
Жизнь создает планеты?
Ученые давно пытаются ответить на «вечные» вопросы, касающиеся образования планет, происхождения жизни и самого сознания на Земле. Один из ключевых – где, когда и при каких условиях появилось первичное органическое вещество, ставшее основой для всех живых организмов? Есть несколько наиболее распространенных гипотез, намечающих возможные подходы к ее решению. При этом синтез «земных» органических соединений никогда не «привязывался» к процессам возникновения сгустков вещества в протопланетном облаке. Но оказывается – и это выяснили исследователи СО РАН – при определенных условиях во вращающейся околозвездной среде возникают области интенсивного синтеза органических соединений. Одна из этих областей стала источником первичного органического вещества для прото-Земли и местом ее зарождения в Космосе. Это совершенно новый и неожиданный взгляд на проблему происхождения жизни.
Фундаментальная наука сосредоточена на решении четырех основных проблем.
1. Как устроена материя. Этой задачей занимаются физики – строят мощные ускорители, детекторы и другие установки на пределе современных технологий.
2. Как возникла жизнь. Как появилось, в частности, живое вещество на поверхности Земли. Здесь поле деятельности биологов, химиков, геологов…
3. Как возникло сознание и что это такое. Над этой проблемой бьются психологи, теологи, философы… Влияние их работ на естественные науки невелико. Кажется, что и естественнонаучные методы сюда еще не проникли.
4. Где мы находимся – в пространстве и во времени.
Сегодня ответ на последний вопрос звучит примерно так: в Новосибирске (Риме, Париже, Москве…), на материке Евразия планеты Земля, которая двигается вокруг Солнца, принадлежащего галактике Млечный Путь в «местном скоплении» галактик в нашей Вселенной. Той самой Вселенной, что родилась в Большом взрыве около 15 миллиардов лет назад вместе со своим временем, пространством и веществом. Реликтовое излучение, заполняющее Вселенную, несет нам сведения о первых мгновениях ее существования. Помимо привычного для нас вещества, есть косвенные признаки присутствия еще и «темного» вещества, неизлучающая масса которого во Вселенной, возможно, во много раз больше массы видимого вещества. Материя из протонов, нейтронов и электронов, появившихся во взрыве, образовала при остывании водород и гелий. Во время расширения Вселенной возникли условия для концентрации водорода и гелия в особые образования – будущие галактики. Вещество остыло до такого состояния, что оно смогло собираться под воздействием обыкновенной гравитационной силы. Его деление на сжимающиеся сгустки привело к образованию звезд первого поколения – они были очень большими и состояли из водорода и гелия. Термоядерные реакции в этих звездах закончились их взрывом, и произошел выброс новых синтезированных элементов – кислорода, азота, углерода и других, более тяжелых. Выброс этих элементов облегчил возможность формирования новых звезд. Второе поколение звезд выбросило следующие порции элементов в пространство. Эволюция держала путь к элементам периодической таблицы, и на этом она не закончилась.
Идея эволюции, вышедшая из недр биологии, проникла в физику и астрофизику. В понимании эволюции важно, что если поначалу были водород и гелий, то другие элементы синтезировались исходно лишь в малых количествах. Звезды – это механизм, средство эволюции. Её результат – тяжелые элементы. Исходное вещество, водород и гелий, как промежуточный шаг эволюции, – остается. Возникновение нового качества получило название «самоорганизация».
Новое качество при самоорганизации в любой системе появляется с развитием неустойчивости. Система находится в каком-то одном состоянии, но в ней возникают такие условия, когда часть этой системы может перейти в другое состояние. Простой наглядный пример: на перевернутую выпуклостью вверх полусферу помещается шарик. Рано или поздно он скатится вниз – шар на полусфере неустойчив. В неустойчивой системе – физической, биологической, экономической – любой! – наблюдается та же картина: новое состояние возникает не во всей неустойчивой системе, а лишь локально в ее малой части при внешних воздействиях на всю систему, иными словами – в открытой системе. Элементы системы ведут себя при самоорганизации совместно, осуществляется коллективное взаимодействие.
