Издательство «Бомбора» представляет книгу Джеймса Трефила и Майкла Саммерса «Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных» (перевод К. Л. Масленникова).
Как будет выглядеть инопланетная жизнь, когда человечество ее обнаружит в далеких мирах? Профессора физики и астрономии Трефил и Саммерс предлагают читателям совершить воображаемое путешествие по далеким галактикам и экзопланетам — водным, со сверхнизкими температурами, с повышенной силой тяжести. Какие виды жизни там возможны? При каких условиях? Как они будут развиваться? Для построения своих гипотез авторы используют самые современные научные данные, а еще приводят юмористические аргументы в доказательство или опровержение своих версий. И, что самое интересное, реальность может оказаться гораздо более странной, чем вымысел…
Предлагаем прочитать фрагмент книги.
Нептуния
Вода, вода, кругом вода
Вы плывете в маленькой лодочке. Всюду вокруг вода, вода до самого горизонта, куда ни посмотри. И, поскольку вы уже бывали на этой планете, вы знаете — куда бы вы ни направились, кругом всегда будет точно такая же картина. Над головой плывут белые облачка, но, хоть они выглядят совершенно безобидно, вы помните, что они могут внезапно превратиться в штормовую тучу. Над головой парят похожие на альбатросов птицы — из тех, что приспособились высиживать яйца, покачиваясь прямо на поверхности воды. Под килем лодки вы можете различить косяки рыбы — а где-то в глубинах скрываются гигантские подводные хищники, которые этой рыбой питаются. Еще глубже, в полутора сотнях километров под вами, невероятной силы давление сжимает молекулы воды, создавая странные формы льда. Это Нептуния, детка.
Мы продолжаем изучать миры, у которых каменная мантия и металлическое ядро окружены водой. И на этот раз мы обратимся к крайностям и посмотрим на мир, поверхность которого целиком покрыта океаном. Ни единого клочка суши.
Вас не должно удивлять, ни существование подобных миров, ни то, что некоторое количество планет такого типа человечеству уже известно. Одна из таких планет — Gliese 1214 b, о которой мы подробно поговорим в главе 14. Планета эта расположена в 40 световых годах от Земли, и астрономы прозвали ее Водным Миром — в честь увидевшего свет в 1996 году научно-фантастического фильма с таким же названием. Толщина слоя воды, целиком покрывающего ее поверхность, может достигать 150 километров. Вот вам еще один мир, где могла бы зародиться наша воображаемая жизнь. Назовем его чуть менее формально, чем наши друзья-астрономы: Нептунией — в честь греческого бога морей.
Первое, что следует сказать о Нептунии: она обязана находиться в зоне обитаемости своей звезды — так называется область, где излучение материнской звезды достаточно сильно, чтобы океаны на планетах не замерзали. Если бы океан Нептунии покрылся ледяной коркой, перед нами предстал бы мир, похожий на Новую Европу из предыдущей главы, а если бы этот океан промерз до дна, Нептуния стала бы напоминать Айсхейм из главы 6. Повторим еще раз то, о чем мы уже неоднократно говорили: существует множество форм водных миров, и одна форма всегда может превратиться в другую.
Чтобы понять, как мог возникнуть мир, подобный Нептунии, вспомним, как появились океаны на Земле.
Когда новорожденная планета еще находилась в первичном расплавленном состоянии, наиболее легкие вещества поднимались из ее недр на поверхность. Они и образовали нынешние континенты. Но этого материала хватило, чтобы покрыть около четверти земной поверхности — а между этими участками суши образовались глубокие впадины. Давайте представим себе, что эти впадины — ванны, которые нужно наполнить. Для этого потребовалась вода, и она поступала из трех источников: из недр Земли (здесь помогли вулканы), падающих на Землю астероидов и пролетающих мимо нее комет. Ученые много спорят о том, какой источник был основным и как именно они соотносятся друг с другом в процентном отношении, но конечный результат налицо: наши «ванны» наполнились, но через край вода при этом не полилась.
Но «не полилась через край» — в целом необязательный пункт программы. Если бы на Землю в этот момент попало примерно впятеро больше воды, чем на самом деле, то все континенты, включая горные области вплоть по Эверест и даже выше, оказались бы под водой. Земля превратилась бы в планету типа Нептунии.
