей эры над местностью, которая сейчас является штатом Аризона. Существуют некоторые разногласия по поводу того, двигался ли он со скоростью 12 миль в секунду (20 км/сек) или «всего лишь» 8 миль в секунду (12 км/сек), но в любом случае двигался он быстро. Этот метеорит, вероятно, содержал много железа, поэтому, в отличие от двух описанных выше объектов, он не разрушился из-за внутренних напряжений, а долетел до самой земли. Он врезался в землю, и его энергия превратилась в тепло, испарив местные породы и половину самого метеорита. Выброс энергии вызвал взрыв, в результате которого образовался кратер достаточной глубины, чтобы в нём уместилось 60-этажное здание — кратер, который в наше время является одним из главных туристических объектов в северной Аризоне.

Сегодня он называется кратером Бэрринджера[18] в честь американского геолога и горного инженера Дэниела Бэрринджера (1860-1929) — первого человека, который понял, что он образовался в результате столкновения с внеземным объектом. Это название иллюстрирует загадочный факт. Несмотря на множество достоверных свидетельств, на протяжении большей части документированной истории учёные просто отказывались верить, что такие объекты, как метеориты, могли падать с неба. Приведём лишь один пример: после падения метеорита в Коннектикуте в 1807 году Томас Джефферсон, который, помимо прочих своих талантов, был выдающимся учёным, сказал, что «легче поверить, что два профессора-янки могут врать, чем признать, что камни могут падать с небес». Некоторые учёные объясняют такое отношение реакцией на народные байки, в которых утверждалось, что на Земле могут проливаться дожди из всего, чего угодно — от крови до лягушек.

Во всяком случае, такое отношение начало угасать к 1803 году, когда близ Л’Эгля в Нормандии (Франция), упали более 3000 метеоритов. Французский учёный Жан-Батист Био (1774-1862) посетил город, чтобы провести расследование, и обнаружил, что камни действительно упали с неба и сильно отличались по химическим и физическим признакам от других камней по соседству. Мы не знаем, слышал ли когда-нибудь об этом Джефферсон — в то время его заботили последствия покупки Луизианы. Однако мы подозреваем, что он изменил бы свое мнение об этих лукавых профессорах-янки, если бы всё же услышал об этом.

65 000 000 лет до н. э.

Был обычный день на Земле мелового периода. Динозавры в местности, которую мы сейчас называем Юкатан, в Мексике, были заняты своими обычными динозавровыми делами. Внезапно в небе появилась огромная полоса света, за которой последовал взрыв — громче, чем всё, что они когда-либо слышали. Они бы не поняли этого, однако их дни на вершине пищевой цепи Земли закончились.

Причина заключалась в том, что в Землю врезался астероид диаметром 8 миль (12 км). На самом деле он падал на Солнце — планета просто случайно оказалась у него на пути. Он прожёг атмосферу и океан, словно их просто не было, зарылся в землю и образовал кратер диаметром более 100 миль (160 км) недалеко от города, который мы сегодня называем Чиксулуб. Результаты были катастрофическими во всех смыслах этого слова. Пыль и обломки из кратера были выброшены на баллистическую орбиту и образовали сплошной покров в верхних слоях атмосферы, погрузив планету во тьму, которая длилась несколько лет. Повсюду происходили мощные цунами, обширные лесные пожары, и ещё на большей части Западного полушария выпадали едкие кислотные дожди. Когда пыль рассеялась, динозавры, которые правили миром сотни миллионов лет, исчезли, и сцена для расцвета млекопитающих, в том числе для возникшего в дальнейшем Homo sapiens, была свободна.

Наша родная планета движется в космической среде, полной мусора, оставшегося после процесса формирования планеты, и иногда часть этого мусора сталкивается с нами. В целом в результате этих столкновений Земля добавляет к своей массе около 40 тонн (36 метрических тонн) ежедневно. Эти столкновения могут варьировать от проходящих бесследно, как бывает, когда мы видим горящую в небе падающую звезду, до поистине катастрофических, как в случае вымирания динозавров. В целом, чем крупнее тело, идущее на столкновение, тем больше проходит времени между такими столкновениями. Мы ожидаем события уровня вымирания, или «Элли» (так произносится его аббревиатура ELE — extinction-level event), примерно один раз в 100 миллионов лет.

