Что же тогда получается? Заколдованный круг?
Но ведь жизнь-то на Земле возникла. А еще раньше появились молекулы, необходимые для построения живых систем. Кстати говоря, слабость оценок Сагана заключается не только в том, что он в качестве исходной посылки брал восстановительную атмосферу.
Вопросы, которые мы сейчас хотим обсудить, очень важны. Давайте по порядку.
Возьмем кусок древнего базальта или гранита. Истолчем его в ступке, нагреем и с помощью какого-нибудь чувствительного прибора будем анализировать выделяющиеся газы. Мы увидим-, что главный компонент газовой фазы - пары воды, углекислота и азот. Водород и метан находятся в следовых количествах. Аммиака нет вообще. Кстати говоря, он отсутствует и в метеоритах.
В какой-то мере состав газовой фазы, которую мы исследовали, отражает состав древней атмосферы.
Специалисты по предбиологической химии долгое время забывали об одной простой вещи, хорошо известной астрофизикам. Водород очень легкий газ, он просто улетает с Земли, не задерживаясь в ее атмосфере. Специалисты по планетным атмосферам имеют в своем распоряжении надежные оценки, свидетельствующие о том, что "время жизни" водорода в атмосфере Земли всего 10 лет. Сравните это время с геологическим, когда и миллион лет весьма непродолжительный промежуток.
Итак, водорода практически не было, метана - следы. Что же остается? Остается океан, углекислота и азот. Можно ли получить что-нибудь важное для предбиологической химии в подобной атмосфере? Вряд ли.
И вот почему. Светимость Солнца 4,5 миллиарда лет назад была ниже, чем сегодня. На сколько? Разные авторы дают различные оценки - от 20 до 60 процентов.
Но даже если взять минимальную цифру - 20 процентов, это приводит к поразительным результатам. Земля получала так мало солнечного тепла, что на ее поверхности должны были царить отрицательные температуры.
Правда, тепло шло от горячих пятен - вулканических районов. Но этот тепловой поток был слаб и не мог подогреть всю поверхность планеты.
Палеогеологические данные неопровержимо свидетельствуют, что жизнь на Земле 3,5 миллиарда лет назад уже была. Но жизнь во льду, а точнее, без жидкой воды зародиться не может.
По-видимому, первыми это серьезное противоречие заметили американцы К. Саган и Д. Муллен. Они же предложили объяснение: будто бы очень небольшие примеси аммиака в атмосфере могли дать так называемый парниковый эффект, который поддерживал температуру поверхности нашей планеты выше точки таяния льда.
Итак, мы снова встретились с этим термином, и теперь нам нужно разобраться, что же это такое.
Парник в обычном понимании этого слова знаком каждому. Так вот, аналог парника, но уже в планетарном масштабе, мы имеем и на Земле и на Венере, Что он собой представляет?
На поверхность планеты падает излучение Солнца, причем большая часть энергии приходится на ту область длин волн, которая соответствует температуре внешней части нашего Солнца - около 6 тысяч градусов Цельсия. Другими словами, львиную долю солнечной энергии Земля получает в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Отдает же, переизлучает энергию в пространство наша планета в инфракрасной области спектра, так как температура Земли гораздо ниже температуры Солнца. Но если атмосфера задерживает очень незначительную часть падающего прямого солнечного излучения, то излучение, уходящее от планеты в космическое пространство, задерживается гораздо сильнее, особенно если в атмосфере есть пары воды, углекислота, аммиак. Поэтому температура атмосферы и соответственно поверхности повышается: получается парник.
Парник может стать необратимым. Представим себе, что мы немного повысим температуру планеты. Сразу же возрастет содержание водяного пара. Увеличение концентрации паров воды в атмосфере приведет к дальнейшему повышению температуры за счет парникового эффекта и так далее. По-видимому, такой случай мы имеем на Венере.
Сразу же возникает вопрос, почему это не происходит сейчас на Земле? Да потому, что когда возрастает содержание водяного пара в атмосфере и повышается температура, то увеличивается площадь облачного покрова и в Космос отражается больше солнечного излучения.
Но все-таки что же было на древней Земле?
Мы уже знаем, что аргументированных доводов о присутствии аммиака в древнейшей атмосфере Земли нет.
К тому же время жизни аммиака (даже в количествах, эквивалентных атмосферному азоту) очень мало, примерно 10 тысяч лет, из-за неизбежного разложения-аммиака под действием света (фотодиссоциация). Более того, согласно расчетам советского геофизика Э. Бютнер одновременно с образованием зеркала воды из-за фотодиссоциации водяного пара в атмосфере Земли могло накопиться изрядное количество кислорода: всего за 30 миллионов лет его содержание в атмосфере могло достичь 20 процентов сегодняшнего. А в присутствии свободного кислорода постоянная концентрация аммиака неминуемо будет исчезающе мала: он легко окисляется.
Значит, аммиак ни при чем. Надо искать новый путь для решения противоречия, указанного Саганом и Мулленом. То есть нужно объяснить, почему на поверхности Земли были плюсовые температуры, хотя Солнце грело заметно слабее, чем сейчас.
Принято думать, что атмосфера и гидросфера Земли обязаны своим рождением выделению летучих компонентов из мантии. Сторонники модели катастрофической дегазации полагают, что основная масса атмосферы выплеснулась из недр Земли за сравнительно небольшое время - около 500 миллионов лет. По модели равномерной дегазации, наоборот, отделение летучих компонентов мантии с незначительными колебаниями идет в течение всей истории Земли. Для наших дальнейших рассуждений нет принципиальной разницы между этими двумя моделями, и поэтому будем рассматривать модель равномерной дегазации.
