Это несколько упрощенная, но в целом верная картина солнечной планетной системы. Наука, которая занимается объяснением ее закономерностей, называется планетной космогонией, а вопрос, как могла возникнуть система, подобная солнечной, составляет главную, самую трудную и вдобавок к этому нерешенную проблему космогонии.
По-видимому, одна из самых старых гипотез о возникновении солнечной системы была выдвинута шведским ученым и богословом Э. Сведенборгом и развита знаменитым немецким философом И. Кантом в его очерке "Общая естественная история неба или теория устройства мироздания", который был опубликован в 1755 году.
Следуя идеям Сведенборга, Кант предположил, что до образования планет и Солнца существовала огромная рассеянная туманность (у астрономов принято говорить, диффузная туманность). Эта туманность обязательно должна была вращаться, чтобы из нее могло возникнуть центральное тело - Солнце и планеты. Конечно, прав был "сторонник" движения Диоген и ошибался Платон, утверждавший, что движения нет.
Кант не сумел правильно объяснить причину вращения первичной туманности. Он предполагал, что сначала туманность была неподвижной, а движение ее возникло из местных "локальных" вращений. Но если по какой-то причине и появлялись местные вращения, то половина их должна была быть направлена в одну сторону, например, по часовой стрелке, а половина - в другую. Поэтому местные вращения никогда не могли послужить причиной возникновения общего вращения туманности.
Через 40 лет после выхода в свет очерка Канта великий французский математик П. Лаплас в дополнении к "Изложению системы мира" ввел принципиальное предположение о том, что первичная туманность с самого начала медленно вращалась. Знаменитая книга Лапласа вышла в 1796 году.
Лаплас считал, что туманность была изначально горячей. По мере охлаждения она сжималась, а скорость ее вращения росла. С увеличением скорости вращения возрастали центробежные силы на экваторе туманности, что в конце концов привело к расслоению на кольца.
Из колец впоследствии образовались планеты и спутники.
Такова в самых общих чертах гипотеза Канта - Лапласа. Эта схема хорошо объясняла, почему все планеты движутся в одном направлении и в одной плоскости. Вот поэтому в течение долгого времени теория Канта - Лапласа было общепринятой.
Однако эта стройная теория имела свои слабые стороны, которые отчетливо проявились к середине XIX века. В 1859 году Максвелл математически доказал, что превращение кольца в планету невозможно. Дополнительно к этому оказалось, что Солнце и планеты по схеме Канта - Лапласа должны вращаться совсем не так, как это происходит в действительности.
Здесь речь идет о так называемом угловом моменте вращающегося тела, который определяет полное количество вращательного движения. Оказалось, что Солнце обладает лишь 2 процентами от общего углового момента солнечной системы, а около 98 процентов приходится на долю планет-гигантов.
Почему львиная доля углового момента приходится именно на планеты, хотя их общая масса составляет около 0,001 массы Солнца? С этой задачей теория Канта - Лапласа справиться не могла.
Естественно, что ученые стали искать другие возможные пути возникновения нашей солнечной системы.
Появились идеи о так называемом катастрофическом образовании солнечной системы (здесь намеренно дается достаточно подробный исторический материал, чтобы читателю яснее стала грандиозная сложность проблемы образования солнечной системы).
Итак, гипотезы, связанные с катастрофой. Предположим, что миллиарды лет назад какая-то массивная звезда прошла сравнительно недалеко от молодого Солнца.
Что же могло произойти во время такого сближения?
Подобно океанским приливам, происходящим в системе Земля - Луна, приближение массивной звезды вызывало грандиозные приливы в огненной атмосфере Солнца. Высота этих приливов достигала многих тысяч километров. И, наконец, в точке максимального сближения произошла великая космическая катастрофа. Огромный поток вещества вырвался из Солнца и образовал сигарообразную нить раскаленного газа, которая впоследствии распалась на капли, подобно тому как облако пара, остывая, образует отдельные капли воды. Конечно, некоторая часть потока могла быть захвачена проходящей звездой, но часть вещества осталась в сфере гравитационного воздействия Солнца, и именно из этой части и образовались планеты.
Теорию катастроф обычно связывают с именем знаменитого английского астронома Д. Джинса, однако еще раньше профессор Т. Чемберлин выдвинул планетезимальную гипотезу, согласно которой крупные сгустки вещества выбрасывались во время извержений с поверхности Солнца, усиливающихся при сближении с другой звездой.
Выброшенное из Солнца вещество быстро остывало.
Из него возникало большое число отдельных тел, планетезималей, двигающихся независимо друг от друга по самостоятельным орбитам вокруг Солнца. Затем при столкновениях этих тел возникали зародыши планет, еще более крупные тела, которые притягивали к себе другие планетезимали, и в конце концов ооразовались планеты.
Таковы в двух словах основные идеи, заложенные в теорию катастроф.
Но и здесь ученым пришлось столкнуться с фатальными препятствиями. Объяснить существующее в солнечной системе распределение углового момента можно, лишь предположив, что Солнце и звезда не прошли рядом, на расстоянии двух-трех миллионов километров друг от друга, а столкнулись! Возможно ли это?
В принципе да. Но вероятность такого события ничтожна. И тогда, если мы будем стоять на позиции теории катастроф, наша солнечная система представляет редчайшее исключение во Вселенной.
Сэр Д. Джине вычислил вероятность столкновения одной звезды с другой и нашел, что каждая звезда "имеет право" на столкновение один раз за 6-Ю17 лет, а возраст Вселенной "всего" около 1010 лет.
Эти цифры, конечно, сильный, но не решающий аргумент против теории катастроф. Вряд ли позиция, согласно которой маловероятное явление исключается из сферы рассмотрения, логична. Либо мы должны найти более приемлемое и правдоподобное объяснение какомулибо событию, либо любая, даже крайне невероятная гипотеза имеет право на существование и должна играть роль рабочей модели.
