Возникновение жизни в Галактике
Реферат
Возникновение
жизни в Галактике
Центральные области галактик приковывают к себе
внимание многих исследователей. И это понятно. В них протекают грандиозные
процессы, сопровождающиеся выделением чудовищной энергии. Здесь часто вспыхивают
сверхновые звезды. Порой это явление носит коллективный характер, вызывая взрыв
всего ядра галактики и выброс фантастического количества вещества. Из-за
громадной концентрации звезды там часто сталкиваются друг с другом,
разрушаются. Продукты их разрушения, выпадая на центральное тело галактики,
могут привести к формированию сверхмассивной черной дыры с массой 107 МО (
здесь и далее индексом "О" отмечены величины, относящиеся к Солнцу).
Так объясняется энергетика ядер активных галактик, в том числе, возможно, и
нашей. С развитием этих представлений новое звучание получает идея Дж. Джинса,
высказанная им в начале века, что центры галактик могут связывать нашу
Вселенную с другими неизвестными нам пространственными измерениями '.
На этом фоне процессы вдали от ядер галактик по
своим масштабам гораздо более скромные. Но, может, это и к лучшему ведь мы
обитаем на краю Галактики. Нам было бы весьма неуютно в ее центре. Здесь же
столкновение звезд - событие крайне маловероятное (одно за 1013 - 1014 лет -
время, на три-четыре порядка превышающее возраст Вселенной). Правда, сверхновые
тут тоже взрываются, но не столь часто, как во внутренних областях. Впрочем, с
одной такой вспышки все и началось: возникла Солнечная система, а затем на
Земле зародилась жизнь.
Проблема жизни во Вселенной волновала умы
мыслителей всех эпох. Уже в античные времена выдвигались идеи о множественности
населенных миров. Но это были чисто умозрительные, порой наивные соображения.
Отсутствие достаточной научной базы долгое время не позволяло продвинуться в ее
изучении.
Даже простой взгляд на спиральную галактику
(рис.1) наталкивает на мысль о том, что вещество ее затягивается в центр в
некоем гигантском водовороте отрасли, имеющие отношение к обсуждаемому вопросу.
Сейчас уже не является загадкой строение на молекулярном уровне живых
организмов, или чем живая материя отличается от неживой. Эти и другие прорывы в
познании глубинных тайн мироздания позволяют надеяться, что в ближайшее время
тайна возникновения жизни будет разгадана.
Рис.1. Фотография спиральной галактики М 101
Однако здесь следует оговориться. Даже когда
удастся продемонстрировать in vitro сам акт возникновения жизни из неживой
материи, все равно останутся сомнения, а так ли это происходило на самом деле в
природе [2]. Ведь многие звенья в цепи событий, сопровождавших ее появление,
утеряны и, по-видимому, безвозвратно. Кроме того, "момент" этот
отделен от нас несколькими миллиардами лет, что также усложняет решение задачи,
поскольку мы недостаточно хорошо знаем условия на первобытной Земле.
Есть еще одно "отягчающее"
обстоятельство: на протяжении всей истории мы имели дело лишь с одной земной
цивилизацией. Мы находимся "внутри" нее. Если бы была возможность
взглянуть па нес "извне", это значительно ускорило бы решение нашей
проблемы. Такая возможность могла бы реализоваться в результате встречи с
внеземной цивилизацией. И тут следует признать, что несмотря на все усилия,
внеземная жизнь до сих пор не обнаружена. И это придает особую остроту обсуждаемой
проблеме. А что, если мы одни в Галактике?
Таким образом, вопрос о происхождении жизни -
чрезвычайно сложная комплексная
Впрочем, ряд авторов считает, что мы либо
используем неправильную стратегию поиска жизни во Вселенной, либо просто не
понимаем сигналов от других цивилизаций.
1. Две точки зрения на проблему происхождения
жизни
В конце прошлого - начале нашего столетия
сложились две точки зрения о возникновении жизни. Согласно первой - жизнь во
Вселенной вечна. Зародыши ее - споры - перемещаются в Космосе под действием,
например, светового давления звезд и выпадают на ту или иную планету. Если
условия на какой-то планете подходящие, они дают начало жизни. Сторонником этой
идеи был С.Аррениус [3].
Согласно второй точке зрения жизнь однажды
возникла (на Земле) из неживой материи.
Идея о вечности жизни инициирована результатами
опытов Ф.Реди (XVII в.), провозгласившим принцип: все живое из живого. В
дальнейшем этот принцип развивался другими авторами, в частности, широкому
распространению его способствовали эксперименты и, что немаловажно, авторитет
Л.Пастера.
По нашему мнению, эксперименты Пастера имеют
отношение не к возникновению, а скорее, к уничтожению жизни (стерилизации). Что
же касается идеи Аррениуса, то в чистом виде в свете современных данных она
неверна. Сама Вселенная, точнее, тот ее домен, в котором мы обитаем, имеет
конечный возраст. В ее эволюции был период, когда не существовали не то что
звезды и планеты, но даже простейшие атомы. Поэтому жизнь не может быть вечной.
Она должна была когда-то возникнуть из неживой материи. Где и как сие
произошло, что этому способствовало - вот те вопросы, на которые ищутся ответы.
2. Краткий курс истории вселенной
Согласно современным воззрениям Вселенную
образно можно представлять в виде "пены", пузырьки или домены которой
есть отдельные под-Вселенные (их еще называют мини-Вселенные). В одном из таких
доменов располагается Метагалактика - видимая часть нашей мини-Вселенной.