Сначала обратим внимание на тот примечательный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяются вода и углекислый газ.
Об этом свидетельствует множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах - базальтах. По оценкам разных автоторов отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу - от 4 : 1 до 10 : 1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, благодаря которому на планете появился океан, хотя Солнце грело плохо.
Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).
Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной или Меркурием можно принять за 0,1.
И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33 градуса ниже нуля по Цельсию.
Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра - основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он своим парниковым эффектом начал подогрев. С ростом концентрации СО2 в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась, и льды начали таять.
Можно подсчитать, сколько СО2 должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до О градусов Цельсия. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан профессором В. Морозом. Такой расчет непрост, точной цифры не получишь. Потому в конце концов был найден верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.
Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.
Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.
Что же происходит дальше? Вот что. При выделении из мантии 1013 граммов углекислоты в год (полагают, что именно так и было) такое значение давления будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу: растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов...
Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывает снег и лед. Вст мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.
Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан...
Правда, мы не учли весьма важное обстоятельство: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.
Нижняя возможная граница атмосферного содержания СО2 в цикле оценена нами в 1,5-Ю21 грамма. Самое неопределенное в уравнении этого баланса время жизни молекулы СО2 в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И свои расчеты мы строили на этом щедром допущении.
Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.
Важным геохимическим следствием гипотезы должен быть резко отличный от нынешнего процесс образования карбонатов. При высоком содержании СО2 в атмосфере и соответственно более низких значений рН воды главной формой карбонатных осадков должен быть доломит - карбонат магния, потому что он гораздо хуже кальцита растворяется в воде, насыщенной углекислым газом. Но все-таки растворимость карбонатов в таких условиях на порядок выше, чем при нынешнем рН и парциальном давлении двуокиси углерода. Возможно, именно этим объясняется скромное количество карбонатных осадков в докембрии.
И вот главное следствие. Плотная атмосфера из углекислого газа на примитивной Земле не могла создать условия для предбиологической эволюции, для накопления в океане заметных количеств органических молекул, ведь для синтезов органики необходим водород, метан, аммиак. К тому же увеличение содержания кислорода в атмосфере, начавшееся вместе с образованием зеркала воды, подавляло синтезы органических соединений, поскольку, как мы уже говорили, они (синтезы) не идут в окислительной среде. Очевидно, что в подобных условиях трудно, а скорее всего и невозможно ожидать накопления на поверхности Земли столь больших количеств органики, о которых писал Саган.
Но есть еще одно дополнительное обстоятельство, на которое ученые обратили внимание сравнительно недавно.
Даже если бы под воздействием различных источников энергии в атмосфере Земли и могли образовываться сложные биомолекулы, они с большой эффективностью разрушались бы ультрафиолетовым излучением Солнца.
Единственное спасительное убежище для синтезированных молекул - глубины океана. Но проведенные многими учеными, и в том числе автором этой книги, строгие расчеты показали, что ничтожная часть органических молекул достигнет поверхности океана. Как метко сказал крупнейший американский геохимик Ф. Абельсон, питательный бульон должен был быть очень "тощим".
А если бульон "тощий", то и дальнейшие реакции усложнения, образования больших молекул должны происходить медленно и с невысокой вероятностью.
Чисто интуитивно многие исследователи понимали, что трудно получить значительные концентрации предшественников биомолекул во всей массе Мирового океана. Знаменитый английский физик и философ Д. Бернал давно указывал на так называемые субвитальные территории, где во время приливов и отливов, во время высыхания озер и больших луж могло происходить накопчение предшественников органических соединений.
Но Бернал предполагал так же, как многие другие, что атмосфера была восстановительной, а мы с вами убедились, что это отнюдь не очевидный факт.
Таким образом, налицо противоречие между основными предпосылками предбиологической химии и реальными данными современной эволюционной планетологии.
Но главнее, что жизнь на Земле существует 3,5 миллиарда лет, а значит, вопреки всему вышесказанному обязательно шло образование и накопление органических молекул. Разрешить возникшие противоречия и попытался около 10 лет назад автор этой книги.
Глава V
ВУЛКАНЫ-РАЗРУШИТЕЛИ,
ВУЛКАНЫ-СОЗИДАТЕЛИ
Все началось с того, что в 1971 году в холле Института космических исследований ко мне подошел Н. Кардашев и сказал:
"В следующем году в Армении будет очень интересная международная конференция по связи с внеземными цивилизациями. Хочешь поехать?"
"Конечно, хочу", - ответил я, не сомневаясь ни секунды и не задумываясь о том, какое отношение имею к внеземным цивилизациям.
"Ну тогда поговори с "доктором". Нужны новые идеи", - добавил Кардашев многозначительно.
Я в то время занимался программой поисков жизни на Марсе и очень интересовался, в порядке хобби, проблемой происхождения жизни и добиологической химией.
Уже тогда мне было ясно, что проблема безумно сложная, с новыми идеями туго, но к "доктору" все-таки пошел (уж очень хотелось поехать в Армению). Нужно сказать, что "доктор", замечательный астрофизик, член-корреспондент Академии наук СССР И, Шкловский, один из организаторов конференции, с нескрываемым пренебрежением относился к проблеме происхождения жизни.
