2.3. Планеты, пригодные для жизни

Чтобы оценить, какая доля планет может иметь условия, пригодные для развития жизни, нужно, прежде всего, ответить на вопрос, какие, собственно, условия пригодны для развития жизни. Очевидным кажется ответ: земные. Условия существования жидкой воды – это одновременно и умеренная температура, и умеренное давление. Наличие кислорода, углерода, азота – как материала для биологических молекул.

Но этот ответ только кажется очевидным. Современная наука сдала в архив (и, по мнению автора, вполне справедливо) классическое определение Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел». Эта формулировка напоминает следующее определение человека: «Человек есть живое существо с мягкой мочкой уха». Действительно, каждый человек, если он здоров в том, что касается ушей, имеет мягкую мочку уха. Ни один другой вид на планете этим похвастаться не может. Но, будь у наших ушей твердые мочки, перестали бы мы быть людьми?

Представим себе существ размножающихся, реагирующих, чувствующих и, что важно для проблемы ВЦ, мыслящих, но состоящих при этом не из белка, а из чего-то иного. Должны ли мы только на последнем основании признать их неживыми?

Современная наука и философия ищут определение жизни не в химическом составе. Сущность жизни видится в том, что живые существа есть открытые системы (то есть системы, обменивающиеся с внешней средой веществом и энергией), но при этом способны самостоятельно поддерживать постоянство внутренней среды (гомеостаз); в том, что живые организмы способны размножаться; в других подобных свойствах живых существ. Мы не будем сейчас погружаться в увлекательные глубины кибернетики, синергетики и теории систем (последняя, кстати, и возникла из попыток обобщить биологию). Для нас важно, что адекватное определение жизни, по всей видимости, должно быть сформулировано в терминах организации, регуляции, передачи информации и т. п., без привязки к конкретным физико-химическим процессам. Не жизнь есть способ существования белковых тел, а белковые тела есть способ существования жизни. И, возможно, только один из способов.

Разумеется, если белковая биология есть единственный способ существования жизни, то вопрос о том, что считать сутью, а что способом, становится чисто философским, не влияющим на практический аспект проблемы ВЦ. Но такой вывод, по сути, не обоснован. Например, уже сейчас компьютеры выполняют многие функции, которые раньше были доступны только человеческому мозгу. Вопрос о создании искусственного разума в полном смысле этого слова давно перестал быть прерогативой фантастов и философов и перешел во вполне научную, в том числе научно-практическую плоскость. И в данном случае не важно, насколько нынешние компьютеры далеки от разумных существ. Важно, что разум в принципе может существовать не на основе белковых нейронов, а на основе кремния и германия. С этим соглашается большинство специалистов, споры ведутся вокруг того, удастся ли нам его создать, может ли разум создать разум (а еще более интересен вопрос, на самом ли деле нужно его создавать). Отметим, что и некоторые живые существа на Земле, хотя и состоят из белков, имеют очень специфическую биохимию. Например, многие бактерии не нуждаются в кислороде.

В порядке чистой фантазии можно представить себе жизнь на основе самых различных процессов. Например, жизнь на основе металла и электричества, которая будет вполне комфортно существовать при температурах космического вакуума (ибо чем ниже температура, тем лучше проводимость металлов). Диапазон условий, при которых мыслимо существование жизни, становится практически неограниченным.

Однако не следует приравнивать мыслимые возможности к наблюдаемым фактам. Твердо установлено существование лишь одного способа существования жизни – того, который имеет место на Земле. Предположить можно многое, но перебор всех мыслимых вариантов похож на анекдотический способ поиска льва в пустыне: «нужно просеять пустыню сквозь сито, и в сите останется лев». Гораздо эффективнее начать поиски льва с того места, где его в последний раз видели. Пока у нас нет информации о других типах жизни, следует искать подобную земной. Нужно искать планеты, похожие на Землю.

Здесь ключевым понятием является зона обитания – область пространства вокруг звезды, в которой на планетах (если они там есть) температура допускает существование жидкой воды.

Семьдесят процентов звездного населения Галактики составляют красные карлики. Это небольшие и холодные звезды, их светимость составляет всего одну десятую долю солнечной. Зона обитания у этих звезд расположена так близко, что гравитационные силы неминуемо развернут планету к звезде одной стороной (подобно тому, как одной стороной к Земле развернута Луна). Очевидно, что температурный и ветровой режим на такой планете будет, мягко говоря, своеобразным. Вместе с тем, достоверно исключить существование жизни на таких планетах нельзя.

