Жизнь создаёт планеты?

Жизнь создаёт планеты?

Учёные давно пытаются ответить на «вечные» вопросы, касающиеся образования планет, происхождения жизни и самого сознания на Земле. Один из ключевых -- где, когда и при каких условиях появилось первичное органическое вещество, ставшее основой для всех живых организмов? Есть несколько наиболее распространённых гипотез, намечающих возможные подходы к её решению. При этом синтез „земных“ органических соединений никогда не «привязывался» к процессам возникновения сгустков вещества в протопланетном облаке. Но оказывается -- и это выяснили исследователи СО РАН -- при определённых условиях во вращающейся околозвёздной среде возникают области интенсивного синтеза органических соединений. Одна из этих областей стала источником первичного органического вещества для прото-Земли и местом её зарождения в Космосе. Это совершенно новый и неожиданный взгляд на проблему происхождения жизни.

Фундаментальная наука сосредоточена на решении четырёх основных проблем.

Как устроена материя. Этой задачей занимаются физики -- строят мощные ускорители, детекторы и другие установки на пределе современных технологий.

Как возникла жизнь. Как появилось, в частности, живое вещество на поверхности Земли. Здесь поле деятельности биологов, химиков, геологов…

Как возникло сознание и что это такое. Над этой проблемой бьются психологи, теологи, философы Влияние их работ на естественные науки невелико. Кажется, что и естественнонаучные методы сюда ещё не проникли.

Где мы находимся -- в пространстве и во времени.

Сегодня ответ на последний вопрос звучит примерно так: в Новосибирске (Риме, Париже, Москве), на материке Евразия планеты Земля, которая двигается вокруг Солнца, принадлежащего галактике Млечный Путь в «местном скоплении» галактик в нашей Вселенной. Той самой Вселенной, что родилась в Большом взрыве около 15 миллиардов лет назад вместе со своим временем, пространством и веществом. Реликтовое излучение, заполняющее Вселенную, несёт нам сведения о первых мгновениях её существования. Помимо привычного для нас вещества, есть косвенные признаки присутствия ещё и «тёмного» вещества, неизлучающая масса которого во Вселенной, возможно, во много раз больше массы видимого вещества. Материя из протонов, нейтронов и электронов, появившихся во взрыве, образовала при остывании водород и гелий. Во время расширения Вселенной возникли условия для концентрации водорода и гелия в особые образования -- будущие галактики. Вещество остыло до такого состояния, что оно смогло собираться под воздействием обыкновенной гравитационной силы. Его деление на сжимающиеся сгустки привело к образованию звёзд первого поколения -- они были очень большими и состояли из водорода и гелия. Термоядерные реакции в этих звёздах закончились их взрывом, и произошёл выброс новых синтезированных элементов -- кислорода, азота, углерода и других, более тяжёлых. Выброс этих элементов облегчил возможность формирования новых звёзд. Второе поколение звёзд выбросило следующие порции элементов в пространство. Эволюция держала путь к элементам периодической таблицы, и на этом она не закончилась.

Идея эволюции, вышедшая из недр биологии, проникла в физику и астрофизику. В понимании эволюции важно, что если поначалу были водород и гелий, то другие элементы синтезировались исходно лишь в малых количествах. Звёзды -- это механизм, средство эволюции. Её результат -- тяжёлые элементы. Исходное вещество, водород и гелий, как промежуточный шаг эволюции, -- остаётся. Возникновение нового качества получило название „самоорганизация“.

Новое качество при самоорганизации в любой системе появляется с развитием неустойчивости. Система находится в каком-то одном состоянии, но в ней возникают такие условия, когда часть этой системы может перейти в другое состояние. Простой наглядный пример: на перевёрнутую выпуклостью вверх полусферу помещается шарик. Рано или поздно он скатится вниз -- шар на полусфере неустойчив. В неустойчивой системе -- физической, биологической, экономической -- любой! -- наблюдается та же картина: новое состояние возникает не во всей неустойчивой системе, а лишь локально в её малой части при внешних воздействиях на всю систему, иными словами -- в открытой системе. Элементы системы ведут себя при самоорганизации совместно, осуществляется коллективное взаимодействие.