"Вот что, - сказал он мне, - нужно что-нибудь новенькое, что-нибудь эдакое. - И рука "доктора" описала в пространстве сложную директивную фигуру. - Если будет, поедете", - поощрительно сообщил он.
Получив столь определенные указания, я засел за литературу и через два месяца явился к "доктору" с новой идеей.
"Пойдет", - заявил он с присущей ему категоричностью и вручил мне список участников и программу.
Взглянув на эти бумаги, я обомлел: в Армению ехала элита мировой науки.
По счастью, мое короткое сообщение в Бюракане было принято весьма благосклонно, и именно после этой конференции я начал самым серьезным образом работать в области предбиологической эволюции.
В чем же заключалась идея, давшая мне возможность обсуждать проблему происхождения жизни с Ф. Криком и Л. Оргелом?
В большинстве прежних экспериментов исследовались процессы, происходящие в атмосфере, - грозы, взаимодействие с газами ультрафиолетового излучения, ударные волны и т. д. В таблице источников энергии, которая обязательно присутствует в любой книге по происхождению жизни, тепловая энергия Земли стоит на последнем месте. Действительно, каждый год один квадратный сантйГметр поверхности Земли получает от Солнца энергию в количестве 260 тысяч калорий. Электрические разряды дают около 4 калорий, а вулканы всего 0,1 калории на квадратный сантиметр. Именно поэтому вулканическому теплу придавалось небольшое значение в экспериментах по предбиологической эволюции.
Но ведь электрические разряды и тем более ультрафиолетовое излучение Солнца - явления, распределенные по всей поверхности Земли и всей массе ее атмосферы. Вулканы же - явление строго локальное, и здесь заключалась первая неточность, которую мне удалось обнаружить.
Американский биохимик С. Фокс провел около 20 лет назад любопытные эксперименты по воздействию вулканического тепла на метано-аммиачную атмосферу. В результате своих опытов он получил широкий набор природных аминокислот. Однако можно с уверенностью сказать, что реакционная смесь газов, которую использовал Фокс в своих лабораторных установках, ни в коей мере не соответствовала атмосферным условиям на ранней, или, как еще принято говорить, примитивной Земле.
Необходимо обратить внимание на еще один важный факт. Фокс использовал вулканы только как источник тепловой энергии для синтеза аминокислот. Но ведь вулканы генерируют колоссальное количество газа и твердого материала.
А если рассмотреть подводное извержение? Может быть, там условия для образования биомолекул еще выгоднее. Ведь вокруг вода, и синтезированные молекулы, перенесенные в зону пониженной температуры, будут сохраняться, "закаливаться", как говорят металлурги.
Вулканов много, "живут" они долго, проявления вулканической деятельности весьма разнообразны. А самое главное, в составе вулканических газов встречаются все необходимые для синтеза органических соединений компоненты: метан, аммиак, водород, окись углерода, вода, фосфор, сера и т. д. Вкратце в этом и состояла новая идея, которая впоследствии была подкреплена обширным экспериментальным материалом.
Тут, конечно, сразу же возникает очень много вопросов, и первый из них состоит в следующем. Чуть раньше говорилось, что в атмосфере Земли не было ни аммиака, ни водорода, ни метана, сейчас же утверждается, что вулканы при извержении выбрасывают в атмосферу все эти газы. Кроме того, все равно надо решать вопрос, сможет ли вулкан "наработать" достаточное количество органики. Чтобы ответить на эти вопросы, придется поближе познакомиться с вулканами и вулканизмом.
"Ничто в природе не вызывает такого интереса и не возбуждает такого ужаса, как крупные вулканические извержения. И нет ничего, что вызывало бы такое суеверное уважение или такое эстетическое наслаждение, как вулканы", - пишет известный американский геолог, в свое время он был президентом Международной ассоциации по вулканизму и химии недр Земли, Г. Макдональд.
Что же такое вулкан? Это место на поверхности Земли, где раскаленные газы и породы поступают из земные недр наружу. Как правило, это холм или гора, образо ванные изверженными породами.
Еще в глубокой древности извержения вулканов повергали человека в ужас. Легенды различных народов донесли до нашего времени сведения о минувших вулканических извержениях.
Индейцы штата Орегон рассказывают о столкновении доброго бога снега со злым богом огня, обитавшим на высокой горе Мезама. В результате борьбы, окончившейся победой добра, верхушка горы была разрушена, и на ее месте образовалось озеро, которое сейчас называется озером Крейге. Что несет в себе эта аллегория?
Описание извержения? По всей видимости, да.
Среди полинезийцев очень популярна была богиня вулканов Пеле, способная появляться перед людьми в различных обличьях. Однажды молодой вождь спускался с холма на санях с костяными полозьями (полинезийцы не знали колеса). Старая женщина, встретившаяся на его пути, попросила одолжить ей сани и получила грубый отказ. Вождь был бы, наверное, более осмотрителен, если бы знал, что встретился с богиней вулканов.
Пеле в ярости топнула ногой. Немедленно Земля разверзлась, и раскаленные камни полетели вверх. Вождь, спасая свою жизнь, бросился к морю, а Пеле кидала ему вслед обломки горячей лавы. Даже в наши дни можно получить "подтверждение" этой истории, так как на побережье острова Гавайи действительно есть холм, на склоне которого виден длинный ряд небольших конусов, сложенных из камней, которые разъяренная Пеле бросала вслед невоспитанному вождю.