Хотя авторов объединяет любовь к фильмам о конце света, мы должны отметить, что голливудское изображение столкновений с астероидами нереалистично. Океаны покрывают три четверти поверхности Земли, а города — менее 1 процента. Таким образом, вероятность удара по городу довольно мала, а вероятность попадания метеорита в небоскрёб Крайслер-билдинг в Нью-Йорке (по каким-то причинам это любимая цель Голливуда) практически равна нулю. Тем не менее, в зависимости от размера падающего тела, столкновение с крупным объектом может привести к любым последствиям: от разрушений местного масштаба (как в случае с астероидом из кратера Бэрринджера) до вымирания большинства форм жизни на Земле, в том числе Homo sapiens.

Учитывая серьёзность этого риска для нашей родной планеты, мы должны задаться двумя вопросами:

• Существует ли в космосе астероид, уготованный судьбой именно нам?

• Если да, то что мы можем с этим поделать?

Из приведённой выше галереи столкновений огромной разрушительной силы видно, что чем крупнее астероид, тем больший ущерб он может нанести. К счастью, верно и то, что чем крупнее астероид, тем легче его обнаружить. В Солнечной системе они в большинстве своём вращаются, не представляя угрозы, в поясе астероидов, вдали от Земли. Однако иногда столкновения выбрасывают тела из этого пояса на орбиты, пересекающие орбиту Земли. Эти так называемые околоземные объекты (ОзО) являются источником опасности, который необходимо держать под контролем.

Основной метод обнаружения астероидов включает поиск объектов, которые движутся относительно звёзд — точек света, которые меняют положение на последовательных изображениях одной и той же части неба. Это может представлять трудности, потому что в небе есть много таких объектов, которые меняются от одного момента к другому — вспомните, например, сверхновые. Как только объект идентифицирован как астероид, следующей проблемой будет расчёт его орбиты, чтобы увидеть, может ли он удариться об Землю. В общих чертах, чем дольше мы наблюдаем путь объекта в настоящее время, тем точнее мы можем определить его в будущем. По мере поступления новых данных прогнозируемый путь будет меняться, и даже астероид, который изначально считался угрозой, может оказаться не опасным (однажды такой случай позволил нью-йоркской газете напечатать кричащий заголовок «Поцелуй свой астероид на прощание!»).

Существует целый ряд программ, в большинстве своём связанных с НАСА, которые разработаны для обнаружения астероидов. Мы поговорим о двух из них, которые известны под названиями Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System — система телескопов панорамного обзора и быстрого реагирования) и ATLAS (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System — система раннего предупреждения об астероидной опасности для Земли). Как мы уже упоминали в главе 11, Pan-STARRS состоит из телескопов и вычислительных мощностей, расположенных на Гавайях. Она была запущена в 2010 году. Эта система большую часть времени занята поиском астероидов, представляющих угрозу, и обнаружила в небе множество других изменяющихся объектов. Программа ATLAS запущена в 2015 году. В настоящее время она оперирует двумя телескопами на Гавайях, но планируется расширить её до восьми телескопов по всему миру. Эта система предназначена в первую очередь для обнаружения небольших астероидов и создания предупреждений о возможности столкновения.

Даже предупреждение незадолго до столкновения может дать значительные преимущества. Например, если бы жители Челябинска были предупреждены за несколько часов, они могли бы открыть окна и двери, чтобы уравнять давление внутри зданий с давлением снаружи во время прохождения ударной волны и тем самым снизить ущерб и количество травм, связанных с разбитым стеклом. Предупреждения за несколько дней может быть достаточно, чтобы эвакуировать людей из зоны удара в масштабах Тунгусского метеорита.

Агентство НАСА, отвечающее за отслеживание ОзО, носит зловеще звучащее название «Управление координации планетарной обороны». К настоящему времени обнаружено более 90 процентов ОзО диаметром больше 0,67 мили (1 км), и новая цель — добиться такого же показателя для ОзО диаметром чуть более 400 футов (130 м). Для справки: предполагается, что каменные астероиды диаметром около 150 футов (50 м) сгорят в атмосфере Земли, и никогда не достигнут её поверхности. С другой стороны, если они состоят в основном из металла, то на Землю смогут упасть объекты даже гораздо меньшего размера.