Важный вклад в разработке этой картины принадлежит А.Линде [4]. Но
мы
не станем углубляться в ее детали. Коснемся лишь тех моментов и только в той
степени, которые необходимы для понимания дальнейшего материала.
Как известно, наша Вселенная расширяется.
Когда-то она была сжата практически в точку. Несмотря на, казалось бы, крайнюю
экзотичность (с нашей точки зрения) состояния материи в момент рождения
мини-Вселенной -невообразимая температура 1032 K, фантастическая плотность 1093
г. см -3 - на самом деле это наиболее простое состояние, так как оно
описывается всего лишь одним взаимодействием, так называемым φ-полем.
Свойства этого поля таковы, что они и детерминировали расширение Вселенной.
Этот самый начальный период ее эволюции называется стадией инфляционного
раздувания. Еще раз подчеркнем, что на этой стадии не было не только привычных
нам атомов, но и элементарных частиц. В свете сказанного такое бесструктурное
состояние, характеризуемое одним взаимодействием, естественно назвать
"истинным праатомом".
Со временем в процессе эволюции температура
Вселенной понижается, и появляются знакомые нам элементарные частицы. Примерно
через сто секунд после начала расширения синтезируются первые элементы дейтерий
и гелий. Спустя еще примерно 350 тыс. лет температура падает настолько, что
вещество переходит в нейтральное состояние. Только после этого могут начинать
формироваться первые структуры во Вселенной, а затем и галактики, звезды,
планеты. Самые ранние объекты, которые сейчас наблюдаются - это квазары. Они
сформировались где-то спустя примерно 1 млрд лет после начала расширения
Вселенной.
Как видно, говорить о жизни на ранних этапах
эволюции Вселенной не приходится хотя бы уже потому, что юная Вселенная была
горячей и в ней не было тяжелых элементов. Тяжелые элементы синтезируются на
галактической стадии. Основной поставщик их -вспышки сверхновых звезд.
Некоторые важные вехи в хронологии Вселенной
отмечены на оси времени ( рис. 2).
3. Формирование Солнечной системы
Небесные объекты - галактики, звезды и т.д. -
образуются из разреженной среды вследствие гравитационной конденсации.
Представим себе газовое облако. Эволюция его в
простейшем случае определяется конкуренцией двух сил. Гравитация облака
стремится сжать его. Ей противостоит давление газа. Если превалирует первая
сила, облако сжимается, или, как говорят, коллапсирует, что и приводит к
рождению звезд, галактик и т.д.
Идею об образовании небесных тел вследствие
гравитационной конденсации высказывал еще И.Ньютон. Впервые этот процесс
рассчитал Джинс. Он показал, что облако коллапсирует, если его масса превышает
некоторое критическое значение, зависящее от температуры и плотности газа в нем
следующим образом: она тем больше, чем выше температура, и уменьшается с ростом
плотности.
Рис.2. Некоторые важные события в истории
Вселенной (из-за громадного разброса характерных времен масштаб по оси времени
t принят переменным).
- 10 -3 с - примерно к этому
моменту времени заканчивается стадия инфляционного раздувания со
"сверхсветовой скоростью" и наш домен Вселенной переходит в режим
фридмановского расширения;
- 10 с - во Вселенной
"заморозилось" количество элементарных частиц-протонов, нейтронов,
электронов,
- 100 с - сформировались
легкие элементы -дейтерий и гелий; в дальнейшем гелий нарабатывался еще на
галактической стадии, обилие же дейтерия осталось практически неизменным - весь
дейтерий, который сейчас вырабатывается, например, из океанской воды, был
синтезирован в первые сто секунд расширения Вселенной (!);
- 350 тыс. лет - вещество во
Вселенной, представляющее однородный газ, остывает до температуры 3-4 тыс.
градусов и переходит в нейтральное состояние;
- 1млрд лет - появляются первые
образования - квазары и первые галактики;
- 9 млрд лет - сформировалась
Солнечная система;
- 11 млрд лет - сформировалась
Земля и на ней зародилась жизнь;
- 15 млрд лет - современное
состояние
Несмотря на простоту этого механизма для того,
чтобы он заработал, требуется участие дополнительных процессов. Прежде всего,
сами облака должны как-то рождаться. Но мы не станем задерживаться на этом
вопросе. Примем, что такие механизмы существуют. А вот на другом, более важном
для нашей темы вопросе, остановимся чуть подробнее. Как показывают
исследования, рождающиеся облака сами по себе не подвержены гравитационной
конденсации, то есть параметры газа в них таковы, что масса облака оказывается
меньше критической массы Джинса. И нужны какие-то факторы, подталкивающие
облако к коллапсу.
Один из таких процессов - это столкновения и
слипания облаков, и, как следствие, рост их массы. На некотором этапе в облаке
формируются молекулы (вплоть до органических). Все это сопровождается
увеличением концентрации газа в облаках и уменьшением их температуры. В
результате критическая масса облака понижается, и оно приближается к порогу, за
которым начинается гравитационный коллапс.
Облака, содержащие большое количество молекул -
их называют гигантскими молекулярными облаками (характерные массы ~ 105 -
106 МO), - наблюдаются непосредственно радиоастрономическими методами. Они
представляют собой очаги звездообразования [5].
Другой триггерный механизм коллапса -обжатие
облака ударной волной от вспышки сверхновой (рис. 3).
Рис.3. Схема, поясняющая эффект поджатия
протосолнечной туманности ударной волной от сверхновой (СН)
Обтекая облако, она уплотняет его (при этом температура
облака если и увеличивается, то на короткое время, а затем даже падает 3 ), тем
самым переводя в состояние коллапса. Многие детали этой схемы сейчас удается
проследить в структуре Местной Системы газа по композитной картине
наблюдательных данных, полученных в разных диапазонах электромагнитного
излучения, - от радио до рентгеновского [6].
