История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции - Дональд Голдсмит

Состав жизни на Земле соответствует принципу Коперника в еще большей степени, чем можно было бы предположить. Если бы мы жили на планете, сделанной преимущественно из водорода, кислорода, углерода и азота, тогда сам факт, что живущие на ней организмы тоже состоят из этих же четырех элементов, вряд ли бы нас сильно удивил. Но Земля состоит в основном из кислорода, железа, кремния и магния, а ее ближайшие к поверхности слои — из кислорода, кремния, алюминия и железа. Только один из этих химических элементов — кислород — входит в список самых распространенных во Вселенной. Когда мы заглядываем в земные океаны, почти целиком сделанные из водорода и кислорода, нам кажется удивительным, что в список самых распространенных в мире элементов также входят углерод и азот, а не хлор, сода, сера, кальций или калий, которые являются самыми распространенными элементами из растворенных в океанической воде. Распределение элементов в живых организмах на Земле напоминает состав звезд — и гораздо больше, чем оно напоминает состав самой Земли. В результате получается, что образующие жизнь элементы гораздо более распространены во Вселенной, чем элементы, входящие в состав планеты Земля. А это уже неплохая точка отсчета для тех, кто надеется найти жизнь в самых разных совокупностях условий, возможно не похожих одна на другую.

Установив, что сырья для создания жизни во всей Вселенной более чем предостаточно, мы можем задаться вопросом: как часто наличие этого сырья, удобного места в космосе, где это сырье могло бы скопиться в достаточном количестве, и удобного источника энергии в виде расположенной поблизости звезды приводит к зарождению и существованию жизни? Когда-нибудь, когда под рукой у нас будет список возможных территорий для существования жизни в окрестностях Солнца, мы сможем ответить на этот вопрос статистически точно. Но пока этих данных у нас нет, придется снова пойти в обход и спросить себя: откуда взялась жизнь на планете Земля?

Возникновение жизни на Земле покрыто пеленой недостоверности. Наше невежество в данном вопросе является результатом не в последнюю очередь того, что те таинственные события явления, которые вдохнули жизнь в ранее неодушевленное вещество миллиарды лет назад, не оставили за собой никаких определенных следов. Для прошлого, насчитывающего более 4 миллиардов лет, палеонтологического и геологического наследия просто не существует. При этом большинство палеобиологов — ученых, занимающихся воссозданием жизни, существовавшей в давно ушедшие эпохи, — считает, что первые формы жизни появились на нашей планете именно в эту эпоху в истории Солнечной системы — от 4,6 до 4 миллиардов лет назад, то есть в первые 600 миллионов лет после образования Солнца и его планет.

Отсутствие любых геологических вещественных доказательств, датируемых более чем 4 миллиардами лет назад, связано с движениями земной коры, которое называется континентальным дрейфом или, как принято в научных кругах, тектоникой плит. Эти движения, вызванные теплом, поднимающимся из недр Земли, постоянно заставляют сегменты коры нашей планеты — плиты — скользить, сталкиваться и наезжать друг на друга. Тектонические движения плит медленно и неумолимо погребли под собой все, что когда-то лежало на самой поверхности Земли. В результате нам осталось совсем немного скальных пород и камней возрастом более 2 миллиардов лет — и ни одного, которому было бы в принципе больше 3,8 миллиарда лет. Этот факт в сочетании с разумным заключением о том, что самые первые примитивные формы жизни имели весьма мало шансов оставить за собой палеонтологические следы, оставил нашу планету без малейшего надежного источника информации о том, какой была жизнь на Земле в первые 1 или 2 миллиарда лет ее истории. Самым древним подтвержденным источникам информации о земной жизни, что у нас есть, «всего» 2,7 миллиарда лет, а несколько косвенных улик позволяют предположить, что жизнь уже существовала еще 1 миллиардом лет ранее.

