Эволюция Земли и других планет

Рассмотрим теперь в самых общих чертах, как протекало формирование Земли. Наша планета дает уникальный пример успешного прохождения химической и биологической эволюции, и, конечно, очень интересно выяснить, насколько ход этой эволюции естественен. Иными словами, не возникают ли в ходе анализа какие-то крайне маловероятные факторы, делающие результаты земной эволюции предельно редким космическим событием?

По современным астрофизическим и геофизическим данным, Земля образовалась примерно 4,6 млрд. лет назад. Вещество, из которого состояло протоземное облако, наверняка сильно отличалось по составу от водородно-гелиевой смеси. Видимо, около 10 млрд. лет назад в области Солнечной системы началось интенсивное обогащение тяжелыми элементами. Неплохое представление о химическом спектре в районе земной орбиты дают метеориты, а среди них преобладают каменные и железные с примесями кислородо-связывающих веществ. Именно анализ метеоритов позволяет нам восстановить элементный состав протопланетного облака, каким оно было 4,5 5 млрд. лет назад.

Конденсация протопланетного вещества под действием сил тяготения ведет к образованию твердого и компактного тела, внутри которого развивается давление, препятствующее дальнейшему сжатию. Однако не слишком большая исходная масса позволяет достичь весьма умеренных температур в недрах планеты. В большей части своего объема она сохраняет кристаллическую структуру.

Основным процессом геологической эволюции является гравитационная дифференциация — процесс, в котором более тяжелые вещества опускаются к центру планеты, а более легкие поднимаются к поверхности. Из-за этого Земля оказалась, в конечном счете, весьма неоднородной по плотности (12,68 г/см³ в центре при средней плотности 5,52 г/см³).

Дифференциация ведет к потере потенциальной энергии опускающихся слоев и некоторому уменьшению радиуса планеты. Потенциальная энергия выделяется в тепловой форме во внутренних слоях. Полное энерговыделение этого источника оценивается примерно в 1,6.10³¹ Дж, что с учетом возраста Земли приводит к очень приличной средней мощности (порядка 10¹⁴ Ватт!). Из-за уменьшения радиуса должна несколько увеличиваться скорость вращения — чтобы момент количества движения сохранялся.

Другой важный источник земной энергии — распад радиоактивных элементов. Оценки показывают, что такой распад выделил порядка 56 % от энергии дифференциации. Очень важно, что в ранние моменты формирования Земли радиоактивные изотопы генерировали значительно большее (в 4–7 раз) количество энергии, чем теперь, и, конечно, то, что в процессе гравитационной дифференциации изотопы вместе с силикатами концентрировались в коре и верхней мантии.

Отсюда видно, что наша планета представляет довольно мощный энергетический источник, причем в первый период ее существования она была особенно активна. Много энергии, несомненно, рассеялось в космическом пространстве, но значительная часть ее сохранилась в недрах, что способствовало длительному поддержанию разогрева и плавлению вещества в значительных объемах[141]. Картина ранней Земли очень сильно отличалась от того, что мы наблюдаем сейчас, и особенно это касается состава атмосферы и коры.

Первоначально основные элементы атмосферы и гидросферы Земли находились в связанном состоянии — в составе твердых веществ. Большая часть летучих веществ испарилась еще при нагревании протопланетного облака Солнцем. Поэтому процентное содержание легчайших элементов на Земле значительно меньше, чем в среднем по Солнечной системе.

Гравитационный и радиационный разогрев Земли быстро привел к развитию мощных вулканических процессов, формирующих как кору, так и атмосферу. Самая ранняя атмосфера состояла, по-видимому, из очень разреженной смеси азота, аммиака и инертных газов. Вулканы стали насыщать ее водяным паром, углекислым газом и некоторыми другими газами, выпаренными из верхней мантии. Одновременно шел процесс выплавления основных пород коры. Без учета парниковых эффектов температура поверхности древнейшей Земли оценивается градусов в 15, что допускает конденсацию водяных паров и образование гидросферы. Мировой океан с самого начала активно насыщался продуктами вулканической деятельности — примеси попадали в него из атмосферных газов и за счет интенсивного вымывания вещества из горных пород. Свободного кислорода ни в тонкой атмосфере, ни в океане на этом этапе практически не было.

К концу катархея — так называют эпоху первого миллиарда лет от образования Земли — жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, свободно проникающее к поверхности океана, вызвало в обогащенном химическими соединениями «бульоне» ускоренное зарождение сложных органических веществ[142]. Дело дошло до образования аминокислот, и, вероятней всего, органика, характерная для конца этого периода, — не слишком редкое явление в космосе.

В архее — следующий миллиард лет в истории Земли — уже наблюдаются следы примитивной жизни[143]. Самые древние находки связываются с одноклеточными сине-зелеными водорослями, способными к фотосинтезу в водной среде с высоким содержанием углекислоты. В результате выделяется кислород.