В такой открытой системе, холодном молекулярном облаке, 4,6 млрд лет назад появилось Солнце. Солнце -- заурядная звезда 2-го или 3-го поколения. Но у нашего Солнца есть система планет. А на одной из этих планет, Земле, по сравнению с Солнцем отмечен огромный недостаток водорода, гелия, углерода, азота -- самых распространённых элементов в космосе. И почему-то оказалось, что некоторая доля этих элементов на поверхности Земли стала эволюционировать в качестве живого вещества в биологических системах. Возникают простые вопросы. Имела ли Земля ранее большее количество указанных элементов? Если имела и потеряла, то как, когда и сколько? Живое вещество появилось до или после потери? Сами планеты -- это результат самоорганизации материи, очередной этап её эволюции или нет? Почему вообще вокруг Солнца появились планеты?

К сожалению, пока у нас нет однозначных ответов на все эти вопросы. Как нет прямых данных о том, как всё это произошло. Самые старые геологические записи имеют возраст 3,8 -- 4,1 млрд лет. Их очень мало, они единичны. Следы органической жизни в них, как и в метеоритах, при существующих методиках анализа ненадёжны и спорны. О первых 600 млн лет из 4,6 млрд лет жизни Земли нет данных вообще. Все первичные породы земной коры оказались полностью преобразованы в последующих геологических процессах и в результате бомбардировки планеты космическими телами.

Проблема планетообразования и проблема возникновения жизни сходятся для Земли в одной временной точке. Следовательно, если бы проблема планетообразования была решена, она могла бы стать отправной точкой для решения и проблемы зарождения жизни. Научные проблемы часто решаются комплексно, тому есть примеры.

Но вот вопрос -- как же нам получить реальные и научно обоснованные данные о процессе, если нет его прямых следов и известен лишь его результат? Для этого в науке был создан свой метод. Как это ни странно, своим появлением он обязан запрету на испытания ядерного оружия. Уже долгое время они не проводятся. Но знать, что происходит при взрывах, -- необходимо, ведь не бросишь же заниматься безопасностью государства. А в лаборатории ядерную бомбу не взорвёшь. Решение было найдено: в лабораторных экспериментах должны быть получены надёжные данные о каждом отдельном процессе, влияющем на взрыв, а потом на компьютере необходимо собрать всё воедино, то есть смоделировать явление. Чем мощнее компьютер, тем больше характеристик можно учесть. И картина получается всё более приближённой к реальной. Проверить же созданные компьютерные программы можно из сопоставления расчётов с наблюдениями природных явлений -- для вспышек на Солнце, например. Неслучайно, что Я.Б. Зельдович, Д.А. Франк-Каменецкий и другие учёные, работая над ядерным оружием, попутно решили ряд важных астрофизических, химических и технологических задач. Всю такую работу необходимо провести в комплексе, хотя это и очень сложно. На каждом этапе требуется следовать всем без исключения фундаментальным физическим законам и, в частности, законам сохранения. При несоответствии указанным законам работа отсеивается, идёт „в корзинку с мусором“. Это жёсткий критерий, но он гарантирует научный результат. Необходимые для компьютерного моделирования законы описываются математическими уравнениями. По сути, их немного, и решать необходимо не все из них сразу. Всё это и есть наш метод.

Ещё одним шагом был анализ наиболее популярных гипотез происхождения жизни.

Существует большое количество работ по астрофизике плотных молекулярных облаков в космосе. В земных условиях -- это сверхглубокий вакуум. Но уже в таких облаках есть и молекулы, и органические вещества, есть и возможность химических реакций. В.И. Гольданский вообще предположил, что первичный органический синтез происходил именно в молекулярных облаках. По популярной ныне гипотезе С. Аррениуса („жизнь произошла в космосе“), органическое вещество выпало на Землю в готовом виде. Но это на сегодня выглядит недостаточно правдоподобно. Химический синтез в космосе на временах жизни космических облаков не компенсирует разрушения молекул. Ведь в космосе или невозможно жарко -- и молекулы разрушаются, или очень холодно и пусто -- и синтез молекул идёт крайне медленно.