Количество жидкой воды, скапливающееся на поверхности планеты, зависит от множества факторов: сколько было воды в туманности, из которой планета образовалась, сколько из этой воды оказалось на зародыше нашей планеты в момент образования, каковы масса и сила притяжения нашей планеты и, конечно, какова ее температура. Однако, вспоминая, что мы говорили в главе 1 о количестве и разнообразии планет в Галактике, мы полагаем, что можно с уверенностью утверждать: миров типа Нептунии в ней очень много.
Здесь мы сделаем небольшое отступление и отметим, что в ранней истории Солнечной системы в какой-то момент произошло переупорядочивание орбит внешних планет, вследствие чего изменились орбиты комет и астероидов — и те устремились к Земле. Мы не знаем, всегда ли формирование планетных систем сопровождается подобными явлениями, но нам известно, что иногда подобные перегруппировки случаются. В нашей системе кометно-астероидный дождь никогда не прекращался полностью — он просто пошел на спад с течением времени. Ежедневно масса Земли увеличивается примерно на 40 тонн из-за того, что космическое вещество сталкивается с нашей планетой, сгорает в атмосфере и выпадает на поверхность в виде мелкой пыли.
Жизнь на Нептунии
Направление потоков энергии на Нептунии не слишком отличается от того, что мы уже видели на Айсхейме и Новой Европе. Свет материнской звезды падает на поверхность океана, а из гидротермальных кратеров на дне океана поднимаются тепло нагретого ядра вместе с теплом, порождаемым химическими реакциями. Ключевое отличие состоит в том, что Нептуния — первый из предстающих перед нами миров, где, как и на Земле, жизнь может развиваться равно и на поверхности планеты (из-за присутствия там воды), и в глубине океана вокруг гидротермальных источников.
В главе 4 мы описали эксперимент Миллера — Юри, который доказал, что повседневные химические реакции в атмосфере Земли могли стать причиной возникновения основных «строительных кирпичиков», из которых впоследствии развились живые организмы. Мы говорили и о том, что этот эксперимент привел к теории зарождения жизни из «первичного бульона»: к гипотезе, состоящей в том, что эти «кирпичики», падая с неба, превратили океан в густую смесь, кишащую органикой. А дальше, согласно теории Дарвина, как только возникнет первая живая клетка, начнется естественный отбор, и жизнь потечет своим чередом.
С точки зрения теории первичного бульона наличие на Земле континентов или какой бы то ни было суши не влияет на зарождение жизни никоим образом; следовательно, ничто не мешает такому же бульону возникнуть и на Нептунии. Единственная гипотеза о появлении жизни на Земле, на Нептунии совершенно невозможная, — теория «маленького теплого пруда», или, говоря более научным языком, приливных бассейнов. Причина проста: для образования приливного бассейна нужна суша, а с ней на Нептунии как-то исторически не сложилось.
Если бы жизнь на Нептунии зародилась из такого же первичного бульона, как на Земле, можно предположить, что и развивалась бы она примерно тем же путем, по которому пошла жизнь в земных океанах. Образовалась бы фотическая зона глубиной в несколько сотен метров, и пищевая цепочка на основе фитопланктона (густой зеленой тины) постепенно развивалась бы все дальше и дальше, постепенно порождая все более сложные организмы и увенчав эту пищевую цепочку кем-нибудь вроде хищных рыб. Однако в этом океане полностью отсутствовали бы мелководные формы жизни, вроде водорослей или устриц, — по причине отсутствия мелководья. Не было бы здесь и существ наподобие китов и дельфинов, которые на Земле сначала прошли часть своего эволюционного пути по суше и только потом возвратились в море. Но в остальном высокоразвитая многоклеточная жизнь в океане Нептунии, вероятно, не слишком бы отличалась от земной.
Вокруг нептунийских гидротермальных подводных источников ситуация тоже в целом напоминала бы земную. С учетом того, что, когда мы говорим о придонных биоценозах, огромная глубина нептунийского океана не слишком для нас важна, мы и здесь можем решить, что процесс эволюции на дне здешнего океана выглядел примерно так же, как и на Земле. Таким образом, жизнь на окраинах нептунийского океана — на самой поверхности и на самом дне — вероятно, не слишком отличалась бы от тех ее форм, какие существуют на Земле. А вот в области, заключенной между этими полюсами, события развивались бы заметно иначе. Ведь здесь в игру вступил бы новый фактор — огромное давление.
