Сей пост содержит краткий конспект и соответствующий иллюстративный материал к первому занятию по программе краткого курса астрофизики, как дополнительного к курсу астрономии для средней школы.
1. Базовый элемент.
Жизнь должна выбрать химический элемент, на базе которого она будет строить для своего функционирования максимально сложные молекулы. Очевидные критерии выбора - максимальные валентность и распространеность в природе. Максимальная валентность у довольно распространеных элементов, равная 4, есть у углерода и кремния. Но кремния в природе существенно меньше. Кроме того энергия связи атомов кремния между собой примерно вдвое меньше энергий связи кремния с кислородом, азотом и другими элементами. Из-за чего устойчивые длинные молекулы на кремнии построить практически невозможно.
Действительно, органика на базе кремния существует, но она гораздо беднее углеродной. Углерод лишен этого недостатка. Энергии связей углерода с углеродом, азотом и кислородом близки по величине. Поэтому Вселенная в качестве базового элемента выбрала углерод. И не прогадала.
2. Растворитель.
Любые химические реакции гораздо интенсивнее идут в жидкости, чем в газе и, тем более, в твердом теле. Поэтому для зарождения и развития Жизни нужна жидкость-растворитель. Химически нейтральная. Земля выбрала в качестве такого растворителя воду. Теоретически возможны и другие варианты - аммиак, метан и другие. Возможно, они могут быть реализованы на Юпитере и Титане.
У воды есть один недостаток - при замерзании она расширяется (плотность водяного льда меньше плотности воды). Что губительно сказывается на содержащих воду живых организмах. У таких веществ, как аммиак и метан, этого недостатка нет. Но есть другой - они могут находиться в жидкой фазе при заметно более низких температурах. При которых скорость химических реакций существенно замедляется.
Всякое вещество существует в жидкой фазе только в некоторой области термодинамических параметров. Вне этой области это же вещество может быть твердым или газообразным. Картина областей существования разных фаз конкретного вещества на плоскости "давления-температура" называется фазовой диаграммой. Для воды она выглядит так:
Рис.1. Фазовая диграмма состояний Н2О. Она позволяет понять - почему на Марсе и на Венере в настоящее время не может быть воды в жидкой фазе. На Марсе условия в нижних слоях атмосферы находятся в окрестности тройной точки (лед при нагревании испаряется минуя стадию воды), а на Венере условия соответствуют фазе "перегретый пар" (температура около 500 градусов Цельсия при давлении порялка 90 атмосфер).
3. Зона Златовласки.
Так называют зону (интервал расстояний от материнской звезды), в которой вода может существовать в жидкой фазе на каменных планетах с массой не слишко сильно отличающихся от массы Земли. Наглядно эта зона для звезд разной массы показана на этой картинке:
Рис.2. Зона "Златовласки" (приближенная схема в логарифмических шкалах). Звезды массой более двух масс Солнца слишком короткоживущи - на их планетах минимально "продвинутая" Жизнь возникнуть не успевает. У звезд массой меньше половины солнечной планеты в зоне "Златовласки" приливным захватом будут постоянно обращены к материнской звезде одной стороной (как Луна к Земле) и потому вряд могут позволить себе обзавестись Жизнью. Земля расположена практически в середине этой зоны для Солнца. А Марс и Венера - на границах ее и даже слегка за ее пределами.
4. Преобразование атмосферы планеты Жизнью.
Зарождающаяся на каменной планете Жизнь использует углекислый газ из атмосферы, воду и фотоны родительской звезды. Простейшим примером может служить реакция фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О + свет (фотон) => С6Н12О6 (глюкоза) + 6О2, в результате которой из атмосферы выбывает углекислый газ и в нее впрыскивается молекулярный кислород. Хватит ли углекислого газа на таких планетах для зарождения Жизни?
Дать единый ответ на этот вопрос для всей Вселенной вряд ли можно. Но что показвает опыт солнечной системы? На Марсе и на Венере, где следов Жизни не видно, доля углекислого газа в атмосфере не менее 95 %, а доля азота - до 3% (остальное мелочь). На Земле, судя по геологическим данным изначально было так же. А затем Жизнь интенсивно выедала из атмосферы углекислый газ. Что иллюстрирует этот график:
Рис.3. Эволюция состава земной атмосферы по геологическим данным.
Возникает, правда, вопрос - а куда девался первые два с лишним миллиарда лет генерируемый Жизнью молекулярный кислород? Геологи дают такой ответ - кислород шел на окисление изрыгаемых вулканами газов и горных пород. Действительно, даже железо человек добывает из земли в виде окислов. И только по завершении этих процессов кислород начал накапливаться в атмосфере. Детально этот процесс изображен на этом графике:
Рис.4. Эволюция доли кислорода в земной атмосфере.
5. О возможности зарождения и развития Жизни на Юпитере, Сатурне и их спутниках.
Юпитер, Сатурн и их спутники находятся вне зоны Златовласки. Но это однозначно не запрещает зарождения и развития на них Жизни. Поскольку углерода, как базового элемента, везде немало, температурный режим может определяться не только Солнцем, но и энергией недр планеты, а роль жидкости-растворителя может выполнять не только вода, но и ряд других веществ в жидкой фазе. А также газовая среда достаточно высокой плотности. Любопытным с этой точки зрение является результат прямого изучения зондом "Галилео" атмосферы Юпитера (1995):
Рис.5. Измерения зонда "Галилео" в атмосфере Юпитера (1995). Этот и следующий графики - к вопросу о возможности зарождения Жизни во внутренних слоях атмосфер планет - газовых гигантах согласно гипотезе Карла Сагана (сфантазирована в 1970-х). В том числе в условиях, когда роль "растворителя" играет не вода, а аммиак (NH3).