По гипотезе А.И. Опарина, жизнь зародилась на самой Земле в океанах. С. Миллер перенёс первый синтез сложных органических молекул в протоатмосферу с её молниями и сильным ультрафиолетовым излучением. Во многих других объяснениях появились вулканы, лавы, тихие лагуны и так далее, чаще всего по внутренней сути -- замечательно оснащённые химические лаборатории с высококвалифицированным научным персоналом. При всём при этом жизнь на Земле реально существует, а данных о её происхождении для серьёзной научной проверки остаётся крайне мало. К тому же эффективность большинства таких органических химических синтезов, за исключением биохимических в живых организмах, в природе невелика. А тут требуется не несколько молекул или граммов вещества синтезировать. В недрах Земли захоронено значительно больше углеродсодержащего вещества по сравнению с живым на поверхности. Не будем забывать и тот факт, что химический состав Земли приблизительно известен лишь на 100-150 км вглубь. О том, что спрятано дальше, мы можем судить только по косвенным признакам.

Обе гипотезы о происхождении жизни были отвергнуты, и появилось предположение о синтезе органических соединений непосредственно при образовании Земли. Существовавшая теория появления планет из первичного газо-пылевого облака, окружавшего протосолнце, не решила проблемы формирования планет земной группы. В.С. Сафроновым и другими учёными рассматривалось формирование планет в столкновениях тел. При столкновении тела с размером порядка тысячи километров с меньшим телом осколки притянутся к крупному, и оно ещё более укрупнится. А вот средние тела (несколько сот километров в диаметре) не могут ни укрупниться, ни поглотиться. Они при ударе разрушаются. Каков же тогда механизм самоорганизации, приводящий к образованию планет земной группы? Таким механизмом должно быть развитие коллективной неустойчивости, одновременное объединение многих-многих малых тел. Отметим, что наибольшее развитие исследование коллективных неустойчивостей получило в физике плазмы, в проблеме управляемого термоядерного синтеза и в синергетике.

Итак, исходное предположение: синтез первичных органических соединений и образование планет -- две стороны одной медали. С точки зрения химиков, требовалось показать работу универсального природного реактора, в котором синтезировалось органическое вещество. С точки зрения физиков, требовалось изучить образование планет как самоорганизацию материи, как результат воздействия протозвезды на своё окружение с учётом обратных связей и химических реакций в среде. Поставлена и чётко сформулирована очень сложная математическая задача. Предстояло решать нестационарное и пространственно трёхмерное уравнение Власова-Лиувилля вместе с уравнением Пуассона и уравнениями газодинамики. Чтобы с этим справиться, понадобилась помощь самых мощных компьютеров. Последовательность наших действий тут такова. Берём отдельную частицу и решаем для неё уравнения движения. Решаем для второй, третьей, и так для миллионов и миллиардов частиц. Их количество прямо зависит от возможностей компьютера. Затем определяем создаваемое частицами гравитационное поле. Снова рассчитываем движение частиц в поле. И так далее. Программы и алгоритмы для расчётов были созданы В.А. Вшивковым на основе своего более чем 30-летнего опыта в решении задач физики плазмы. В результате мы узнаем траектории всех частиц, устойчиво их движение или нет, определяем все интересующие нас характеристики. Одна из очевидных динамических характеристик -- эволюция средней плотности вещества. Средняя плотность связана с тем, как мы видим, скажем, галактики. В галактиках, подобных нашей, сосредоточены десятки и сотни миллиардов звёзд. При расчётах на современных супер-ЭВМ по числу частиц мы подошли к реальному числу звёзд. Так что правильность наших расчётов мы можем проверить в сравнении с наблюдениями галактик.