Древние греки связывали деятельность вулканов с работой бога - кузнеца Гефеста, кузница которого располагалась под одним из вулканов острова Санторие.
В первом веке до нашей эры римский поэт Вергилий приписал причину извержения Этны телодвижениям титана Энцелада, который был ввергнут в недра горы Юпитером.
По-видимому, первым предложил наиболее правдоподобное объяснение вулканизма Платон, связав это явление с полостями и каналами внутри Земли. Под поверхностью Земли, утверждал он, есть огромная огненная река Пирифлегетон, из которой наружу через вулканические каналы изливаются огненные струи.
Греческий географ и путешественник Страбон, живший во II веке до нашей эры, описал извержение вулкана в Средиземном море. В результате этого извержения возник новый остров. Страбон высказал очень интересную мысль о том, что вулканы - своего рода клапаны, через которые выделяются подземные газы, и чем чаще мелкие извержения, тем меньше вероятность крупных.
Это положение остается в силе и сегодня.
В I веке нашей эры Сенека выдвинул положение о том, что извержения связаны с подземными резервуарами, содержащими расплавленное вещество, точка зрения, абсолютно совпадающая с положениями современной вулканологии. Современник Сенеки, Плиний Старший оставил потомству уникальные описания извержений. Сам он погиб в 79 году нашей эры во время катастрофического извержения Везувия, названного впоследствии в его честь плинианским. Все исторические справки об этом знаменитом извержении составлены племянником Плиния Старшего Плинием Младшим в письмах к Тациту.
Средние века можно считать шагом назад в познании вулканических процессов, так как в соответствии с наиболее распространенной точкой зрения вулканы были воротами в ад, а звуки, которые издавал вулкан, стонами грешников.
Первое по-настоящему научное описание вулканической деятельности было составлено английским послом при дворе Наполеона сэром У. Гамильтоном. Его письма президенту Королевского общества в Лондоне, в которых рассказывается о Везувии и его извержении, были опубликованы с богатыми иллюстрациями в 1774 году.
Вулканические извержения различаются по характеру и по масштабу. Наиболее опасными считаются взрывные извержения, сопровождающиеся так называемой палящей тучей, хотя, конечно, и другие приносят зачастую немало бед.
Трудно вообразить, какие чудовищные силы вырываются наружу при крупных извержениях. История знает немало трагических событий, связанных с вулканами.
В 1902 году в городе Сен-Пьер, расположенном на острове Мартиника (Малые Антильские острова), жители готовились к выборам. Сен-Пьер, маленький портовый город с населением немногим более 30 тысяч человек, находился у подножия вулкана Мон-Пеле, и всего около шести километров отделяло побережье от кратера.
Последний раз вулкан проявил активность в 1851 году. Прошло полстолетия, и город забыл об этом. Тем более что предыдущие извержения не причинили большого ущерба. Жители нередко поднимались к вершине Мон-Пеле и любовались видом океана и их родного острова.
В середине апреля 1902 года над вершиной вулкана появилось темное облако дыма. Глухие подземные раскаты слышались все чаще. Интенсивность их усиливалась. Моряки, заходившие в порт, рассказывали о появлении в районе острова глубинных волн. Вулкан начал извергать пепел. Первыми, как обычно, стали проявлять беспокойство животные, но население острова не придало значения грозным симптомам.
Пятого мая с вершины вулкана, из озера, находившегося в кратере, ринулся поток горячей грязи, уничтоживший сахарный завод вместе с 30 рабочими. Необходимо было предпринимать экстренные меры по эвакуации населения города. Вместо этого губернатор острова с женой прибыл в Сен-Пьер, чтобы успокоить жителей и заверить их, что для паники нет никаких оснований. В течение двух последующих дней интенсивность выбросов пепла из кратера увеличивалась и достигла нескольких тысяч кубических метров в секунду. Затем наступило относительное затишье.
Однако в ночь с 7 на 8 мая вулкан заработал с новой силой. Люди в страхе бежали к причалам, и с наступлением зари почти все 30-тысячное население города оказалось на берегу океана. В 7 часов 50 минут раздался чудовищной силы взрыв. Огромная черная туча поднялась на многие километры вверх, а раскаленная лавина, состоящая из горячих газов, пепла, кусков лавы, устремилась на город. Скорость ее превышала скорость современных курьерских поездов.
Не прошло,и двух минут, как туча ворвалась в город.
Трехтонная статуя была на 12 метров отброшена с постамента. Деревья вырваны с корнем, шестидюймовые пушки сдвинуты с лафетов. Каменные стены толщиной более метра рухнули под натиском чудовищной лавины, обломки стен были разбросаны на десятки метров.
Из 20 судов, стоявших на рейде, уцелело только два грузовых корабля "Роддам" и "Рораима". Остальные были перевернуты страшной тучей и сгорели.
А что же люди? В течение нескольких секунд перестал существовать не только город Сен-Пьер. Его жители погибли в палящем облаке, которое, двигаясь по направлению к океану, сначала сожгло людей, а затем сбросило в воду их обугленные трупы. Различные источники по-разному свидетельствуют о числе людей, оставшихся в живых в Сен-Пьере. Согласно наиболее популярной версии уцелел лишь старый негр, находившийся во время катастрофы в глубоком тюремном подвале.