Итак, коллапс протосолнечной туманности был
инициирован вспышкой (близкой) сверхновой. Помимо этого сверхновая поставила в
протосолнечную туманность тяжелые элементы. Ведь вспышка ее - это термоядерный
взрыв, в результате которого и синтезируются тяжелые элементы, вплоть до урана.
Все эти элементы, которые мы имеем на Земле в виде ископаемых, могли
синтезироваться только в таком процессе: в земных условиях они не производятся,
а лишь распадаются. Это еще одна роль сверхновых звезд.
Кстати сказать, возраст Земли оценивается по
относительной распространенности радиоактивных элементов и конечных продуктов
их распада. Он равен приблизительно 4.5 млрд лет.
4. Спиральная структура галактики - инициатор
образования массивных звезд
жизнь галактика звездообразование
Есть еще один механизм, инициирующий
звездообразование, - это спиральные рукава (СР) Галактики. Остановимся вкратце
на природе спиральной структуры 4.
Согласно широко распространенной концепции СР
есть волна звездной концентрации спиральной геометрии в диске Галактики.
Исключительно важным для дальнейшего является то, что в отличие от диска
Галактики, вращающегося дифференциально, скорость вращения W
Галактики есть функция расстояния R от ее центра, спиральный узор вращается
твердотельно. Иными словами, скорость его вращения Wp
= const. На рис. 4 приведена зависимость W от R. Как видно
отсюда, на некотором расстоянии Rc скорости вращения Галактики и узора совпадают.
Это расстояние называется коротационным радиусом. В дальнейшем оно играет
ключевую роль.
Влияние СР на межзвездную среду (МЗС)
проявляется в следующем. Повышенная концентрация звезд в рукавах несет с собой
дополнительное гравитационное поле. Поэтому, когда газ втекает в рукав, он
сжимается под действием спирального гравитационного поля. Исследования
показывают, что если скорость втекания газа в рукав достаточно велика (сравнима
или несколько превышает скорость звука в нем), то при типичных возмущениях гравитационного
поля, наблюдаемых реально в галактиках, газ испытывает очень сильное сжатие -
до десяти и более раз.
Рис.4. Кривая вращения Галактики - зависимость
угловой скорости ее вращения W от галакто-центрического т
расстояния R; Солнце располагается на расстоянии RО »
10 кпс. Горизонтальная линия соответствует угловой скорости вращения Wp
= 23 км с-1 кпс-1 - модель Марочника, Мишурова и Сучкова, в которой
коротационный радиус Rc » 11 кпс
На рис. 5 приведен типичный профиль плотности
газа поперек рукава [7]. Область резкого скачка плотности и есть ударная волна.
Открыто это явление У.Робертсом. Такая крупномасштабная структура газа
действительно наблюдается. Особенно отчетливо она видна в других спиральных
галактиках, т.к. мы смотрим на них со стороны.
Рис. 5. Распределение различных объектов поперек
спирального рукава. Жирная линия - профиль плотности межзвездного газа ρ
(в
единицах средней плотности) в зависимости от азимутального угла в плоскости
Галактики. Область резкого скачка -галактическая ударная волна Робертса.
Заштрихованные области - распределение зон ионизованного водорода, являющихся
индикаторами темпа образования массивных звезд, в Галактике NGC 3136
Галактическая УВ играет роль триггерного
механизма, инициирующего звездообразование.
В самом деле, облако, находящееся вблизи порога
гравитационного коллапса, попадая на ее фронт, поджимается окружающей средой и
подталкивается к коллапсу. Кроме того, как показано В.Берманом, Л.Марочником,
А.Сучковым и автором [8], галактическая УВ сама рождает облака 5. Но это еще не
все. Гравитационное поле СР собирает облака, увеличивая их концентрацию в
рукаве и частоту столкновений, тем самым ускоряя рост массы облаков.
С помощью галактической УВ сейчас объясняется
ряд наблюдательных фактов в спиральных галактиках. Отметим только один. Рукава
в галактиках проявляются столь контрастно благодаря тому, что они очерчиваются
наиболее яркими, а значит, массивными и молодыми звездами. То, что эти объекты
не разбросаны случайно по Галактике, а концентрируются в рукава, связан с
действием галактических ударных волн (см. рис.5).
Обратим внимание на исключительно важный
наблюдательный результат: сверхновые II типа - массивные
звезды, вспыхивающие в дисках галактик, также концентрируются в спиральные
рукава.
Однако описанное выше действие СР имеет место
лишь вдали от коротационного круга. Вблизи Rc картина течения межзвездного
газа, как показано М.Фуджимото [9] и автором совместно с Берманом [10], принципиально
иная: из-за малой относительной скорости натекания газа на рукав (мала разность
W-Wp
) галактическая УВ здесь не возникает. На рис. 6 приведены результаты наших
расчетов для модели, в которой Солнце располагается вблизи коротационного круга
(о выборе такой модели см. ниже п. 5), где показаны профили плотности газа
поперек рукава на различных галакто-центрических расстояниях R. Как видно,
действительно, если во внутренней области
Галактики (R ~ RО/2 , где RО»
10 кпс6 - радиус солнечной орбиты в Галактике) формируется мощная УВ, то на
солнечном круге течение газа возмущено слабо и практически непрерывное.
В результате здесь не проявляется стимулирующее
воздействие галактической УВ на формирование массивных звезд и сверхновых II
типа, так как она просто не образуется.