И вот в расчётах мы воспроизводим шары, диски, кольца, спиральные рукава, т. е. всё то, что наблюдают астрономы в космосе. Спирали и кольца возникают при развитии неустойчивости коллективного движения тел вместе с газом. Анализ развития неустойчивости показал, что эти структуры появляются, когда массы твёрдых тел в газе превышает некоторую величину. При каких условиях масса начинает возрастать, что служит толчком к этому? Как легко увидеть, совокупная масса всех тел вокруг прото-звезды может увеличиться за счёт вращения. Это обычный эффект центрифуги. Кроме того, в газе вязкие и рыхлые тела могут слипнуться между собой, особенно если они богаты органическим веществом. Примерно так, как слипаются песчинки, если между ними есть пластилин. В свою очередь, органическое вещество легко синтезируется на твёрдых катализаторах. Для этого они должны содержать железо, никель и кремний -- в комбинации, примерно соответствующей их природной распространённости. Но такая комбинация характерна для классических катализаторов синтеза углеводородов в химическом процессе Фишера-Тропша. В этом синтезе исходными реагентами являются CO и водород -- вместе с гелием эти газы наиболее распространены в космосе. В промышленности азот на аналогичном железосодержащем катализаторе превращается в аммиак. Судя по элементному составу Солнца, в околозвёздном диске недостатка не было ни в катализаторе, ни в исходном газе -- водороде, с трудом получаемом на Земле. Наличие ещё более тяжёлых частиц-катализаторов кардинально меняет развитие неустойчивости. Вместо колец и спиралей на общем фоне плотности появляются сгустки вещества -- более стабильные образования. Эти образования могут двигаться как угодно -- по ходу и против вращения, к центру и от центра. Такими свойствами обладают солитоны -- одиночные волны плотности. Волна этого типа формируется коллективным самосогласованным движением многих частиц. Частица захватывается в волну, находится в ней некоторое время и уходит.

Другая частица просто пролетает мимо. Но вот что неожиданно. Давление газа в этой волне на два порядка (или даже более) превышает окружающее и приближается к атмосферному. Частицы совместно собирают в волну газ. А температура в волне особенно не растёт. Большое количество гелия, свыше 20%, снимает тепло, выделяющееся при химических реакциях. Волна действует как великолепный химический каталитический реактор. Он устроен по типу промышленных реакторов с „псевдоожиженным“ или кипящим катализатором. Это один из самых эффективных, но вместе с тем и сложных для эксплуатации в химическом производстве промышленных реакторов. Более того, в природном реакторе может происходить и регенерация катализатора. Частица прилетела -- прореагировала -- вылетела очистилась в лучах Солнца -- и на новом обороте снова прилетела. Если космический реактор был физически устроен именно так, то химические процессы протекали -- по давлению и температуре реагентов -- в условиях, близким к условиям обычных лабораторных каталитических реакторов. Поэтому химические реакции первичного синтеза органического вещества и начальных стадий пред-биологической эволюции нужно изучать при давлениях и температурах лабораторных каталитических реакторов, а не типичных условий поверхности Земли. По геометрическим размерам, по другим параметрам, связанным с массо- и теплообменом, с воздействием излучения, в земных условиях нет никаких устройств, близких к космическому реактору.

Дальнейшая эволюция вещества в рассматриваемой волне очевидна. При увеличении массы органики волна схлопывается в сгусток вещества, имеющий среднюю скорость частиц и их момент импульса.

В ближней к Солнцу зоне сгусток двигается вокруг Солнца, теряя водород, гелий, лёгкую органику под действием солнечного ветра и излучения. В дальней зоне Юпитер и холодные внешние планеты сохраняют эти газы. Затем сгусток превращается в планету, вступая в геологическую эволюцию. Основная масса органического вещества и метана из зоны первичного синтеза разрушается, попав на Солнце и развеиваясь в космосе. Однако тяжёлые и сложные органические соединения при огромной своей концентрации в волне могли сохраниться в дальнейших катаклизмах и стать основой для возникновения и питания биологического сообщества. Или же темпы химической эволюции были столь стремительны, что жизнь зародилась даже до оформления вещества в планету -- на фоне колоссальных потерь органического вещества. Как было предположено, на стадии потерь, снижения количества „пищи“, начинается естественный отбор молекул-автокатализаторов уже на химическом уровне. Важно, что он может происходить не только в обычных земных условиях. Определив эти условия более точно, можно выяснить, с чего стартовал отбор, перебросить мостик к биохимии и поставить новые химические и физические эксперименты. Следовательно, наиболее оптимальные условия для первичного синтеза органического вещества создаются в волнах плотности -- в этих огромных, сравнимых по размеру с Солнцем или даже больших волнах плотности. Потенциально эти волны, как видно из моделирования, подвержены разрушению, но иногда они становятся колыбелью для планет. Дальнейшая детализация эволюции волн плотности будет достигнута в последующих расчётах с учётом более точных приближений.

