Космические, геофизические и химические предпосылки происхождения жизни на Земле

Считается, что наиболее вероятными зонами зарождения звездных систем являются газопылевые (молекулярные) облака. Полагают, что процесс становления Солнечной системы протекал следующим образом. Исходная протосолнечная туманность представляла собой гигантское (во много раз больше современной Солнечной системы), холодное (-230°С), медленно вращающееся облако газа и пыли (рис. 11.2).

Существенно, что в состав облака входили не только первичные водород и гелий, но и различные тяжелые элементы. После дости;

Рис. 11.2. Протоиланетарная стадия эволюции Солнечной системы жения определенной плотности сила гравитации стала превосходить силу давления газа и оно начало сжиматься. Нс исключено, что внешним толчком послужил взрыв близлежащей сверхновой звезды. В процессе сжатия размеры облака уменьшились, а скорость вращения (в силу закона сохранения углового момента) возросла. При этом материал газопылевой туманности под действием гравитации дифференцировался на плотную центральную часть (протосолнце) и диффузный внешний диск (протопланетарный диск). Наряду с этим изменялась и форма протосолнсчной системы. Вследствие различия скоростей сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения происходило его уплощение. Повышение плотности приводило к увеличению вероятности столкновения частиц пыли и, как следствие, росту температуры, в наибольшей степени — в центральной области диска. Прогрессивное сжатие вещества (коллапс) в этой зоне системы резко повысило плотность, давление и температуру. Когда значение последней превысило критическую величину, запустились реакции термоядерного синтеза и протозвезда превратилась в звезду (Солнце). При этом внешние области протосол печной системы оставались относительно холодными. В соответствии с классической аккреционной моделью формирования планет (разработка которой связана с именами выдающихся русских ученых О. Ю. Шмидта и В. С. Сафронова) в этих областях будущей Солнечной системы вследствие гидродинамических неустойчивостей стали появляться отдельные сгущения в виде концентрических колец.

Постепенно внутри колец в результате конденсации мелких частиц стали формироваться планетезимали — небольшие тела из скальных пород и металлов с примесью льда. Считается, что важную роль в объединении твердых частиц играли органические молекулы, синтез которых в этих условиях происходил с высокой вероятностью. Планетезимали под действием силы гравитации притягивали друг друга и слипались, образуя протопланеты. Следует подчеркнуть, что только планеты, обращающиеся вокруг Солнца по близким орбитам (средняя температура 11 00°С), могли сохранить состав своих иротопланет-иредшественников. Во внешних кольцах протосолнечного диска в условиях значительно более низких температур протопланеты из скальных пород и льда после достижения достаточно крупных размеров стали притягивать к себе большое количество окружающего газа (водород, гелий и др.) и превратились в газовые гиганты. Возникновение планет внутри колец объясняет тот факт, что все они вращались вокруг Солнца приблизительно в одной плоскости и в одном направлении. Предполагают, что фактором, инициирующим вращение планет вокруг своей оси, явилась их бомбардировка крупными метеоритами. Газ, пылевые частицы и сравнительно мелкие тела, оставшиеся после формирования планет и спутников, частично были вынесены солнечным излучением за пределы Солнечной системы, где сформировали сферическое облако Оорта (резервуар комет). Другая часть этого материала сконцентрировалась между орбитами Марса и Юпитера (главный пояс астероидов) и на периферии Солнечной системы (в виде плоского кольца — пояс Койпера). Проведенные за последнее десятилетие исследования внесолнечных планетных систем, теоретический анализ результатов и компьютерное моделирование привели к необходимости ревизии и пересмотру некоторых положений классической аккреционной модели. Результатом ее творческой переработки явилась новая теория, получившая название теории последовательной аккреции. Основная идея этой теории заключается в том, что формирование планетных систем является сложным многоэтапным процессом, определенные стадии которого закономерным образом повторяются и критично зависят от начальных условий. Именно с последним обстоятельством авторы связывают выраженное разнообразие наблюдаемых планетных систем.

Почему из всех планет Солнечной системы только на Земле возникла и стала активно развиваться жизнь? Этот вопрос является частным аспектом другого, более масштабного вопроса: каким условиям должно удовлетворять космическое тело (в первую очередь планета), чтобы на нем могла зародиться жизнь. Предполагают, что звезда, вокруг которой вращается такая планета, должна быть зрелой звездой, находящейся в стационарной фазе своего жизненного пути. Интенсивность излучения звезды должна быть умеренной (приблизительно такой, как у нашего Солнца, относящегося, но спектральной классификации к «желтым карликам» с температурой поверхности около 5000—6000 К). Ее физические характеристики должны сохраняться на относительно постоянном уровне в течение достаточно длительного периода (не менее 3,5 млрд лет — время, необходимое для возникновения живых организмов, их прогрессивной эволюции, широкомасштабной экспансии и формирования устойчивой саморегулирующейся биосферы). В этой связи большое значение имеют такие факторы, как расстояние звезды от галактического центра и характеристики ее орбиты, определяющие продолжительность времен галактического года. Так, Солнце находится на расстоянии около 27 тыс. световых лет от центра Млечного пути (что соответствует приблизительно половине радиуса Галактики) и вращается вокруг центра, но почти круговой орбите со скоростью около 254 км/с, совершая полный оборот примерно за 230 млн лет (галактический год). Существенно, что эта скорость примерно равна скорости спиральных рукавов. Это означает, что Солнечная система проходит сквозь них чрезвычайно редко. Это дает планетам длительные периоды стабильности для возникновения и развития жизни, так как спиральные рукава обладают высокой концентрацией потенциально опасных сверхновых звезд. Плоскость орбиты Солнца располагается вблизи плоскости симметрии галактического диска (на 65—80 световых лет выше, т. е. севернее него).