Есть и другие механизмы рождения облаков.
В качестве стандартного сейчас принимается
значение RО»8,5 кпс и, может даже, несколько меньшее. Но для
простоты изложения мы пользуемся приведенной в тексте величиной RО.
Рис.6. Профили плотности межзвездного газа для
различных галактоцентрических расстояний R (параметры соответствуют модели, в
которой Солнце располагается вблизи коротационного круга). Мощная галактическая
ударная волна формируется во внутренней области Галактики (R»RО/2).
На
солнечном
круге течение газа мало возмущено и практически непрерывное
5. Траектория Солнца +коротационный круг =
великое кольцо
Великое Кольцо - так назвал И. Ефремов в своем
романе "Туманность Андромеды" область локализации цивилизаций в
Галактике. Кто знает, быть может, эта идея обретает свое воплощение.
Чтобы понять, о чем идет речь, рассмотрим
численные значения параметров, входящих в использованную выше модель.
Поскольку, как было сказано, эволюция газа в окрестности Солнца определяется
главным образом разностью WО-Wp (WО
- скорость вращения Галактики на Солнечном радиусе), остановимся на обсуждении
этих величин.
Wp » 11 -
13 км с-1 кпс-1 [11]. Для их Wp коротация располагается на
расстоянии примерно 17 кпс (см. рис. 4), можно сказать, где-то в предместьях
Галактики. С тех пор существенно поменялись некоторые базовые параметры,
входящие в теорию, но они по-прежнему опираются на приведенное выше значение Wp.
В 1972 г. Л. Марочник, А. Сучков и автор,
используя теорию Лина и др., а также, учитывая некоторые особенности строения
Галактики, например, ее многоподсистемность, установили, что Wp
»
23 км с-1 кпс-1 [12]. Поскольку, как известно, WО »
25 км с-1 кпс-1 , то это означает, что Солнце располагается вблизи
коротационного круга. С помощью наблюдаемой зависимости W
от R, можно показать, что Rc » 11 кпс (рис. 4), и
действительно, Rc и RО оказываются близкими друг к другу.
Независимо от нас в 1973 г. французские
астрономы М. Крезе и М.Меннессьер, обработав статистически движение звезд в
Галактике, получили Wp » 20-22
км с-1 кпс-1 [13]. Впоследствии их идеи были развиты автором совместно с
Е.Павловской (Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга при
МГУ) и А. Сучковым [14]. Есть еще указания английских и американских
исследователей, что Солнце находится неподалеку от коротации. Расчеты, выполненные
автором совместно с И. Зениной и группой астрономов из вышеназванного института
- А. Дамбисом, А. Мель-ник и А. Расторгуевым 7 - с привлечением последних более
точных и более репрезен-тативных данных о движении звезд в Галактике, приводят
к выводу, что Солнце отстоит от коротационного круга всего примерно на 0.2 -
0.5 кпс.
Таким образом, сама собой напрашивается идея,
отождествить Великое Кольцо Ефремова с коротационным кругом, вдоль которого
примерно и пролегает траектория Солнечной системы.
Воспользовавшись приведенными значениями
параметров, можно оценить время t, в течение
которого Солнечная система движется от одного рукава до другого. Для
двухрукавной структуры в модели Л. Марочника, Ю. Мишу-рова и А. Сучкова [12],
очевидно, t = p /(WО-Wp)
»
3 млрд лет (если Солнце отстоит от коротации не на 1 кпс, а на 0.5 кпс, то,
соответственно, t » 6 млрд лет).
Итак, Солнечная система оказывается
расположенной в Галактике в выделенной области.
Этот вывод, заметим в заключение параграфа,
лежит в русле императива антропного принципа, предписывающего исследователю
искать те или иные особенности устройства Вселенной, Галактики, Солнечной
системы и т.д., которые и обусловили появление жизни и Человека. У нас в стране
этот принцип развивали И.Новиков, А.Полнарев и И.Розенталь. Как показано этими
авторами [15], если несколько изменить значения фундаментальных физических
параметров (массы элементарных частиц, константы взаимодействия, размерности
пространства), то во Вселенной не могут возникать сложные структуры, например,
атомы, молекулы, тем более жизнь.
6. Галактический пояс жизни
В этой статье мы уже неоднократно упоминали о
сверхновых звездах (СН). Их роль в эволюции галактик исключительно велика. При
вспышке СН в течение месяца выделяется столько энергии, сколько Солнце выделит
ее примерно за 100 млрд лет. СН имела отношение к образованию Солнечной системы
и, тем самым, пусть и косвенно, а может, и непосредственно, к возникновению
жизни. Но теперь вспышка близкой сверхновой может эту жизнь уничтожить.
Чтобы зародившаяся жизнь проэволю-ционировала в
высокоразвитую цивилизацию, требуется очень большое время. На Земле оно заняло
~ 4 млрд лет. При этом планета с жизнью должна находиться в достаточно
стабильных внешних условиях. Нарушить их могут различные космические факторы -
падение на Землю крупного тела, скажем, кометы или взрыв сверхновой.
