Эволюция атмосферы

Вторым предметом дискуссий, если мы говорим о развитии и зарождении жизни, является нестабильность атмосфер планет и их постепенная эволюция. Описанная выше Великая кислородная катастрофа на Земле – лишь один из примеров происходящих в атмосферах процессов. Существуют, разумеется, и другие. Ниже мы поговорим о некоторых из них, о тех, что особенно важны для планет земного типа.

На маленьких планетах, вроде Марса, большую роль играет диссипация атмосферы. Вот как происходит этот процесс: составляющие атмосферу молекулы постоянно находятся в движении, и чем выше температура атмосферы, тем быстрее они движутся. Однако при любой температуре всегда будут молекулы, чья скорость превышает среднюю скорость всех молекул, и молекулы, движущиеся медленнее большинства. И если более быстрые молекулы наберут достаточно большую скорость и случайно направятся вертикально вверх, они могут преодолеть гравитационное притяжение планеты и улететь в космос.

Чем больше планета, тем больше сила ее притяжения и тем легче ей удерживать свою атмосферу. К примеру, чтобы оторваться от Земли, молекуле придется лететь со скоростью примерно в 11 км/с. Кроме того, тяжелые молекулы труднее разогнать до большой скорости, чем легкие. А это значит, что более легким молекулам проще, чем тяжелым, покинуть планету в процессе диссипации. Земля, например, потеряла довольно значительную часть своих первоначальных запасов водорода и гелия – самых легких составляющих своей атмосферы, – в то время как Марс покинули даже более тяжелые газы, например кислород или азот.

Связанный с диссипацией механизм потерь – фотодиссоциация, особенно сильно влияет на молекулы воды. Если на поверхности планеты есть вода, в ее атмосфере будет водяной пар. Ультрафиолетовое излучение материнской звезды разрушит те молекулы воды, которые окажутся в верхних слоях атмосферы планеты. Образовавшийся вследствие этого водород тут же уйдет в космос из‐за гравитационной диссипации, а кислород соединится с атомами на поверхности планеты, образуя оксиды различных минералов. Есть гипотеза о том, что именно так Марс лишился океана, который существовал на его поверхности на заре истории планеты. А красный цвет поверхности Марса – итог окисления (коррозии) железа, входящего в состав каменных пород на поверхности планеты.

Крупные изменения происходят и с углекислым газом – одним из наиболее распространенных (наряду с водяным паром) парниковых газов в земной атмосфере. При каждом извержении вулкана на Земле углекислый газ высвобождается из глубин мантии и вырывается в атмосферу. В ходе сложного процесса, называемого глубоким углеродным циклом, углекислый газ попадает в океаны, где вступает в реакцию с различными веществами, вроде известняка, после чего может, кроме всего прочего, вернуться в недра Земли. Таким образом, глобальные геологические процессы, происходящие на планете, могут влиять на количество углекислого газа в ее атмосфере, а уже оно, в свою очередь, влияет на температуру планеты. Мы полагаем, что океаны, существовавшие на поверхности Венеры на ранних стадиях ее развития, должны были испариться из‐за высокой температуры планеты – следствия ее близости к Солнцу. Таким образом в ее атмосфере продолжал накапливаться ничем не устраняемый углекислый газ, и в отсутствие глубокого углеродного цикла на планете произошло катастрофическое увеличение количества парниковых газов в целом – явление, которое мы называем неуправляемым парниковым эффектом.

Эти примеры показывают нам, что изменения в атмосферах экзопланет – невидимые и неразличимые для нас на нынешнем уровне развития астрономических приборов – могут иметь решающее значение для возможности зарождения жизни на этих планетах. Пример подобного влияния – планета, находящаяся в зоне обитания своей звезды, но обладающая крайне малыми запасами воды, – на ней легко может возникнуть неуправляемый парниковый эффект, и она станет похожа на современную Венеру. При этом на большом расстоянии определить, произошло с ней что‐то подобное или нет, будет очень и очень трудно.

Разумная жизнь и технический прогресс

Тот факт, что мы довольно неплохо знаем, когда появилась и как развивалась жизнь в одном из миров обитаемой зоны – собственно на Земле, – заметно упрощает нам разговор о возможных путях развития жизни в мирах подобного типа. Хотя в основу химии внеземной жизни вовсе необязательно должна лечь система ДНК-РНК, на которой построена вся земная жизнь, не будет слишком смелым предположить, что и в других мирах обитаемой зоны формы жизни будут подобным же образом возникать на основе сложной системы кодирования информации в крупных углеродосодержащих молекулах. Почему углерод занимает в этом отношении особое место, мы подробно обсудим в главе 15, а сейчас просто отметим, что углерод может образовывать прочные и устойчивые цепочки, а также циклические соединения, на базе которых собираются органические молекулы, идеально пригодные для передачи информации. К тому же, чтобы понять, как естественный отбор мог бы действовать в других мирах обитаемой зоны, мы совсем не обязаны представлять себе типовую галактику из научной фантастики, населенную двуногими гоминидами, свободно говорящими на одном из земных языков. Мы можем внимательно посмотреть на развитие разумной жизни и развитых цивилизаций на Земле и на основе этих наблюдений подумать о том, как могли развиваться аналогичные процессы на похожих планетах в других уголках Галактики.

Прежде всего, мы должны обратить внимание на самый главный принцип естественного отбора: ему нет никакого дела до высоких моральных ценностей или вершин альтруизма. Чтобы объяснить это студентам, один из авторов (Дж. Т.) обычно рассказывает им старый анекдот.

Два туриста встречают в горах голодного медведя. Один из них тут же начинает стаскивать с себя рюкзак. «Что ты делаешь?» – спрашивает другой. «Ты же все равно бегаешь медленнее медведя».

«Да мне и не надо бегать быстрее медведя!» – отвечает ему первый. «Главное – бегать быстрее тебя».

Не имеет никакого значения, что человек, который бегает медленнее, – альтруист, переводящий старушек через дорогу. Естественному отбору на это плевать. Для него имеет значение одно – кто бегает быстрее, тот и передаст свои гены следующему поколению.

Что же эта история говорит нам о формах жизни, которые могут развиваться в мирах обитаемой зоны? Ответ вас, скорее всего, не обрадует: вряд ли эти существа будут более благородны и добры, чем Homo sapiens. Думая об истории нашего собственного вида и вспоминая об исчезновении более 20 других видов гоминид, о котором свидетельствуют палеонтологические находки, мы вряд ли можем надеяться на встречу с технически продвинутыми существами, настроенными более мирно, чем мы сами. Кого бы мы ни встретили там, в отдаленных уголках Вселенной, они, скорее всего будут не более высокоморальными и не менее воинственными, чем мы сами. Страшновато.

Давайте мысленно сожмем историю Вселенной до одного года. Тогда получится, что Солнечная система и планета Земля как ее часть образовались где‐то в начале сентября, а все развитие науки на