Находится планета в зоне обитания или нет, естественно, зависит прежде всего от расстояния до звезды. Это расстояние легко вычислить по периоду ее обращения (который непосредственно наблюдается как промежуток времени между двумя последовательными транзитами). Из закона всемирного тяготения следует, что планета вращается вокруг звезды тем быстрее, чем ближе к ней находится (существует точная формула этой зависимости, которую мы не будем здесь приводить). У звезд разной светимости зона обитания находится на разном расстоянии от них, но, если не говорить о красных карликах, которые вообще в силу своей малой светимости доступны для прямого наблюдения только в ближайших окрестностях Солнца, возможные периоды планет, лежащих в зоне обитания, варьируются от нескольких месяцев до нескольких лет. На сайтах [7, 9] сейчас размещены результаты нескольких месяцев наблюдений. За это время несколько оборотов вокруг звезды, очевидно, успели совершить лишь планеты, период обращения которых в несколько раз меньше. Такие планеты находятся к своим звездам ближе, чем Меркурий к Солнцу (период обращения Меркурия составляет около трех земных месяцев). Естественно, эти планеты сильно раскалены, о существовании на них жидкой воды не может быть и речи.

Чтобы обнаружить методом транзитов Землю, пришлось бы наблюдать Солнце хотя бы три года (дабы получить хотя бы три транзита и говорить об открытии планеты с уверенностью). Данные за такой период наблюдений командой проекта «Кеплер» пока не опубликованы. Самые волнующие открытия, вероятно, ждут нас впереди.

Другим важным параметром является химический состав звезды. Он легко выясняется по спектру ее излучения. Каждый химический элемент оставляет в спектре свой след, уникальный, как отпечатки пальцев.

Самым распространенным элементом во Вселенной является самый простой (простое вообще встречается куда чаще сложного – это, кстати, очень интересный с точки зрения философии факт). Водород, атом которого содержит только один протон и только один электрон, составляет около 74% видимого вещества во Вселенной. Около 25% приходится на долю гелия – самого простого элемента после водорода. На долю всех остальных элементов приходится менее 1% наблюдаемого вещества.

Если верна стандартная теория Большого Взрыва, в эпоху, когда в раскаленной Вселенной образовывались первые атомные ядра (она называется эпохой первичного нуклеосинтеза), не образовалось никаких элементов тяжелее лития. Все элементы от бериллия до железа образовались в недрах звезд (элементы тяжелее железа, предположительно, образуются при взрывах сверхновых, о которых еще будет упомянуто). На Солнце каждую секунду четыре миллиона тонн водорода превращается в гелий. Когда водород закончится, начнется реакция превращения гелия в углерод.

Большую часть жизни звезды ядерные реакции, изменяющие ее химический состав, идут только в очень маленькой области вблизи центра. Состав внешнего слоя звезды, из которого исходит наблюдаемый нами свет (этот слой потому и называется фотосферой), остается практически неизменным. По спектру звезды можно судить о том, из какого вещества она образовалась сотни миллионов или миллиарды лет назад.

Однако на последнем этапе жизни звезды от нее отделяется и рассеивается в межзвездной среде большая часть ее массы. Звезды, масса которых превышает солнечную приблизительно в пять и более раз, заканчивают свое существование катастрофическим взрывом (взрывом сверхновой), когда звезда в считанные секунды вспыхивает ярче всех остальных звезд Галактики вместе взятых. Более легкие звезды расстаются со своим веществом медленно и постепенно.

В том и в другом случае образовавшиеся в звездах ядра тяжелых элементов становятся межзвездным газом. Под действием сил притяжения из него со временем образуются новые звезды и планеты. У самых молодых звезд даже внешние слои богаты тяжелыми элементами («тяжелым» в астрофизике называется любой элемент тяжелее гелия), ибо они образовались из вещества, уже бывшего когда-то звездами (возможно, не один раз). Напротив, около 5 % звезд в Галактике составляют красные гиганты – огромные холодные звезды, в спектре которых мало линий тяжелых элементов. Эти звезды астрофизики считают старыми. Возраст звезды, таким образом, легко оценить по ее спектру.