Давление
Замечаете вы это, или нет, но вы проводите всю свою жизнь на дне океана. Не водяного, конечно, а газового — мы называем его атмосферой. Задумайтесь об этом: начертите на ладони квадратик со стороной в дюйм (примерно 6 квадратных сантиметров) и представьте вертикальную трубку, поднимающуюся от этого квадратика в космическое пространство. Если вы находитесь на уровне моря, вес воздуха в этой трубке составит примерно 6,5 кг. Именно такой вес давит на каждый квадратный дюйм вашей руки, и в ответ в вашем теле возникает соответствующее сопротивление — те же 6.5 кг на каждый квадратный дюйм. Наши тела существуют под этим давлением всю жизнь, с самого момента рождения — поэтому в нормальном состоянии мы этого давления не ощущаем.
Мы начинаем замечать его, только когда оказываемся в средах с внешним давлением, сильно отличающимся от того, к которому мы привыкли. Например, на больших высотах наш воображаемый столб воздуха заметно сокращается, и давление атмосферы значительно уменьшается. Поэтому летчики при полетах на большой высоте надевают специальные гермокостюмы. Если же мы опускаемся на морское дно, вес находящейся над нами воды суммируется с весом воздуха и давление растет — вот почему для работы на большой глубине водолазам нужны скафандры.
Давление — это сила, действующая на единицу площади; таким образом, атмосфера Земли на уровне моря оказывает на квадратный сантиметр поверхности давление, равное тому, что оказывало бы тело весом в 1 килограмм. Такое давление называют 1 атмосферой (обычное сокращение «атм») — это стандартная единица давления. Ученые часто пользуются также единицей, называемой «бар»: количественно она примерно равна атмосфере. А в прогнозе погоды вы можете услышать, как атмосферное давление измеряют и в еще одних единицах — миллиметрах ртутного столба. Эта единица, которую все еще используют в ряде случаев по историческим причинам, вычисляется следующим образом: нам нужно замерить высоту столбика ртути, давление которого в точности уравновешивает давление столба воздуха, о котором мы говорили выше. Давление столба воздуха в 1 атмосферу уравновешивается давлением столбика ртути высотой в 760 мм, или 76 см; небольшие колебания этого давления и определяют изменения погодных условий. Официальная же единица измерения давления в метрической системе — паскаль, названный так в честь французского ученого и математика Блеза Паскаля (1623–1662), впервые объяснившего принцип действия барометра. Одна атмосфера равна примерно 100 000 паскалей.
Скорее всего, вам приходилось сталкиваться с измерением давления в кабинете врача или в автосервисе, когда вы накачивали шины своего автомобиля. Цифры на шкале устройства, которым пользовался врач, — это выраженная в миллиметрах ртутного столба разница между давлением крови в ваших артериях и атмосферным. То есть кровяное давление, равное 120, означает, что в вашем теле общее давление составляет 880 мм рт. ст., из которых на долю атмосферного приходятся уже упомянутые нами 760 мм рт. ст., а остальное добавляет напор вашей крови. А манометр, измеряющий давление в ваших шинах, проградуирован в единицах psi (фунты на квадратный дюйм).
Несколько странным кажется тот факт, что для измерения давления в разных областях науки, а также на практике используются настолько разные единицы — несмотря на периодическое ворчание официальных органов по этому поводу. Как мы уже отмечали, медики и метеорологи все еще пользуются миллиметрами ртутного столба, в инженерных приложениях вы рискуете встретить обозначение psi, ученые пользуются барами и т. д. Похоже, корни этого кроются в привычке держаться за старое — в том числе и за старые системы измерения. А как иначе объяснить, что, когда вы в Америке приходите в хозяйственный магазин за гвоздями, вы видите, что их размеры в магазине указывают в пенни, причем обозначаются эти единицы буквой d? Так вот, представьте себе: мы унаследовали эти единицы от Римской империи! d происходит от слова «динарий», названия римской серебряной монеты. Еще один пример упорного нежелания расстаться с устаревшими единицами можно усмотреть в том, что Соединенные Штаты остаются единственной развитой страной, так и не перешедшей к метрической системе. Однако оба автора должны признать, что находят это в высшей степени разумным — такой переход принес бы гораздо больше хлопот, чем преимуществ.