К счастью, появились более реалистичные гипотезы образования солнечной системы, чем теория извержений.
Это обстоятельство вселяет в нас надежду, что планетные системы не столь редкое, как это следовало из теории катастроф, явление во Вселенной.
Начало новому направлению в планетной космогонии было положено исследованиями советских ученых и в особенности работами школы академика О. Шмидта.
Значительный вклад в новую теорию был внесен также известным шведским физиком Г. Альвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом, о котором говорилось выше в связи с гипотезой о космических эпидемиях.
В известной мере новые теории явились возвращением к схеме Канта Лапласа. Но если теория Канта - Лапласа основывалась главным образом на законах механики, то новые теории впитали в себя все современные достижения астрофизики и электродинамики, что в конечном результате дало возможность устранить классический парадокс, связанный с распределением углового момента в солнечной системе.
Но мне в очередной раз придется огорчить читателя.
Даже сегодня существует как минимум пять более или менее "равноправных" теорий (заметим, именно теорий)
происхождения солнечной системы.
Поэтому будет полезным в ущерб строгости попытаться дать некоторую общую "синтетическую" картину образования Солнца и планет. Конечно, такой подход допускает определенный произвол (что, впрочем, в известной мере отражает состояние проблемы). Однако для нас важно иметь общую картину развития неорганического и органического мира. Поэтому мы перейдем к основным этапам истории Солнца и планет, как сегодня представляет себе этот процесс большинство ученых.
Мы вернемся на пять миллиардов лет назад и посмотрим, что же происходило с вращающейся шаровой туманностью. Правда, в отличие от горячей туманности Канта и Лапласа, наша туманность холодная.
При вращении туманность постепенно сплющивалась и превращалась в диск с шарообразным утолщением в центре.
В начальную эпоху и температура и плотность вещества в туманности были очень низки, но с течением времени плотность ее центральной части увеличивалась, пока в середине диска не зажглось молодое Солнце протосолнце. Размер первичной туманности был порядка нескольких световых лет.
Необходимо обратить внимание на одно очень важное обстоятельство: по всей видимости, молодое Солнце имело собственное магнитное поле. Если силовые линии этого поля проходили через диск, то обязательно должна была существовать электромагнитная связь между протосолнцем и диском.
Именно в результате этой связи движение протозвезды будет тормозиться, а диск начнет медленно удаляться от ее поверхности. Именно таким образом вещество диска, которое впоследствии превратится в планеты, и уносит от Солнца львиную долю вращательного момента.
Так новая теория (ее разработал Хойл) успешно разрешила казавшуюся несколько десятилетий назад непреодолимой трудность старых гипотез.
Предполагается, что весь этот процесс начался 4,5- 5 миллиардов лет назад. Молодое Солнце было тогда гораздо больше, чем сейчас. Оно постепенно сжималось под действием собственного гравитационного поля, и, когда радиус протосолнца стал равным приблизительно 10 сегодняшним, внутренняя температура повысилась настолько, что начались ядерные реакции сгорания дейтерия.
Несколько раньше, еще до ядерных реакций, на начальных стадиях сжатия наступает резкое увеличение температуры и светимости Солнца. Температура наружных слоев протозвезды достигает 50 тысяч градусов, а светимость увеличивается в 400 раз.
Все эти процессы описываются изящными уравнениями, но интереснее то обстоятельство, что они находят свое подтверждение и в наблюдательных астрономических, фактах. Сейчас в окрестностях туманности Ориона видно резкое увеличение светимости протозвезды. Звезды, находящиеся в такой стадии развития, принято называть звездами типа Т Тельца.
После стадии Т Тельца светимость протосолнца уменьшилась, и Солнце, как говорят астрофизики, вступило на главную последовательность, то есть стало стабильной звездой, а вернее, почти стабильной. Светимость Солнца в это время составляла около 60 процентов от современного"-За счет выгорания ядерного топлива и почти незаметного сжатия светимость Солнца все время увеличивалась.
Все эти факты имеют очень большое значение для правильного понимания проблемы происхождения жизни на Земле.
Посмотрим на дальнейшую эволюцию той части первичной туманности, из которой образовались планеты.
Эта часть представляла собой газопылевой слой, вращающийся вокруг протосолнца. Под воздействием различных причин он должен был разделиться на большое число отдельных сгущений, которые двигались по близким орбитам и поэтому очень быстро росли за счет столкновений друг с другом.
Сначала сгущения представляли собой смесь чрезвычайно разреженного газа и пыли. В результате соударений, а также процессов объединения и слипания плотность их увеличивалась. За сравнительно непродолжительный промежуток времени центральные части сгущений превратились в сплошные тела. Так, на расстоянии орбиты Земли этот интервал времени составил всего 10 тысяч лет, а на расстоянии от Юпитера до Солнца - миллион. Таким образом, первичные сгущения в туманности положили начало образованию роя сплошных тел, который впоследствии и привел к возникновению планет.
На определенной стадии появился "зародыш" нашей планеты, который стал "вычерпывать" вещество роя в своем районе. Зародыш Земли по своим размерам превышал Луну.
Твердые тела в допланетном рое достигли линейных размеров порядка десятков километров. Можно представить, что происходило при столкновении десятикилометрового тела (камня!) с зародышем Земли при скорости удара порядка 10 километров в секунду! Масштабы подобных катаклизмов мы видим на примере лунных и марсианских кратеров.
Большая часть падающего тела просто испарялась при ударе, но масса зародыша была достаточно большой, и вещество не могло улететь в космическое пространство. Зародыш увеличивался, постепенно наращивая свою массу. Кстати говоря, впервые именно Шмидт высказал мысль о том, что ударные процессы могли положить начало образованию атмосферы и океана еще до того, как закончилось формирование Земли.
Сколько же времени мог занять процесс образования Земли? Здесь мнения ученых расходятся: одни называют промежуток времени около 100 миллионов лет, другие приводят цифру тысяча лет. Важно ли это?