Так что процесс открытия астероидов, которые могут угрожать планете, похоже, идёт полным ходом. Следующий вопрос состоит в том, что мы смогли бы сделать, если бы «большая штуковина» летела прямо на нас. Опять же, вполне возможно, что любимые Голливудом решения — это не самый хороший шаблон. Например, как бы драматично ни выглядели ядерные бомбы, у них возникли бы реальные проблемы с приближающимся астероидом. Причина этого проста: значительная часть ущерба от ядерного оружия на Земле причиняется ударными волнами, создаваемыми в атмосфере, а в космосе атмосферы, естественно, нет.

Мы боимся, что планетарная оборона будет зависеть от нашей способности искать другие, менее драматичные способы борьбы с приближающимися астероидами. Ключевым моментом является то, что при продолжении описанных выше программ наблюдений у нас будут десятилетия или даже века для решения проблемы с астероидом, который врежется в Землю и пополнит собой нашу галерею разрушительных последствий столкновений, если мы не будем ничего предпринимать. Если принять во внимание этот факт, можно увидеть, что нам не нужно взрывать астероид а-ля Голливуд. Всё, что нам нужно будет сделать, так это всего лишь слегка сбить его с пути — ровно настолько, чтобы он промахнулся мимо нашей планеты.

Есть много способов выполнения этой задачи, и мы ожидаем, что один из них будет разработан в течение следующих нескольких десятилетий, чтобы у нас была настоящая планетарная защита. Учёные рассмотрели, например, возможность размещения вблизи угрожающего астероида большого спутника, чтобы их взаимное гравитационное притяжение сдвинуло астероид настолько, что он не попадёт по Земле. Как вариант, другие предлагали посадить спутник на астероид, вырубать камни с его поверхности и запускать их в космос, используя солнечную энергию. Каждый раз, когда с астероида мечут камень, сам астероид будет отдавать назад — совсем немного, конечно, но достаточно, чтобы с годами увеличить отклонение и предотвратить катастрофу.

И сейчас мы отвечаем на вопрос, который является заголовком для этого обсуждения: нет, мы не в безопасности. Мы живём, находясь в опасности столкновения с астероидами. В настоящее время мы успешно составляем каталог астероидов, представляющих угрозу, и начинаем разрабатывать технологии для предотвращения значительных столкновений. В настоящее время неизвестно ни одной опасности столкновения, угрожающей нам в обозримом будущем. Будем надеяться, что так будет продолжаться до тех пор, пока у нас не появятся средства, способные предотвратить новое столкновение.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ СЛОВО

Наш экскурс в воображаемую жизнь на экзопланетах выявил три важных момента, которые следует обдумать читателю:

• Вне всяких сомнений, на экзопланетах мы откроем удивительные и неожиданные вещи.

• В частности, нас удивит всё относящееся к инопланетной жизни, что бы мы ни открыли.

• Для нас окажется сюрпризом то, что на нашу долю по-прежнему выпадают неожиданные сюрпризы.

Поездка один раз в жизни

Великое путешествие

Юпитер/Сатурн/Уран/Нептун

Испытай прелесть гравитационных ускорителей

Каждые 175 лет. Посадка на борт уже идёт.

В 2015 году НАСА и Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института начали выпускать эту серию причудливых плакатов в ностальгическом стиле с рекламой вымышленного Бюро путешествий по экзопланетам в НАСА; она задумана как адресованное общественности приглашение узнать больше об экзопланетах и о нашей собственной Солнечной системе.