Из этого графика видно, что при температурах, терпимых земной жизнью, в облаках водяного пара атмосферы Юпитера давление порядка десятка атмосфер. И плотность тамошнего "воздуха" тоже на порядок выше плотности земной атмосферы. Не густо. Но вот в модели атмосферы Урана при таких же температурах давление и плотность водяного пара, как минимум, на два порядка выше, чем в земной атмосфере. Что по плотности уже гораздо ближе к жидкой фазе воды:
Рис.6. Модель атмосферы Урана (измерений не было).
В последние годы усилилось обсуждение возможности существования Жизни на спутниках Юпитера и Сатурна с глубокими подледными океанами. Таких, как Энцелад, Европа и ряд других. Толщина льда на них может достигать 20-30 км, а глубина подледных океанов - 50-100 км. На Европе (спутнике Юпитера) воды в этом океане даже больше, чем на Земле. Внешний вид Европы и модель ее внутренностей - на этих картинках:
Рис.7. Внешний вид Европы. Слошной лед, покрытый трещинами.
Рис.8. Модель недр Европы. Толщина ледяной коры ~ 10-30 км, глубина подледного океана ~ 100 км (воды на Европе больше чем на Земле).
Европа, хоть и больше Луны, но относительно невелика. И потому энергии ее недр в условиях большой удаленности от Солнца явно не хватило бы для поддержания Жизни в ее подледных океанах на те миллиарды лет, которые существует солнечная система и сама Европа. Есть, однако, два практически вечных источника энергии, работающих на возможность поддержания Жизни на Европе.
Первый из них - приливные деформации недр Европы, обусловленные тем, что орбита Европы является не круговой, а эллиптической. Приливные силы (разность гравитационных сил) с периодом, равным периоду обращения Европы вокруг Юпитера, растягивают ее недра сильнее на меньшем расстоянии от Юпитера и слабее - на большем расстоянии. Как работают приливные силы в системе Земля - Луна видно из этого рисунка:
Рис.9. Приливная деформация Земли от воздействия Луны (аналог приливной деформации Европы от воздействия Юпитера).
Второй - приливные деформации от других спутников. Особо существенные в случаях резонансных орбит в том смысле, что периоды орбитальных движений двух или более спутников соотносятся как целые числа. Такой случай имеет место для трех галилеевых спутников Юпитера:
Рис.10. Резонансные орбиты галилеевых спутников Юпитера (к вопросу о резонансах, как одному из источников энергии для Жизни в подледном океане Европы, другой источник - деформации Европы приливными силами от Юпитера, периодически меняющимися из-за эксцентриситета орбиты Европы).
Энергия приливных деформаций недр Европы трансформируется в тепловую и может, как и в земных океанах, нагревать придонный слой воды и поставлять в него множество других химических элементов:
Рис.11. "Черный курильщик" на дне земного океана как возможный аналог подобных структур на дне подледного океана Европы. ЧК являются богатыми источниками множества химических элементов и тепловой энергии.
Многократные пролеты КА "Кассини" мимо Титана (крупнейшего спутника Сатурна) и на завершающей стадии функционирования этого КА посадка спускаемого аппарата "Гюйгенс" на Титан разогрели дискуссию о возможности существования Жизни на Титане. Давление атмосферы Титана почти в 1,5 раза выше земного, а ее температура атмосферы у его поверхности лежит в интервале минус 170-180 градусов по Цельсию. Атмосфера состоит из азота с малой примесью метана. На поверхности Титана есть озера и реки из смеси метана и этана.
Состав самой поверхности - в основном водяной лед. Возможно, что под под ледяной корой существует, как и на Европе, глубокий водяной океан. В котором, как и на Европе, тоже может возникнуть жизнь. Но, кроме того, жизнь может возникнуть и в метано-этановых озерах. Тормозящим фактором для этого процесса будет лишь низкая температура, из-за чего скорость химических реакций будет довольно низкой.
Рис.12. Поверхность Титана (фото зонда "Гюйгенс", 2005). Видна лужа из метано-этановой смеси и обкатанная потоками этой смеси галька.
6. О гипотезе панспермии.
Существует точка зрения, согласно которой жизнь, пусть даже в самой примитивной форме, была занесена на Землю с других небесных тел или даже напрямую из межзвездной среды. Просто откинуть ее нельзя. Но привести доводы против - имеет смысл. Эти доводы таковы:
1. В межзвездной среде самые сложные из обнаруженных до сих пор органических молекул - 13-атомные цианополиин НС11N и бензонитрил С6Н5СN. Поэтому всерьез рассматривать межзвездную среду как источник жизни на Земле не стоит.
2. В солнечной системе Земля находится в самых благоприятных условиях для зарождения жизни. Поэтому предполагать, что на каких то иных ее телах (Марсе, Венере, планетах-гигантах и их спутниках) жизнь зародилась раньше, а затем была перенесена на Землю, явно не логично.
3. Перенос жизни с планет других звезд чрезвычайно маловероятен. Поскольку в окрестности Солнца плотность звезд не более 0,02 штук на кубический световой год. И к тому же лишь малая их часть старше Солнца. А Солнце и его планеты образовались примерно 4,5 млрд. лет назад. И по утверждению геологов самые древние следы Жизни на Земле имеют возраст примерно в 4,1 млрд. лет. Разумеется, эти доводы не перечеркивают окончательно гипотезу панспермии. Но делают ее крайне маловероятной.
Journal information