Чрезвычайно важно, поскольку если планеты (я говорю сейчас о планетах земной группы) сформировались за 100 миллионов лет, их поверхность была сравнительно холодной. По крайней мере средняя температура поверхности была меньше 100 градусов Цельсия. А если время образования планеты было около тысячи или даже 10 тысяч лет, то тепло от ударов падающих тел не успевало рассеиваться и поверхность Земли должна была быть расплавленной.
"Ну и что? - спросит читатель. - Ведь она потом могла остыть".
Все дело в том, что остыть поверхности Земли было бы чрезвычайно трудно. Давайте представим себе, что океаны Земли испарились, а для этого не нужно расплавлять ее поверхность. Достаточно, чтобы температура была больше 100 градусов Цельсия. Мы имели бы очень мощную атмосферу с давлением у поверхности Земли в несколько сот килограммов на квадратный сантиметр.
Атмосфера эта состояла бы из паров воды и углекислого газа. И вот тогда возник бы так называемый необратимый парниковый эффект, который никогда не дал бы поверхности Земли остыть. Какая уж тут жизнь?!
Мне кажется более разумным разбирать эволюцию нашей планеты, исходя из предположения о том, что средняя температура ее поверхности никогда не была слишком высокой. Могли быть, конечно, так называемые горячие пятна. Например вулканы, температура которых при извержении достигает тысячи с лишним градусов.
Но ведь жизнь никак не может существовать при подобной температуре, а чтобы средняя температура поверхности не была высокой, нужна достаточно продолжительная шкала времени образования планет (около ста миллионов лет).
Нарисованная выше схема образования планет приводит нас к нескольким замечательным выводам.
Во-первых, поскольку облака межзвездного газа существуют, они должны эволюционировать и образовывать протозвезды с планетными системами.
Во-вторых, астрономические наблюдения подтверждают существование звезд на стадии Т Тельца, что также является косвенным доказательством нашего построения.
В-третьих, теоретические расчеты подтверждают так называемый закон Боде - правило, которому подчиняется расстояние планетных орбит от Солнца. Это скорее даже эмпирическое правило, состоящее в том, что отношение больших полуосей орбит соседних планет почти постоянно и равно 1,75+0,20.
Короче говоря, есть немалая надежда на то, что наша солнечная система не уникальна в Галактике.
Очень важное подтверждение этому положению находим мы в работах известного американского астронома Ван де Кампа, который в течение многих лет наблюдал знаменитую "летящую звезду Барнарда" в созвездии Змееносца. Эта звезда отличается самым большим собственным движением среди всех остальных звезд ночного неба. За 180 лет она перемещается по небу на величину лунного диаметра. Это объясняется прежде всего тем, что после звезды а Центавра это самая близкая к нам звезда. Ее радиус в 6 раз меньше радиуса Солнца, а масса почти в 10 раз меньше солнечной.
Ван де Камп в течение 25 лет наблюдал движение этой звезды по небосклону. Ему удалось установить удивительную особенность ее движения. Ван де Камп доказал, что "траектория" летящей звезды Барнарда волнообразная. Это могло быть только в случае, если у звезды есть спутник или спутники, то есть вокруг нее вращается одна или несколько планет (точнее, они вместе вращаются вокруг общего центра тяжести).
Предварительные вычисления показали, что масса спутника "летящей звезды" в 1,5 раза больше массы Юпитера. Последующие, более точные измерения позволили установить, что у этой звезды три спутника. Их массы равны соответственно 1,26; 0,63 и 0,89 массы Юпитера, а расстояние от звезды 4,5; 2,9 и 1,8 астрономической единицы (1 астрономическая единица равна расстоянию от Солнца до Земли).
Таким образом, после блистательного открытия Ван де Кампа множественность планетных систем во Вселенной вряд ли можно поставить под сомнение.
Глава IV
НАЧАЛИСЬ СИНТЕЗЫ
Что же происходило с органическими молекулами в период образования планет и как светимость протосолнца влияла на процессы образованияиорганических соединений?
Начнем опять с первичной туманности, из которой родились Солнце и планеты. Она состояла из смеси газа и пыли: частичек силикатов, графита, льдов. Органические молекулы с самого начала, еще до разогрева туманности, присутствовали в ней и в газовой фазе, и на поверхности пылинок. Что это за молекулы и как они образовались?
Сейчас известно около 40 типов простых органических молекул, обнаруженных в газопылевых облаках. Для нас наибольший интерес представляют два соединения: сильнейший яд синильная кислота (цианистый водород) и формальдегид, простая молекула, состоящая из атома углерода, атома кислорода и двух атомов водорода.
Все дело в том, что это, как говорят химики, "ключевые" молекулы для синтеза более сложных соединений.
Например, в химии хорошо известен так называемый синтез Штрекера, когда в водно-аммиачном растворе синильной кислоты и формальдегида просто при легком подогреве смеси образуются аминокислоты. Аминокислоты - основные блоки для создания белковой молекулы. Если подогреть водно-аммиачный раствор синильной кислоты, получается аденин - молекула, без которой невозможно построить ДНК - знаменитую двойную спираль Уотсона - Крика. Американский химик испанского происхождения X. Оро, которому впервые удалось получить аденин из цианистого водорода, показал, что занятия предбиологической химией могут дать хороший промышленный выход. Сейчас метод Оро очень широко применяется для промышленного производства аденина, молекулы, состоящей из 5 молекул синильной кислоты.
Формальдегид очень важен для образования простых Сахаров, без которых, в свою очередь, невозможно получить нуклеиновые кислоты.
Реакции усложнения и превращения формальдегида и синильной кислоты идут не только в растворах. Они могли проходить и в нашей туманности, главным образом на поверхности кристаллов льда. Конечно, скорости этих реакций были в сотни тысяч раз меньше, чем при комнатных температурах. Да и концентрации исходных веществ (формальдегида и синильной кислоты) очень малы. Поэтому появления особенно сложных молекул в туманности вряд ли можно ожидать.