Проблема химической эволюции, то есть зарождения клеток из явно неживых молекулярных структур, очень сложна и имеет давнюю и богатую историю. Останавливаться на ней подробно мы не станем. Заметим только, что идея естественного образования примитивных живых организмов еще в 30-х годах нашего века выглядела революционной. Целые столетия до того люди имели возможность собственными глазами наблюдать «самозарождение» появление различных организмов буквально из грязи. Концепция самозарождения была опрокинута лишь после нескольких десятилетий разработки дарвиновской теории, согласно которой многоклеточные организмы ни в коем случае не могли возникать из неживой материи. На фоне успехов дарвиновской эволюционной теории загадка появления первого живого организма казалась сущим камнем преткновения. Ведь в наше время одноклеточные не зарождаются в естественных условиях. Решение появилось тогда, когда биохимики (А. И. Опарин из СССР и Дж. Холдейн из Англии) догадались рассмотреть проблему в рамках вторичной земной атмосферы, обогащенной водяными парами, различными углеродосодержащими соединениями, аммиаком и сероводородом. Оказалось, что первые одноклеточные преподали нам, можно сказать, первый экологический урок в планетарном масштабе. Зародившись во вторичной атмосфере, жизнь полностью переделала эту атмосферу и тем самым пресекла условия своего появления, но отнюдь не развития. Напротив, обогащение кислородом открыло путь к возникновению более сложных эволюционных форм.

Опыты по воздействию искровых разрядов на атмосферу, состоящую из водорода, метана, аммиака и водяного пара, начавшиеся в 50-х годах, подтвердили, что в такой ситуации появляются многие аминокислоты, в том числе и те, которые присутствуют в белках живых организмов. Наряду с двадцатью аминокислотами, определяющими состав обычных белков, обнаружились и другие, несущественные для земных форм жизни. Отсюда можно сделать вывод, что в самый ранний период жизнь начиналась со своеобразного отбора на уровне строительных блоков и генетических кодов. Ведь одновременно с элементами будущих белков — аминокислотами — формировались и элементы нуклеиновых кислот — сахара (рибоза для РНК и дезоксирибоза для ДНК), фосфаты и азотистые основания, а также мембранный материал.

Детали химической эволюции от фундаментальных строительных блоков до первых цианобактерий и сине-зеленых водорослей во многом еще не выяснены, но общая последовательность дальнейших событий более или менее реконструирована. Видимо, существенную роль сыграла промежуточная стадия «химических организмов» — так называемых коацерватных капель, способных к полимеризации за счет активного метаболизма, то есть поглощения энергии и химических соединений из окружающей среды. Их репродукция носила в значительной степени случайный характер, и как раз закрепление генетического аппарата постепенно создавало наилучшим образом запрограммированные дочерние капли — способные отбирать у внешней среды необходимые для их выживания катализаторы и блокировать действие вредных факторов.

Примерно через миллиард лет после завершения архея, в середине следующего за ним протерозоя (около 1,5 млрд. лет назад), происходит новый качественный сдвиг в развитии живых организмов. Появляются эукариоты клетки с выраженной ядерной структурой, способные к окислительному метаболизму. Цианобактерии и сине-зеленые водоросли (прокариоты) успели к этому времени сильно переработать земную атмосферу — за счет их преимущественного бродильного метаболизма в атмосфере стал накапливаться кислород, и вступление в эру эукариотов произошло, по-видимому, когда «газ жизни» достиг уровня 0,5–1 процента относительно его современного содержания. Между прочим, кислород, сильнейший окислитель, в некотором отношении оказался чистой отравой для окружающей среды и полностью пресек дальнейший переход из химической в биологическую фазу. Неживая природа выключилась как прямой генератор жизни и стала источником питания. В этом плане и можно говорить об экологической катастрофе.

Где-то полмиллиарда лет спустя, эукариоты преодолевают микроскопический масштаб жизни, формируя многоклеточные организмы — нечто принципиально отличное от колоний прокариотов[144]. Начинается эволюция собственно животного и растительного мира. 500–600 миллионов лет назад наша планета вступает в фанерозой (эпоху «явной жизни»), к концу которого появился человек.

Мы не имеем возможности сколь-нибудь подробно останавливаться на интереснейшей и далеко не во всем понятной дистанции от одноклеточных до человека. Общепринятый факт состоит в том, что в условиях Земли данная дистанция была успешно пройдена, и пока не видно причин, по которым основные ее этапы принципиально не укладывались бы в теорию естественного отбора.

В основе этой теории лежит представление о преимуществе более приспособленных организмов, причем лучший вариант адаптации закрепляется наследственно и приводит к формированию новых видов, семейств и даже типов животных.

Различные варианты организмов появляются под действием мутаций внешние физико-химические факторы или случайные ошибки при молекулярной репликации вызывают небольшие изменения нуклеиновых наследственных структур, из-за чего и возникают мутанты. Организмы, изменившиеся в одном или нескольких поколениях, например из-за повышенного уровня радиации или увеличенной концентрации каких-то кислот, могут успешно выжить и даже лучше приспособиться к окружающей среде, чем их домутантные предки, но могут и быстро сойти на нет. Именно успешная адаптация выуживает среди мутантов новые удачные побеги эволюционной ветви.