Одно из ключевых мест в наших исследованиях -- утверждение о каталитической активности космического материала. Это требуется экспериментально подтвердить. С одной стороны, каменные или железо каменные метеориты по своему составу приближаются к космической распространённости элементов. С другой же, вещество метеоритов за 4,6 млрд лет своего существования спеклось. Метеориты имеют обычную непористую поверхность, и трудно определить способность вещества катализировать реакции. Однако исходно, в молекулярных облаках и околозвёздном диске, межзвёздная пыль состояла из частиц нанометрового размера. Наша задача заключалась в возвращении метеоритного вещества в своё первичное состояние с дальнейшей проверкой его каталитической активности. Вещество метеоритов испаряли с получением мельчайших пылинок при помощи излучения CO2-лазера на экспериментальном стенде Института катализа Сибирского отделения РАН. Из образцов метеоритов „Маслянино“, „Марковка“, „Царёв“, содержащих железо, были получены порошки с удельной поверхностью выше 200 м2/г, что характерно для промышленных катализаторов. Изучив фотоснимки образцов, сделанных с большим увеличением, мы убедились, что средний диаметр частиц, составляющих порошок, не превышает 3-4 нм -- более крупных частиц практически нет.

Каталитическая активность образцов определялась в реакции гидрирования угарного газа -- типичного компонента межзвёздной среды -- до метана и других углеводородов при атмосферном давлении. Результаты экспериментов показали, что на полученных образцах (при прогнозируемых температурах до 500 градусов Цельсия и атмосферном давлении) из CO и водорода в присутствии гелия весьма успешно синтезируются с высокими выходами этилен и другие углеводороды. Тем самым было экспериментально подтверждено наше предположение о том, что исходная межзвёздная пыль, которая превратилась за 4,6 млрд лет в падающие с неба камни, могла обладать хорошими каталитическими свойствами, и органические соединения должны были синтезироваться ещё в исходном газо-пылевом облаке.

Ещё один важный вопрос: насколько предопределено образование планет? Оказалось, что самоорганизация вещества в гравитационной физике идёт в одном направлении, детерминировано. Но место возникновения уединённой волны и появления планеты на одном или на другом удалении от Солнца -- это, в нашей модели, случайные величины. Если волна плотности окажется на орбите Венеры, то там всё -- вода, водород, органические соединения -- испаряется. Если там, где орбита Марса, -- там слишком холодно. А наша планета, где вода находится во всех трёх состояниях, попала в самую точку. Вероятности появления планет на определённом удалении могут быть определены при проведении дальнейших расчётов. Пока неизвестно, изменится ли ответ при учёте дополнительных физико-химических процессов. Важность этого ответа связана с определением возможной зоны распространения жизни в Солнечной системе, с тем, где проходит её граница -- до марсианской орбиты или за ней. Если Марс не входит в эту зону, то его изучение в условиях дефицита ресурсов может быть в большей мере направлено на получение данных о самой планете, чем на поиски живых организмов, и наоборот.

Наша гипотеза находится в пограничной области многих дисциплин. Она становится мостиком между физическим, химическим и геологическим этапами эволюции Солнечной системы и Земли. Пока найдены лишь подходы к решению комплекса проблем, касающихся первичного синтеза органического вещества в космических облаках. Далее следует внимательно наблюдать места звездообразования. Для этого требуются наземные установки, орбитальные телескоп. Не менее нужны надёжные данные с Марса, Венеры, Титана -- спутника Сатурна, из зоны астероидов и метеоритов. Созданная математическая модель ещё не гарантирует хорошую точность числа для расчётных величин. Неучтёнными остаются важные физико-химические процессы. Но ключевая идея имеет большой потенциал для своего развития.