Звезды – это механизм, средство эволюции, результатом которой являются тяжелые элементыВ такой открытой системе, холодном молекулярном облаке, 4,6 млрд лет назад появилось Солнце. Солнце – заурядная звезда 2-го или 3-го поколения. Но у нашего Солнца есть система планет. А на одной из этих планет, Земле, по сравнению с Солнцем отмечен огромный недостаток водорода, гелия, углерода, азота – самых распространенных элементов в космосе. И почему-то оказалось, что некоторая доля этих элементов на поверхности Земли стала эволюционировать в качестве живого вещества в биологических системах. Возникают простые вопросы. Имела ли Земля ранее большее количество указанных элементов? Если имела и потеряла, то как, когда и сколько? Живое вещество появилось до или после потери? Сами планеты – это результат самоорганизации материи, очередной этап ее эволюции или нет? Почему вообще вокруг Солнца появились планеты?
Звездообразующий гравитационный коллапс в молекулярном облаке происходит на временах порядка 0,1 млн лет. До миллиона лет на протозвезду из окружающей среды поступает (аккрецируется) вещество, увеличивая ее массу на десятки процентов (по отношению к массе современного Солнца). При коллапсе как средство сохранения момента импульса, вокруг протозвезды может образоваться тонкий аккреционный диск. Масса вещества в диске превосходит массу современных планет примерно на два порядка. Добавочная масса связана с присутствием водорода и гелия, среднее содержание которых в межзвездной среде и на Солнце достигает 98%. Размеры протопланетного диска составляют несколько сот астрономических единиц, простираясь за современное облако Оорта, где находятся современные кометы. на внешнем краю диска его плотность и температура выходят на параметры молекулярного облака. с точки зрения космического химического реактора, наиболее важна область от орбиты Меркурия до орбиты Плутона, то есть, от 0,2 а.е. до 40-50 а.е. Угловая толщина диска на этих масштабах не превышает, по-видимому, 3-5 градусов. С момента появления протозвезды и при дальнейшей эволюции Солнца в эту зону диска поступает энергия. Поток энергии в диск и поток массы с диска на протосолнце, с учетом возможного влияния магнитных полей, определяют распределение температуры и плотности среды в диске. Значения температуры среды на удалении порядка земного радиуса от протосолнца на начальной стадии по ряду оценок лежат в диапазоне от 500 до 1000 К. Давление газа может достигать 0,001 атм.К сожалению, пока у нас нет однозначных ответов на все эти вопросы. Как нет прямых данных о том, как все это произошло. Самые старые геологические записи имеют возраст 3,8–4,1 млрд лет. Их очень мало, они единичны. Следы органической жизни в них, как и в метеоритах, при существующих методиках анализа ненадежны и спорны. О первых 600 млн лет из 4,6 млрд лет жизни Земли нет данных вообще. Все первичные породы земной коры оказались полностью преобразованы в последующих геологических процессах и в результате бомбардировки планеты космическими телами.
Проблема планетообразования и проблема возникновения жизни сходятся для Земли в одной временной точке. Следовательно, если бы проблема планетообразования была решена, она могла бы стать отправной точкой для решения и проблемы зарождения жизни. Научные проблемы часто решаются комплексно, тому есть примеры.
Но вот вопрос – как же нам получить реальные и научно обоснованные данные о процессе, если нет его прямых следов и известен лишь его результат? Для этого в науке был создан свой метод. Как это ни странно, своим появлением он обязан запрету на испытания ядерного оружия. Уже долгое время они не проводятся. Но знать, что происходит при взрывах, – необходимо, ведь не бросишь же заниматься безопасностью государства. А в лаборатории ядерную бомбу не взорвешь. Решение было найдено: в лабораторных экспериментах должны быть получены надежные данные о каждом отдельном процессе, влияющем на взрыв, а потом на компьютере необходимо собрать все воедино, то есть смоделировать явление. Чем мощнее компьютер, тем больше характеристик можно учесть. И картина получается все более приближенной к реальной. Проверить же созданные компьютерные программы можно из сопоставления расчетов с наблюдениями природных явлений – для вспышек на Солнце, например. Неслучайно, что Я. Б. Зельдович, Д. А. Франк-Каменецкий и другие ученые, работая над ядерным оружием, попутно решили ряд важных астрофизических, химических и технологических задач. Всю такую работу необходимо провести в комплексе, хотя это и очень сложно. На каждом этапе требуется следовать всем без исключения фундаментальным физическим законам и, в частности, законам сохранения. При несоответствии указанным законам работа отсеивается, идет «в корзинку с мусором». Это жесткий критерий, но он гарантирует научный результат. Необходимые для компьютерного моделирования законы описываются математическими уравнениями. По сути, их немного, и решать необходимо не все из них сразу. Все это и есть наш метод.