Но ведь жизнь-то на Земле возникла. А еще раньше появились молекулы, необходимые для построения живых систем. Кстати говоря, слабость оценок Сагана заключается не только в том, что он в качестве исходной посылки брал восстановительную атмосферу.
Вопросы, которые мы сейчас хотим обсудить, очень важны. Давайте по порядку.
Возьмем кусок древнего базальта или гранита. Истолчем его в ступке, нагреем и с помощью какого-нибудь чувствительного прибора будем анализировать выделяющиеся газы. Мы увидим-, что главный компонент газовой фазы - пары воды, углекислота и азот. Водород и метан находятся в следовых количествах. Аммиака нет вообще. Кстати говоря, он отсутствует и в метеоритах.
В какой-то мере состав газовой фазы, которую мы исследовали, отражает состав древней атмосферы.
Специалисты по предбиологической химии долгое время забывали об одной простой вещи, хорошо известной астрофизикам. Водород очень легкий газ, он просто улетает с Земли, не задерживаясь в ее атмосфере. Специалисты по планетным атмосферам имеют в своем распоряжении надежные оценки, свидетельствующие о том, что "время жизни" водорода в атмосфере Земли всего 10 лет. Сравните это время с геологическим, когда и миллион лет весьма непродолжительный промежуток.
Итак, водорода практически не было, метана - следы. Что же остается? Остается океан, углекислота и азот. Можно ли получить что-нибудь важное для предбиологической химии в подобной атмосфере? Вряд ли.
И вот почему. Светимость Солнца 4,5 миллиарда лет назад была ниже, чем сегодня. На сколько? Разные авторы дают различные оценки - от 20 до 60 процентов.
Но даже если взять минимальную цифру - 20 процентов, это приводит к поразительным результатам. Земля получала так мало солнечного тепла, что на ее поверхности должны были царить отрицательные температуры.
Правда, тепло шло от горячих пятен - вулканических районов. Но этот тепловой поток был слаб и не мог подогреть всю поверхность планеты.
Палеогеологические данные неопровержимо свидетельствуют, что жизнь на Земле 3,5 миллиарда лет назад уже была. Но жизнь во льду, а точнее, без жидкой воды зародиться не может.
По-видимому, первыми это серьезное противоречие заметили американцы К. Саган и Д. Муллен. Они же предложили объяснение: будто бы очень небольшие примеси аммиака в атмосфере могли дать так называемый парниковый эффект, который поддерживал температуру поверхности нашей планеты выше точки таяния льда.
Итак, мы снова встретились с этим термином, и теперь нам нужно разобраться, что же это такое.
Парник в обычном понимании этого слова знаком каждому. Так вот, аналог парника, но уже в планетарном масштабе, мы имеем и на Земле и на Венере, Что он собой представляет?
На поверхность планеты падает излучение Солнца, причем большая часть энергии приходится на ту область длин волн, которая соответствует температуре внешней части нашего Солнца - около 6 тысяч градусов Цельсия. Другими словами, львиную долю солнечной энергии Земля получает в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Отдает же, переизлучает энергию в пространство наша планета в инфракрасной области спектра, так как температура Земли гораздо ниже температуры Солнца. Но если атмосфера задерживает очень незначительную часть падающего прямого солнечного излучения, то излучение, уходящее от планеты в космическое пространство, задерживается гораздо сильнее, особенно если в атмосфере есть пары воды, углекислота, аммиак. Поэтому температура атмосферы и соответственно поверхности повышается: получается парник.
Парник может стать необратимым. Представим себе, что мы немного повысим температуру планеты. Сразу же возрастет содержание водяного пара. Увеличение концентрации паров воды в атмосфере приведет к дальнейшему повышению температуры за счет парникового эффекта и так далее. По-видимому, такой случай мы имеем на Венере.
Сразу же возникает вопрос, почему это не происходит сейчас на Земле? Да потому, что когда возрастает содержание водяного пара в атмосфере и повышается температура, то увеличивается площадь облачного покрова и в Космос отражается больше солнечного излучения.
Но все-таки что же было на древней Земле?
Мы уже знаем, что аргументированных доводов о присутствии аммиака в древнейшей атмосфере Земли нет.
К тому же время жизни аммиака (даже в количествах, эквивалентных атмосферному азоту) очень мало, примерно 10 тысяч лет, из-за неизбежного разложения-аммиака под действием света (фотодиссоциация). Более того, согласно расчетам советского геофизика Э. Бютнер одновременно с образованием зеркала воды из-за фотодиссоциации водяного пара в атмосфере Земли могло накопиться изрядное количество кислорода: всего за 30 миллионов лет его содержание в атмосфере могло достичь 20 процентов сегодняшнего. А в присутствии свободного кислорода постоянная концентрация аммиака неминуемо будет исчезающе мала: он легко окисляется.
Значит, аммиак ни при чем. Надо искать новый путь для решения противоречия, указанного Саганом и Мулленом. То есть нужно объяснить, почему на поверхности Земли были плюсовые температуры, хотя Солнце грело заметно слабее, чем сейчас.
Принято думать, что атмосфера и гидросфера Земли обязаны своим рождением выделению летучих компонентов из мантии. Сторонники модели катастрофической дегазации полагают, что основная масса атмосферы выплеснулась из недр Земли за сравнительно небольшое время - около 500 миллионов лет. По модели равномерной дегазации, наоборот, отделение летучих компонентов мантии с незначительными колебаниями идет в течение всей истории Земли. Для наших дальнейших рассуждений нет принципиальной разницы между этими двумя моделями, и поэтому будем рассматривать модель равномерной дегазации.