Космические зонды-близнецы НАСА «Вояджер», запущенные в 1977 году, были неутомимыми исследователями нашей Солнечной системы; они сделали невероятные фотографии и собрали информацию о Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне, поскольку для ускорения своего движения аппараты использовали силу притяжения каждой из этих планет. «Вояджер-1» вышел в межзвёздное пространство в 2012 году, а «Вояджер-2» покинул нашу Солнечную систему в 2018 году, но они оба по-прежнему время от времени передают на Землю научные данные. Каждый из них несёт золотую пластинку: позолоченный медный диск, на котором записаны виды и звуки нашей планеты, адресованные какой-то разумной инопланетной форме жизни, с которой могут столкнуться «Вояджеры». (Студия Invisible Creature, НАСА/ЛРД — Калифорнийский технологический институт)

Посети планету без звезды

PSO J318.5-22

Там, где ночная жизнь никогда не кончается!

PSO J318.5-22, в 80 световых годах от Земли — это планета-сирота, которая не вращается вокруг звезды. Вероятно, планеты-сироты, также называемые планетами-невидимками, были выброшены из своих солнечных систем, едва не столкнувшись с другой планетой. Хотя у них нет солнц, из-за чего там темно, некоторые планеты-сироты вроде этой, открытой в 2013 году, обладают внутренними источниками тепла и могут оставаться жизнепригодными на протяжении многих миллиардов лет. (Джоби Харрис, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Почувствуй силу тяготения HD 40307g

Суперземля

HD 40307g с объёмом вдвое, и массой в семь раз больше, чем у Земли, обладает мощной силой притяжения. Жизни на такой суперземле пришлось бы выработать в процессе эволюции способы противодействия мощной гравитации — так же, как обитатели Земли приобрели экзоскелеты (насекомые) и внутренние скелеты (млекопитающие). HD 40307g была обнаружена в 2012 году и находится в 42 световых годах от Земли. Здесь особенно важно то, что планета находится в обитаемой зоне своей звезды и, следовательно, может обладать океанами жидкой воды, которые могли бы помочь существам справиться с худшими последствиями гравитации. (НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Расслабься на Kepler-16b

Земля двух солнц

Где у вашей тени всегда есть компания

Кажется, будто планета Kepler-16b должна быть тёплой — у неё два солнца, а не одно, как обычно, — но какая-то жизнь, которая эволюционировала бы на её поверхности, должна выдерживать радикально низкие температуры: при температуре от -150° до -94°F (от -100° до -70°C) она холодна, как сухой лёд. Эта планета, состоящая, вероятно, из газа, а не из камня, как нарисовано здесь, была открыта в 2011 году и находится примерно в 200 световых годах от нас. (Джоби Харрис, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Титан

Промчись на приливной волне через глотку Кракена

Похожие на планеты спутники иногда предлагают нам многообещающие параллели с Землёй. Титан, самый крупный спутник Сатурна, обладает азотной атмосферой наподобие земной, которая содержит органические, то есть, богатые углеродом соединения. Может ли жизнь когда-нибудь зародиться и здесь? (Джоби Харрис, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Kepler-186f

Где за забором трава всегда краснее

Первая экзопланета размером с Землю, обнаруженная в пригодной для жизни зоне звезды, Kepler-186f, на расстоянии 582 световых лет от нас, может нести жидкую воду на своей поверхности. Но её солнце старше и краснее нашего, поэтому какие-то растения на этой планете должны быть способны к фотосинтезу с использованием фотонов, длина волны которых соответствует красному цвету. (Джоби Харрис, НАСА/JPL-Калифорнийский технологический институт)

51 Pegasi b

С поздравлениями с вашей первой экзопланеты

Среди первых экзопланет, открытых людьми, 51 Pegasi b, вероятно, слишком жаркое место, чтобы подписывать там открытки — она вращается настолько близко к своей звезде, что её «год» длится всего 4,2 земных дня. Её открытие в 1995 году стало поводом для выделения нового класса экзопланет под названием «горячие юпитеры»: это массивные планеты, которые вращаются близко к своим звёздам. (НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Церера

Королева пояса астероидов

Последний шанс запастись водой по дороге до Юпитера

Церера — самый большой объект в поясе астероидов, лежащем между Марсом и Юпитером, и, следовательно, является ближайшей к нашему Солнцу карликовой планетой. Ещё в этом маленьком каменистом мире много подземного водяного льда, и в 2015 году космический аппарат НАСА «Dawn» обнаружил там сложные органические молекулы — возможные «кирпичики» жизни. (Лиз Барриос де ла Торре, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Прыжок по планетам с TRAPPIST-1e

