Силы природы действуют загадочно. Решить эту загадку мы можем, только если выведем неизвестный результат из известных результатов подобных событий.
По данным изотопной датировки мы знаем, что Земля сформировалась примерно 4,54 миллиарда лет назад, так что строить предположения о том, что творилось на ранней Земле, – задача не из простых. К счастью, помимо геологической истории самой Земли и сведений, полученных при изучении других объектов Солнечной системы, особенно Марса и Венеры, мы можем понять, как родилась Земля, благодаря астрономическим наблюдениям множества звезд, планеты вокруг которых еще формируются. Благодаря потрясающим многодиапазонным изображениям и подробным спектрам, которые дают нам приборы наподобие Космического телескопа им. Хаббла, Космического телескопа им. Уэбба и наземного Очень Большого Телескопа, а также благодаря невероятно богатым радиоастрономическим данным, получаемым с помощью Атакамской Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки, мы можем наблюдать, как огромные облака молекулярного газа и пыли конденсируются под воздействием гравитации и образуют плотные протопланетные диски вокруг новорожденной звезды. Эти диски – словно питомники, в которых рождаются планеты. Астрономы все чаще применяют спектроскопические наблюдения, чтобы измерить химический состав околозвездных дисков. Однако на этом ученые не останавливаются. Когда планетологи и специалисты по атмосферам, астрофизики и геологи сопоставляют доступные им массивы данных с результатами хитроумного компьютерного моделирования, им удается выстроить динамичную, пусть и неполную, картину формирования планет. Инфракрасное зрение телескопа им. Уэбба открыло перед нами потрясающие перспективы. Теперь мы можем заглянуть за завесу космической пыли, непроницаемой для видимого света, и впервые в истории увидеть, как рождаются звезды и планеты. В частности, сочетание наблюдений Атакамской Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки и телескопа им. Уэбба позволяет разглядеть планеты, формирующиеся на различном расстоянии от своих звезд: и далеко, и относительно близко.
Тем не менее ранняя история планеты Земля по-прежнему вызывает много вопросов, ответить на которые невозможно, просто рассматривая другие солнечные системы. Например, один из главных вопросов касается точной хронологии столкновений Земли с астероидами. Астероиды – это каменные обломки, оставшиеся со времен, когда наша Солнечная система только начинала формироваться. Нам известно более миллиона астероидов, из которых шестьсот тысяч движутся по хорошо определенным орбитам. Основная часть этого космического мусора вращается вокруг Солнца, в зоне между Марсом и Юпитером, где гравитация Юпитера не допускает образования более крупных небесных тел. Это и есть так называемый главный пояс астероидов. Размеры наблюдаемых астероидов разнятся от 940 километров (Церера, которую считают карликовой планетой) до 10 метров и меньше.
Поскольку Земля и Луна обладают одинаковым изотопным составом, мы знаем, что когда-то, когда Земля достигла почти полного своего размера (4,42–4,52 миллиарда лет назад), у нее произошло катастрофическое столкновение с объектом размером с Марс (его называют Тея), который оторвал часть Земли, в результате чего из обломков в дальнейшем сформировалась Луна. В то же время это столкновение расплавило внешние слои Земли, и образовался океан магмы, которому, вероятно, потребовалось несколько десятков миллионов лет, чтобы остыть и затвердеть. Все это можно считать надежно установленным. Вероятно, столкновения с астероидами повлияли и на вращение Венеры (Венера делает один оборот вокруг своей оси дольше, чем оборот вокруг Солнца). Наши данные о дальнейших столкновениях метеоритов с Землей менее надежны. На основании датировки кратеров на лунной поверхности исследователи сделали вывод, что молодая Земля, вероятно, еще много раз подвергалась бомбардировке крупными объектами. Однако точное распределение этих объектов по размеру и установление частоты и времени соударений остается предметом жарких споров, как и последствия этих столкновений для молодой планеты. Некоторые исследователи предполагали, что примерно 4,1–3,8 миллиарда лет назад Земля подверглась так называемой «Поздней тяжелой бомбардировке» (ПТБ), когда на нее упало непропорционально много астероидов и комет (кометы – это такие снежки из камня, пыли и разных видов льда). Но есть и такие, кто считает, что ПТБ никогда не было. Косвенные доказательства ПТБ мы получили из образцов пород, доставленных с Луны астронавтами «Аполлона». Изотопная датировка этих пород указывает на то, что они были расплавлены (в результате соударений) в течение довольно ограниченного промежутка времени. Те, кто скептически относится к ПТБ, возражают, что этот очевидный пик в хронологии соударений по данным с Луны – статистический казус, ведь астронавты собрали породы, возникшие в результате какого-то одного крупного соударения. Эти ученые утверждают, что никакой ПТБ не было, а была краткая ранняя тяжелая бомбардировка, произошедшая около 4,4 миллиарда лет назад, после чего Земля пережила длительный, около двух миллиардов лет, период ослабевающей бомбардировки, которая, в сущности, продолжается и до сих пор, просто частота падений снизилась еще сильнее.
