Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

Поскольку 71 % Земли покрыт океаном, мы завершим перечисление, указав содержание элементов в морской воде: Водород (66 444 ppm), Кислород (32 945 ppm – примерно в соотношении 1:2 с Водородом, поскольку почти все их соединения представлены в виде H2O), Хлор (3400 ppm), Натрий (2100 ppm – хлорид натрия, NaCl – одна из солей в соленой воде), Магний (330 ppm – MgCl – еще одна соль), Сера (170 ppm), и все остальное меньше 100 ppm, в том числе и Углерод, на долю которого приходится всего 19 ppm. Повторим, что Углерод, «строительный блок жизни», – это четвертый по распространенности элемент во Вселенной, но, к сожалению, на поверхности Земли он довольно истощен.

Химические предшественники

Помимо того что физика всех атомов – их массы, изотопы, энергетические уровни электронов и так далее – одинакова во всем космосе, идентична и их химия (притяжение и отталкивание других атомов, сила связей и тому подобное). В сущности, мы обнаружили более 200 молекул в межзвездном пространстве и во внешней атмосфере звезд, более холодных, чем Солнце, причем самые крупные молекулы содержат до семидесяти атомов. Все эти молекулы встречаются и на Земле2. Большая их часть состоит из трех наиболее распространенных во Вселенной элементов, способных образовывать связи: это Водород, Кислород и Углерод. Более того, 75 % трех- и четырехатомных молекул содержат Углерод, как и почти все из восьмидесяти восьми более крупных молекул (кроме одной, исключение – SiH4). Многие молекулы, странствующие в космосе, распространены и на Земле, в том числе вода (H2O), формальдегид (H2CO), аммиак (NH3), этанол (CH3CH2OH), ацетон (C2H6CO) и мочевина (N2H4CO). Химически наша планета едина со Вселенной3.

Но, несмотря на все эти атомные и молекулярные сходства, на Земле есть кое-что уникальное, по крайней мере на данный момент. На ней есть жизнь.

Если исходный материал, как и способы сочетаний, везде одинаковы, то в чем же нюанс? Почему наша бледно-голубая точка – единственное место, где зародилась жизнь?

Мы, конечно, не уверены в своей «неповторимости». В Солнечной системе есть несколько близких к нашей планете мест, где возможно возникновение жизни: недра Марса, теплые соленые океаны под ледяными шапками Европы, спутника Юпитера, и Энцелада, спутника Сатурна или озера жидкого метана на Титане. Ни одно из них нам так до сих пор и не удалось тщательно исследовать.

Прошло всего двадцать пять лет с тех пор, как мы обнаружили, что наша Солнечная система не уникальна. У большинства из сотен миллиардов звезд в нашей Галактике есть свои планетные системы. К моменту выхода этой книги в печать подтверждено существование более 5000 планет, и каждый день открываются новые. Иногда новые миры очень похожи на Землю по размеру и плотности, а некоторые из них находятся на таких расстояниях от своих материнских звезд, что на них, как ожидается, будут преобладать температуры, подобные земным. Нам даже удалось распознать в атмосферах некоторых из этих планет воду и углекислый газ, хотя подробно изучить их очень сложно: вести наблюдение за планетой земного типа, вращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце, в окрестностях Солнца в сотне световых лет от нас – это как рассматривать лампочку на рождественской елке мощностью 0,5 Вт на фоне нью-йоркской Таймс-сквер, освещенность которой в двадцать раз больше, причем из Вашингтона, округ Колумбия. Найти микробов на такой планете мы сейчас не в силах, хотя, если их будет достаточно много, чтобы изменить состав атмосферы своей планеты, как это произошло на Земле, мы вполне можем совершить подобное открытие в ближайшее десятилетие.

Древнейшая жизнь

Впрочем, сейчас у нас только одна-единственная планета, на которой есть жизнь. Как быстро она возникла? И сколько времени потребовалось, чтобы появились существа, способные задать этот вопрос?

Как покажут наши атомные часы в главе 14, Земле 4,567 миллиарда лет. Из-за постоянного движения континентальных плит, которые сталкиваются, расходятся и меняют ландшафт, в наши дни на земной поверхности нет столь старых пород (по крайней мере среди обнаруженных – мы датируем образование Земли по возрасту метеоритов, о чем подробно рассказано в главе 15). Более того, самые древние кристаллы, найденные на Земле, – это цирконы (о них мы говорили в главе 12) из Западной Австралии. Как оказалось, возраст одного темно-фиолетового циркона диаметром всего 0,2 мм, установленный при помощи уран-свинцового датирования, составил 4,404 ± 0,008 миллиарда лет. Кроме того, в этом кристалле наблюдалось высокое соотношение 18O/16O, что позволило сделать вывод о наличии большого количества жидкой воды во время его формирования. Таким образом, менее чем через 170 миллионов лет после формирования планеты (на сегодняшний день это всего лишь 4 % ее жизни) у нас появились затвердевающая кора и океаны4.

Эти крошечные кристаллы циркона пережили разрушение горных пород, в которых образовались. Древнейшие цельные породы континентальной коры были найдены около десяти лет назад в северной части Квебека в Канаде. Установить их возраст нам помогли два редкоземельных элемента: Самарий (Sm) и Неодим (Nd). Самарий, 62-й элемент, имеет пять стабильных изотопов и два очень долгоживущих радиоактивных изотопа: 147Sm (t½ = 105 миллиардов лет) и 148Sm, который живет в 75 000 раз дольше (пока что он практически неотличим от стабильного). 147Sm претерпевает альфа-распад до 143Nd. С момента возникновения Солнечной системы распалось лишь 2,9 % этого изотопа, но этого достаточно, чтобы увеличить количество 143Nd в метеорах, обнаруженных сегодня, по сравнению с более молодыми земными породами, в которых Самарий присутствовал не так долго и, таким образом, произвел меньше Неодима. Определять возраст горных пород нам помогают «изохроны» – немного сложная процедура, которую мы объясним в главе 14, когда будем говорить о рождении Солнечной системы. Но применение этого радиоактивного хронометра к обнажениям магматических пород на севере Квебека дает возраст от 4,3 до 4,4 миллиарда лет. Они лишь немного моложе австралийских цирконов, и это также доказывает, что Земля уже тогда – спустя всего лишь 0,2 миллиарда лет после своего образования – была похожа на себя нынешнюю5.

Сколько времени потребовалось, чтобы появилась жизнь? Как и следовало ожидать, поиск древнейших свидетельств жизни порождает немало споров и конкурентных предположений. На момент выхода этой книги в печать самая старая из этих гипотез основана на анализе соотношения изотопов Углерода в графите, обнаруженном в старых горных породах на канадском острове Ньюфаундленд. Уран-свинцовое датирование цирконов в этом обнажении, трансформированном из осадочных пород, показывает, что их возраст составляет 3,95 миллиарда лет. Исследователи извлекли Углерод из карбонатных пород, а также из найденного в камнях графита, и обнаружили, что соотношение 13C/12C в карбонате более чем на 2,5 % превышает соотношение в графите (–0,26 % против –2,82 % по сравнению