Лидер голосования в номинации "Лучший отпуск в обитаемой зоне" в пределах 12 парсеков от Земли

Любой, кто находится на поверхности планеты TRAPPIST-1e, примерно в 40 световых годах от нашего земного дома, смог бы увидеть шесть планет, висящих в её небе. Эти семь планет вращаются все вместе вокруг тусклой красной звезды, известной как красный карлик. Орбиты трёх планет лежат внутри границ жизнепригодной зоны звезды, где вода может существовать в жидком виде. TRAPPIST-1е — одна из таких планет Златовласки. Она находится в приливном захвате, поэтому всегда обращена к своей звезде одной и той же стороной, так что какая-либо жизнь, существующая там, должна эволюционировать в продуваемых ветрами пограничных землях между обжигающе-холодной дневной стороной и раскалённой ночной стороной[19]. (НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Европа

Открой жизнь подо льдом

Все виды — на океан

Может ли жизнь эволюционировать под ледяной коркой на богатой водой луне? Европа, одна из лун Юпитера, предлагает нам способ ответить на этот интересный вопрос. Её обширный океан, покрытый трещиноватой ледяной коркой, содержит больше воды, чем все моря Земли вместе взятые. Вода остаётся жидкой благодаря постоянным приливным деформациям, которые вызывают на Европе соседствующие с ней луны и Юпитер. (Лиз Барриос де ла Торре и Лоис Ким, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Посетите прекрасный южный

Энцелад

Более 100 дух захватывающих гейзеров. Дом "Старого верующего". Бронирование туров уже сейчас

Как и на Европе, на Энцеладе, шестом по величине спутнике Сатурна, есть жидкая вода. В 2005 году зонд НАСА «Кассини» пролетел сквозь извергающиеся из недр этой луны столбы ледяной воды, которые являются убедительным доказательством наличия всемирного океана под её ледяным покровом. (Студия Invisible Creature, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Земля. Ваш оазис в космосе

Там, где воздух бесплатный и дышится легко

В большинстве своём наши прогнозы относительно типов жизни, которые могут существовать на экзопланетах, основаны на нашем понимании разнообразия жизни на Земле — единственном (пока) месте, о котором известно, что жизнь там есть. (Джоби Харрис, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Открой для себя великие полярные сияния Юпитера

На газовом гиганте Юпитере воды не так много. Здесь сухо, как в Сахаре. Но насколько необходима вода для развития жизни на основе углерода? В атмосфере Юпитера определённо существуют сложные органические молекулы (а также изображённые здесь интенсивные полярные сияния), которые являются результатом бомбардировки атмосферы ультрафиолетовым излучением и частицами солнечного ветра от Солнца. Могут ли такие бурные процессы привести к образованию аминокислот и в итоге к появлению жизни? (Стефан Бухер и Рон Миллер, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Венера

Увидимся на 9-й облачной обсерватории

Победитель голосования в номинации "Лучшее место в Солнечной системе для наблюдения прохождения Меркурия"

Если на поверхности Венеры когда-то и были океаны, то они давно выкипели: на второй планете от Солнца отсутствует глубинный углеродный цикл, как на Земле, поэтому она пережила накопление углекислого газа, вызвавшее неконтролируемый парниковый эффект. Такие изменения в атмосфере планеты могут коренным образом повлиять на её способность служить пристанищем жизни. (Джесси Кавата и Лоис Ким, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Марс

В наличии разнообразные путешествия

Роботы-первопроходцы / Искусство и культура / Архитектура и агрикультура

Найти однозначно трактуемые доказательства существования жизни оказалось чрезвычайно сложно даже на Марсе — на планете, куда люди в настоящее время могут отправлять спускаемые аппараты и зонды для проведения измерений непосредственно на месте. Представьте себе, насколько трудно было бы выяснить эволюционную историю жизни на далёкой экзопланете. (Студия Invisible Creature, НАСА/ЛРД-Калифорнийский технологический институт)

Примечания

1

Здесь и далее по тексту книги следует помнить, что термин «первичный бульон» введён биологом А. И. Опариным в 1924 году, а эксперимент Миллера-Юри проводился в 1953 году. Авторы явно немного путают причину и следствие. — прим. перев.

