Органические молекулы находят в регионах формирования звёзд, в остатках звёзд и в межзвёздном газе, по всему Млечному Пути. В принципе, ингредиенты скалистых планет и жизни на них могли появиться в нашей Вселенной достаточно быстро, и задолго до появления Земли
История о том, как Вселенная стала такой, какой мы видим её сегодня, от Большого взрыва до огромного пространства, заполненного скоплениями, галактиками, звёздами, планетами и жизнью, объединяет нас всех. С точки зрения жителей планеты Земля, до момента появления Солнца и Земли прошло 2/3 космической истории. Однако жизнь появилась на нашем мире настолько давно, насколько мы способны заглядывать в прошлое при помощи измерений – возможно, даже 4,4 млрд лет назад. Это заставляет задуматься: не появлялась ли жизнь во Вселенной раньше нашей планеты, и в принципе, насколько давно она могла появиться? Это хочет узнать наш читатель:
Как скоро после Большого взрыва могло накопиться достаточно тяжёлых элементов для формирования планет, и, возможно, жизни?
И даже если мы ограничимся тем типом жизни, который мы считаем «похожим на наш», ответ на этот вопрос отправит нас дальше в прошлое, чем вы могли бы себе представить.
Графитовые отложения, обнаруженные в цирконе, старейшие свидетельства наличия основанной на углероде жизни на Земле. Эти отложения и количество имеющегося в них углерода-12 датируют появление жизни на Земле сроком более 4 млрд лет назад.
Мы, конечно, не можем отправиться к самому началу Вселенной. После Большого взрыва не было не только звёзд или галактик, не было даже атомов. Всему нужно время на появление, и Вселенная, содержавшая после рождения море материи, антиматерии и излучения, начала существование с довольно однородного состояния. Самые плотные регионы были на малую долю процента – возможно, всего на 0,003% — плотнее среднего. Это значит, что потребуется огромный промежуток времени для работы гравитационного коллапса над созданием, например, планеты, которая в 1030 раз плотнее средней плотности Вселенной. И всё же, у Вселенной было столько времени, сколько необходимо, на появление всего этого.
Стандартная временная линейка истории Вселенной. Хотя Земля появилась лишь спустя 9,2 млрд лет после Большого взрыва, многие шаги, необходимые для создания мира, подобного нашему, произошли совсем рано
После первой секунды антиматерия аннигилировала с большей частью материи, и осталось немного протонов, нейтронов и электронов в море нейтрино и фотонов. Через 3-4 минуты протоны и нейтроны сформировали нейтральные атомные ядра, но почти всё это были изотопы водорода и гелия. И только когда Вселенная остыла до определённой температуры, на что ушло 380 000 лет, электроны смогли присоединиться к этим ядрам и впервые сформировать нейтральные атомы. И даже при наличии этих фундаментальных ингредиентов, жизнь – и даже скалистые планеты – пока были невозможны. Одними лишь атомами водорода и гелия не обойтись.
С охлаждением Вселенной появляются атомные ядра, а за ними, при дальнейшем охлаждении – нейтральные атомы. Однако, практически все эти атомы – это водород и гелий, и только спустя много миллионов лет назад начинают формироваться звёзды, в которых появляются тяжёлые элементы, необходимые для появления скалистых планет и жизни
Но гравитационный коллапс – это реальность, и, имея достаточно времени, он изменит вид Вселенной. Хотя сначала он идёт очень долго, он продолжается неустанно и набирает обороты. Чем плотнее становится регион космоса, тем лучше у него получается притягивать всё больше и больше материи. Участки, начинающие с наибольшей плотности, растут быстрее других, и наши симуляции показывают, что самые первые звёзды должны были сформироваться примерно через 50-100 лет после Большого взрыва. Эти звёзды должны были состоять исключительно из водорода и гелия, и могли вырастать до довольно больших масс: сотни или даже тысячи солнечных. А когда формируется настолько массивная звезда, она погибнет уже через один-два миллиона лет.
Но в момент смерти таких звёзд происходит нечто потрясающее – и всё благодаря их жизни. Все звёзды синтезируют в ядре гелий из водорода, но наиболее массивные не только синтезируют углерод из гелия – они переходят на синтез кислорода из углерода, неона/магния/кремния/серы из кислорода, а там всё дальше, и дальше, вперёд по периодической таблице элементов, до тех пор, пока не дойдут до железа, никеля и кобальта. После этого идти уже некуда, и ядро схлопывается, запуская взрыв сверхновой. Эти взрывы выбрасывают во Вселенную огромные количества тяжёлых элементов, порождая новые поколения звёзд и обогащая межзвёздное пространство. Внезапно тяжёлые элементы, включая ингредиенты, необходимые для появления скалистых планет и органических молекул, заполняют эти протогалактики.
Атомы связываются, формируя молекулы, включая органические молекулы и биологические процессы, как на планетах, так и в межзвёздном пространстве. Как только нужные тяжёлые элементы становятся доступными во Вселенной, формирование этих «семян жизни» оказывается неизбежным
Чем больше звёзды живут, сгорают и погибают, тем более обогащённым будет следующее поколение звёзд. Многие сверхновые создают нейтронные звёзды, а в слияниях нейтронных звёзд появляется наибольшее количество самых тяжёлых элементов периодической таблицы Менделеева. Увеличение доли тяжёлых элементов означает увеличение количества скалистых планет с большей плотностью, количества элементов, необходимых для известной нам жизни, и вероятности появления сложных органических молекул. Нам не надо, чтобы средняя звёздная система Вселенной была похожа на Солнечную систему; нам нужно лишь просто, чтобы несколько поколений звёзд прожили и погибли в наиболее плотном регионе пространства, чтобы воспроизвести условия, подходящие для появления скалистых планет и органических молекул.
