Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Критическое значение для существования жизни имеет возраст Вселенной и звезд. Если бы эволюция Вселенной протекала скоротечно (скажем, за миллион лет), то жизнь не успела бы даже за-родиться. Элементы жизни — углерод и другие — сформировались в ходе ядерных реакций внутри звезд и были выброшены в межзвездные облака при взрывах звезд. И для образования следующего поколения звезд и их планет тоже требуется время. Ведь планеты типа Земли не могут появиться у звезд, протопланетные диски вокруг которых лишены сложных химических элементов. Первое поколение звезд нашей Галактики не могло иметь планет, пригодных для жизни. Накопление необходимых элементов в газовых облаках, из которых позже образовались звезды и планеты, должно было происходить достаточно быстро, но сколько именно времени это заняло — не ясно.

Затем, после синтеза тяжелых элементов и формирования нового поколения звезд и их планетных систем, вобравших эти элементы, на некоторых из планет могла возникнуть жизнь. После этого началась эволюция ко все более сложным формам жизни, которая могла занять миллиарды лет, как это было в случае Земли. Мы знает, что это происходило постепенно, что долгий процесс предшествовал нашему появлению (рис. 33.2).

Рис. 33.2. Физические константы и законы природы таковы, что звезда типа Солнца светит около 10 млрд лет, позволяя жизни возникнуть и эволюционировать на подходящих планетах, обращающихся вокруг этой звезды. На этом фото Солнце предстает в необычном пейзаже: оно заходит за край марсианского кратера в 2005 году, когда это увидел марсоход «Спирит».

Но если эволюция жизни — от ее начальных элементов до клетки и сложной биохимии — происходит так долго, то для нее требовались особые условия. Вероятно, наша голубая планета как раз и была тем особым местом, где нашлись все условия для зарождения и развития жизни. Как в сказке про трех медведей, где Маша всегда выбирала все самое уютное. Действительно, Земля расположена на очень выгодном расстоянии от Солнца, которое, совместно с парниковым эффектом атмосферы, обеспечивает на ней такую температуру, что вода, по крайней мере большую часть времени, остается в жидком виде. Правда, эти благоприятные эпохи иногда прерывались, когда парниковые газы исчезали из атмосферы и температура на миллионы лет опускалась ниже точки замерзания. В эти ледниковые периоды температура долго оставалась настолько низкой, что вся планета покрывалась льдом. И эта «Заснеженная Земля» могла бы остаться такой навечно, если бы теплые недра нашей планеты не испускали газ CO2 в количестве, достаточном для восстановления парникового эффекта, способного нагреть атмосферу. Мы уже говорили, что плотность воды, к счастью, больше плотности льда. Поэтому замерзает только поверхность океанов, и жизнь имеет возможность продолжаться подо льдом в жидкой воде, защищенная от замерзания и высыхания, как мы это видим в озерах Антарктиды. Наконец, горячее расплавленное внешнее ядро и твердое железное внутреннее ядро Земли обеспечили нас магнитным полем, защищающим все живое от вредного космического излучения, угрожающего слабым росткам жизни на любой планете.

Падение комет и астероидов в раннюю эпоху тоже способствовало тому, чтобы Земля стала обитаемой: они принесли с собой большую часть той воды и газов, которыми мы сейчас пользуемся. Кроме того, чрезвычайно сильный удар по молодой планете на раннем этапе ее формирования наградил нас небесным спутником — Луной. Эти столкновения и сама Луна оказались для нас очень полезными. Они наклонили земную ось так, что оба полушария — северное и южное — поочередно поворачиваются к Солнцу, вызывая смену сезонов и способствуя выравниванию температур в разных частях планеты. Мощное столкновение определило вращение Земли. Раньше Земля вращалась еще быстрее, но постепенно она замедлилась до современного значения — один оборот за 24 часа, — создав нам суточный ритм смены дня и ночи. Присутствие Луны продолжает стабилизировать ось нашей планеты, поэтому общий климат не меняется случайным образом. Эти факторы, конечно, очень важны для условий жизни здесь, на Земле, но мы не знаем точно, насколько решающим является наличие крупного спутника для зарождения и длительного сохранения жизни. Не исключено, что это может ограничивать число пригодных для жизни мест даже среди планет, во всем остальном похожих на Землю.

