Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле - Маршалл Майкл

Одно из первых кропотливых вычислений выполнил в XIX веке физик Уильям Томсон, который позже получил дворянский титул и стал известен как первый лорд Кельвин. Томсон был убежденным христианином и скептически относился к теории эволюции Дарвина. Однако он был еще и экспертом в области термодинамики – науки о тепле и о том, насколько быстро остывают те или иные объекты. Кельвин начал с предположения, что исходно Земля была очень горячей, – ведь ее более глубокие слои до сих пор имеют гораздо более высокую температуру. Это навело ученого на мысль, что наша планета остывает. В 1864 году он примерно оценил ее возраст: Земле от 20 до 400 миллионов лет[32]. Судя по наблюдаемой температуре, старше она быть не могла. К 1897 году Кельвин остановился на 20 миллионах.

Кельвин тоже безнадежно ошибался, но, опять-таки, в этом не было его вины. Одним из эпохальных открытий того времени стала радиоактивность, о которой впервые услышали лишь в 1896 году. В недрах Земли покоится множество радиоактивных горных пород, которые излучают тепло, – но Кельвин об этом ничего не знал. Он считал, что и Солнце столь же молодо, ведь в то время никто не мог вообразить, что звезда может сиять многие миллионы лет. Все изменило открытие в 1930-е годы ядерного синтеза. Стало понятно, что Солнце является колоссальным источником энергии и может оказаться очень древним, – и такой же древней может оказаться наша Земля[33].

Открытие радиоактивности оказалось ключом к получению правильной оценки возраста Земли. Это весьма любопытная история, однако мы сразу перейдем к ее развязке. В начале XX века физики выяснили, что некоторые атомы нестабильны и склонны разрушаться (или распадаться) на более мелкие и устойчивые атомы. При этом высвобождаются очень маленькие порции радиации.

Дело в том, что атом не является единой частицей, как это считали на протяжении длительного времени. В действительности он “сделан” из более мелких частиц трех типов. Всякий атом имеет центральную часть – ядро, состоящее из специфического для него числа протонов и нейтронов. Это ядро окружено “облаком” электронов. Вся суть атома заключена как раз в его ядре, поскольку протоны и нейтроны в нем должны быть упакованы строго определенным образом. И если частиц того или иного сорта в нем слишком мало или слишком много, то такое ядро становится нестабильным.

Каждый из радиоактивных элементов распадается с вполне определенной скоростью. Представьте, что у вас есть слиток урана-238 (самой распространенной разновидности урана) и что в этом слитке ровно 1000 атомов. Потребуется 4468 миллионов лет для того, чтобы половина их (то есть 500) распалась с образованием атомов свинца. Далее потребуется еще 4468 миллионов лет для распада половины оставшегося урана (250 атомов) – и так вновь и вновь вплоть до момента, когда урана уже не останется и слиток окажется полностью свинцовым. Этот период в 4468 миллионов лет, за который содержание урана-238 убывает вдвое, называют его периодом полураспада (англ. half-life). Поскольку каждый радиоактивный элемент имеет собственный период полураспада (установленный в эксперименте и постоянный), эта характеристика может быть использована для датировки горных пород (то есть оценки их возраста). Первым прошел по этому пути американский радиохимик Бертрам Болтвуд, измеривший в 1907 году соотношение урана и свинца в горных породах и заключивший, что им по меньшей мере 400 миллионов лет[34].

Однако вскоре стало понятно, что в действительности проблема гораздо сложнее. Оказалось, что уран – не единственный радиоактивный элемент, который распадается с образованием свинца. К тому же существует несколько разновидностей самого урана, и все они распадаются с разной скоростью.

Проблему, причем практически единолично, решил “тихий и непритязательный” Артур Холмс[35]. Свою первую статью он опубликовал в 1911-м, всего через два года после окончания университета. В ней Холмс описал успешную датировку горной породы девонского периода – тех времен, когда широко распространились первые наземные растения, а океан заполонили первые рыбы. Холмс сделал вывод, что его образцам 370 миллионов лет, – и это число соответствует девонскому периоду в современном понимании[36].