Все эти подробности играют такую важную роль, поскольку последствия этих событий определяли, когда Земля стала пригодной для обитания и когда на ней могла зародиться жизнь. Столкновения с особенно громадными астероидами могли быть настолько катастрофичны, что из-за них часть земной коры плавилась и уничтожала зачатки жизни – возможно, полностью. С другой стороны, менее мощные столкновения, вероятно, оказывали противоположное воздействие. Соударения могли временно создавать восстанавливающую атмосферу (с содержанием восстанавливающих газов вроде водорода и циановодорода, то есть синильной кислоты), которая, как мы знаем из главы 3, благоприятствовала зарождению жизни, поскольку циановодород – прекрасный исходный материал для химического синтеза строительных материалов живой материи. Кроме того, астероиды приносили с собой металлы, в частности железо, и другие элементы, например фосфор и серу, необходимые для существования живой материи. Даже большая часть воды на Земле (согласно одной модели, чуть ли не в восемь раз превышающая современный объем всех океанов на земной поверхности), вероятно, была доставлена сюда в результате ранних столкновений с астероидами. Некоторые типы метеоритов могли принести с собой – в значительно меньших количествах – и другие предбиологически важные соединения вроде аминокислот (цепочки которых создают белки) и азотистых оснований того типа, из которых состоят РНК. Совсем небольшие метеориты оставляли кратеры, в которых возникала геотермальная активность, и в результате возникали зоны горячих источников и минеральных озер, которые, как мы уже описывали, вероятно, служили идеальной средой для возникновения жизни. Следовательно, если речь идет о жизни, то уж точно можно сказать, что астероид дал, астероид и взял. Кстати, к делу не относится, просто забавно: в 1992 году Мишель Кнапп из города Питскилл, штат Нью-Йорк, купила автомобиль за 300 долларов, а когда в него попал маленький метеорит, продала искореженные останки коллекционеру за 25 000 долларов!
Ранняя история Земли задала астрофизикам еще одну головоломку – так называемый парадокс тусклого молодого Солнца. Этот парадокс был сформулирован после того, как в Западной Австралии, в местности Джек Хиллс, были обнаружены крошечные минеральные кристаллы цирконы, один из которых, по данным датировки, возник 4,4 миллиарда лет назад. Анализ соотношения различных изотопов кислорода в цирконах показал, что даже тогда, невообразимо давно, на поверхности Земли или рядом с ней существовала жидкая вода. Парадокс относится к очевидному противоречию присутствия жидкой воды с тем, чему нас учат модели звездной эволюции, согласно которым светимость Солнца в тот период была примерно на 30 процентов ниже нынешней. При таком тусклом Солнце тепла, которое давало его излучение, явно не хватало, и резонно предположить, что вся вода на поверхности Земли была заморожена и жизнь не могла ни возникнуть, ни развиться.
Точного ответа на загадку тусклого молодого Солнца мы пока не знаем, но в целом считается, что свою роль одновременно сыграли несколько факторов. В частности, от полного замерзания воду, вероятно, уберегло присутствие высокой концентрации парниковых газов, например углекислого газа (и, возможно, метана) в атмосфере молодой Земли. Нет сомнений, что углекислый газ выделяли вулканы. Надежные данные в доказательство этого сценария нам дает анализ состава метеоритов, упавших на Землю 2,7 миллиарда лет назад. Он показывает, что при прохождении сквозь земную атмосферу эти метеориты взаимодействовали со смесью газов, богатой углекислым газом (вероятно, он составлял до 70 процентов атмосферы). К числу прочих факторов, не давших Земле замерзнуть, можно отнести то, что 1) Земля, возможно, отражала обратно в космос меньше энергии, 2) на нее падали астероиды с частотой, которая тогда, 4,5 миллиарда лет назад, была очень высокой (даже в отсутствие ПТБ), и они давали достаточно тепла, чтобы по крайней мере эпизодически растапливать замерзшую воду, и 3) тепло генерировалось и в недрах Земли, колебавшихся под воздействием приливных сил Луны, которая сразу после своего рождения находилась гораздо ближе к Земле, чем сейчас.
