Глава 4 Единство живой и неживой природы

Феномен возникновения и длительного развития жизни невозможно понять без рассмотрения условий формирования и эволюции Земли. Жизнь и Земля — это единое целое, результат совместного взаимодействия на протяжении нескольких миллиардов лет. Жизнь на Земле ограничена определенной областью обитания и взаимодействия с неживой природой — биосферой, понятие о которой ввел в 70-х гг. XIX в. великий австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831–1914). Основополагающий вклад в развитие современных представлений о биосфере, как одной из геосфер Земли, связан с именем Владимира Ивановича Вернадского (1863–1945). Химическая и биологическая эволюция идут на Земле как единое целое, а живое вещество выступает в качестве геологической силы, формирующей и изменяющей геохимический состав Земли.

4.1. Жизнь и фундаментальные свойства Вселенной

Жизнь требует особых условий для своего существования. Простой анализ показывает, что наш окружающий материальный мир удивительно хорошо приспособлен для жизни. Возникновение и развитие планеты Зем­ля, а следовательно и жизни, неотделимы от образования и эволюции Солнечной системы и, в целом, Вселенной.

Для эволюции живых организмов от простейших форм (бактерии, вирусы) к разумным существам необходимы огромные интервалы времени. В условиях Земли для этого потребовалось 3,5 – 3,8 млрд лет³. Это связано с тем, что движущей силой такой эволюции являются мутации и естественный отбор. Эти процессы являются случайными, носят статистический характер. Именно через огромное количество случайных событий реализуется закономерное развитие от простых форм жизни к сложным. Итак, для возникновения разума, по-видимому, требуется несколько миллиардов лет. Обсудим вопрос: много это или мало?

Для возникновения жизни необходима звезда с планетной системой, причем светимость звез­ды должна оставаться приб­лизительно на одном уровне. Продолжительность жизни звез­ды, точнее время нахождения на главной последовательности (t_s), зависит прежде всего от ее массы. Чем больше масса звезды, тем меньше величина t_s (рис. 3.7). Чем больше масса, тем больше светимость и тем быстрее израсходуются запасы термоядерного топлива — водорода и гелия. Как видим, развитые формы жизни могут возникнуть только на планетах, вращающихся вокруг небольших звезд с массой не больше 1,5^.M_.

С другой стороны, температурные условия на планете накладывают свои ограничения на массу звезды. Это легко понять на примере Солнечной системы. На дневной стороне Меркурия температура достигает 450 ⁰С. На Марсе положительных температур почти не наблюдается. А еще дальше от Солнца, на Юпитере температура не превышает минус 120 ⁰С. Вокруг Солнца имеется узкая благоприятная, с точки зрения температурных условий, зона. Для звезд малой массы эта область оказывается очень узкой и располагается очень близко к светилу. Если бы масса Солнца была в два раза меньше, то даже на Меркурии было бы холодно для жизни.

Другой комплекс ограничений связан с характеристиками планеты. Земля не слу­чайно стала колыбелью жизни. Она по ряду своих свойств вы­деляется в Солнечной системе среди 13 небесных тел с раз­мерами, превышаю­щими размеры Луны. Маломассивная планета (например, Меркурий или Луна) не может удержать атмосферу, а следовательно гидросферу, которые являются важнейшим фактором для возникновения и последующей эволюции жизни. Очень массивные планеты (по сравнению с Землей) сохраняют первичную атмосферу с неблагоприятным химическим составом и в целом они содержат очень мало тяжелых элементов. Это характерно для всех планет-гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

Доля солнечной энергии, которую перехватывает планета, сильно зависит от расстояния до Солнца. Например, Марс находится всего в 1,5 раза дальше и единица его поверхности получает в 2,3 раза меньше энергии. Активные попытки обнаружить жизнь на Марсе и Венере, ближайших и наиболее похожих на Землю планетах, не привели к положительному результату. Главной задачей двух автоматических межпланетных станций “Викинг-I” и “Викинг-II” в 1976 г. было ответить на вопрос о наличии жизни на Марсе. Не было обнаружено никаких следов сложных органических веществ. Этот вывод был подтвержден в июле 1997 г. работой марсохода “Pathfinder”. Ничего удивительного в этом нет. Отсутствие свободной воды, низкие температуры, практически закончившаяся примерно миллиард лет назад геологическая активность, очень разреженная атмосфера (всего 50 мм рт. ст.), как следствие, высокий уровень жесткого УФ — все эти факторы являются крайне неблагоприятными для развития жизни.