Рассмотрев последствия вспышки сравнительно
близкой СН (вероятное расстояние до нее ~ 10 пс), Л.Марочник и Л.Мухин
(Институт космических исследований АН СССР) [16] показали, что из-за увеличения
космического жесткого излучения (приблизительно на два порядка) будет вымирать
в год примерно 0.06 % населения земного шара. Это приведет к гибели всего
человечества, если темп вымирания от указанной причины превысит темп прироста
населения. По оценкам различных специалистов в начале нашей эры он составлял ~
0.17 % - всего в три раза выше критической величины. В более ранние периоды
темп прироста народонаселения был меньше, и влияние СН могло оказаться
катастрофическим. С другой стороны, современное значение его ~ 2.3% , что выше
порогового примерно в 40 раз. Однако в недалеком будущем темп роста населения
резко сократится (см. п. 8). Следовательно, риск гибели от облучения близкой
сверхновой (если такая вспышка произойдет) увеличится и может иметь глобальный
летальный исход.
Марочник и Мухин приходят к выводу, что именно
близость траектории Солнца к коро-тационному кругу обеспечивает стабильные (в
космическом плане) внешние условия 8. В самом деле, как уже говорилось выше, СН
II типа (вспыхивающие в диске Галактики) сосредоточены в спиральных рукавах. Но
в коро-тационной зоне нет стимулирующего эффекта от галактической ударной волны
на образование массивных звезд. Кроме того, шанс встретиться со СН реализуется
только тогда, когда Солнце окажется в каком-то из рукавов. Сейчас оно находится
между рукавами (см. схему на рис. 7). Чтобы пересечь межрукавное пространство,
ему требуется большое время ~3-6 млрд лет (это связано опять
же с близостью к коротации, см. выше), сравнимое со временем существования
Земли.
Таким образом, согласно Марочнику и Мухину, зона
коротации является местом преимущественной локализации цивилизаций земного типа
или, как они назвали, "поясом жизни" в Галактике.
Рис. 7. Положение и траектория Солнца (S) в
Галактике относительно спиральных рукавов и коротационного круга [16]
Добавим, что внутренние области Галактики ( R ~
RО/2 ) также вряд ли благоприятны для цивилизации типа нашей. Как показывают
исследования [17], фоновое космическое излучение и частота вспышек сверхновых
там примерно на порядок выше, нежели на солнечном радиусе (рис. 8). Такое
стабильное на протяжении сотен и более миллионов лет излучение могло погубить
жизнь в самом ее начале.
Используя приведенные выше величины, Марочник и
Мухин оценивают верхний предел возможного числа цивилизаций нашего
технологического уровня ~ 4 ×107 , а долю более
высоко- развитых по отношению к числу отстающих от нас по уровню развития ~
0.7.
Впрочем, опасность погибнуть от падения крупного
тела на Землю остается. В этой связи достаточно напомнить о столкновении с
Юпитером кометы Шумейкера - Леви, оставившей брешь на поверхности этой планеты
размером примерно в четверть ее видимого диска.
Рис.8. Относительные распределения d
фонового g -излучения (1) и остатков сверхновых (2) по
радиусу Галактики (RО =10 кпс)
Нижний предел числа технологических цивилизаций,
очевидно, равен 1 - это мы сами. Используя образ А. и Б. Стругацких, Марочник и
Мухин говорят, что в этом случае "ситуация напоминает "пикник на
обочине" Галактики (мы находимся почти на ее краю), устроенный природой,
случайно приведший к возникновению нашей цивилизации".
7. Межзвездная среда -галактический ген
Химический состав межзвездной среды несет на
себе отпечаток прошлой эволюции Галактики. Вместе с тем, влияя существенным
образом на ее физическое состояние, он детерминирует спектр масс очередного
поколения звезд. Таким образом, МЗС играет роль своеобразного галактического
гена, фиксирующего и передающего информацию, касающуюся "наследства"
Галактики. А не могла ли она посодействовать и в процессе перехода от неживой
материи к живой ? Быть может, на этом пути удастся приблизиться к объяснению
ряда проблем, связанных с зарождением жизни на Земле.
Понимая всю сложность затрагиваемого вопроса,
свою гипотезу мы выдвигаем в порядке дискуссии с целью взглянуть на проблему с
несколько иной стороны 9.
Чтобы более рельефно высветить суть нашей идеи,
остановимся вкратце на некоторых моментах проблемы происхождения жизни.
Пожалуй, самый принципиальный вопрос: что первично белок или нуклеиновые
кислоты (НК)? Дело здесь заключается в следующем. Информация о строении белка
записана в НК. Но для снятия копии с ДНК требуется белок. Получается замкнутый
круг 10. Заметим здесь же, что в процессе синтеза белка информация всегда
передается от НК к белкам и никогда в обратном направлении - это так называемая
центральная догма молекулярной биологии [18].
Ряд авторов, и среди них С.Фокс [19], отстаивают
точку зрения, согласно которой первичными были белки. По их мнению, они
возникли в результате спонтанной полимеризации аминокислот. А НК подключились
на более поздней стадии эволюции. Сами аминокислоты могли синтезироваться на
первобытной Земле под действием различных факторов - гроз, ультрафиолетового
излучения, тепла, радиоактивности, вулканов. В этом нас убеждают многочисленные
эксперименты, выполненные, начиная с работ С.Миллера [20] и вплоть до работ
более позднего времени [21]. Мы не станем здесь углубляться в то, каким именно
путем шли первые пребиотические реакции (см., например, [22] ). Важно то, что
первый шаг Природы на пути возникновения жизни - синтез аминокислот
-"кирпичиков" белков - ясен.
Как это ни странным может показаться на первый
взгляд, но в общих чертах понятен и последний шаг - появление протобиоклеток.
С.Фокс с коллегами [19] показал, что водные растворы полимеров аминокислот -
протеиноидов - образуют частицы - микросферы. Микросферы имеют ряд свойств,
присущих биоклеткам (даже чисто внешне они напоминают колонии стрептококков).