Еще одним шагом был анализ наиболее популярных гипотез происхождения жизни.
Существует большое количество работ по астрофизике плотных молекулярных облаков в космосе. В земных условиях – это сверхглубокий вакуум. Но уже в таких облаках есть и молекулы, и органические вещества, есть и возможность химических реакций. В. И. Гольданский вообще предположил, что первичный органический синтез происходил именно в молекулярных облаках. По популярной ныне гипотезе С. Аррениуса («жизнь произошла в космосе»), органическое вещество выпало на Землю в готовом виде. Но это на сегодня выглядит недостаточно правдоподобно. Химический синтез в космосе на временах жизни космических облаков не компенсирует разрушения молекул. Ведь в космосе или невозможно жарко – и молекулы разрушаются, или очень холодно и пусто – и синтез молекул идет крайне медленно.
По гипотезе А. И. Опарина, жизнь зародилась на самой Земле в океанах. С. Миллер перенес первый синтез сложных органических молекул в протоатмосферу с ее молниями и сильным ультрафиолетовым излучением. Во многих других объяснениях появились вулканы, лавы, тихие лагуны и так далее, чаще всего по внутренней сути – замечательно оснащенные химические лаборатории с высококвалифицированным научным персоналом. При всем при этом жизнь на Земле реально существует, а данных о ее происхождении для серьезной научной проверки остается крайне мало. К тому же эффективность большинства таких органических химических синтезов, за исключением биохимических в живых организмах, в природе невелика. А тут требуется не несколько молекул или граммов вещества синтезировать. В недрах Земли захоронено значительно больше углеродсодержащего вещества по сравнению с живым на поверхности. Не будем забывать и тот факт, что химический состав Земли приблизительно известен лишь на 100–150 км вглубь. О том, что спрятано дальше, мы можем судить только по косвенным признакам.
Обе гипотезы о происхождении жизни были отвергнуты, и появилось предположение о синтезе органических соединений непосредственно при образовании Земли. Существовавшая теория появления планет из первичного газо-пылевого облака, окружавшего протосолнце, не решила проблемы формирования планет земной группы. В. С. Сафроновым и другими учеными рассматривалось формирование планет в столкновениях тел. При столкновении тела с размером порядка тысячи километров с меньшим телом осколки притянутся к крупному, и оно еще более укрупнится. А вот средние тела (несколько сот километров в диаметре) не могут ни укрупниться, ни поглотиться. Они при ударе разрушаются. Каков же тогда механизм самоорганизации, приводящий к образованию планет земной группы? Таким механизмом должно быть развитие коллективной неустойчивости, одновременное объединение многих-многих малых тел. Отметим, что наибольшее развитие исследование коллективных неустойчивостей получило в физике плазмы, в проблеме управляемого термоядерного синтеза и в синергетике.
Итак, исходное предположение: синтез первичных органических соединений и образование планет – две стороны одной медали. С точки зрения химиков, требовалось показать работу универсального природного реактора, в котором синтезировалось органическое вещество. С точки зрения физиков, требовалось изучить образование планет как самоорганизацию материи, как результат воздействия протозвезды на свое окружение с учетом обратных связей и химических реакций в среде.
Наиболее популярные гипотезы происхождения жизни на Земле сомнительны и противоречивы. Жизнь могла зародиться до оформления вещества в планету. в процессе ее образованияС этого момента была поставлена и четко сформулирована очень сложная математическая задача. Предстояло решать нестационарное и пространственно трехмерное уравнение Власова–Лиувилля вместе с уравнением Пуассона и уравнениями газодинамики. Чтобы с этим справиться, понадобилась помощь самых мощных компьютеров. Последовательность наших действий тут такова. Берем отдельную частицу и решаем для нее уравнения движения. Решаем для второй, третьей, и так для миллионов и миллиардов частиц. Их количество прямо зависит от возможностей компьютера. Затем определяем создаваемое частицами гравитационное поле. Снова рассчитываем движение частиц в поле. И так далее. Программы и алгоритмы для расчетов были созданы В. А. Вшивковым на основе своего более чем 30-летнего опыта в решении задач физики плазмы. В результате мы узнаем траектории всех частиц, устойчиво их движение или нет, определяем все интересующие нас характеристики. Одна из очевидных динамических характеристик – эволюция средней плотности вещества. Средняя плотность связана с тем, как мы видим, скажем, галактики. В галактиках, подобных нашей, сосредоточены десятки и сотни миллиардов звезд. При расчетах на современных супер-ЭВМ по числу частиц мы подошли к реальному числу звезд. Так что правильность наших расчетов мы можем проверить в сравнении с наблюдениями галактик.