Сначала обратим внимание на тот примечательный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяются вода и углекислый газ.
Об этом свидетельствует множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах - базальтах. По оценкам разных автоторов отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу - от 4 : 1 до 10 : 1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, благодаря которому на планете появился океан, хотя Солнце грело плохо.
Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).
Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной или Меркурием можно принять за 0,1.
И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33 градуса ниже нуля по Цельсию.
Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра - основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он своим парниковым эффектом начал подогрев. С ростом концентрации СО2 в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась, и льды начали таять.
Можно подсчитать, сколько СО2 должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до О градусов Цельсия. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан профессором В. Морозом. Такой расчет непрост, точной цифры не получишь. Потому в конце концов был найден верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.
Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.
Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.
Что же происходит дальше? Вот что. При выделении из мантии 1013 граммов углекислоты в год (полагают, что именно так и было) такое значение давления будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу: растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов...
Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывает снег и лед. Вст мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.
Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан...
Правда, мы не учли весьма важное обстоятельство: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.
Нижняя возможная граница атмосферного содержания СО2 в цикле оценена нами в 1,5-Ю21 грамма. Самое неопределенное в уравнении этого баланса время жизни молекулы СО2 в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И свои расчеты мы строили на этом щедром допущении.
Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.
Важным геохимическим следствием гипотезы должен быть резко отличный от нынешнего процесс образования карбонатов. При высоком содержании СО2 в атмосфере и соответственно более низких значений рН воды главной формой карбонатных осадков должен быть доломит - карбонат магния, потому что он гораздо хуже кальцита растворяется в воде, насыщенной углекислым газом. Но все-таки растворимость карбонатов в таких условиях на порядок выше, чем при нынешнем рН и парциальном давлении двуокиси углерода. Возможно, именно этим объясняется скромное количество карбонатных осадков в докембрии.
И вот главное следствие. Плотная атмосфера из углекислого газа на примитивной Земле не могла создать условия для предбиологической эволюции, для накопления в океане заметных количеств органических молекул, ведь для синтезов органики необходим водород, метан, аммиак. К тому же увеличение содержания кислорода в атмосфере, начавшееся вместе с образованием зеркала воды, подавляло синтезы органических соединений, поскольку, как мы уже говорили, они (синтезы) не идут в окислительной среде. Очевидно, что в подобных условиях трудно, а скорее всего и невозможно ожидать накопления на поверхности Земли столь больших количеств органики, о которых писал Саган.
Но есть еще одно дополнительное обстоятельство, на которое ученые обратили внимание сравнительно недавно.
Даже если бы под воздействием различных источников энергии в атмосфере Земли и могли образовываться сложные биомолекулы, они с большой эффективностью разрушались бы ультрафиолетовым излучением Солнца.
Единственное спасительное убежище для синтезированных молекул - глубины океана. Но проведенные многими учеными, и в том числе автором этой книги, строгие расчеты показали, что ничтожная часть органических молекул достигнет поверхности океана. Как метко сказал крупнейший американский геохимик Ф. Абельсон, питательный бульон должен был быть очень "тощим".
А если бульон "тощий", то и дальнейшие реакции усложнения, образования больших молекул должны происходить медленно и с невысокой вероятностью.
Чисто интуитивно многие исследователи понимали, что трудно получить значительные концентрации предшественников биомолекул во всей массе Мирового океана. Знаменитый английский физик и философ Д. Бернал давно указывал на так называемые субвитальные территории, где во время приливов и отливов, во время высыхания озер и больших луж могло происходить накопчение предшественников органических соединений.
Но Бернал предполагал так же, как многие другие, что атмосфера была восстановительной, а мы с вами убедились, что это отнюдь не очевидный факт.
Таким образом, налицо противоречие между основными предпосылками предбиологической химии и реальными данными современной эволюционной планетологии.
Но главнее, что жизнь на Земле существует 3,5 миллиарда лет, а значит, вопреки всему вышесказанному обязательно шло образование и накопление органических молекул. Разрешить возникшие противоречия и попытался около 10 лет назад автор этой книги.
Глава V
ВУЛКАНЫ-РАЗРУШИТЕЛИ,
ВУЛКАНЫ-СОЗИДАТЕЛИ
Все началось с того, что в 1971 году в холле Института космических исследований ко мне подошел Н. Кардашев и сказал:
"В следующем году в Армении будет очень интересная международная конференция по связи с внеземными цивилизациями. Хочешь поехать?"
"Конечно, хочу", - ответил я, не сомневаясь ни секунды и не задумываясь о том, какое отношение имею к внеземным цивилизациям.
"Ну тогда поговори с "доктором". Нужны новые идеи", - добавил Кардашев многозначительно.
Я в то время занимался программой поисков жизни на Марсе и очень интересовался, в порядке хобби, проблемой происхождения жизни и добиологической химией.
Уже тогда мне было ясно, что проблема безумно сложная, с новыми идеями туго, но к "доктору" все-таки пошел (уж очень хотелось поехать в Армению). Нужно сказать, что "доктор", замечательный астрофизик, член-корреспондент Академии наук СССР И, Шкловский, один из организаторов конференции, с нескрываемым пренебрежением относился к проблеме происхождения жизни.