Ну а как же образовались "ключевые" соединения (их еще называют предшественниками)?
Дело в том, что туманность не изолирована от воздействия различных космических факторов. Предположим, что на расстоянии многих световых лет от туманности вспыхнула сверхновая звезда. И мощный поток ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-квантов устремился к туманности. Этот поток и стал тем стимулирующим фактором, который помог образоваться нашим предшественникам из смеси простых газов.
В самой туманности мы не вправе ожидать появления сложных молекул. Максимум, на что можно было бы рассчитывать, - на присутствие простейших аминокислот или же, например, аденина. Но, к сожалению, ни то, ни другое в газопылевых облаках не обнаружено.
Посмотрим теперь, что происходило на последующих этапах истории туманности. Мы помним, что при сжатии туманность прошла высокотемпературную стадию, причем в центральных частях диска температуры были очень высоки. На расстоянии от Земли до Солнца они достигали 2 тысяч градусов. Совершенно ясно, что никаким органическим молекулам не выдержать такой температуры. Но впоследствии, когда образовалось и стабилизировалось Солнце, туманность начала остывать. По времени это совпало с началом образования планет.
Основным газом в туманности был водород. Присутствовали также окись и двуокись углерода, азот и некоторое количество метана. Под воздействием ультрафиолетового излучения молодого Солнца снова начали образовываться предшественники - формальдегид и синильная кислота - и более сложные соединения: аминокислоты, основания нуклеиновых кислот.
"Отпечатки" этих процессов мы находим сегодня в древнейших метеоритах углистых хондритах, возраст которых составляет 4,5-4,6 миллиарда лет, что как раз равно возрасту солнечной системы. Но нужно обязательно подчеркнуть, что и в углистых хондритах нет сложных, абсолютно необходимых для жизни соединений: белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот. Есть только их составные части. Вдобавок эти составные части, например аминокислоты, намертво "запечатаны" в неорганическую матрицу метеорита.
Напомним, что на заключительных стадиях образования Земли на зародыш падали крупные тела с линейными размерами в несколько километров. Скорости соударения были порядка десяти километров в секунду.
Следы таких ударов сохранились не только на Луне и Марсе, но и на поверхности нашей Земли. Знаменитый Аризонский кратер в Америке, кольцевые структуры на Украине - это следы чудовищных ударов, по сравнению с которыми взрыв атомной бомбы - сущий пустяк.
При таких ударах почти все вещество метеорита превращалось в плазму. При остывании этой плазмы могли образовываться органические молекулы.
Выходит, синтез и распад органических молекул происходил на всех этапах развития прототуманности. И когда сформировались планеты, природе нужно было заново строить соединения углерода уже на поверхности молодой Земли. 4,5 миллиарда лет назад на нашей планете началась эра добиологической эволюции.
Посмотрим, что представляла собой молодая Земля.
Жизни на Земле в то время не существовало. Это основное наше предположение. А что же было? Была твердая поверхность Земли - кора, была атмосфера, гидросфера и, самое главное, было Солнце с его мощным ультрафиолетовым излучением. Солнце - генератор энергии, которая стимулировала большинство химических реакций в атмосфере Земли.
Очевидность этого обстоятельства дала толчок для проведения огромного количества экспериментов по синтезам органических молекул под воздействием ультрафиолетового излучения в газовых смесях, предположительно моделирующих по своему составу первичную атмосферу Земли. Многие ученые считают, что 4,5 миллиарда лет назад она (атмосфера) состояла из водорода, метана и аммиака. Кислород появился позже за счет процессов фотосинтеза, то есть когда на Земле возникла жизнь.
Вот это и стало находкой для химиков-органиков.
Советские биохимики А. Пасынский и Т. Павловская, американские ученые С. Фокс, X. Оро, С. Поннамперума, К. Саган, М. Кальвин и многие другие проделали классические эксперименты по синтезу аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, Сахаров и многих других биологигически важных молекул. Все авторы использовали в качестве исходных соединений водород, метан, аммиак, пары воды.
Здесь стоит сказать о том, что результаты этих экспериментов на многие годы загипнотизировали геохимиков и планетологов. Именно в результатах, полученных специалистами по предбиологической химии, геохимики и планетологи видели доказательство тому, что на ранних этапах развития Земля обладала бескислородной атмосферой. Ведь кислород настолько активный окислитель, что в его присутствии синтезы органических соединений не происходят. Если, например, в реакционную смесь, содержащую водород и другие компоненты, необходимые для получения углеродсодержащих молекул (метан), добавить кислород и подвести необходимую энергию, то вместо того, чтобы занять свое "законное" место в органической молекуле, водород сразу же вступит с кислородом в реакцию образования воды.
Логика планетологов была такова. Раз жизнь на Земле возникла, атмосфера должна была содержать водород, метан и аммиак. Был океан, значит, были в атмосфере и пары воды.
Ну а дальше специалисты по предбиологической химии как будто бы все объяснили. Было ультрафиолетовое излучение Солнца, были грозы, а значит, и электри ческие разряды, было тепло от вулканов. Короче говоря в источниках энергии недостатка не ощущалось. И в системе "атмосфера - океан" варился знаменитый питательный бульон, из которого впоследствии произошли первые живые организмы. Еще в 1964 году американский астрофизик К- Саган произвел несложный расчет, в результате которого получил ошеломляющую цифру.
На каждом квадратном сантиметре поверхности Земли за миллиард лет могло накопиться за счет химических реакций до сотен килограммов амино- и органических кислот. Что и говорить, для возникновения жизни условия более чем благоприятные.
Но дело обстоит совсем не так просто, как это представлял себе Саган. За последние годы опубликованы новые работы об эволюции атмосфер планет земной группы, и эти исследования показывают, что ранняя атмосфера Земли, как минимум, не была восстановительной (водородсодержащей). Более того, атмосфера ранней Земли без всякого участия живых систем, за счет чисто фотохимических процессов очень быстро стала окислительной, то есть в ней появился свободный кислород. А в подобной атмосфере образование органических соединений невозможно.