И вот в расчетах мы воспроизводим шары, диски, кольца, спиральные рукава, т. е. все то, что наблюдают астрономы в космосе. Спирали и кольца возникают при развитии неустойчивости коллективного движения тел вместе с газом. Анализ развития неустойчивости показал, что эти структуры появляются, когда массы твердых тел в газе превышает некоторую величину. При каких условиях масса начинает возрастать, что служит толчком к этому? Как легко увидеть, совокупная масса всех тел вокруг протозвезды может увеличиться за счет вращения. Это обычный эффект центрифуги. Кроме того, в газе вязкие и рыхлые тела могут слипнуться между собой, особенно если они богаты органическим веществом. Примерно так, как слипаются песчинки, если между ними есть пластилин. В свою очередь, органическое вещество легко синтезируется на твердых катализаторах. Для этого они должны содержать железо, никель и кремний – в комбинации, примерно соответствующей их природной распространенности. Но такая комбинация характерна для классических катализаторов синтеза углеводородов в химическом процессе Фишера-Тропша. В этом синтезе исходными реагентами являются СО и водород – вместе с гелием эти газы наиболее распространены в космосе. В промышленности азот на аналогичном железосодержащем катализаторе превращается в аммиак. Судя по элементному составу Солнца, в околозвездном диске недостатка не было ни в катализаторе, ни в исходном газе – водороде, с трудом получаемом на Земле.
Наличие еще более тяжелых частиц-катализаторов кардинально меняет развитие неустойчивости. Вместо колец и спиралей на общем фоне плотности появляются сгустки вещества – более стабильные образования. Эти образования могут двигаться как угодно – по ходу и против вращения, к центру и от центра. Такими свойствами обладают солитоны – одиночные волны плотности. Волна этого типа формируется коллективным самосогласованным движением многих частиц. Частица захватывается в волну, находится в ней некоторое время и уходит. Другая частица просто пролетает мимо. Но вот что неожиданно. Давление газа в этой волне на два порядка (или даже более) превышает окружающее и приближается к атмосферному. Частицы совместно собирают в волну газ. А температура в волне особенно не растет. Большое количество гелия, свыше 20%, снимает тепло, выделяющееся при химических реакциях. Волна действует как великолепный химический каталитический реактор. Он устроен по типу промышленных реакторов с «псевдоожиженным» или кипящим катализатором. Это один из самых эффективных, но вместе с тем и сложных для эксплуатации в химическом производстве промышленных реакторов. Более того, в природном реакторе может происходить и регенерация катализатора. Частица прилетела – прореагировала – вылетела – очистилась в лучах Солнца – и на новом обороте снова прилетела. Если космический реактор был физически устроен именно так, то химические процессы протекали – по давлению и температуре реагентов – в условиях, близким к условиям обычных лабораторных каталитических реакторов. Поэтому химические реакции первичного синтеза органического вещества и начальных стадий предбиологической эволюции нужно изучать при давлениях и температурах лабораторных каталитических реакторов, а не типичных условий поверхности Земли. По геометрическим размерам, по другим параметрам, связанным с массо- и теплообменом, с воздействием излучения, в земных условиях нет никаких устройств, близких к космическому реактору.
Дальнейшая эволюция вещества в рассматриваемой волне очевидна. При увеличении массы органики волна схлопывается в сгусток вещества, имеющий среднюю скорость частиц и их момент импульса.