Наряду с круговыми движениями по орбите, Солнечная система совершает вертикальные колебания относительно галактической плоскости, пересекая ее каждые 30—35 млн лет и оказываясь то в северном, то в южном галактическом полушарии. Время пребывания ее в «срединном слое» галактического диска (галактическая зима) составляет 10—15 млн лет (по другим оценкам — 68 млн лет) и является наименее благоприятным в плане условий для возникновения и эволюции жизни на планетах. Дело в том, что в плоскости Галактики сконцентрированы огромные массы диффузной материи — межзвездного газа и космической пыли. Последняя экранирует и поглощает часть солнечного излучения, вследствие чего на планетах начинается похолодание и наступает очередной ледниковый период. Кроме того, при прохождении Солнечной системы через газово-пылевую плоскость существенно повышается активность Солнца, а также усиливается выпадение космических осадков на небесные тела и активизируется их геологическая активность (горообразование, вулканическая деятельность и др.). В дополнение к изложенным выше требованиям, предъявляемым к небесным телам в плане необходимых условий для возникновения жизни, следует отметить, что планета должна иметь массу больше массы Меркурия, но меньше массы Юпитера, вращаться на определенном расстоянии от звезды по круговой (или почти круговой) орбите, а также иметь угол наклона экватора к плоскости эклиптики, близкий к 25°. Только тогда на ее поверхности могут быть обеспечены условия, приемлемые для возникновения и развития жизни: оптимальный температурный режим на поверхности (значения в интервале 0— 100 °C, отсутствие резких суточных и годовых колебаний), умеренные давление, плотность и газовый состав атмосферы, наличие водных бассейнов.

Земля с момента своего образования как космического тела до того предположительного периода, когда на ней появились первые живые существа, также претерпела ряд глубоких преобразований. Изначально планета характеризовалась сравнительно однородной структурой и небольшой температурой. Позже в результате интенсивной метеоритной бомбардировки происходил постепенный разогрев тела Земли, который привел к дифференциации ее вещества — более тяжелые компоненты (железо, никель, свинец) под действием гравитационного поля планеты сконцентрировались в ее центре, более легкие устремились на периферию. Существенно, что эти перемещения масс вещества сопровождались освобождением тепловой энергии. Таким образом постепенно сформировались различные по химическому составу и физическим свойствам основные структурные компоненты Земли — внутреннее и внешнее ядра, верхняя и нижняя мантии, кора.

С процессами перестройки внутренней структуры планеты теснейшим образом связано возникновение гидросферы и атмосферы. Считается, что пары воды и газы образовались в недрах планеты и выходили на ее поверхность вместе с наиболее легкоплавкими веществами мантии в процессе вулканической деятельности. Примечательно, что количество выделившейся за время существования Земли воды составляет 7,5% от всей воды планеты, остальная часть сосредоточена в мантии. Согласно другой точке зрения, основная масса воды была привнесена на планету из космоса в результате массированной бомбардировки Земли кометами, которые, как известно, содержат много воды. В пользу этого предположения говорят результаты определения изотопного состава воды (отношение дейтерий/протий) в одной из комет, выполненное с помощью космического телескопа. Данный параметр оказался таким же, как у земной воды. Появление на Земле жидкой воды, согласно последним данным, датируется временем 4,4 млрд лет назад.

Следует специально подчеркнуть, что при прохождении паров и капельно-жидкой воды через породы она насыщалась различными минеральными и органическими веществами. К этому надо добавить растворение в воде определенных компонентов, находящихся на поверхности суши, и их глубокие преобразования под действием факторов внешней среды (солнечное излучение, грозовые разряды и др.). Таким образом, есть все основания полагать, что первичные водоемы Земли были заполнены водой с высоким содержанием разнообразных растворимых веществ, включающих большую часть известных химических элементов. Среди них прежде всего следует выделить С, Н, О, N, Р и S. Именно эти элементы в силу уникального сочетания свойств (способность образовывать прочные одинарные и кратные ковалентные связи с различным энергетическим потенциалом, слабые нековалентные связи, способность формировать разнообразные молекулярные структуры и др.) составили химическую основу предбиологических систем и первых живых организмов. Дело в том, что образующиеся из этих элементов и их соединений (в первую очередь формальдегида, цианида водорода, фосфатов, сульфидов) сложные органические вещества могли обладать способностью к фиксации информации, самокопированию, катализу, трансформации и аккумулированию энергии, самоорганизации в надмолекулярные структуры. Первичная атмосфера, представляющая собой остаток газо-пылевого облака и состоявшая в основном из водорода, гелия и незначительных количеств благородных газов, аммиака, метана, аммония, водяных паров, была довольно быстро утрачена путем диффузионного ускользания вследствие сравнительно слабого гравитационного поля Земли. Лишь некоторые ее компоненты были связаны минералами и временно захоронены в недрах планеты. Формирование вторичной бескислородной атмосферы происходило в результате дегазации недр Земли на фоне активных геологических процессов.

Подводя итог вышеизложенному, можно прийти к заключению, что основными космическими, геофизическими и геохимическими предпосылками возникновения жизни на Земле явились следующие факторы: удаленность Солнечной системы от центра Галактики и необходимые характеристики се орбиты, определенная степень зрелости звезды (нахождение в стационарной фазе), умеренная интенсивность ее излучения, расположение Земли на определенном расстоянии от Солнца, угол наклона экватора планеты к плоскости эклиптики около 25°, благоприятный температурный диапазон, приемлемый фотопериодический режим (соотношение продолжительности дня и ночи, светлого и темного периодов года), оптимальная масса Земли, дифференциация ее тела на ядро, мантию и кору и выход на поверхность легких химических элементов, наличие воды в капельно-жидкой форме и разнообразных неорганических и органических веществ.