Очень вероятно, и такая точка зрения сейчас широко распространена, что
микросферы моделируют протобиоклетки.
Бесспорно, что живые организмы могли появиться
лишь как результат эволюции их предшественников, и это могло происходить только
в протобиоклетках, скажем, микросферах. Но для направленной эволюции нужен
механизм запоминания полезных свойств (полезность определяется путем
дарвиновского отбора). Именно функционированием наследственного механизма, как
считают И.С.Шкловский [23] и другие авторы, живая материя отличается в первую
очередь от неживой.
В 80-е годы появились аргументы в пользу того,
что первичными в переходе от неживой материи к живой были нуклеиновые кислоты,
точнее, РНК. Как оказалось, в некоторых случаях она катализирует реакции (без
участия белков!) воспроизведения самой себя - явление аутосплайсинга
(selfsplicing). Кроме того, ряд вирусов - полиомиелита, табачной мозаики и т.д.
- имеют именно РНК, а не ДНК в качестве наследственного механизма [18]. Таким
образом, к настоящему времени сформировалось представление, что первичными
могли быть РНК или ее предшественники.
Но и это направление - нуклеиновые кислоты
вначале - подстерегают трудности. Как показывают исследования, в геологических
отложениях, имеющих возраст ~3.5 - 3.8 млрд лет,
сравнимый с возрастом Земли, обнаруживаются остатки организмов, напоминающих
современные сине-зеленые водоросли. Ясно, что скачком столь сложная структура
возникнуть не могла. Должно было пройти определенное время, чтобы
предшественники живого проэволюционировали до этого уровня. Следовательно,
жизнь, можно думать, возникла в самые первые, а может, и первую сотню миллионов
лет после завершения формирования нашей планеты. Такую точку зрения высказывает
Войткевич [22]. Но, как оказывается, синтез РНК даже в искусственных
благоприятных условиях весьма затруднен [24]. Поэтому становится непонятным
столь быстрое зарождение жизни.
Эта проблема естественно наталкивает на мысль,
что предбиологическая эволюция могла протекать в космических условиях. Так,
Войткевич [22] считает, что первые реакции протекали в протосолнечной
туманности. В пользу этой идеи можно привести ряд аргументов, например, в
метеоритах обнаружены аминокислоты, азотистые основания, входящие в НК, и
другие важные соединения [25]. Аминокислоты обнаружены также на Луне [19].
Наблюдения за кометой Галлея показали, что содержание органических молекул в
ней тоже повышено. В результате этого обсуждалась даже роль комет в
возникновении жизни на Земле.
Развивая идею Войткевича [22], мы приходим к
выводу, что интересующие нас реакции могли протекать в межзвездной среде, а
потом эти вещества были захвачены протосолнечной туманностью на стадии ее
формирования. В самом деле, возраст Галактики ~ 15 млрд лет, т.е. примерно на
10 млрд лет больше возраста Земли. Следовательно, важные с биологической точки
зрения химические соединения, в первую очередь нуклеотиды и их полимеры, могли
синтезироваться в течение этих 10 млрд лет в межзвездных облаках, а затем,
выпав на Землю, дать толчок к возникновению жизни. Они и послужили
"стартерами" жизни.
В межзвездной среде сейчас обнаружено большое
количество ( ~ 100) разнообразных молекул [6]. Помимо простых
соединений - воды, угарного и углекислого газа и гидроксила - в ней
присутствуют и достаточно сложные, в том числе органические молекулы, важные с
биологической точки зрения, например, формальдегид, синильная кислота и другие.
Имеются теоретические расчеты, демонстрирующие возможность синтеза в МЗС
аминокислот. Следовательно, есть основание полагать, что в межзвездных облаках
могут синтезироваться предшественники РНК, скажем, короткие полимеры
нуклеотидов. Очевидно, что наиболее благоприятной для протекания этого процесса
областью в Галактике является окрестность коротации. Здесь интенсивность
факторов, разрушающих сложные молекулы, понижена (см. рис. 8). Кроме того,
выделенному элементу межзвездного газа в этом районе Галактики требуется
большое время (порядка нескольких миллиардов лет), чтобы пересечь межрукавное
пространство - спокойную зону, где нет горячих звезд, испускающих жесткое,
ультрафиолетовое излучение, а также взрывающихся сверхновых звезд, которые
сконцентрированы в спиральных рукавах. На расстоянии же, скажем, R ~
RО/2 время, за которое элемент газа проходит межрукавное расстояние и попадает
в рукав, составляет всего около 100 млн лет. То есть каждые 100 млн лет облако
газа во внутренней части Галактики подвергается воздействию различных факторов,
разрушающих синтезированные в них сложные молекулы.
Надо сказать, что к идее космического
происхождения жизни возвращаются вновь и вновь различные авторы. Так, Ф.Крик и
Л.Оргел считают, что на этом пути, непринужденно объясняется универсальность
генетического кода. Ведь если жизнь произошла от одного клона, занесенного,
скажем, из Космоса, то, можно думать, так и должно быть. Сюда же естественно
вписывается и центральная догма молекулярной биологии.
Мы полагаем также, что идея синтеза первых
протоживых молекул в межзвездной среде открывает возможность поиска объяснения
весьма загадочному и так до сих пор и не разгаданному явлению предпочтения
живыми организмами хиральных молекул определенного знака. Поясним, что это
такое. При одном и том же элементном составе молекулы могут отли-чаться
пространственными конфигурациями: некоторые группы атомов в одних формах
молекул являются как бы зеркальным отображением тех же групп в других формах.