Как мы уже говорили выше, когда мы погружаемся вглубь океана, мы испытываем рост давления. Самое глубокое место в мировом океане Земли — Марианская впадина в Тихом океане. Ее глубина составляет чуть меньше 11 километров — 10 994 м. На такой глубине давление воды равно 1086 бар, что более чем в 1000 раз превышает давление атмосферы на уровне моря. Чтобы наглядно представить себе это, вообразите, что на каждом квадратном дюйме вашего тела стоит слон, а потом еще добавьте для ровного счета еще по слону на каждые 4 квадратных дюйма (примерно на 25 см2).
Если ядро Нептунии по размеру примерно равно земному, а глубина ее океана составляет при этом 160 километров, то давление на дне этого океана будет примерно в 16 раз больше давления на дне Марианской впадины. Это как если бы на каждом квадратном дюйме вашего тела стояло уже по 20 слонов.
Такое огромное давление несложно получить в лаборатории при помощи устройства, называемого алмазной наковальней. В этом устройстве исследуемый образец помещается между двумя алмазами. На одном из алмазов имеется углубление, в которое и укладывается образец, а на втором — выступ, соответствующий по форме углублению. Так как давление зависит от размера площадки, к которой приложена сила, а соприкосновение инструмента с образцом происходит на пространстве, стремящемся к превращению в точку, при помощи этого устройства мы можем создать огромное давление, приложив относительно малую силу. На алмазной наковальне можно получить давление значительно выше тех, с какими мы могли бы столкнуться на Нептунии. (Между прочим, в исследованиях высоких давлений есть нечто ковбойское — ученые, работающие в этой области, говорят, что их алмазы раскалываются со звуком, напоминающим выстрел из ружья.)
Собственно, материалы при высоких давлениях ведут себя странно: например, изменяется взаимное расположение атомов и электронов. Этот процесс может в корне изменить даже самые основные свойства материала. Кислород, при нормальном давлении выглядящий как бесцветный и безвкусный газ, когда давление растет, становится голубым, затем превращается в рубиново-красный кристалл, и наконец — в сверкающий металл. Подобные перемены происходили и с другими материалами. На Земле их можно наблюдать исключительно в лаборатории, поскольку даже на дне Марианской впадины давление значительно ниже.
Чтобы понять, что мы увидим, погрузившись в нептунийский океан, мы должны поговорить о понятии фазового перехода. Обычно мы говорим, что такие вещества, как вода, существуют в трех агрегатных состояниях или трех фазах: газ (пар), жидкость и твердое тело (лед). Переходы между ними (такие как замерзание и кипение) и называются фазовыми переходами. Нас в первую очередь будет интересовать переход от жидкого состояния к твердому, поэтому давайте посмотрим, что происходит на молекулярном уровне, когда что-то замерзает. В жидкости молекулы движутся свободно, но находятся в тесном контакте со своими соседями — представьте себе мешочек с шариками, трущимися друг о друга и перекатывающимися. В твердом теле молекулы сцеплены друг с другом в жесткие структуры, наподобие деталей конструктора лего. Таким образом, чтобы сделать некое вещество из жидкого твердым, мы должны отобрать энергию у системы и лишить молекулы их свободы движения. Именно это вы и делаете каждый раз, когда кладете кубик льда в стакан с напитком — тепловая энергия напитка уходит на то, чтобы растопить лед (изменить его агрегатное состояние), и в результате температура жидкости в стакане падает.
Люди часто испытывают потрясение, когда осознают, что вода — добрая старая H2O — одно из самых загадочных веществ во Вселенной. Ученые установили, что при изменении температуры и давления вода может переходить не менее чем в 17 различных фазовых состояний льда, каждое из которых отличается расположением атомов водорода и кислорода. Эти фазовые состояния обычно обозначаются римскими цифрами: например, «лед X», или «лед-десять», о котором мы поговорим ниже. (Надо заметить, однако, что ни одно из фазовых состояний льда, о которых у нас пойдет речь, не имеет ничего общего с фантастическим «льдом-девять» из романа Курта Воннегута «Колыбель для кошки».)