Столкновения с кометами и астероидами имели как физические, так и биологические последствия. Они могли быть весьма благоприятными для жизни на молодой Земле, перенося семена жизни с одной планеты на другую в пределах внутренней области Солнечной системы (скажем, с Марса на Землю или наоборот). Они могли иметь большое значение и на более поздних этапах эволюции жизни, вызывая в биосфере неоднократные массовые вымирания и давая этим шанс для появления новых видов. Хотя это было катастрофой для вымерших видов (например, динозавров), оно оказывалось полезно для видов, получивших возможность развиваться (например, млекопитающих). Но слишком частые столкновения с кометами могут сделать существование любого сложного вида чересчур кратковременным. Возможностью нашей спокойной эволюции и безопасного (до сих пор) существования на Земле мы во многом обязаны планете-гиганту Юпитеру, сумевшему удалить большинство каменных тел, которые в эпоху молодости Солнечной системы являлись здесь частыми гостями. Столкновения с ними были как полезными, так и вредными; нам пока трудно оценить, каков оказался результирующий эффект.

Сама биосфера сильно изменила условия на нашей планете. Очевидно, это произошло в результате сложного взаимодействия между физическими и биологическими системами и, естественно, усложнило поиски ответа на сравнительно простой вопрос — насколько жизнь распространена во Вселенной. Например, появление производивших кислород фотосинтезирующих организмов привело к насыщению воздуха кислородом, что сильно повлияло на условия жизни всех видов. Кислородная атмосфера способствовала возникновению озонного слоя, задерживающего ультрафиолет и более жесткое излучение. Эта защита от губительных лучей позволила жизни выйти из воды на сушу. Кислородно-азотная атмосфера наиболее прозрачна для видимого света, и это весьма удачно, так как совпадает с максимумом в спектре излучения Солнца и позволяет большей части солнечных лучей проникать к поверхности Земли. Это как раз то излучение, которое использует фотосинтезирующая биота как источник энергии для фиксации углерода, и это как раз тот диапазон спектра, в котором видит подавляющая часть животных.

Долгое временя эволюцией и появлением новых видов управлял дарвиновский процесс — генетические изменения в результате мутаций и частичное сохранение потомства вследствие естественного отбора. Принято считать, что отбор происходит путем простого «выживания самого приспособленного», но на самом деле критерий «приспособленности» не так прост. Выжившие виды и отдельные особи приспосабливаются к своей индивидуальной среде. Во многих случаях это должны быть такие виды, которые могут взаимодействовать со средой для поддержания жизни, а не те, которые эксплуатируют эту среду сверх нормы. Кроме простой борьбы за выживание эволюция идет за счет выгодного взаимодействия с другими видами, например в разных симбиотических микробиологических матах, где питательные вещества переходят из одного слоя к другому, или в пищевых цепочках и экосистемах, сформированных высшими организмами. Эта борьба приводит к специализации и дифференциации борющихся групп и обеспечивает разнообразие новых видов. Усложнение экосистем, очевидно, создает все больше и больше ниш разнообразия, поддерживающих свое существование более сложными и гибкими стратегиями, разнообразием видов и более сложными формами жизни.

Кроме того, на эволюцию видов сильное влияние оказывали как местные, так и глобальные явления. Долговременные геологические изменения, такие как перемещение континентов, изменяли климат на долгое время, и сама биосфера влияла на атмосферу. Совместно эти процессы приводили к долговременному изменению климата, когда ледниковые периоды перемежались периодами умеренной температуры. Крупнейшие естественные катастрофы, вызванные космическими столкновениями, неоднократно приводили к массовому вымиранию, уничтожавшему большую часть биосферы. Эти случайные катастрофы часто становились причиной разрушения возникающих экосистем, уничтожая большую часть биоты и вычищая новое пространство для колонизации. В эти эпохи обновленные условия увеличивали биологическое разнообразие и количество новых экосистем, осуществляя поворот в эволюции биосферы. Но в промежутках между катастрофами биосфера обычно развивалась устойчиво с мелкими изменениями и адаптацией. Палеонтолог Стивен Голд (1941–2002) называл такие смены спокойных и бурных фаз «перемежающимся равновесием».