Большинство палеонтологов считает, что жизнь возникла на Земле не менее 3 миллиардов лет назад, но вполне возможно, что и более 4 миллиардов лет назад — в первые 600 миллионов лет после образования нашей планеты. Их заключение основано на определенном справедливом предположении о примитивных организмах. Во времена чуть менее 3 миллиардов лет назад в атмосфере Земли начало основательно повышаться содержание кислорода. Мы знаем это из геологического профиля планеты, который не зависит от наличия каких-либо древних окаменелостей или других палеонтологических свидетельств: кислород вызывает медленное ржавление — коррозию — насыщенных железом скал, что придает им чудесный красный оттенок вроде того, которым славятся знаменитые скалы Большого каньона в Аризоне. Каменистые породы «предкислородной» эпохи такого цвета не бывают — как и, впрочем, не выказывают других явных признаков наличия этого элемента.

Появление атмосферного кислорода сыграло роль величайшего «загрязнения» атмосферы в истории Земли. Атмосферный кислород способен не только на химическую реакцию с железом, он также отбирает питание из (метафорических) ртов примитивных организмов, соединяясь со всеми простыми молекулами, которые в исходном своем виде могли бы стать питательными элементами для ранних форм жизни. Таким образом, появление кислорода в атмосфере Земли стало поводом для уже существовавших на планете форм жизни пересмотреть свою философию и либо адаптироваться, либо умереть. Это также означает, что, если бы на тот момент жизни еще не было, она уже никогда не возникла бы, ведь гипотетическим новообразовавшимся организмам было бы нечего есть: их еда уже окислилась бы и заржавела. Эволюционная адаптация к этому загрязнению неплохо сработала во многих случаях: дышащие кислородом животные отличное тому подтверждение. Идея полностью спрятаться от кислорода тоже оказалась удачной: и по сей день в желудке каждого животного, включая человека, живут миллиарды организмов, которые успешно плодятся в этой гипоксической (бескислородной) среде, но гибнут, стоит им оказаться на воздухе.

Что насытило атмосферу Земли кислородом? Большая его часть появилась от крошечных организмов, которыми полнились моря: они производили кислород в процессе фотосинтеза. Какое-то количество кислорода появилось бы на Земле и в условиях полного отсутствия жизни: ультрафиолет из солнечного света разбивал некоторое количество молекул О на поверхностях океанов, высвобождая атомы водорода и кислорода и насыщая ими воздух. Каждый раз, когда значительный объем жидких вод планеты подвергается воздействию звездного цвета, атмосфера этой планеты, как и в случае с земной, начинает обогащаться кислородом. На это уходят сотни миллионов или даже миллиарды лет. Там наличие атмосферного кислорода не даст возникнуть жизни, так как его атомы соединятся с атомами всех остальных потенциально питательных веществ, которыми могли бы угощаться эти формы жизни. То есть кислород убивает! А ведь мы привыкли думать об этом химическом элементе периодической таблицы совсем по-другому, однако для космоса в целом справедливо следующее заключение: жизнь должна начаться на ранних этапах истории планеты, иначе в ее атмосфере рано или поздно появится кислород — и сделает это невозможным.

Отсутствующая в геологическом профиле планеты эпоха соответствует времени так называемой бомбардировки, которая продолжалась в те ключевые первые несколько сотен миллионов лет после образования Земли. Вся поверхность планеты тогда подвергалась непрекращающимся ударам космических объектов. В те несколько сотен тысяч тысячелетий падающие на Землю объекты размером с тот метеорит, что оставил за собой знаменитый Аризонский кратер, ударялись об нее несколько раз в столетие, а еще более крупные объекты — до нескольких миль в диаметре — сталкивались с нашей планетой каждые несколько тысяч лет. Каждое из таких основательных столкновений приводило к вынужденным ландшафтным работам локального характера, и сотни тысяч подобных инцидентов сыграли глобальную роль в формировании топографии нашей планеты.