Имеются и другие отличительные особенности Земли. Своим вращением относительно оси наша планета принципиально отличается от вращения Меркурия и Венеры. Меркурианские и венерианские сутки сравнимы со временем их обращения вокруг Солнца. Земля обладает более сильным магнитным полем по сравнению с другими планетами земной группы. Эти факторы не являются определяющими для жизни, но влияют на темп эволюции.

Оказывается, что местоположение нашего Солнца (вместе с пла­нетами) в Галактике является, в известном смысле, выделенным. По-видимому, оно находится между спиральными галактическими рукавами на расстоянии приблизительно 8 кпк от галактического центра — на так называемом радиусе коротации, где скорость вращения звезд (в том числе Солнца) совпадает со скоростью вращения спиралей, в которых происходит бурное звездообразование, взрывы сверхновых и другие космические катаклизмы. Положение Солнца обеспечивает ему более спокойное существование в течение миллиардов лет, что является важным условием для эволюции жизни на Земле. Взрыв сверхновой звезды, вблизи от Солнца, может кардинально воздействовать на Землю, в частности, приведет к катастрофическому увеличению уровня излучения и космических лучей. В то же время, при своем обращении вокруг галактического центра с периодом 200 млн лет, Солнечная система неоднократно испытывала воздействие галактической природы, связанное с жестким электромагнитным излучением и потоками быстрых элементарных частиц.

Формирование планетной системы и химический состав. Планеты возникли почти одновременно 4,6 млрд лет назад из газово-пылевой туманности, которая представляла из себя вращающийся диск, в центре располагалось молодое Солнце. Оно чуть старше Земли, примерно на 0,5 млрд лет. Возраст большинства метеоритов, по данным методов ядерной геохронологии, составляет 4,5 – 4,7 млрд лет, близкий возраст (3,5 – 4,5 млрд лет) имеют самые древние горные породы на Луне. Самые древние горные породы на Земле, в Гренландии и Канаде оцениваются в 3,9 – 4 млрд лет, когда они сформировались, то первые горные породы уже разрушились и, по-видимому, не дожили до нашего времени (или еще не обнаружены).

Сам процесс образования планет приводит к важной особенности химического состава небесных тел. Ближайшие планеты к звезде (а только на них, поближе к источнику энергии, может возникнуть жизнь) состоят в основном из тяжелых элементов. Средняя плотность Меркурия — 5,44 г/см³, Венеры — 5,24 г/см³, Земли — 5,52 г/см³, Марса — 3,94 г/см³. Дальние планеты состоят, прежде всего, из водорода и гелия. Средняя плотность планет-гигантов близка к 1 г/см³ (Юпитер — 1,33; Сатурн — 0,70; Уран — 1,3; Нептун — 1,67 г/см³). Причина этого принципиального отличия связана с особенностью формирования Солнечной системы, которая по современным представлениям возникла в три этапа. На первом сформировалось Солнце. Затем возникли 4 планеты земной группы, в процессе их образования давление солнечного излучения вымело из центральной области легкие элементы, поэтому планеты вблизи Солнца содержат мало водорода и гелия. С удалением от звезды роль светового давления уменьшается, поэтому сформировавшиеся несколько позднее дальние планеты состоят, в первую очередь, из легких элементов (водорода и гелия).

Таким образом, химический состав Земли, который во многом обусловливает жизнь, определяется особенностями возникновения планетной системы и химическим составом протопланетного облака. Вещество, из которого возникла Земля, должно было пройти долгую химическую эволюцию. Атомы на современной Земле когда-то составляли другие первичные звезды, в которых через нуклеосинтез и возникли тяжелые химические элементы. Затем, посредством взрыва сверхновой или потери вещества при прохождении стадии красного гиганта, тяжелые ядра вновь оказались в межзвездном пространстве. Следующей стадией являлось образование достаточно плотных газовых облаков и, наконец, 5 млрд лет назад, т.е. примерно через 10 млрд лет с момента рождения Вселенной, началось формирование Солнечной системы. Как видим, жизнь может возникнуть только на определенной, достаточно поздней стадии эволюции Вселенной.

Жизнь и звездный нуклеосинтез. Четыре химических элемента (H, C, N, O) входят во все фундаментальные биоорганические структуры, они являются структурообразующими атомами. Помимо них, в небольшом количестве жизненно необходимыми оказываются еще примерно 30 химических элементов, т.е. существенная часть таблицы Менделеева. В связи с этим, особое значение приобретают вопросы эволюции и распространенности химических элементов.