Такие молекулы и называются хиральными (см., например, [26]). Выделяют два типа
хиральных молекул - левые (L) и правые (D). В то время как в искусственно
синтезированных соединениях обе эти формы обычно присутствуют в равных
количествах, живые организмы предпочитают главным образом L-аминокислоты, а
углевод, входящий в НК, в форме D. Многие авторы считают, что здесь пролегает
"демаркационная линия" между живой материей и неживой [27]. Однако
причины такой асимметрии однозначно не установлены.
В качестве одного из наиболее вероятных
кандидатов на эту роль рассматривается воздействие радиоактивных излучений
(главным образом b-лучей) на реагирующую смесь [22].
Оценки влияния этого фактора на протекание обсуждаемых химических реакций
показывают, что он мал ~ 10-17 [26]. Однако он постоянно действующий, и может,
и есть тот самый малый фактор, ускользающий от исследователей, о котором
говорил Шкловский [2].
По этому поводу заметим, что в космических
условиях присутствует различного рода радиация. Но мы хотим обратить внимание
на другой мощный фактор - магнитное поле Галактики (см. также [26]). Так,
отношение давления магнитного поля к давлению газа в МЗС на девять порядков
превышает эту же величину для земной атмосферы. Следовательно, его роль здесь
должна быть гораздо существеннее, нежели в земных условиях.
Своей генерацией магнитное поле в конечном счете
обязано дифференциальному вращению Галактики. И это наталкивает на мысль, что
асимметрия живых молекул неожиданным образом, возможно, как-то связана с
выделенностью определенного направления в пространстве, обусловленного
вращением Галактики в целом 11. В самом деле, вращение Галактики (в
совокупности с другими эффектами) приводит к появлению магнитного поля 12.
Последнее, по-разному сдвигая энергетические уровни молекулярных фрагментов
разной конфигурации, создает более предпочтительные условия для синтеза молекул
определенной симметрии.
Из сказанного вытекает, что: 1) жизнь (или ее
проявления) следует искать в спиральных галактиках (наша Галактика как раз
спиральная), в эллиптических галактиках она возникать не должна, так как в них
практически нет межзвездного газа и поэтому не могут протекать описанные выше
процессы; 2) искать проявления этих процессов надо в окрестности коротации.
Здесь стоит сказать, что поиск и отождествление
интересующих нас структур в Космосе могут быть затруднены. Дело в том, что
молекулы с массой ~ 100 а.е.м. (близкие к массам мономеров, входящих в
нуклеиновые кислоты) за время порядка нескольких десятков миллионов лет (это
короткое время) осаждаются на межзвездных пылинках и покинуть их не могут.
Поэтому искать нужные нам соединения надо с учетом того, что они адсорбированы
пылинками. Вместе с тем последние могут катализировать нужные реакции. Кроме
того, они же в состоянии уберечь молекулы от различных разрушающих факторов. На
такую возможность выживания спор в космическом пространстве указывает Шкловский
в своей знаменитой книге [23].
8. Критический 2030-й год
В п.6 было сказано, что в ближайшие годы должен
существенно измениться темп роста населения земного шара. Что указывает на это?
Дело вот в чем. В последние несколько сот лет
динамика народонаселения описывается не естественным законом прироста, а
взрывным законом. Иными словами, человеческая популяция вышла из равновесия с
природой. Поясним, о чем идет речь.
Естественный закон роста населения гласит:
скорость изменения количества людей пропорциональна числу живущих на Земле. На
языке математики сказанное записывается так:
, (1)
где N(t) - число людей в момент
времени t, a
-коэффициент пропорциональности.
Уравнение (1) есть дифференциальное
уравнение, решение которого имеет вид
(2)
Здесь NО - количество живущих на
момент времени tо , а смысл a
- это величина, обратная времени, за которое число жителей увеличится в е раз.
Соотношение (2) и есть математическое выражение естественного закона изменения
народонаселения. Отличительной особенностью его является то, что бесконечное
количество людей будет достигнуто через бесконечное время.
Что же мы имеем в действительности?
Данные, описывающие динамику народонаселения за последние 300 с лишним лет, приведены
на рис. 9, заимствованном из книги Шкловского [23].
Рис.9. Динамика величины N-1 = 1/N,
обратной народонаселению земного шара N. Сплошная линия построена по данным,
охватывающим период до 1964 г. ( соответствующая точка помечена стрелкой ).
Штриховая линия - экстраполяция сплошной. Критический год tc = 2030 ± 5 лет
соответствует N = 
.
Обратим внимание на то, что по оси
ординат отложена величина, обратная народонаселению, т.е. N-1 = 1/N (здесь N
выражено в миллиардах человек). Как видно, "экспериментальные" точки
прекрасно укладываются на прямую линию (сплошная линия на рис.9).
Следовательно, начиная примерно с середины XVII века, изменение числа живущих
описывается законом:
, (3)
где b - некоторая константа,
определяемая углом наклона прямой на рис.9, а величина tc имеет ясный смысл:
при t = tc число живущих на Земле будет равно бесконечности (подчеркнем при
этом, что tc конечная величина, см. ниже). Законы изменения тех или иных
величин, которые приводят к обращению их в бесконечность за конечное время, и
называются взрывными. Итак, динамика народонаселения Земного шара за последние
несколько сотен лет описывается законом взрывного типа (3).
Момент обращения N в бесконечность
легко определить с помощью рис.9, проэкстраполировав сплошную прямую (штриховая
линия) до пересечения с осью времени. Согласно Шкловскому, tc = 2030 ± 5 лет.