Проблема тусклого молодого Солнца еще острее стоит на Марсе: данные с «Персеверанс» и других автоматических зондов показали, что 3,7 миллиарда лет назад, а может быть, и раньше на марсианской поверхности были и озера, и реки жидкой воды. Эта загадка, возможно, будет решена в 2030-е годы, когда на Землю для анализа будут доставлены образцы, взятые «Персеверанс». Однако парадокс тусклого молодого Солнца открывает перед нами еще более интересные перспективы в том, что касается жизни как на Земле, так и на других планетах. Исследователь атмосферы Мартин Турбе из Лаборатории динамической метеорологии в Париже в 2021 году выдвинул гипотезу, согласно которой, если бы наше Солнце 4,5 миллиарда лет назад обладало светимостью в 92–95 % нынешней, водяной пар из земной атмосферы не мог бы сконденсироваться и превратиться в жидкую воду. Вместо «Земли-снежка» у нас была бы «Паровая Земля». Иначе говоря, тусклое молодое Солнце, вероятно, было не проклятием, а благословением, необходимым условием появления жизни на Земле! Напротив, на Венере, согласно моделям Турбе, никогда не было достаточно прохладно для жидкой воды. Хорошая новость состоит в том, что это конкретное предсказание, возможно, скоро удастся проверить: НАСА планирует еще в это десятилетие отправить на Венеру две миссии, а Европейское космическое агентство – еще одну. Одна из миссий НАСА под названием «ДаВинчи»[27] спустит в венерианскую атмосферу зонд, который определит ее состав на различной высоте. Химические сигнатуры, полученные таким способом, позволят нам установить, существовали ли в прошлом на Венере океаны. Кроме того, данные по картированию поверхности, которые получат две другие венерианские миссии – «Веритас» под эгидой НАСА и «Энвижн» под эгидой Европейского Космического агентства, – позволят откалибровать и проверить модели венерианского климата. О Венере как о потенциально пригодной для жизни планете мы поговорим в главе 7.
Итоги этого краткого обзора ясны. То, что мы знаем об истории атмосферы и геологии Земли, а также о других планетах Солнечной системы, в сочетании с наблюдениями формирующихся экзопланетных систем, данными о метеоритах, падавших на Землю, численным моделированием, а в последнее время – еще и с данными нескольких миссий, добывших для нас пробы вещества астероидов и комет, позволяет нам приступить к поэтапному созданию картины формирования Земли и воссозданию условий, при которых зародилась жизнь.
Однако перед нами встанет следующая преграда – так называемые «потерянные годы» Земли. Дело вот в чем. Внешняя каменистая оболочка Земли (литосфера) покрыта трещинами и разделена на большие куски – так называемые тектонические плиты. Есть семь больших плит и десять относительно маленьких. Поскольку внешняя часть земного ядра расплавлена (и от этого раскаленная мантия под корой отчасти жидкая), тектонические плиты медленно перемещаются, иногда сталкиваются и даже заходят одна под другую – этот процесс называется субдукция. Из-за тектоники плит большие куски внешних пород Земли постоянно перерабатывались в процессе субдукции: один фрагмент задвигался под другой и тонул, а затем полностью расплавлялся. За миллиарды лет эта активность стерла все следы ранней истории Земли, то есть тех самых условий, которые нас больше всего интересуют – тех, которые породили жизнь. Поэтому мысленное воспроизведение предбиологических условий требует тщательного объединения данных из нескольких областей. В их число входит экстраполяция процессов, по-прежнему наблюдаемых на современной Земле, результаты строгого компьютерного моделирования, а также подробные исследования марсианской поверхности. Изучение Марса играет такую важную роль, потому что на Марсе сохранилось много того, чего на Земле уже нет (поскольку, как мы узнаем из следующей главы, на Марсе нет тектоники плит). Успешная посадка марсохода «Персеверанс» в этом отношении очень перспективна. Тщательное сопоставление всей информации, собранной «Персеверанс» и предыдущими марсоходами и космическими зондами, поможет нам пролить свет на далекое прошлое и одновременно обнаружить новые загадки, что поспособствует дальнейшему развитию самых передовых исследований.
Если переключиться с геологии на химию, за последнее время мы многократно обнаруживали, что прогрессу мешают наши собственные ошибочные представления, а с открытиями приходится подождать, пока мы не привыкнем к новому образу мыслей. Забавно, что это иногда называют принципом Планка, так как физик Макс Планк, отец квантовой теории, писал: «Новая научная истина побеждает не потому, что удается убедить оппонентов и заставить их узреть свет, а потому, что рано или поздно оппоненты умирают и вырастает новое поколение, привычное к этой истине». Мы уже видели один наглядный пример, доказывающий, как сильна научная предвзятость: это взаимоотношения между предбиологической химией и ранними поспешными выводами о том, какие условия требовались для появления живой материи. Мы говорим об одном из самых знаменитых экспериментов в истории науки о происхождении жизни – об эксперименте Миллера – Юри.