В центре остатков сверхновой RCW 103 находится медленно вращающаяся нейтронная звезда, бывшая ранее массивной звездой, достигшей конца своей жизни. И хотя сверхновые способны отправлять синтезированные в ядре тяжёлые элементы обратно во Вселенную, именно последующие слияния нейтронных звёзд создают большую часть самых тяжёлых элементов.
К тому времени, когда Вселенной исполнился всего миллиард лет, наиболее удалённые объекты, изобилие тяжёлых элементов в которых поддаётся нашим измерениям, содержат много углерода: столько же, сколько его есть в нашей Солнечной системе. Достаточное количество других тяжёлых элементов набирается ещё быстрее; углероду, возможно, требуется больше времени до достижения большой концентрации потому, что он в основном появляется в звёздах, не превращающихся в сверхновые, а не в тех ультрамассивных звёздах, которые взрываются. Скалистым планетам углерод не нужен; сойдут и другие тяжёлые элементы. (А многие сверхновые создают фосфор; не нужно верить недавним сообщениям, которые совершенно неправильно преувеличивают его дефицит). Вполне вероятно, что всего лишь через несколько сотен миллионов лет после зажигания первых звёзд – к тому времени, когда Вселенной было от 300 до 500 млн лет – вокруг наиболее обогащённых звёзд уже формировались скалистые планеты.
Протопланетный диск вокруг молодой звезды, HL Тельца; фотография ALMA. Пропуски в диске говорят о наличии новых планет. Как только у диска будет достаточно тяжёлых элементов, в нём могут появиться скалистые планеты.
Если бы углерод не был необходим для жизни, в то же самое время в отдельных регионах космоса могли бы запуститься жизненные процессы. Но для жизни, похожей на нашу, нужен углерод, а это значит, что для хорошей вероятности появления жизни придётся ждать немного дольше. Хотя атомы углерода и будут попадаться, на набор достаточного его количества должно уйти 1 – 1,5 млрд лет: до тех пор, пока Вселенной не стукнет 10% от её текущего возраста, а не просто 3-4%, требующиеся лишь для появления скалистых планет. Интересно думать о том, что Вселенная сформировала планеты и все необходимые ингредиенты в нужном количестве для появления жизни, кроме углерода, и что для создания достаточного количества самого важного ингредиента жизни нужно подождать, пока самые массивные из солнцеподобных звёзд проживут и погибнут.
Остатки сверхновой (слева) и планетарная туманность (справа) – оба этих метода позволяют звёздам вернуть сгоревшие тяжёлые элементы обратно в межзвёздное пространство и использовать их для появления звёзд и планет следующего поколения. Солнцеподобные звёзды, после гибели которых остаётся планетарная туманность, являются главным источником углерода во Вселенной. На его производство уходит больше времени, поскольку звёзды, после гибели которых появляется планетарная туманность, живут дольше тех, что гибнут в виде сверхновых.
Экстраполяция в прошлое наиболее продвинутых форм жизни на Земле, появлявшихся в разные эпохи – это интересное упражнение. Оказывается, что увеличение сложности геномов подчиняется определённой тенденции. Если вернуться к отдельным спаренным основаниям, то получится срок, больше похожий на 9-10 млрд лет, чем 12-13 млрд лет назад. Показатель ли это того, что жизнь, существующая на Земле, появилась гораздо раньше самой Земли? И показатель ли это того, что жизнь могла начаться миллиарды лет назад, а в нашем участке космоса на то, чтобы начать, ушло несколько дополнительных миллиардов лет?
На этом полулогарифмическом графике сложность организмов, измеряемая длиной функциональной неизбыточной ДНК по отношению к геному, считаемой по спаренным основаниям нуклеотидов, линейно увеличивается со временем. Время отсчитывается назад в миллиардах лет от текущего момента
На текущий момент мы этого не знаем. Но мы не знаем и того, где проходит черта между жизнью и не жизнью. Мы также не знаем, началась ли земная жизнь тут, на раньше образовавшейся планете, или где-то в глубинах межзвёздного пространства, вообще без всяких планет.
Многие аминокислоты, не встречающиеся в природе, обнаружены в Мурчисонском метеорите, упавшем на Землю в Австралии в 1969-м. То, что в простом космическом камне существует более 80 уникальных типов аминокислот, может говорить о том, что ингредиенты для жизни, или даже сама жизнь, появились вообще не на планете.
Очень интересно, что сырые, элементарные ингредиенты, необходимые для жизни, появились вскоре после формирования первых звёзд, а самый важный ингредиент – углерод, четвёртый по распространённости элемент во Вселенной – является самым последним ингредиентом, достигшим необходимого нам количества. Скалистые планеты в некоторых местах появились гораздо раньше, чем могла появиться жизни: всего через полмиллиарда лет после Большого взрыва, или даже раньше. Но как только у нас есть достаточно углерода, через 1 – 1,5 млрд лет после Большого взрыва, становятся неизбежными все шаги, необходимые для появления органических молекул и начала движения по направлению к жизни. Какие бы жизненные процессы, приведшие к появлению человечества, ни происходили – насколько мы их понимаем, они могли начать свой путь уже тогда, когда Вселенной было в десять раз меньше, чем сейчас.