По-видимому, одна из самых старых гипотез о возникновении солнечной системы была выдвинута шведским ученым и богословом Э. Сведенборгом и развита знаменитым немецким философом И. Кантом в его очерке "Общая естественная история неба или теория устройства мироздания", который был опубликован в 1755 году.
Следуя идеям Сведенборга, Кант предположил, что до образования планет и Солнца существовала огромная рассеянная туманность (у астрономов принято говорить, диффузная туманность). Эта туманность обязательно должна была вращаться, чтобы из нее могло возникнуть центральное тело - Солнце и планеты. Конечно, прав был "сторонник" движения Диоген и ошибался Платон, утверждавший, что движения нет.
Кант не сумел правильно объяснить причину вращения первичной туманности. Он предполагал, что сначала туманность была неподвижной, а движение ее возникло из местных "локальных" вращений. Но если по какой-то причине и появлялись местные вращения, то половина их должна была быть направлена в одну сторону, например, по часовой стрелке, а половина - в другую. Поэтому местные вращения никогда не могли послужить причиной возникновения общего вращения туманности.
Через 40 лет после выхода в свет очерка Канта великий французский математик П. Лаплас в дополнении к "Изложению системы мира" ввел принципиальное предположение о том, что первичная туманность с самого начала медленно вращалась. Знаменитая книга Лапласа вышла в 1796 году.
Лаплас считал, что туманность была изначально горячей. По мере охлаждения она сжималась, а скорость ее вращения росла. С увеличением скорости вращения возрастали центробежные силы на экваторе туманности, что в конце концов привело к расслоению на кольца.
Из колец впоследствии образовались планеты и спутники.
Такова в самых общих чертах гипотеза Канта - Лапласа. Эта схема хорошо объясняла, почему все планеты движутся в одном направлении и в одной плоскости. Вот поэтому в течение долгого времени теория Канта - Лапласа было общепринятой.
Однако эта стройная теория имела свои слабые стороны, которые отчетливо проявились к середине XIX века. В 1859 году Максвелл математически доказал, что превращение кольца в планету невозможно. Дополнительно к этому оказалось, что Солнце и планеты по схеме Канта - Лапласа должны вращаться совсем не так, как это происходит в действительности.
Здесь речь идет о так называемом угловом моменте вращающегося тела, который определяет полное количество вращательного движения. Оказалось, что Солнце обладает лишь 2 процентами от общего углового момента солнечной системы, а около 98 процентов приходится на долю планет-гигантов.
Почему львиная доля углового момента приходится именно на планеты, хотя их общая масса составляет около 0,001 массы Солнца? С этой задачей теория Канта - Лапласа справиться не могла.
Естественно, что ученые стали искать другие возможные пути возникновения нашей солнечной системы.
Появились идеи о так называемом катастрофическом образовании солнечной системы (здесь намеренно дается достаточно подробный исторический материал, чтобы читателю яснее стала грандиозная сложность проблемы образования солнечной системы).
Итак, гипотезы, связанные с катастрофой. Предположим, что миллиарды лет назад какая-то массивная звезда прошла сравнительно недалеко от молодого Солнца.
Что же могло произойти во время такого сближения?
Подобно океанским приливам, происходящим в системе Земля - Луна, приближение массивной звезды вызывало грандиозные приливы в огненной атмосфере Солнца. Высота этих приливов достигала многих тысяч километров. И, наконец, в точке максимального сближения произошла великая космическая катастрофа. Огромный поток вещества вырвался из Солнца и образовал сигарообразную нить раскаленного газа, которая впоследствии распалась на капли, подобно тому как облако пара, остывая, образует отдельные капли воды. Конечно, некоторая часть потока могла быть захвачена проходящей звездой, но часть вещества осталась в сфере гравитационного воздействия Солнца, и именно из этой части и образовались планеты.
Теорию катастроф обычно связывают с именем знаменитого английского астронома Д. Джинса, однако еще раньше профессор Т. Чемберлин выдвинул планетезимальную гипотезу, согласно которой крупные сгустки вещества выбрасывались во время извержений с поверхности Солнца, усиливающихся при сближении с другой звездой.
Выброшенное из Солнца вещество быстро остывало.
Из него возникало большое число отдельных тел, планетезималей, двигающихся независимо друг от друга по самостоятельным орбитам вокруг Солнца. Затем при столкновениях этих тел возникали зародыши планет, еще более крупные тела, которые притягивали к себе другие планетезимали, и в конце концов ооразовались планеты.
Таковы в двух словах основные идеи, заложенные в теорию катастроф.
Но и здесь ученым пришлось столкнуться с фатальными препятствиями. Объяснить существующее в солнечной системе распределение углового момента можно, лишь предположив, что Солнце и звезда не прошли рядом, на расстоянии двух-трех миллионов километров друг от друга, а столкнулись! Возможно ли это?
В принципе да. Но вероятность такого события ничтожна. И тогда, если мы будем стоять на позиции теории катастроф, наша солнечная система представляет редчайшее исключение во Вселенной.
Сэр Д. Джине вычислил вероятность столкновения одной звезды с другой и нашел, что каждая звезда "имеет право" на столкновение один раз за 6-Ю17 лет, а возраст Вселенной "всего" около 1010 лет.
Эти цифры, конечно, сильный, но не решающий аргумент против теории катастроф. Вряд ли позиция, согласно которой маловероятное явление исключается из сферы рассмотрения, логична. Либо мы должны найти более приемлемое и правдоподобное объяснение какомулибо событию, либо любая, даже крайне невероятная гипотеза имеет право на существование и должна играть роль рабочей модели.
К счастью, появились более реалистичные гипотезы образования солнечной системы, чем теория извержений.
Это обстоятельство вселяет в нас надежду, что планетные системы не столь редкое, как это следовало из теории катастроф, явление во Вселенной.