Два года спустя Холмс выпустил свою первую книгу, “Возраст Земли” (The Age of the Earth), – ее написанию не помешало даже то, что в это самое время автор принимал участие в геологоразведочных работах в Мозамбике. (Путешествие, кстати, едва не кончилось для Холмса трагически из-за заражения малярией.) В книге приведены доказательства того, что радиоактивный распад может служить надежным способом для установления возраста Земли, и – на основании датированных Холмсом ранее пород – сделано предположение, что нашей планете 1 миллиард 600 миллионов лет[37].

На протяжении следующих двух десятков лет Холмс продолжал отодвигать результаты своего радиометрического датирования в прошлое. (Две новые редакции его книги вышли в 1927 и 1937 годах.) Затем им была обнаружена порода возрастом 3 миллиарда лет – на этой цифре он настаивал в 1946 году[38].

В этом месте история слегка запутывается, поскольку Холмс, много лет использовавший радиометрический анализ, внезапно узнал, что его вовсю применяют и другие исследователи. Методики датировки были усовершенствованы, их даже начали использовать для изучения метеоритов – которые, как предполагалось, образовались одновременно с Землей, но не прошли через выветривание и прочие передряги, случившиеся на нашей планете.

Поворотным оказался 1953 год, когда двое ученых независимо друг от друга пришли к одному и тому же в целом правильному результату. Первый из них – это немец Фридрих Хоутерманс, побывавший в заключении и в Советском Союзе, и в нацистской Германии, а впоследствии получивший всеобщее признание как эксперт в области радиохимии. При исследовании состава метеорита Хоутерманс сделал вывод, что “небесному камню” 4,5 миллиарда лет, и предположил, что и нашей планете столько же[39]. За несколько месяцев до того Клэр Паттерсон озвучил близкие к этим данные – он получил их, изучая метеорит из Каньона Дьявола (тот самый, который создал колоссальный кратер Бэрринджера в Аризоне)[40]. Паттерсону обычно отдают пальму первенства, хотя такое предпочтение выглядит откровенно нелепым. Оба ученых пришли к этому выводу почти одновременно, так что успех было бы справедливо разделить между ними поровну. Позднее Паттерсон исправил некоторые неточности в своих результатах и надлежащим образом обнародовал их в 1956 году[41]. К тому моменту он остановился на оценке возраста Земле в 4,55 миллиарда лет.

И по большому счету эта цифра уже не изменялась[42]. Она была совсем немного подкорректирована в меньшую сторону (до 4,54 миллиарда лет), и если ее и ждут другие изменения, то разве что незначительные. Наша планета немногим старше 4,5 миллиарда лет. До этого вокруг Солнца вращались только всякие булыжники и пыль. А после уже был рожден новый мир.

Значение 4,5 миллиарда лет является верхним пределом и для возраста жизни на Земле. Крайне маловероятно, что жизнь возникла раньше; впрочем, если бы она и возникла, то вряд ли бы сохранилась в ходе последующих событий. Предполагают, что вскоре после своего образования Земля столкнулась с объектом, по размеру близким к Марсу[43]. Вся поверхность нашей планеты расплавилась, а огромные объемы горных пород были выброшены на орбиту – и в конечном счете стали Луной. Тому, кто возьмется говорить о существовании жизни ранее 4,5 миллиарда лет назад, придется объяснять, как ей удалось сохраниться в условиях апокалипсиса. Короче говоря, куда проще считать, что все живое появилось позже.

Но когда именно позже? Палеонтологи продолжают отодвигать момент зарождения жизни дальше и дальше в прошлое, находя все более древние окаменелости и прочие следы жизни, так что интересующий нас временной отрезок постепенно сокращается.