Нет никаких сомнений, что эксперимент Миллера – Юри, в ходе которого из относительно простого набора исходных веществ были получены молекулы, близкородственные аминокислотам, стал значительным открытием. Однако если как следует вдуматься, что он, собственно, демонстрирует, мы поймем: он дал очень маленькое количество тысяч и даже десятков тысяч различных химических веществ. Это совсем не то, что нам бы хотелось видеть в качестве условий для зарождения жизни. Мы бы предпочли получить всего несколько основных химических веществ, зато в высокой концентрации. Очевидно, было упущено что-то очень важное – а возможно, авторы эксперимента и вовсе ошибались. Существенный прогресс, достигнутый за последние 20 лет (мы подробно описали его в главах 3 и 4), позволил составить приблизительную схему химических реакций, позволяющих получить специфические соединения в больших количествах. Однако и такая усовершенствованная химическая схема не свободна от ограничений. Например, мы объяснили, как эти реакции снабжались энергией благодаря ультрафиолетовому облучению. С одной стороны, это перспективно, ведь мы знаем, что молодые звезды обильно излучают ультрафиолет. С другой стороны, возникает проблема: такое энергичное облучение могло быстро уничтожить те самые молекулы, которые нужны нам, чтобы создать живую материю. И никто не ожидал того ответа, который дало нам сочетание наблюдений, экспериментов и моделирования: вероятно, самое разрушительное высокоэнергичное ультрафиолетовое облучение не проходило сквозь атмосферу Земли. А ультрафиолетовое излучение средних энергий, тот самый ультрафиолет, который стимулировал нужные нам реакции синтеза, мог проникать сквозь атмосферу, причем его интенсивности хватало, чтобы обеспечить химические процессы, необходимые для возникновения жизни.
Это важное соображение было прекрасным первым шагом, однако еще оно означало, что необходимый ультрафиолетовый свет достигал поверхности Земли, только если его не блокировала густая дымка углеводородных газов – такая, как, к примеру, окутывает Титан, спутник Сатурна. Подобная дымка, конечно, покрывала бы и раннюю Землю, если бы атмосфера нашей планеты и правда состояла из водорода, метана, аммиака и воды, как в целом считалось во времена эксперимента Миллера – Юри. Однако дальнейшие исследования показали, что ранняя атмосфера Земли состояла из смеси совсем других газов: скорее всего, это были углекислый газ и азот, а водород и другие газы присутствовали лишь в виде следов, и это подводит нас к следующей проблеме: если атмосфера преимущественно состоит из настолько стабильных газов, в ней очень трудно синтезировать даже следовые количества циановодорода, без которого невозможно зарождение жизни. Недавно был предложен вариант, позволяющий убить разом двух зайцев: как мы только что говорили, падение не очень большого астероида могло временно создать восстанавливающую, более реакционноспособную атмосферу, где преобладали водород, азот и метан. Пока она сохранялась, циановодород вырабатывался в больших количествах, после чего связывался и хранился на поверхности в виде солей ферроцианида. Затем, когда восстанавливающая атмосфера развеивалась и в составе атмосферы снова доминировал углекислый газ из вулканических выбросов, развеивалась и дымка, и до поверхности Земли снова доходило умеренное ультрафиолетовое излучение. Примечательное соответствие спектра излучения молодого Солнца эффективности фотохимических процессов, и предположительного состава атмосферы ранней Земли указывает на то, что мы по меньшей мере можем взять эту многообещающую схему за основу, продолжая искать дополнительные данные в ее защиту. Кроме того, нам следует упорно искать настолько же самосогласованные сценарии, когда мы будем исследовать вероятность зарождения жизни на других телах Солнечной системы и на экзопланетах.
Казалось бы, очевидная идея состоит в том, что разговоры о любой модели должны начинаться с постулата о совместимости и непротиворечивости условий на планете и конкретного набора предбиологических химических реакций, совместно породивших жизнь. Вдобавок огромным понятийным шагом вперед стало осознание, что анализ химических реакций может сказать нам много важного о среде, а критическое рассмотрение возможных условий окружающей среды – о необходимых химических реакциях. Именно изучение неожиданных взаимосвязей под таким углом зрения позволило нам составить широкую, всеобъемлющую картину ранней Земли и привело к открытию тех мест, которые, как мы сейчас догадываемся, могли стать колыбелью жизни.