Разумная жизнь во Вселенной

Ясно, что жизнь может существовать только при определенных физических и химических условиях. Биологические структуры и процессы требуют наличия определенных веществ в окружающей среде. Эти процессы могут протекать только при определенных температурах (от и до).

Что касается земной жизни, то в ее основе лежат углерод и вода. Углерод является главным связующим звеном больших молекул живой материи. Вода же является растворителем. Химические реакции протекают только благодаря растворителю, то есть воде. Поэтому живые существа в среднем состоят на 70 % из кислорода, на 18 % из углерода и на 10,5 % из водорода. Это по весу. Далее по весу следует азот. Но кроме этого в живом организме есть и второстепенные биофильные элементы. Это легкие щелочные металлы — натрий, калий и кальций, галогены — фтор, хлор и йод, неметаллы — кремний, сера и фосфор, тяжелые металлы — железо и магний. Важную роль в ряде биологических процессов играют ванадий, медь и молибден, а также и некоторые другие металлы и неметаллы. Но они не характерны для жизни в целом. В сущности, для структуры белков совершенно необходим только азот, для нуклеиновых кислот нужны азот и фосфор. Другие биофильные элементы не только присутствуют в специальных тканях организма, но и выполняют роль катализаторов и являются посредниками в протекающих в организме реакциях.

Так, железо выполняет роль каталитического элемента в порфирированной молекуле г емина крови позвоночных. У некоторых морских организмов железо заменено ванадием. У членистоног их его роль выполняет медь. В другом порфирине-хлорофилле сходные функции выполняет магний, но он тоже может быть заменен другим металлом. Для осу-ществления процесса пищеварения практически подходит лю-бой агент. Важно только одно — чтобы он был способен разрывать связи в органических молекулах, поскольку в данном случае речь идет о реакциях гидролиза. В этих реакциях должны также восстанавливаться молекулы воды, которые были потеряны при поликонденсации. Скелет живого организма может состоять из различных элементов. Так, он не обязательно должен быть кальциевым. Он может состоять, например, и из кремния или другого (но не любого) эле-мента. А вот у членистоногих скелет состоит из хитина.

Из сказанного выше ясно, что важно только то, чтобы на планете были водород, вода, кислород и азот. Что же касается второстепенных биофильных элементов, то они являются взаимозаменяемыми. Если нет одних, их могут заменить другие. Количество этих элементов очень небольшое. Так, бром и йод по весу составляют в земной коре соответственно только 0,000162 и 0,00003 %. Основные запасы углерода, доступные для живых организмов, находятся в виде атмосферного углекислого газа. Количество углекислого газа в атмосфере примерно 0,003 %. Это немного.

Установлено, что полная масса всех живых организмов составляет примерно 3 % всей массы атмосферного газа.

Все приведенные выше данные очень оптимистичны. Они свидетельствуют о том, что жизнь не капризна. Другими словами, основные потребности жизни легко могут быть удовлетворены. Для ее существования требуется некоторое количество кислорода, углерода, водорода, азота и фосфора. Можно не сомневаться в том, что эти элементы широко распространены в космосе. А значит, они должны присутствовать и на планетах. Что же касается планет Солнечной системы, то на Марсе углекислого газа больше, чем на Земле, а в атмосфере Венеры его больше, чем на Земле, в тысячи раз.

Азота на Земле не много, хотя в атмосферном газе по объему он составляет 78 %. На Солнце азота в 100 раз больше, чем на Земле. Водорода в земной коре только 0,127 % по весу.

Важно не только присутствие данного биофильного элемента на планете. Важно и то, в какой форме он находится, может ли он быть использован для жизни. Например, если вода находится в форме гидратов, как в горных породах, то для жизни она непригодна. Ведь жизнь не может непосредственно потреблять твердое вещество. Нужен растворитель. Он должен быть носителем реагирующих веществ и продуктов реакций. На Земле таким растворителем является вода. Но вода должна находиться в жидкой фазе. В организме другой вариант неприемлем.

Проблема с водой не так проста. Известно, что на бесплодных скалах Сахары растут лишайники. Здесь никогда не бывает дождей. Растения живут тем мизерным количеством воды, которая конденсируется из атмосферного газа в ночное время. Некоторые бактерии получают необходимую для жизни энергию путем окисления водорода или водородсо-держащих молекул. Так создается вода. По сути, вода — это побочный продукт поликонденсации аминокислот, а также любой реакции, которая идет между кислотой и основанием. Это значит, что организм способен добывать воду из окружающей среды, которая, по сути, не содержит воду ни в какой фазе. Организм может использовать гидратационную воду горных пород. Но здесь есть одно большое «но». Оно состоит в том, что прежде чем он будет извлекать воду таким образом, он должен возникнуть. А без воды в жидкой фазе живой организм возникнуть не может.