Начало новому направлению в планетной космогонии было положено исследованиями советских ученых и в особенности работами школы академика О. Шмидта.
Значительный вклад в новую теорию был внесен также известным шведским физиком Г. Альвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом, о котором говорилось выше в связи с гипотезой о космических эпидемиях.
В известной мере новые теории явились возвращением к схеме Канта Лапласа. Но если теория Канта - Лапласа основывалась главным образом на законах механики, то новые теории впитали в себя все современные достижения астрофизики и электродинамики, что в конечном результате дало возможность устранить классический парадокс, связанный с распределением углового момента в солнечной системе.
Но мне в очередной раз придется огорчить читателя.
Даже сегодня существует как минимум пять более или менее "равноправных" теорий (заметим, именно теорий)
происхождения солнечной системы.
Поэтому будет полезным в ущерб строгости попытаться дать некоторую общую "синтетическую" картину образования Солнца и планет. Конечно, такой подход допускает определенный произвол (что, впрочем, в известной мере отражает состояние проблемы). Однако для нас важно иметь общую картину развития неорганического и органического мира. Поэтому мы перейдем к основным этапам истории Солнца и планет, как сегодня представляет себе этот процесс большинство ученых.
Мы вернемся на пять миллиардов лет назад и посмотрим, что же происходило с вращающейся шаровой туманностью. Правда, в отличие от горячей туманности Канта и Лапласа, наша туманность холодная.
При вращении туманность постепенно сплющивалась и превращалась в диск с шарообразным утолщением в центре.
В начальную эпоху и температура и плотность вещества в туманности были очень низки, но с течением времени плотность ее центральной части увеличивалась, пока в середине диска не зажглось молодое Солнце протосолнце. Размер первичной туманности был порядка нескольких световых лет.
Необходимо обратить внимание на одно очень важное обстоятельство: по всей видимости, молодое Солнце имело собственное магнитное поле. Если силовые линии этого поля проходили через диск, то обязательно должна была существовать электромагнитная связь между протосолнцем и диском.
Именно в результате этой связи движение протозвезды будет тормозиться, а диск начнет медленно удаляться от ее поверхности. Именно таким образом вещество диска, которое впоследствии превратится в планеты, и уносит от Солнца львиную долю вращательного момента.
Так новая теория (ее разработал Хойл) успешно разрешила казавшуюся несколько десятилетий назад непреодолимой трудность старых гипотез.
Предполагается, что весь этот процесс начался 4,5- 5 миллиардов лет назад. Молодое Солнце было тогда гораздо больше, чем сейчас. Оно постепенно сжималось под действием собственного гравитационного поля, и, когда радиус протосолнца стал равным приблизительно 10 сегодняшним, внутренняя температура повысилась настолько, что начались ядерные реакции сгорания дейтерия.
Несколько раньше, еще до ядерных реакций, на начальных стадиях сжатия наступает резкое увеличение температуры и светимости Солнца. Температура наружных слоев протозвезды достигает 50 тысяч градусов, а светимость увеличивается в 400 раз.
Все эти процессы описываются изящными уравнениями, но интереснее то обстоятельство, что они находят свое подтверждение и в наблюдательных астрономических, фактах. Сейчас в окрестностях туманности Ориона видно резкое увеличение светимости протозвезды. Звезды, находящиеся в такой стадии развития, принято называть звездами типа Т Тельца.
После стадии Т Тельца светимость протосолнца уменьшилась, и Солнце, как говорят астрофизики, вступило на главную последовательность, то есть стало стабильной звездой, а вернее, почти стабильной. Светимость Солнца в это время составляла около 60 процентов от современного"-За счет выгорания ядерного топлива и почти незаметного сжатия светимость Солнца все время увеличивалась.
Все эти факты имеют очень большое значение для правильного понимания проблемы происхождения жизни на Земле.
Посмотрим на дальнейшую эволюцию той части первичной туманности, из которой образовались планеты.
Эта часть представляла собой газопылевой слой, вращающийся вокруг протосолнца. Под воздействием различных причин он должен был разделиться на большое число отдельных сгущений, которые двигались по близким орбитам и поэтому очень быстро росли за счет столкновений друг с другом.
Сначала сгущения представляли собой смесь чрезвычайно разреженного газа и пыли. В результате соударений, а также процессов объединения и слипания плотность их увеличивалась. За сравнительно непродолжительный промежуток времени центральные части сгущений превратились в сплошные тела. Так, на расстоянии орбиты Земли этот интервал времени составил всего 10 тысяч лет, а на расстоянии от Юпитера до Солнца - миллион. Таким образом, первичные сгущения в туманности положили начало образованию роя сплошных тел, который впоследствии и привел к возникновению планет.
На определенной стадии появился "зародыш" нашей планеты, который стал "вычерпывать" вещество роя в своем районе. Зародыш Земли по своим размерам превышал Луну.
Твердые тела в допланетном рое достигли линейных размеров порядка десятков километров. Можно представить, что происходило при столкновении десятикилометрового тела (камня!) с зародышем Земли при скорости удара порядка 10 километров в секунду! Масштабы подобных катаклизмов мы видим на примере лунных и марсианских кратеров.
Большая часть падающего тела просто испарялась при ударе, но масса зародыша была достаточно большой, и вещество не могло улететь в космическое пространство. Зародыш увеличивался, постепенно наращивая свою массу. Кстати говоря, впервые именно Шмидт высказал мысль о том, что ударные процессы могли положить начало образованию атмосферы и океана еще до того, как закончилось формирование Земли.
Сколько же времени мог занять процесс образования Земли? Здесь мнения ученых расходятся: одни называют промежуток времени около 100 миллионов лет, другие приводят цифру тысяча лет. Важно ли это?