2

Обыгрывается английская пословица. В России нужно было бы продумывать механизм общения ракообразных при помощи свиста. — прим. перев.

3

Здесь можно говорить скорее об их взаимодополняемости, поскольку зачастую именно молекулярные данные могут компенсировать отсутствие ископаемых находок или обнаружить явление конвергенции, затрудняющее выяснение родственных отношений, как в случае родословного древа птиц. Но ископаемые находки часто подтверждают выводы, сделанные ранее на основе молекулярных данных — например, о происхождении ранних китообразных. — прим. перев.

4

Exoplanets: Diamond Worlds, Super Earths, Pulsar Planets, and the New Search for Life beyond Our Solar System, Smithsonian Books, 2017 — прим. перев.

5

Нептун — это всё же древнеримское божество. У греков был Посейдон. — прим. перев.

6

В США — прим. перев.

7

Возможно, в отношении омаров авторы несколько преувеличили, но осьминоги действительно обладают недюжинной сообразительностью. Интересующимся этим вопросом рекомендуем книги: Сай Монтгомери «Душа осьминога», Альпина нон-фикшн, 2018; Питер Годфри-Смит «Чужой разум. Осьминоги, море и глубинные истоки сознания», АСТ, 2020 — прим. перев.

8

Процесс естественного отбора в данном примере изложен весьма упрощённо. Биологам известны и другие формы отбора, в том числе способствующие появлению альтруистического поведения. Об этом подробно рассказывается в книге Алексадра Маркова «Эволюция человека. II. Обезьяны, нейроны и душа» М.: Астрель: Corpus, 2012. — прим. перев.

9

Праздник в США, приходящийся на первый понедельник сентября. — прим. перев.

10

Мах — отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространения звука в движущейся среде. — прим. перев.

11

Применительно к живым существам подобные расчёты приводит К. Э. Циолковский в работе «Биология карликов и великанов» (1920) — прим. перев.

12

Связи между атомами лучше сравнить не с липучками, а с осями: если это одинарная связь, то части молекулы могут вращаться на ней, меняя пространственную конфигурацию молекулы. Кроме того, следует сказать, что связи в атоме углерода располагаются на максимальном удалении друг от друга. Если поместить атом углерода в центр тетраэдра, связи будут направлены в его углы. Эта особенность также позволяет углероду формировать зеркально-симметричные молекулы, о которых авторы почему-то не упоминают, хотя их наличие тоже важно принимать во внимание при обсуждении инопланетной жизни. — прим. перев.

13

Метан относится к углеводородам (англ. «hydrocarbon»), а не к углеводам (в оригинале текста на английском сказано: «carbohydrates»). В состав углеводов входит не только углерод и водород, но ещё и кислород — прим. перев.

14

Цитируется в переводе О. Румера — прим. перев.

15

Аппарат получил название «Perseverance», запущен 30.07.2020, посадка на Марсе 18.02.2021. — прим. перев.

16

Запущен 25 декабря 2021 года — прим. перев.

17

Запущен 18 декабря 2019 года — прим. перев.

18

В отечественной литературе его также называют «Каньоном Дьявола» — прим. перев.

19

Так в оригинале. — прим. перев.

Content

Джеймс Трефил и Майкл Саммерс
Воображаемая жизнь

Предисловие

1 НЕОЖИДАННАЯ ГАЛАКТИКА

Занимаясь математикой

Что это расскажет нам о жизни?

2 ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ВСЕЛЕННАЯ ЗАКОНОВ

Общие правила

Механика

Электричество и магнетизм

Термодинамика

Новые науки

Принцип Коперника

3 ЖИЗНЬ ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?

Определения по перечню свойств

Определения, основанные на процессе

Определения, основанные на термодинамике

Несколько слов о технологии

4 ПРАВИЛА ИГРЫ КАК ДОЛЖНА РАБОТАТЬ КАЖДАЯ ЖИВАЯ СИСТЕМА

Происхождение жизни на Земле

Первичный бульон

Мир РНК

Вначале был метаболизм

Иные корни, иная жизнь

Какие молекулы?