"Вот что, - сказал он мне, - нужно что-нибудь новенькое, что-нибудь эдакое. - И рука "доктора" описала в пространстве сложную директивную фигуру. - Если будет, поедете", - поощрительно сообщил он.
Получив столь определенные указания, я засел за литературу и через два месяца явился к "доктору" с новой идеей.
"Пойдет", - заявил он с присущей ему категоричностью и вручил мне список участников и программу.
Взглянув на эти бумаги, я обомлел: в Армению ехала элита мировой науки.
По счастью, мое короткое сообщение в Бюракане было принято весьма благосклонно, и именно после этой конференции я начал самым серьезным образом работать в области предбиологической эволюции.
В чем же заключалась идея, давшая мне возможность обсуждать проблему происхождения жизни с Ф. Криком и Л. Оргелом?
В большинстве прежних экспериментов исследовались процессы, происходящие в атмосфере, - грозы, взаимодействие с газами ультрафиолетового излучения, ударные волны и т. д. В таблице источников энергии, которая обязательно присутствует в любой книге по происхождению жизни, тепловая энергия Земли стоит на последнем месте. Действительно, каждый год один квадратный сантйГметр поверхности Земли получает от Солнца энергию в количестве 260 тысяч калорий. Электрические разряды дают около 4 калорий, а вулканы всего 0,1 калории на квадратный сантиметр. Именно поэтому вулканическому теплу придавалось небольшое значение в экспериментах по предбиологической эволюции.
Но ведь электрические разряды и тем более ультрафиолетовое излучение Солнца - явления, распределенные по всей поверхности Земли и всей массе ее атмосферы. Вулканы же - явление строго локальное, и здесь заключалась первая неточность, которую мне удалось обнаружить.
Американский биохимик С. Фокс провел около 20 лет назад любопытные эксперименты по воздействию вулканического тепла на метано-аммиачную атмосферу. В результате своих опытов он получил широкий набор природных аминокислот. Однако можно с уверенностью сказать, что реакционная смесь газов, которую использовал Фокс в своих лабораторных установках, ни в коей мере не соответствовала атмосферным условиям на ранней, или, как еще принято говорить, примитивной Земле.
Необходимо обратить внимание на еще один важный факт. Фокс использовал вулканы только как источник тепловой энергии для синтеза аминокислот. Но ведь вулканы генерируют колоссальное количество газа и твердого материала.
А если рассмотреть подводное извержение? Может быть, там условия для образования биомолекул еще выгоднее. Ведь вокруг вода, и синтезированные молекулы, перенесенные в зону пониженной температуры, будут сохраняться, "закаливаться", как говорят металлурги.
Вулканов много, "живут" они долго, проявления вулканической деятельности весьма разнообразны. А самое главное, в составе вулканических газов встречаются все необходимые для синтеза органических соединений компоненты: метан, аммиак, водород, окись углерода, вода, фосфор, сера и т. д. Вкратце в этом и состояла новая идея, которая впоследствии была подкреплена обширным экспериментальным материалом.
Тут, конечно, сразу же возникает очень много вопросов, и первый из них состоит в следующем. Чуть раньше говорилось, что в атмосфере Земли не было ни аммиака, ни водорода, ни метана, сейчас же утверждается, что вулканы при извержении выбрасывают в атмосферу все эти газы. Кроме того, все равно надо решать вопрос, сможет ли вулкан "наработать" достаточное количество органики. Чтобы ответить на эти вопросы, придется поближе познакомиться с вулканами и вулканизмом.
"Ничто в природе не вызывает такого интереса и не возбуждает такого ужаса, как крупные вулканические извержения. И нет ничего, что вызывало бы такое суеверное уважение или такое эстетическое наслаждение, как вулканы", - пишет известный американский геолог, в свое время он был президентом Международной ассоциации по вулканизму и химии недр Земли, Г. Макдональд.
Что же такое вулкан? Это место на поверхности Земли, где раскаленные газы и породы поступают из земные недр наружу. Как правило, это холм или гора, образо ванные изверженными породами.
Еще в глубокой древности извержения вулканов повергали человека в ужас. Легенды различных народов донесли до нашего времени сведения о минувших вулканических извержениях.
Индейцы штата Орегон рассказывают о столкновении доброго бога снега со злым богом огня, обитавшим на высокой горе Мезама. В результате борьбы, окончившейся победой добра, верхушка горы была разрушена, и на ее месте образовалось озеро, которое сейчас называется озером Крейге. Что несет в себе эта аллегория?
Описание извержения? По всей видимости, да.
Среди полинезийцев очень популярна была богиня вулканов Пеле, способная появляться перед людьми в различных обличьях. Однажды молодой вождь спускался с холма на санях с костяными полозьями (полинезийцы не знали колеса). Старая женщина, встретившаяся на его пути, попросила одолжить ей сани и получила грубый отказ. Вождь был бы, наверное, более осмотрителен, если бы знал, что встретился с богиней вулканов.
Пеле в ярости топнула ногой. Немедленно Земля разверзлась, и раскаленные камни полетели вверх. Вождь, спасая свою жизнь, бросился к морю, а Пеле кидала ему вслед обломки горячей лавы. Даже в наши дни можно получить "подтверждение" этой истории, так как на побережье острова Гавайи действительно есть холм, на склоне которого виден длинный ряд небольших конусов, сложенных из камней, которые разъяренная Пеле бросала вслед невоспитанному вождю.