В ближней к Солнцу зоне сгусток двигается вокруг Солнца, теряя водород, гелий, легкую органику под действием солнечного ветра и излучения. В дальней зоне Юпитер и холодные внешние планеты сохраняют эти газы. Затем сгусток превращается в планету, вступая в геологическую эволюцию. Основная масса органического вещества и метана из зоны первичного синтеза разрушается, попав на Солнце и развеиваясь в космосе. Однако тяжелые и сложные органические соединения при огромной своей концентрации в волне могли сохраниться в дальнейших катаклизмах и стать основой для возникновения и питания биологического сообщества. Или же темпы химической эволюции были столь стремительны, что жизнь зародилась даже до оформления вещества в планету – на фоне колоссальных потерь органического вещества. Как было предположено, на стадии потерь, снижения количества «пищи», начинается естественный отбор молекул-автокатализаторов уже на химическом уровне. Важно, что он может происходить не только в обычных земных условиях. Определив эти условия более точно, можно выяснить, с чего стартовал отбор, перебросить мостик к биохимии и поставить новые химические и физические эксперименты. Следовательно, наиболее оптимальные условия для первичного синтеза органического вещества создаются в волнах плотности – в этих огромных, сравнимых по размеру с Солнцем или даже больших волнах плотности. Потенциально эти волны, как видно из моделирования, подвержены разрушению, но иногда они становятся колыбелью для планет. Дальнейшая детализация эволюции волн плотности будет достигнута в последующих расчетах с учетом более точных приближений.
Одно из ключевых мест в наших исследованиях – утверждение о каталитической активности космического материала. Это требуется экспериментально подтвердить. С одной стороны, каменные или железо-каменные метеориты по своему составу приближаются к космической распространенности элементов. С другой же, вещество метеоритов за 4,6 млрд лет своего существования спеклось. Метеориты имеют обычную непористую поверхность, и трудно определить способность вещества катализировать реакции. Однако исходно, в молекулярных облаках и околозвездном диске, межзвездная пыль состояла из частиц нанометрового размера. Наша задача заключалась в возвращении метеоритного вещества в свое первичное состояние с дальнейшей проверкой его каталитической активности. Вещество метеоритов испаряли с получением мельчайших пылинок при помощи излучения CO2-лазера на экспериментальном стенде Института катализа Сибирского отделения РАН. Из образцов метеоритов «Маслянино», «Марковка», «Царев», содержащих железо, были получены порошки с удельной поверхностью выше 200 м2/г, что характерно для промышленных катализаторов. Изучив фотоснимки образцов, сделанных с большим увеличением, мы убедились, что средний диаметр частиц, составляющих порошок, не превышает 3–4 нм – более крупных частиц практически нет.
Каталитическая активность образцов определялась в реакции гидрирования угарного газа – типичного компонента межзвездной среды – до метана и других углеводородов при атмосферном давлении. Результаты экспериментов показали, что на полученных образцах (при прогнозируемых температурах до 500 градусов Цельсия и атмосферном давлении) из СО и водорода в присутствии гелия весьма успешно синтезируются с высокими выходами этилен и другие углеводороды. Тем самым было экспериментально подтверждено наше предположение о том, что исходная межзвездная пыль, которая превратилась за 4,6 млрд лет в падающие с неба камни, могла обладать хорошими каталитическими свойствами, и органические соединения должны были синтезироваться еще в исходном газо-пылевом облаке.
Еще один важный вопрос: насколько предопределено образование планет? Оказалось, что самоорганизация вещества в гравитационной физике идет в одном направлении, детерминировано. Но место возникновения уединенной волны и появления планеты на одном или на другом удалении от Солнца – это, в нашей модели, случайные величины. Если волна плотности окажется на орбите Венеры, то там всё – вода, водород, органические соединения – испаряется. Если там, где орбита Марса, – там слишком холодно. А наша планета, где вода находится во всех трех состояниях, попала в самую точку. Вероятности появления планет на определенном удалении могут быть определены при проведении дальнейших расчетов. Пока неизвестно, изменится ли ответ при учете дополнительных физико-химических процессов. Важность этого ответа связана с определением возможной зоны распространения жизни в Солнечной системе, с тем, где проходит ее граница – до марсианской орбиты или за ней. Если Марс не входит в эту зону, то его изучение в условиях дефицита ресурсов может быть в большей мере направлено на получение данных о самой планете, чем на поиски живых организмов, и наоборот.
Наша гипотеза находится в пограничной области многих дисциплин. Она становится мостиком между физическим, химическим и геологическим этапами эволюции Солнечной системы и Земли. Пока найдены лишь подходы к решению комплекса проблем, касающихся первичного синтеза органического вещества в космических облаках. Далее следует внимательно наблюдать места звездообразования. Для этого требуются наземные установки, орбитальные телескопы… Не менее нужны надежные данные с Марса, Венеры, Титана – спутника Сатурна, из зоны астероидов и метеоритов. Созданная математическая модель еще не гарантирует хорошую точность числа для расчетных величин. Неучтенными остаются важные физико-химические процессы. Но ключевая идея имеет большой потенциал для своего развития.