Какая жидкость?

Какие атомы?

Эволюция путём естественного отбора

Естественный отбор не на Земле

Не существует отдельных организмов

Планета Совершенство

5 В ПОИСКАХ ЖИЗНИ: ПРАВДА ЛИ, ЧТО ОНА ГДЕ-ТО ЕСТЬ?

Марсианские хроники

Странная история ALH84001

Спектроскопия как последний довод

Следующий шаг

6 АЙСХЕЙМ ЖИЗНЬ В ГЛУБОКОЙ ЗАМОРОЗКЕ

Энергия

Происхождение и ранняя эволюция жизни

Разум и технологии

Общение и язык

Наука

Исследователи Айсхейма

Майк и Джим

7 НОВАЯ ЕВРОПА: ОКЕАН ПОДО ЛЬДОМ

Лингвистическое отступление

Жизнь подо льдом

Разум и технологии

Майк и Джим

8 НЕПТУНИЯ: ВОДА, ВОДА, КРУГОМ ВОДА

Жизнь на Нептунии

Давление

Разум и технологии

Майк и Джим

9 МИР ЗЛАТОВЛАСКИ СОВСЕМ КАК МЫ

Зоны обитаемости в окрестностях звёзд и способность поддерживать жизнь

Тип материнской звезды

Эволюция атмосферы

Разум и технологии

Настоящие Майк и Джим

10 ГАЛО: ЖИЗНЬ НА ТЕРМИНАТОРЕ

Приливный захват

Сумеречная зона

Кремниевый цикл

Жизнь, разум и технологии

Майк и Джим

11 ОДИНОЧКА: САМ ЗА СЕБЯ

Полуденная тьма

Жизнь, разум и цивилизация

Оумуамуа

Майк и Джим

12 ЗДОРОВЯК: САМЫЙ ТЯЖЁЛЫЙ

Очень сильная гравитация

Жизнь и выход на сушу

Технология

Майк и Джим

13 TRAPPIST-1: КОГДА НА ОРБИТЕ ТЕСНОВАТО

Происхождение жизни

Цивилизация и технологии

Майк и Джим

14 ЕСЛИ ВЗГЛЯНУТЬ ПОБЛИЖЕ ВСЁ СТАНОВИТСЯ ЕЩЁ БОЛЕЕ СТРАННЫМ

Gliese 1214 b: водный мир

Kepler-10с: супер-суперземля

HD 69830: суперземли и мега-земли

Галерея миров-сирот

PSO J318.5-22: Большой свободно плавающий мир

CFBDSIR214947.2-040308.9: Планета-сирота, связанная со звёздным скоплением

WISE J085510.83-071442.5: Свободно плавающий мир-изгой

Молодые обособленные объекты планетарной массы в звёздном скоплении Сигмы Ориона

MOA-2011-BLG-262Lb: Мир-сирота с небольшой луной на орбите

15 ЖИЗНЬ, НЕ ПОХОЖАЯ НА НАС. ЧТО, ЕСЛИ МЫ — НЕ ЕДИНСТВЕННЫЙ ВАРИАНТ?

История кремния

Иной выбор

Заменители воды

16 ЖИЗНЬ, СОВЕРШЕННО НЕ ПОХОЖАЯ НА НАС. ОНА МОЖЕТ ВЫГЛЯДЕТЬ ДОВОЛЬНО СТРАННО

Неорганическая жизнь

Искусственная жизнь

Майк и Джим

17 ВОПРОСЫ БЕЗ ОТВЕТОВ

Новые инструменты для давнего поиска

Марс 2020

Космический телескоп «Джеймс Уэбб»

SETI

Важнейшие научные вопросы

Каково определение жизни?

Как мы можем обнаружить жизнь на экзопланетах?

Как мы можем обнаружить развитые цивилизации на экзопланетах?

Как мы можем обнаружить планеты-сироты?

Какие расчёты необходимо выполнить?

Находимся ли мы в безопасности?

15 февраля 2013 года

30 июня 1908 года

47 000 лет до н. э.

65 000 000 лет до н. э.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ СЛОВО

Примечания