На этом пути обитатели Земли преодолевали ряд принципиально важных этапов — формировался тип позвоночных, класс млекопитающих, отряд приматов, семейство гоминид, род Homo и, наконец, наш вид — Homo sapiens. Каждая из этих ступенек определяет свою вершину эволюции — в целом наилучшим образом адаптированный класс, отряд, вид. Причем не просто приспособленный, не просто погрузившийся в уютную экологическую нишу, но обладающий хорошим потенциалом прогрессивного усложнения, прогрессивно адаптированный, если можно так выразиться… Процесс восхождения по этим ступенькам, разумеется, выглядит вполне естественно, однако мы не слишком хорошо представляем себе, сколь мало следовало бы изменить условия, чтобы, скажем, мутации, связанные с потерей клыков и увеличением объема мозга, стали вредными. Иными словами, даже в более или менее схожих условиях эволюция могла бы долго топтаться, варьируя семейства обезьян вроде гиббоновых и понгид. Трудно оценить и вероятность появления полезных мутагенных факторов, например, образования естественных ядерных реакторов в зоне высокой концентрации гоминоидов[145].

Однако нет оснований отказываться от своеобразного закона, согласно которому природа всегда стремится реализовать наиболее сложные формы организации вещества, допустимые в данных условиях. Поэтому мы обычно верим, что, если вблизи звезды типа Солнца сформировались планеты с параметрами, очень близкими к земным, то и основные этапы химической и биологической эволюции должны выглядеть очень схоже.

Другой вопрос — значительное разнообразие в эволюционных путях самих планет. В доступных прямому исследованию условиях Солнечной системы Земля включается в целую группу тел наряду с Меркурием, Венерой, Марсом и Луной, чей исходный состав, а отчасти и этапы формирования довольно схожи. Но при всем том, Меркурий и Луна лишены атмосферы. Атмосфера Венеры, геологическое строение которой очень близко к земному, почти в 50 раз плотнее земной, температура у поверхности достигает 500 градусов, а давление — 90 атмосфер. Но самое важное — различие в составах. Если земная атмосфера, грубо говоря, состоит из азота и кислорода (в пропорции 78:21), то венерианская атмосфера — смесь углекислого газа с азотом (примерно 95:4). В той степени, в какой мы считаем третичную атмосферу Земли «искусственной», то есть обязанной своим происхождением фотосинтетическому производству кислорода прокариотами и более сложной растительностью, можно утверждать, что ничего подобного на Венере не происходило, во всяком случае, организмы, потребляющие углекислоту и производящие кислород, сколь-нибудь заметного развития там не получили[146].

Еще более разительно Земля отличается от больших планет. Дело не только в простом отличии таких параметров, как радиус и масса Юпитера и Земли. За существенно иной массой (М_Юп/ М_? = 318) кроется совершенно иной ход эволюции. Исходным материалом юпитерианского протопланетного облака послужил водород и гелий, что неплохо отражается в составе его нынешней атмосферы (примерно 87 частей водорода на 13 частей гелия). Фактически Юпитер — «недоразвитая звезда», окажись его исходная масса раз в 10 больше, мы имели бы счастье стать обитателями двойной звездной системы. По современным расчетам, юпитерианское протопланетное облако было примерно в 1000 раз больше современного Юпитера, и его светимость достигала почти 10²⁴ Вт (т. е. нескольких десятых процента от современной светимости Солнца!). Переход в наблюдаемое состояние за счет гравитационного сжатия произошел довольно быстро — примерно за 10 млн. лет. Но и теперь Юпитер, сжимаясь на 10 сантиметров за столетие, обеспечивает высокое избыточное излучение. Его судьба позволяет понять, что происходит с протооблаком недостаточно высокой массы, неспособным войти в режим термоядерного реактора. Под водородно-гелиевой атмосферой толщиной порядка 1400 км, располагается океан жидкого водорода «глубиной» около 16 тысяч километров (в нем могла бы легко потонуть Земля). Когда давление достигает 3 млн. бар, водород переходит твердую фазу. Толщина сферической оболочки из металлического водорода более 43 тыс. километров, наконец, в центре располагается относительно небольшое (R ~ 11 тыс. км) ядро из горных пород. Очень похожим строением, видимо, обладает и Сатурн.

Разумеется, было бы нелепо ожидать от планет такого рода сколь-нибудь похожей на земную химико-биологической эволюции. Тем более трудно предположить нечто подобное для слишком далеких от Солнца Урана и трансурановых планет.

В целом современная точка зрения сводится к тому, что ни на одной из планет Солнечной системы не может существовать жизни земного образца. Уникальность земной жизни неплохо объясняется положением протоземного облака относительно центрального светила и исходным химическим составом этого облака, хотя в схеме объяснения наверняка есть немало весьма дискуссионных мест. Конечно же, конденсация силикатно-железной пыли массой порядка М_? на расстоянии порядка одной астрономической единицы от желтого карлика не ведет к однозначному выводу о появлении там через 4–5 миллиардов лет разумных существ, но зато ни на одном из этапов такой эволюции не видно пока слишком невероятных событий, разрывающих рассмотренную цепочку.