Лед, с которым мы все хорошо знакомы, — например, лед, который лежит на тротуаре в тот самый холодный январский день, когда мы пишем эти слова, — называется «лед Ih» («лед один эйч».) В нем молекулы воды располагаются в узлах шестиугольной — гексагональной — решетки (h и означает «гексагональный».) В обычных земных условиях невозможно естественным образом создать давление, достаточное для превращения льда Ih в любую другую форму. Однако при сверхнизких температурах (ниже –222 °C) образуется структура, называемая «лед XI» — в ней шестиугольники выстраиваются более упорядоченно, чем в структуре льда Ih. Ситуация несколько усложняется, когда мы переходим к давлениям, с которыми рассчитываем встретиться на дне нептунийского океана. Если его глубина 160 км, давление на дне достигнет примерно 16 000 атмосфер.
Такое давление способно превратить жидкую воду при нормальной температуре в лед VI. Молекулы льда VI образуют тетрагональную (четырехугольную) решетку — представьте, что вы растягиваете куб так, что его грани становятся прямоугольниками, а не квадратами. Таким образом, вследствие колоссального давления воды, над каменной мантией Нептунии будет располагаться слой льда VI, а над ней — жидкий океан. А это значит, что глубоководная среда на Нептунии будет напоминать Айсхейм — водяные пузыри и туннели над термальными источниками, где под слоем льда может развиваться жизнь.
Это обсуждение показывает нам одно важное свойство воды. Какова бы ни была ее температура, увеличивая давление, всегда можно превратить воду в какую-то фазу льда. Именно это и делает расположенную глубоко на дне океана кору мантии водных миров таким интересным местом. Мы, например, исходим из предположения, что тепло, поступающее к каменной коре планеты через океанические термальные источники, способно растопить слои лежащего прямо на поверхности этой коры льда. Но если вдруг давление на дне нептунийского океана окажется чуть выше — если твердое ядро планеты будет заметно больше земного или океан окажется значительно глубже наших 160 км, — то от нашей исходной версии придется отказаться. Ведь при таких давлениях начнет образовываться лед X. Кубические кристаллы льда X существуют только при крайне высоких давлениях, которые невозможны на Земле вне лаборатории, но которые легко можно себе представить на экзопланетах. Самое странное на наш взгляд свойство льда X состоит в том, что его нельзя растопить повышением температуры. Как только молекулы воды под давлением превращаются в лед X, никакое тепло магмы, поднимающейся из недр планеты, уже не сможет оторвать их друг от друга.
Водный мир со слоем льда X поверх земной коры был бы очень странным местом. Магма, изливающаяся на каменное ложе, оказалась бы надежно придавлена сверху слоем нетающего льда. Это привело бы к напряженному противостоянию между направленной вверх силой давления магмы и прочностью ледяного щита. Исход этого противостояния зависел бы от нюансов ситуации: например, толщины ледяного покрова. Относительно тонкий слой льда X мог бы постоянно сминаться и трескаться, совсем как внешний слой твердой коры Земли раскалывается на плиты под воздействием магмы, поднимающейся на поверхность в ходе конвекции в земной мантии. Пограничный слой, образованный льдом X, был бы, таким образом, аналогичен коре Земли. Однако, вопреки нашим ожиданиям о том, что купол льда X будет постоянно трескаться, если этот слой окажется достаточно толстым, тепло, поступающее к нему в ходе конвекции, будет постепенно накапливаться, пока магма не вырвется наружу — то есть не произойдет что-то вроде взрыва или извержения. Именно такую ситуацию, судя по всему, мы сейчас наблюдаем на Венере — кора у нее тонкая, и тепло накапливается под ней, пока не высвободится посредством сверхмощного взрыва, в ходе которого кора планеты разламывается на куски, которые затем тонут в расположенной под ними магме. Считается, что именно этот сценарий повторяется на Венере примерно каждые 500 миллионов лет.
Может ли жизнь зародиться на такой поверхности, зависит от того, насколько долго способен существовать стабильный слой льда X прежде, чем он будет разрушен накапливающимся снизу теплом. Если срок его существования превышает сотни миллионов лет, то, возможно, там смогут зародиться сложные химические соединения. Но если разрушение слоя льда будет происходить достаточно часто, то, вероятно, такие условия окажутся слишком беспокойными для зарождения жизни. Следовательно, нам следует задать набор ограничений на размер ядра Нептунии и глубину ее океана, за пределами которых развитие жизни было бы невозможно из-за свойств льда X. При несоблюдении этих ограничений жизнь на планете сможет развиваться только на океанской поверхности. Назовем это ограничение «пределом льда X».