Чрезвычайно важно, поскольку если планеты (я говорю сейчас о планетах земной группы) сформировались за 100 миллионов лет, их поверхность была сравнительно холодной. По крайней мере средняя температура поверхности была меньше 100 градусов Цельсия. А если время образования планеты было около тысячи или даже 10 тысяч лет, то тепло от ударов падающих тел не успевало рассеиваться и поверхность Земли должна была быть расплавленной.
"Ну и что? - спросит читатель. - Ведь она потом могла остыть".
Все дело в том, что остыть поверхности Земли было бы чрезвычайно трудно. Давайте представим себе, что океаны Земли испарились, а для этого не нужно расплавлять ее поверхность. Достаточно, чтобы температура была больше 100 градусов Цельсия. Мы имели бы очень мощную атмосферу с давлением у поверхности Земли в несколько сот килограммов на квадратный сантиметр.
Атмосфера эта состояла бы из паров воды и углекислого газа. И вот тогда возник бы так называемый необратимый парниковый эффект, который никогда не дал бы поверхности Земли остыть. Какая уж тут жизнь?!
Мне кажется более разумным разбирать эволюцию нашей планеты, исходя из предположения о том, что средняя температура ее поверхности никогда не была слишком высокой. Могли быть, конечно, так называемые горячие пятна. Например вулканы, температура которых при извержении достигает тысячи с лишним градусов.
Но ведь жизнь никак не может существовать при подобной температуре, а чтобы средняя температура поверхности не была высокой, нужна достаточно продолжительная шкала времени образования планет (около ста миллионов лет).
Нарисованная выше схема образования планет приводит нас к нескольким замечательным выводам.
Во-первых, поскольку облака межзвездного газа существуют, они должны эволюционировать и образовывать протозвезды с планетными системами.
Во-вторых, астрономические наблюдения подтверждают существование звезд на стадии Т Тельца, что также является косвенным доказательством нашего построения.
В-третьих, теоретические расчеты подтверждают так называемый закон Боде - правило, которому подчиняется расстояние планетных орбит от Солнца. Это скорее даже эмпирическое правило, состоящее в том, что отношение больших полуосей орбит соседних планет почти постоянно и равно 1,75+0,20.
Короче говоря, есть немалая надежда на то, что наша солнечная система не уникальна в Галактике.
Очень важное подтверждение этому положению находим мы в работах известного американского астронома Ван де Кампа, который в течение многих лет наблюдал знаменитую "летящую звезду Барнарда" в созвездии Змееносца. Эта звезда отличается самым большим собственным движением среди всех остальных звезд ночного неба. За 180 лет она перемещается по небу на величину лунного диаметра. Это объясняется прежде всего тем, что после звезды а Центавра это самая близкая к нам звезда. Ее радиус в 6 раз меньше радиуса Солнца, а масса почти в 10 раз меньше солнечной.
Ван де Камп в течение 25 лет наблюдал движение этой звезды по небосклону. Ему удалось установить удивительную особенность ее движения. Ван де Камп доказал, что "траектория" летящей звезды Барнарда волнообразная. Это могло быть только в случае, если у звезды есть спутник или спутники, то есть вокруг нее вращается одна или несколько планет (точнее, они вместе вращаются вокруг общего центра тяжести).
Предварительные вычисления показали, что масса спутника "летящей звезды" в 1,5 раза больше массы Юпитера. Последующие, более точные измерения позволили установить, что у этой звезды три спутника. Их массы равны соответственно 1,26; 0,63 и 0,89 массы Юпитера, а расстояние от звезды 4,5; 2,9 и 1,8 астрономической единицы (1 астрономическая единица равна расстоянию от Солнца до Земли).
Таким образом, после блистательного открытия Ван де Кампа множественность планетных систем во Вселенной вряд ли можно поставить под сомнение.
Глава IV
НАЧАЛИСЬ СИНТЕЗЫ
Что же происходило с органическими молекулами в период образования планет и как светимость протосолнца влияла на процессы образованияиорганических соединений?
Начнем опять с первичной туманности, из которой родились Солнце и планеты. Она состояла из смеси газа и пыли: частичек силикатов, графита, льдов. Органические молекулы с самого начала, еще до разогрева туманности, присутствовали в ней и в газовой фазе, и на поверхности пылинок. Что это за молекулы и как они образовались?
Сейчас известно около 40 типов простых органических молекул, обнаруженных в газопылевых облаках. Для нас наибольший интерес представляют два соединения: сильнейший яд синильная кислота (цианистый водород) и формальдегид, простая молекула, состоящая из атома углерода, атома кислорода и двух атомов водорода.
Все дело в том, что это, как говорят химики, "ключевые" молекулы для синтеза более сложных соединений.
Например, в химии хорошо известен так называемый синтез Штрекера, когда в водно-аммиачном растворе синильной кислоты и формальдегида просто при легком подогреве смеси образуются аминокислоты. Аминокислоты - основные блоки для создания белковой молекулы. Если подогреть водно-аммиачный раствор синильной кислоты, получается аденин - молекула, без которой невозможно построить ДНК - знаменитую двойную спираль Уотсона - Крика. Американский химик испанского происхождения X. Оро, которому впервые удалось получить аденин из цианистого водорода, показал, что занятия предбиологической химией могут дать хороший промышленный выход. Сейчас метод Оро очень широко применяется для промышленного производства аденина, молекулы, состоящей из 5 молекул синильной кислоты.
Формальдегид очень важен для образования простых Сахаров, без которых, в свою очередь, невозможно получить нуклеиновые кислоты.
Реакции усложнения и превращения формальдегида и синильной кислоты идут не только в растворах. Они могли проходить и в нашей туманности, главным образом на поверхности кристаллов льда. Конечно, скорости этих реакций были в сотни тысяч раз меньше, чем при комнатных температурах. Да и концентрации исходных веществ (формальдегида и синильной кислоты) очень малы. Поэтому появления особенно сложных молекул в туманности вряд ли можно ожидать.
Ну а как же образовались "ключевые" соединения (их еще называют предшественниками)?