Возраст нашей Вселенной составляет приблизительно 15 млрд лет и только 5 млрд лет назад родилось наше Солнце, практически одновременно с образованием Солнечной системы. Можно считать, что Земля возникла 4,6 млрд лет назад. До образования галактик и звезд существовали только два химических элемента  водород H и гелий He, а также их изотопы. Возникновение первых звезд привело к появлению более тяжелых атомов. Более тяжелые ядра атомов образуются в недрах звезд, в результате термоядерного синтеза из более легких. Таким образом, все химические элементы, тяжелее гелия, а это практически все вещество на Земле (включая живое), являлись когда-то частью звезд. Затем, на заключительных стадиях звездной эволюции это вещество было выброшено в окружающее пространство. Только после этого образовались Солнце и наша планетная система. Жизнь может возникнуть только около звезды, как минимум второго поколения.

Антропные космологические принципы. С 40-х годов стало фор­мироваться представление, что появление жизни (и, в частности, разума) во многом определяется фундаментальными свойствами Вселенной. Очевидно, что для возникновения жизни и ее дальнейшей эволюции необходимо существование атомов, молекул, планет, звезд, галактик. Между фундаментальными физическими постоянными⁴ и фундаментальными свойствами Вселенной существует связь. Анализ свидетельствует о неустойчивости структуры Вселенной относительно численных значений фундаментальных постоянных в следующем смысле: сравнительно небольшое изменение фундаментальных постоянных приводит к качественному изменению свойств Вселенной. В результате этих изменений оказывается невозможным существование важнейших структурных элементов Вселенной, таких как ядра, атомы, молекулы, звезды, галактики (см. § 3.8). Без любого из них возникновение жизни вряд ли возможно.

Итак, антропные аргументы показывают, что наша Вселенная оказывается удивительно приспособлена для появления, на определенном этапе своей эволюции, жизни.

Приведенные выше примеры и многие другие факты, о которых пойдет речь ниже, делают уместными слова Дж. Лесли: “Жизнь балансирует на лезвии ножа”.

Вселенная, в которой мы живем, имеет богатейший спектр свойств и сложную историю. Возникает вопрос: является ли Вселенная только чем-то внешним по отношению к нам — разумным существам, населяющим небольшую и в некотором роде рядовую планету? Другими словами, могла ли Вселенная быть совершенно другой, с другими законами? Сама постановка такого вопроса и первые попытки ответа с естественнонаучных позиций относятся к концу 60-х — началу 70-х годов, когда началась систематизация антропных аргументов и были даны первые формулировки антропного принципа. Точка зрения, согласно которой мы наблюдаем Вселенную именно такой, какая она есть, просто потому, что мы существуем, и в другой вселенной существовать не могли бы, получила название: “антропный принцип”.

В 1973 году Б. Картер сформулировал тезис, известный как “ант­ропный космологический принцип” (АКП). На вопрос, почему природа устроена именно так, а не иначе, АКП отвечает, потому что в другой Вселенной наше существование было бы невозможным по ряду убедительных физических причин.

Сама постановка вопроса о происхождении действующих во Вселенной законов выходит за рамки общепринятых научных процедур. Если перейти от понятия закона к количественным факторам, определяющим конкретный вид закона, — к фундаментальным физическим постоянным, тогда необходимо изменить вопрос: “Каково происхождение численных значений этих параметров?” Предложенный, так называемый сильный АКП: “Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель”, указывает на нетипичность нашей Вселенной, в которой предпосылки появления жизни и разума оказываются обеспеченными уже на уровне фундаментальных законов природы на стадии первичной сингулярности (см. § 3.8).

Возможным выходом из сформулированной проблемы является предположение о множестве (ансамбле) вселенных, в которых реализуются всевозможные комбинации фундаментальных параметров. Поскольку существование “наблю­дателей” допускается лишь для наборов физических постоянных, лежащих в узких пределах, подавляющее большинство вселенных непознаваемо, ввиду принципиального отсутствия в них субъектов познания. Одна (или несколько) из вселенных оказалась случайно наделенной всеми условиями, необходимыми для формирования сложных структур, жизни и разума. Следует подчеркнуть, что такого рода попытки построения физических моделей в принципе невозможно проверить.

Определенные успехи получены в рамках теории “раздувающейся (инфляционной) Вселенной” (1983 г.), в которой имеется в ранней физической истории Вселенной этап быстрого экспоненциального “раздувания” метрики, в результате широкий спектр возможных начальных условий приводит в конечном итоге к современной космологической ситуации. Современная наука далека еще до окончательных ответов на сформулированные выше вопросы. Однако развитие антропного принципа привело к узакониванию вопроса: “Почему мир устроен так, а не иначе?” Ранее довольствовались вопросом: “Как устроен мир?”

“Мы живем, точно в сне неразгаданном

на одной из удобных планет...”

И. Северянин