Древние греки связывали деятельность вулканов с работой бога - кузнеца Гефеста, кузница которого располагалась под одним из вулканов острова Санторие.
В первом веке до нашей эры римский поэт Вергилий приписал причину извержения Этны телодвижениям титана Энцелада, который был ввергнут в недра горы Юпитером.
По-видимому, первым предложил наиболее правдоподобное объяснение вулканизма Платон, связав это явление с полостями и каналами внутри Земли. Под поверхностью Земли, утверждал он, есть огромная огненная река Пирифлегетон, из которой наружу через вулканические каналы изливаются огненные струи.
Греческий географ и путешественник Страбон, живший во II веке до нашей эры, описал извержение вулкана в Средиземном море. В результате этого извержения возник новый остров. Страбон высказал очень интересную мысль о том, что вулканы - своего рода клапаны, через которые выделяются подземные газы, и чем чаще мелкие извержения, тем меньше вероятность крупных.
Это положение остается в силе и сегодня.
В I веке нашей эры Сенека выдвинул положение о том, что извержения связаны с подземными резервуарами, содержащими расплавленное вещество, точка зрения, абсолютно совпадающая с положениями современной вулканологии. Современник Сенеки, Плиний Старший оставил потомству уникальные описания извержений. Сам он погиб в 79 году нашей эры во время катастрофического извержения Везувия, названного впоследствии в его честь плинианским. Все исторические справки об этом знаменитом извержении составлены племянником Плиния Старшего Плинием Младшим в письмах к Тациту.
Средние века можно считать шагом назад в познании вулканических процессов, так как в соответствии с наиболее распространенной точкой зрения вулканы были воротами в ад, а звуки, которые издавал вулкан, стонами грешников.
Первое по-настоящему научное описание вулканической деятельности было составлено английским послом при дворе Наполеона сэром У. Гамильтоном. Его письма президенту Королевского общества в Лондоне, в которых рассказывается о Везувии и его извержении, были опубликованы с богатыми иллюстрациями в 1774 году.
Вулканические извержения различаются по характеру и по масштабу. Наиболее опасными считаются взрывные извержения, сопровождающиеся так называемой палящей тучей, хотя, конечно, и другие приносят зачастую немало бед.
Трудно вообразить, какие чудовищные силы вырываются наружу при крупных извержениях. История знает немало трагических событий, связанных с вулканами.
В 1902 году в городе Сен-Пьер, расположенном на острове Мартиника (Малые Антильские острова), жители готовились к выборам. Сен-Пьер, маленький портовый город с населением немногим более 30 тысяч человек, находился у подножия вулкана Мон-Пеле, и всего около шести километров отделяло побережье от кратера.
Последний раз вулкан проявил активность в 1851 году. Прошло полстолетия, и город забыл об этом. Тем более что предыдущие извержения не причинили большого ущерба. Жители нередко поднимались к вершине Мон-Пеле и любовались видом океана и их родного острова.
В середине апреля 1902 года над вершиной вулкана появилось темное облако дыма. Глухие подземные раскаты слышались все чаще. Интенсивность их усиливалась. Моряки, заходившие в порт, рассказывали о появлении в районе острова глубинных волн. Вулкан начал извергать пепел. Первыми, как обычно, стали проявлять беспокойство животные, но население острова не придало значения грозным симптомам.
Пятого мая с вершины вулкана, из озера, находившегося в кратере, ринулся поток горячей грязи, уничтоживший сахарный завод вместе с 30 рабочими. Необходимо было предпринимать экстренные меры по эвакуации населения города. Вместо этого губернатор острова с женой прибыл в Сен-Пьер, чтобы успокоить жителей и заверить их, что для паники нет никаких оснований. В течение двух последующих дней интенсивность выбросов пепла из кратера увеличивалась и достигла нескольких тысяч кубических метров в секунду. Затем наступило относительное затишье.
Однако в ночь с 7 на 8 мая вулкан заработал с новой силой. Люди в страхе бежали к причалам, и с наступлением зари почти все 30-тысячное население города оказалось на берегу океана. В 7 часов 50 минут раздался чудовищной силы взрыв. Огромная черная туча поднялась на многие километры вверх, а раскаленная лавина, состоящая из горячих газов, пепла, кусков лавы, устремилась на город. Скорость ее превышала скорость современных курьерских поездов.
Не прошло,и двух минут, как туча ворвалась в город.
Трехтонная статуя была на 12 метров отброшена с постамента. Деревья вырваны с корнем, шестидюймовые пушки сдвинуты с лафетов. Каменные стены толщиной более метра рухнули под натиском чудовищной лавины, обломки стен были разбросаны на десятки метров.
Из 20 судов, стоявших на рейде, уцелело только два грузовых корабля "Роддам" и "Рораима". Остальные были перевернуты страшной тучей и сгорели.
А что же люди? В течение нескольких секунд перестал существовать не только город Сен-Пьер. Его жители погибли в палящем облаке, которое, двигаясь по направлению к океану, сначала сожгло людей, а затем сбросило в воду их обугленные трупы. Различные источники по-разному свидетельствуют о числе людей, оставшихся в живых в Сен-Пьере. Согласно наиболее популярной версии уцелел лишь старый негр, находившийся во время катастрофы в глубоком тюремном подвале.