Дело в том, что туманность не изолирована от воздействия различных космических факторов. Предположим, что на расстоянии многих световых лет от туманности вспыхнула сверхновая звезда. И мощный поток ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-квантов устремился к туманности. Этот поток и стал тем стимулирующим фактором, который помог образоваться нашим предшественникам из смеси простых газов.
В самой туманности мы не вправе ожидать появления сложных молекул. Максимум, на что можно было бы рассчитывать, - на присутствие простейших аминокислот или же, например, аденина. Но, к сожалению, ни то, ни другое в газопылевых облаках не обнаружено.
Посмотрим теперь, что происходило на последующих этапах истории туманности. Мы помним, что при сжатии туманность прошла высокотемпературную стадию, причем в центральных частях диска температуры были очень высоки. На расстоянии от Земли до Солнца они достигали 2 тысяч градусов. Совершенно ясно, что никаким органическим молекулам не выдержать такой температуры. Но впоследствии, когда образовалось и стабилизировалось Солнце, туманность начала остывать. По времени это совпало с началом образования планет.
Основным газом в туманности был водород. Присутствовали также окись и двуокись углерода, азот и некоторое количество метана. Под воздействием ультрафиолетового излучения молодого Солнца снова начали образовываться предшественники - формальдегид и синильная кислота - и более сложные соединения: аминокислоты, основания нуклеиновых кислот.
"Отпечатки" этих процессов мы находим сегодня в древнейших метеоритах углистых хондритах, возраст которых составляет 4,5-4,6 миллиарда лет, что как раз равно возрасту солнечной системы. Но нужно обязательно подчеркнуть, что и в углистых хондритах нет сложных, абсолютно необходимых для жизни соединений: белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот. Есть только их составные части. Вдобавок эти составные части, например аминокислоты, намертво "запечатаны" в неорганическую матрицу метеорита.
Напомним, что на заключительных стадиях образования Земли на зародыш падали крупные тела с линейными размерами в несколько километров. Скорости соударения были порядка десяти километров в секунду.
Следы таких ударов сохранились не только на Луне и Марсе, но и на поверхности нашей Земли. Знаменитый Аризонский кратер в Америке, кольцевые структуры на Украине - это следы чудовищных ударов, по сравнению с которыми взрыв атомной бомбы - сущий пустяк.
При таких ударах почти все вещество метеорита превращалось в плазму. При остывании этой плазмы могли образовываться органические молекулы.
Выходит, синтез и распад органических молекул происходил на всех этапах развития прототуманности. И когда сформировались планеты, природе нужно было заново строить соединения углерода уже на поверхности молодой Земли. 4,5 миллиарда лет назад на нашей планете началась эра добиологической эволюции.
Посмотрим, что представляла собой молодая Земля.
Жизни на Земле в то время не существовало. Это основное наше предположение. А что же было? Была твердая поверхность Земли - кора, была атмосфера, гидросфера и, самое главное, было Солнце с его мощным ультрафиолетовым излучением. Солнце - генератор энергии, которая стимулировала большинство химических реакций в атмосфере Земли.
Очевидность этого обстоятельства дала толчок для проведения огромного количества экспериментов по синтезам органических молекул под воздействием ультрафиолетового излучения в газовых смесях, предположительно моделирующих по своему составу первичную атмосферу Земли. Многие ученые считают, что 4,5 миллиарда лет назад она (атмосфера) состояла из водорода, метана и аммиака. Кислород появился позже за счет процессов фотосинтеза, то есть когда на Земле возникла жизнь.
Вот это и стало находкой для химиков-органиков.
Советские биохимики А. Пасынский и Т. Павловская, американские ученые С. Фокс, X. Оро, С. Поннамперума, К. Саган, М. Кальвин и многие другие проделали классические эксперименты по синтезу аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, Сахаров и многих других биологигически важных молекул. Все авторы использовали в качестве исходных соединений водород, метан, аммиак, пары воды.
Здесь стоит сказать о том, что результаты этих экспериментов на многие годы загипнотизировали геохимиков и планетологов. Именно в результатах, полученных специалистами по предбиологической химии, геохимики и планетологи видели доказательство тому, что на ранних этапах развития Земля обладала бескислородной атмосферой. Ведь кислород настолько активный окислитель, что в его присутствии синтезы органических соединений не происходят. Если, например, в реакционную смесь, содержащую водород и другие компоненты, необходимые для получения углеродсодержащих молекул (метан), добавить кислород и подвести необходимую энергию, то вместо того, чтобы занять свое "законное" место в органической молекуле, водород сразу же вступит с кислородом в реакцию образования воды.
Логика планетологов была такова. Раз жизнь на Земле возникла, атмосфера должна была содержать водород, метан и аммиак. Был океан, значит, были в атмосфере и пары воды.
Ну а дальше специалисты по предбиологической химии как будто бы все объяснили. Было ультрафиолетовое излучение Солнца, были грозы, а значит, и электри ческие разряды, было тепло от вулканов. Короче говоря в источниках энергии недостатка не ощущалось. И в системе "атмосфера - океан" варился знаменитый питательный бульон, из которого впоследствии произошли первые живые организмы. Еще в 1964 году американский астрофизик К- Саган произвел несложный расчет, в результате которого получил ошеломляющую цифру.
На каждом квадратном сантиметре поверхности Земли за миллиард лет могло накопиться за счет химических реакций до сотен килограммов амино- и органических кислот. Что и говорить, для возникновения жизни условия более чем благоприятные.
Но дело обстоит совсем не так просто, как это представлял себе Саган. За последние годы опубликованы новые работы об эволюции атмосфер планет земной группы, и эти исследования показывают, что ранняя атмосфера Земли, как минимум, не была восстановительной (водородсодержащей). Более того, атмосфера ранней Земли без всякого участия живых систем, за счет чисто фотохимических процессов очень быстро стала окислительной, то есть в ней появился свободный кислород. А в подобной атмосфере образование органических соединений невозможно.