Живые существа на Земле, кроме водорода, в основном состоят из кислорода, азота, углерода, фосфора и серы. Мы – термоядерный пепел. Мы живем, потому что умирают звезды. Солнце – звезда второго или третьего поколения.

Звезда и ее планеты образуются из одного и того же материала. Но это означает, что нет смысла искать населенные планеты у звезд, спектры которых бедны тяжелыми элементами. Такие звезды вместе со своими планетными системами образовались из бедного тяжелыми элементами вещества, и их планеты могут быть только водородно-гелиевыми гигантами, подобными Юпитеру и Сатурну в Солнечной системе. Для образования планет типа Марса или Земли им просто не хватит железа и кремния, для развития жизни – кислорода, азота и углерода. Вообще для развития какого бы то ни было, сколь угодно фантастического типа жизни необходимы тяжелые элементы. Можно спорить о том, может ли жизнь иметь другую химическую основу, чем земная, но не подлежит сомнению, что такой основой не могут быть только водород и гелий. Для этого они просто слишком просты.

С химическим составом связано и другое легко наблюдаемое ограничение – ограничение по размеру планеты. По физическим причинам, в суть которых автор счел возможным здесь не вдаваться, невозможно существование планет размером порядка размера Юпитера со сколько-нибудь богатым тяжелыми элементами составом. Гиганты бывают только водородно-гелиевыми, и, следовательно, безжизненными. Искать жизнь нужно на небольших планетах. Очень важно, что чувствительность телескопа «Кеплер» достаточна, чтобы обнаруживать планеты, близкие по размерам к Земле. В настоящее время им обнаружено семь планет, сопоставимых по размеру с Землей [7]. Вместе с тем, обитаемые планеты не могут быть слишком маленькими, ибо в этом случае их гравитации будет недостаточно, чтобы сохранить атмосферу. Так постепенно теряет атмосферу Марс, масса которого составляет всего 11 % массы Земли.

Отметим еще, что около половины всех звезд в Галактике входят в двойные и кратные системы. Двойной системой называются две звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс (если одна из них намного массивнее другой, то более легкая звезда вращается вокруг более тяжелой, как спутник). Если в этом процессе совместного вращения участвует более чем две звезды, система называется кратной. Например, то, что с Земли наблюдается (невооруженным глазом) как одна звезда, получившая имя Альфа Центавра, в действительности является системой из трех звезд. Солнце – звезда одиночная. Но, если бы водородно-гелиевый Юпитер был в несколько десятков раз массивнее, он вспыхнул бы звездой, и Солнечная система стала бы двойной. Едва ли при этом на Земле была бы возможна жизнь – по крайней мере, в том виде, в котором мы ее знаем.

Вопрос состоит в том, могут ли в двойных и кратных системах существовать планеты с устойчивыми орбитами, а тем более – с орбитами, лежащими в зоне обитания. Расчеты [5] показывают, что это возможно, но лишь при определенных условиях, которые вовсе не обязаны выполняться в каждой двойной или кратной системе. Естественнее искать обитаемые планеты у одиночных звезд – таких, как Солнце.

Упомянем еще один фактор, связанный с возрастом звезды. Массивные горячие звезды живут только сотни или даже десятки миллионов лет, после чего взрываются (для сравнения, возраст Солнца и Солнечной системы – около пяти миллиардов лет). Если судить по скорости биологической эволюции на Земле, этого времени совершенно недостаточно для развития сколько-нибудь сложных форм жизни (на развитие жизни на Земле, даже считая от начала протерозойской эры, ушло два с половиной миллиарда лет). Однако здесь мы снова вступаем на зыбкую почву индукции по одному члену.

Пока речь шла об астрофизике, можно было позволить себе весьма уверенный тон. Это – физика. Есть несомненные физические законы. Есть построенные на основании этих законов количественные модели. Есть гигантский объем наблюдательных данных о звездах и уже довольно немалый – о планетах, по которым эти модели проверяются и корректируются. Могут уточняться детали, но надежность общей картины уже не подлежит сомнению. В биологии, а тем более – в вопросах происхождения и эволюции жизни, все обстоит иначе.

Во-первых, химические механизмы возникновения живого вещества из неживого во многом еще неясны. В условиях, близких, вероятно, к условиям доисторической Земли, из неорганического материала были получены многие органические молекулы, в том числе – полипептиды, прототип белков. Но детальный процесс возникновения живого вещества пока не удалось ни просчитать на бумаге, ни воспроизвести в лаборатории.