Следовательно, если еще в начале нашего века проблемы, связанные с критическим
годом, представлялись как далекая перспектива, то уже нынешнее поколение
молодых столкнется с ними вплотную. Можно еще сказать так, что мы живем в
завершающей фазе действия взрывного закона роста населения.
Разумеется, обращение в бесконечность
числа живущих носит формальный характер: этого не может быть хотя бы уже в силу
закона сохранения полной массы Земли 13 . Но отсюда следует чрезвычайно важный
вывод: в ближайшие десятилетия он должен претерпеть радикальные изменения,
поскольку в силу ограниченности земных ресурсов наша планета может обеспечить
жизнедеятельность не более чем 10 млрд человек. Как показывает последний
рисунок, при сохраняющемся темпе прироста отметка в 10 млрд человек будет
достигнута в первые десять лет следующего века.
В этой связи важно отметить, что
данные, использованные Шкловским, заканчивались 1964 г. (соответствующее
значение N-1 отмечено на рис. 9 стрелкой). До критического года оставалось 60 ¸ 70 лет.
Посмотрим, что же предприняло человечество в его преддверии. Автор нанес на
рисунок значения N-1, соответствующие 1980 и 1990гг. (правые два крестика)
[28,29]. Как видно, они хорошо укладываются на экстраполяцию основной прямой,
построенной по данным, охватывающим период до 1964 г. Пока нет даже намека на
замедление темпа прироста количества людей, и мы стремительно продолжаем
приближаться к критическому состоянию.
Как будут решаться проблемы,
связанные с этим состоянием, - то ли человечество объединится как сообщество
носителей разума и примет, скажем, концепцию равновесной цивилизации или
ринется осваивать космическое пространство (времени ведь осталось совсем
немного), то ли нам "помогут" глобальные эпидемии - покажет совсем уж
недалекое будущее. Ясно одно, что в ближайшие десятилетия темп роста населения
Земного шара должен резко замедлиться. Следовательно, наша цивилизация окажется
чрезвычайно уязвимой для разрушающих космических факторов.
9. Мы одни?
Быстрое зарождение жизни на Земле,
казалось бы, говорит в пользу того, что вероятность ее появления не должна быть
исчезающе малой. Лишь бы условия на той или иной планете оказались подходящими
для жизни, и она "не применет" этим воспользоваться.
И тем не менее поиски внеземных форм
жизни и цивилизаций дают (пока?) отрицательный результат. Это вызывает у
исследователей весьма сильную озабоченность. Дело даже не в том, правильно ли
мы ведем эти поиски. Проблема гораздо глубже.
Как обращает внимание Шкловский
[23], у цивилизации нашего типа на технологической стадии чрезвычайно короткая
временная шкала развития, порядка десяти-двадцати лет. Так, за последние 200
лет энергопроизводство удваивалось через каждые 20 лет. На астрономическом
масштабе это ничтожное время. В силу естественного разброса возрастов должны
быть цивилизации гораздо старше нашей. В п.6 мы уже приводили оценку вероятного
количества технологических цивилизаций в Галактике. С нашей современной
техникой мы, по всей видимости, должны были бы их обнаружить.
Но их нет!
Как понять это молчание Космоса?
Теряют ли цивилизации интерес к Космосу, или они гибнут через короткое время
после достижения технологической эры - это вопрос, который ждет еще своего
решения. Анализируя различные возможности, И.С.Шкловский приходит к выводу об
уникальности земной цивилизации в Галактике.
Литера тура
Jeans
J. Astronomy and Cosmology. Cambridge, Eng-land, 1929.428с.
Шкловский
И.С. Замечания о частоте встречаемости внеземных цивилизаций // Проблема поиска
жизни во Вселенной. М.,1986. С. 41.
Аррениус
С. Образование миров // Вестник виноделия.Одесса, 1912. С. 231.
LindeA.D.
// Phys. Lett. 1986. 175. P. 395.
Бочкарев
И.Г. Основы физики межзвездной среды. М.,
1992. С.
351.P. W. Galaxies. Cambridge, England,1986. Р.189.L.S,
BermanV.G.,Mishurov Yu.N, SuchkovА.A.
// Astrophys. Space Sci. 1983. 89. P. 177.M. Gas flow through a model spiral
arm //International Astronomical Union Symp. 1970. №
31.P. 453.
Берман
В.Г., Мишуров Ю.Н. //Астрофизика. 1980.Т.16.73с.
Lin
С.С.,
Yuan С.,
Shu F. // Astrophys. J. 1969. 155.P. 721.L.S., Mishurov Yu.N., .Suchkov A.A.//
Astrophys. Space Sci., 1972. 19. P.285.M., Mennessier M.O. // Astron.
Astrophys. 1973. 27. P.281.
Мишуров
Ю.Н.,
Павловская
Е.Д,
Сучков
А.А//
Астрон.
журн.
1979.
Т.56. С.268.
Новиков
И.Д., Полнарев А.Г., Розенталъ И.Л.Численные значения фундаментальных
постоянныхи антропный принцип // Проблема поиска жизни воВселенной. М., 1986.
С. 36.
Марочник
Л.С., Мухин Л.М. Галактический "поясжизни" // Проблема поиска жизни
во Вселенной. М.,1986. С.41.W.B.
// Annual Reveiw of Astron. andAstrophys. 1976. 14. P.275.
Попов
E. M. Естествознание и проблема белка. М.,1989. 416 с.
Фокс
С, Дозе К. Молекулярная эволюция ивозникновение жизни. М.,
1975. 374 с.S.L. // Science. 1953.
117. Р.528.
Симионеску
К., Денеш Ф. Происхождение жизни.Химические теории. М., 1986. 120 с.