Мы знаем, что на Земле есть жизнь, частью которой мы являемся. Но инопланетяне об этом, скорее всего, ничего не знают. И мы не знаем, существуют ли инопланетяне. Поэтому при изучении вопроса о существовании жизни на других небесных телах мы можем опираться только на свои знания о зарождении и эволюции жизни на Земле. И на свои мозги.
Поставленный в заголовке вопрос многогранен. Во-первых, мы должны понять – на каких химических элементах может в основном строиться жизнь. Во-вторых, разобраться, в каких типах внешней среды и при каких внешних условиях она будет строиться и развиваться. В-третьих, оценить время, необходимое для развития разных форм жизни с учетом фактора обратного влияния развивающейся жизни на окружающую ее среду. На все это одного эскиза заведомо не хватит. Но начинать нужно.
1. Базовый элемент.
Жизнь, очевидно, должна выбрать главный химический элемент, на базе которого она будет строить нужные для ее функционирования молекулы. Очевидные критерии выбора – изобилие такого элемента в природе и максимальная его валентность.
Первая пятерка элементов по распространенности в природе (по числу атомов) выглядит так: одновалентный водород, нейтральный гелий, двухвалентный кислород, четырехвалентный углерод (60,5% от кислорода), трехвалентный азот (12,5% от кислорода). Отсюда видно, что базовым для создания жизни элементом должен был стать углерод. Ибо при вполне достаточном изобилии в природе его валентость максимальна. А водород, кислород и азот должны стать главными помощниками углерода в деле построения жизни.
Конкурентом углероду мог бы стать кремний. Он тоже четырехвалентен. Но атомов кремния в природе на порядок меньше, чем атомов углерода. Вдобавок у кремния есть еще один серьезный недостаток – 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 цепочках атомов кремния построить практически невозможно. В то время, как энергии связей углерода с углеродом, азотом и кислородом близки по величине. В результате органика на кремнии оказалась гораздо беднее органики на углероде. Поэтому Вселенная в качестве базового элемента должна была выбрать углерод. У нас на Земле Она так и поступила.
2. Растворитель.
Любые химические реакции гораздо интенсивнее идут в жидкости, чем в газе и, тем более, в твердом теле. В жидкости молекулы свободны и предельно близки друг к другу. В твердом теле они, хоть и прижаты друг к другу, но не свободны, а закреплены в кристаллической решетке. В газе они свободны, но удалены друг от друга и взаимодействуют между собой гораздо реже, чем в жидкости.
Поэтому для эффективного зарождения и дальнейшего развития Жизни нужна жидкость-растворитель. Химически не активная. Земля выбрала в качестве такого растворителя воду. Теоретически возможны и другие варианты – аммиак, метан и другие.
У воды есть только 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 значительно меньше, чем в воде. Да и сами аммиак и метан во Вселенной гораздо менее распространены, чем вода.
3. Основной источник энергии и зона Златовласки.
Для зарождения и развития жизни нужен ограниченный интервал неких средних температур. Не слишком маленьких с тем чтобы интенсивность химических реакций не была слишком низкой. И не слишком больших с тем, чтобы созданные в таких реакциях биомолекулы не разрушались при взаимных столкновениях. Этим ограничениям вполне удовлетворяет нижняя часть интервала температур, в котором вода остается жидкой при разумных давлениях.
И если мы обсуждаем возникновение жизни на поверхности каменных планет, то такое требование преобразуется два условия. Во-первых, планета должна быть не слишком маленькой с тем, чтобы удерживать у себя достаточно приличную атмосферу. Это условие легко понять на примере Марса. Он из-за своей малости (его масса около 0,11 массы Земли) удерживает атмосферу, давление в которой меньше 0,01 земной атмосферы. При таком давлении вода может находиться только в форме льда и пара. А в форме жидкости - увы, не может.
Во-вторых, то же самое требование налагает ограничение на расстояние от родительской звезды до планеты. Зону расстояний от звезды, на которых возможно наличие жидкой воды на планетах с приличной атмосферой (достаточной для наличия воды в жидкой фазе в не слишком узком интервале температур), называют зоной Златовласки. Графически ее изображают так (зеленая полоса):
Формально каждая звезда имеет свою зону Златовласки. Но звезды эволюционируют и естественно возникает вопрос о долговременной устойчивости и даже долговечности такой зоны. Ибо на опыте Земли мы знаем, что она сформировалась примерно 4,5 млрд. лет назад, жизнь на ней зародилась примерно через 0,5-0,7 млрд. лет и почти 3 млрд. лет оставалась преимущественно в одноклеточной форме. Первые многоклеточные организмы возникли в интервале 1,0-1,5 млрд лет назад, растения вышли на сушу около 640 млн. лет назад, а животные - примерно 440 млн. лет назад. Опираясь на этот факт мы вынуждены сделать вывод о том, что искать инопланетян можно только на планетах, вращающихся вокруг своих материнских звезд не менее 3-4 млрд. лет. За меньшее время они просто не успеют появиться. А звезды, живущие дольше 3-4 млрд. лет - это звезды с массой не более двух солнечных масс (поэтому на приведенной выше картинке зона Златовласки для звезд с более чем вдвое большей массой, чем солнечная, не прорисована).
Звезды с массой менее половины массы Солнца (красные карлики) должны жить гораздо дольше Солнца. И потому, казалось бы, планеты у таких звезд есть лучшие кандидаты на развитие весьма продвинутых форм жизни. К сожалению, практически все звезды этого класса весьма часто и резко меняют свою светимость (в разы и десятки раз). Что, несомненно, губительно для жизни.
Итак, для зарождения и эволюции жизни в достаточно развитые формы на поверхности планеты необходимы: а) наличие в атмосфере и на поверхности планеты достаточных масс углерода и воды, б) достаточно приличная масса планеты (заметно большая, чем у Марса), в) материнская звезда с массой не менее 0,5 массы Солнца и не более 2 масс Солнца, г) нахождение планеты в зоне Златовласки материнской звезды не менее 3-4 млрд. лет.
Journal information