Во-вторых, в биологии пока еще не открыто столь несомненных количественных законов, как в физике. Даже если определиться в механизме происхождения жизни, остается вопрос о скорости эволюции. Общий принцип – мутации поставляют новые признаки, естественный отбор сохраняет полезные – количественно может быть уточнен очень разными способами. Насколько известно автору, пока еще нет модели, удовлетворительно связывающей известные эволюционные механизмы с восстановленной по палеонтологическим данным скоростью эволюции. И даже если такая модель будет найдена, останется вопрос, насколько она типична для Вселенной. Солнечная система, например, оказалась нетипичной (см. первую главу), а ведь модель ее образования строилась на основе физических законов, известных несравненно лучше, чем биологические.

Автор более чем далек от заявлений в духе воинствующего креационизма, что теория эволюции ни на что не годна и представляет собой собрание домыслов. Теория эволюции – единственная на сегодняшний день теория происхождения жизни, основанная на логически прозрачных принципах, и при этом она действительно многое объясняет. Да, существуют факты, которые она еще не способна объяснить. Но обесценивать ее в связи с этим могут лишь люди, не имеющие представления о том, что такое наука и как она развивается. Никем никогда не создавалась в одночасье теория, объясняющая все без исключения факты. Любая теория находится в развитии, в движении. Биологи не закрывают глаза на противоречия, а ищут способы их разрешить. Характерно, что господа креационисты обычно ничуть не интересуются вопросом, на какое количество фактов закрывают глаза они, объявляя возраст Земли равным нескольким тысячелетиям.

Тем не менее, приходится признать, что сегодняшний уровень развития биологии не позволяет ответить на вопрос, какая скорость биологической эволюции характерна для Вселенной, и, как следствие, могут ли существовать цивилизации в системах молодых звезд. Единственное, что нам остается – воспользоваться аналогией с Землей и считать наиболее вероятными кандидатами на наличие жизни планетные системы возрастом в несколько миллиардов лет.

Суммируем выводы, сделанные в данном разделе.

Жизнь, в том числе разумная, мыслима на основе различных физических и химических процессов. Однако на настоящий момент имеет смысл искать жизнь, для которой необходимы условия, близкие к земным – поскольку это единственный тип жизни, в существовании которого мы твердо уверены.

Нет смысла искать обитаемые планеты у старых, бедных тяжелыми элементами звезд – любая представимая жизнь во всяком случае не может быть водородно-гелиевой.

Сомнительна обитаемость систем красных карликов – планеты в зоне обитания будут расположены настолько близко к звезде, что гравитация развернет их к ней одной стороной. Это создаст очень жесткие климатические условия.

В двойных и кратных системах шансы найти обитаемые планеты также снижаются по сравнению с одиночными звездами.

Основываясь на скорости биологической эволюции на Земле, можно предположить, хотя бы предварительно, что в системах молодых звезд (возрастом в десятки и сотни миллионов лет) разумная жизнь еще не успела развиться.

Наконец, обитаемыми могут быть только планеты, размером близкие к Земле – слишком маленькие не сохранят атмосферы, слишком большие не могут состоять из тяжелых элементов.

Мы должны искать жизнь и разум у одиночных, среднего возраста и светимости звезд на планетах примерно земного диаметра. Чтобы найти жизнь, подобную земной, нужно искать планеты, подобные Земле, у звезд, похожих на Солнце.

Стоило ли утомлять читателя несколькими страницами рассуждений ради такого не блещущего оригинальностью вывода?

Автор все же надеется, что стоило. Выводы – не то же самое, что предположения. Удалось показать на основании надежных астрофизических данных, что жизнь, подобная земной, невозможна или маловероятна в системах звезд, существенно отличных от Солнца, и на планетах, существенно отличных от Земли. Это не только шаг к ответу на вопрос, сколько цивилизаций (или вообще обитаемых планет) существует в Галактике. Это прозрачные критерии отбора для поиска таких планет. Из наблюдений легко определить, каков примерный возраст звезды, не является ли она красным карликом и не входит ли в двойную систему. Одиночных звезд солнечного типа в Галактике всего 2 %. Это сужает диапазон поиска и, возможно, увеличивает наши шансы на успех.