Не надо думать, что жизнь может возникнуть только в таких условиях, которые мы наблюдаем на Земле. Отнюдь нет.

Тем, кто так думает, следует напомнить, что возникновение жизни на Земле происходило в восстановительной фазе метана, аммиака, сероводорода и фосфористого водорода. Такие условия совершенно непригодны для современной жизни. Только со временем эта атмосфера сменилась газом, в котором стали преобладать азот, углекислый газ и водяной пар. На это потребовался примерно один миллиард лет. Это менее четверти всего возраста Земли.

Нелишне напомнить, как все это происходило.

Долгое время считалось, что Земля в свое время была полностью расплавленной. Но сейчас ученые уверены, что этого никогда не было, поскольку никаких следов этого не обнаружено. Следами должны были бы быть мощные древнейшие отложения карбонатных осадков, которые должны были выпадать из атмосферы. Кроме того, из раскаленной атмосферы расплавленной Земли должны были улетучиться благородные газы. Но этого не произошло. Видимо, на то, чтобы расплавить Землю, не хватило тепла. Оно поступало за счет ударов метеоритов, а также за счет радиоактивного распада и движения вещества внутри планеты в вертикальном направлении. При этом более тяжелое вещество опускается вниз, к центру планеты, а более легкое всплывает вверх. При таком движении выделяется энергия, превращающаяся в тепло. Энергии всех этих источников хватило только для разогревания внутренней части Земли, а также для того, чтобы расплавить ее поверхностный слой. Из этого слоя, то есть из мантии Земли, вырывалась вулканическая лава. Она формировала земную кору. Первоначально образовавшаяся мантия была однородной. Но затем она постепенно стала разделяться на легкоплавкую и тугоплавкую части. Первая часть состояла в основном из базальтов, в которых были растворены газы и вода. Эта более легкая часть мантии поднималась вверх к поверхности Земли. Затем она через жерла вулканов и трещины разломов изливалась на поверхность. При этом выбрасывались газы и вода в виде пара. Из этих газов и воды затем образовались атмосфера Земли и Мировой океан.

Через вулканы и сейчас интенсивно выбрасывается вещество. В год выбрасывается 3·1015 граммов вещества. Это вещество и создало земную кору.

Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (СН4), аммиак (NH3), азот и другие газы. Из них и образовалась первичная атмосфера. Она кардинально отличалась от современной. Во-первых, она была очень тонкой. Во-вторых, у поверхности Земли ее температура была равна примерно 5 °C. В условиях такой (низкой) температуры водяной пар превращается в жидкую воду, и так постепенно образовался Мировой океан и вся гидросфера. В то же время появились снег и лед (то есть криосфера).

Ученые установили, что первичная атмосфера Земли состояла наполовину из метана, 35 % приходилось на углекислый газ и 11 % — на азот. Кроме того, она содержала пары воды и другие газы. Кислорода в то время в атмосфере вообще не было. В атмосферу вместе с вулканическими газами попадали кислые дымы. Это соединения водорода с хлором, фтором и бромом. Они растворялись в каплях воды, которая была в облаках, и выпадали в виде дождя слабых кислот на поверхность Земли. Такой же путь прошли соединения серы и аммиак. Появились кислотные ручьи и реки, текущие по базальтам. При этом из пород базальтов извлекались щелочные и щелочноземельные металлы. Это калий, натрий, кальций, магний и другие. Извлекалось и железо.

Процесс, как говорится, пошел, и масса атмосферы быстро увеличилась. Из атмосферы интенсивно вымывались хорошо растворимые и активные газы. И в ней стало увеличиваться содержание газов, которые обладают парниковым эффектом. Поэтому температура у поверхности Земли стала расти. Это способствовало увеличению облачного покрова и содержания пара в атмосфере. Под действием солнечного излучения из молекул воды на верхней границе атмосферы стал выделяться кислород. Стало возможным окисление активных газов атмосферы. Аммиак, метан и другие газы растворились в водах Мирового океана. В результате растворения в воде углекислого газа образовались бикарбонатные и карбонатные ионы. Они связывались с кальцием и, выпадая в осадок, образовывали слои карбонатов. Так значительная часть газообразного вещества, совершив кругооборот, вновь возвращалась к земной коре в виде отложений. Например, в земную кору вернулось 80 % углекислоты, которая из недр Земли поступала в атмосферу. Поэтому можно сказать, что земная кора формировалась и за счет взаимодействия океана и атмосферы.