Мысленное путешествие по экзопланетам в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и животных из миров со сверхвысокой гравитацией Smithsonian books Washington, DC Перевод: Павел Волков 2022-2023 гг. Изображения на первых разворотах глав взяты из иллюстраций НАСА и Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института. Посвящаем эту книгу всем, кто страдает рассеянным склерозом или болезнью Паркинсона. Не сдавайтесь. Предисловие Мы живем в золотой век научных открытий. Великие тайны, занимавшие учёных в прошлые века, уже раскрыты одна за другой. Сейчас мы понимаем, например, что Вселенная зародилась в горячем, плотном состоянии 13,8 миллиарда лет назад и с тех пор расширяется и охлаждается. Сейчас мы знаем, что жизнь основана на химии, и что химией жизни управляет молекула под названием ДНК. Мы понимаем, что сама поверхность нашей планеты меняет свой облик в ответ на бурное движение вещества глубоко у нас под ногами. Наше видение мира, а также нашего места в нём, становится всё более ясным и понятным. Тем не менее, глубокие и фундаментальные вопросы по-прежнему остаются. Среди них одним из старейших и глубочайших является тема данной книги. Проще говоря, это вопрос звучит так: одиноки ли мы во вселенной? Дело в том, что нам известна только одна форма жизни во вселенной — жизнь, которая развилась на нашей собственной планете. Но мы не знаем, была ли эта жизнь результатом самых обычных химических и физических процессов, или же то, что произошло на Земле, было своего рода статистической случайностью — случайной ошибкой природы. Наши мысли по данному вопросу в настоящее время претерпевают радикальные изменения, потому что в последнее десятилетие были открыты тысячи ранее неизвестных планет, которые вращаются вокруг звёзд, отличных от нашего собственного Солнца (или вообще не вращаются вокруг звезды). Сейчас мы понимаем, что наша Солнечная система — всего лишь одна из огромного числа таких систем в нашей галактике, и что Земля — всего лишь одна из многих миллиардов планет, которые могли бы поддерживать развитие жизни. Но развилась ли жизнь на этих планетах, и если да, то какого рода может быть эта жизнь? Единственные ли мы разумные существа в галактике? У нас есть достаточно хорошее представление о некоторых шагах, которые привели к появлению жизни на Земле, и очень чёткое понимание того, как эта жизнь эволюционировала до своего нынешнего разнообразия после появления первого примитивного микроба. Большая часть истории жизни на Земле зависит от особенностей той окружающей среды, в которой делались эти шаги — от специфических условий нашей собственной планеты. И здесь возникает наш вопрос: как эти шаги пройдут в тех радикально отличных природных условиях, которые мы видим на экзопланетах? Будет ли жизнь развиваться там так же, как на Земле? Будет ли она развиваться иначе? Насколько сильно она может отличаться от нас? Какие виды жизни мы можем представить себе в свежеоткрытом царстве экзопланет? Очевидно, что для решения подобных вопросов следует в значительной степени задействовать образное мышление. Тем не менее, существуют некоторые основополагающие законы природы, которые действуют во всей вселенной, и эти законы накладывают ограничения (хотя и довольно великодушные) на наши рассуждения о жизни в иных местах вселенной. Поскольку мы, авторы, являемся профессорами физики (Дж. Т.) и астрономии (М. С.) соответственно, далее по тексту книги мы аккуратно соблюдали эти ограничения. И всё равно самым удивительным будет количество разительно отличных друг от друга сценариев, которые могут разыгрываться в нашем воображении даже в рамках тех ограничений, которые устанавливают эти законы. В первых пяти главах этой книги мы описываем базовые методики, которыми мы руководствуемся в ходе наших исследований природы жизни в целом. Мы рассмотрим сложную проблему определения того, что мы считаем жизнью (глава 3), а далее последует обсуждение правил игры в происхождение и эволюцию жизни (глава 4). Затем в главе 5 мы начнём рассмотрение довольно сложной задачи, с которой сталкиваются учёные, когда пытаются обнаружить присутствие жизни на далёкой планете. С этого момента мы переходим в режим, который потребует немало воображения, а также некоторых знаний в области фундаментальных наук. Мы взглянем на типичные экзопланеты и попытаемся понять, как основные правила, регулирующие развитие жизни, будут действовать в природной среде каждой из них. Мы зададимся вопросом о том, как, где и какие разновидности жизни могут развиться в этих экзо-мирах, а затем поразмышляем о том, как там может возникнуть развитая технологическая цивилизация. В конце глав этой части книги вы встретите диалоговые разделы под названием «Майк и Джим» (имена, выбранные нами по очевидным причинам). В каждом из них мы представляем, что в мире, который мы только что описали, развились не только живые существа, но и сложные технологии. В каждом диалоге приводятся шуточные аргументы, при помощи которых мы пытаемся доказать (и опровергнуть) утверждение о том, что вариант жизни на экзопланете, которую мы только что посетили, должен быть единственным вариантом жизни, который только может существовать во Вселенной. Это упражнение — дань уважения великому писателю-фантасту Айзеку Азимову и написанной им в 1941 году повести «Приход ночи», действие которой разворачивается на воображаемой планете в системе из шести звёзд. В какой-то момент истории группа астрономов изучает возможность вращения планеты вокруг одиночной звезды и приходит к выводу о том, что жизнь в такой среде была бы невозможной — ведь половину времени там было бы темно! Аналогичным образом диалоги «Майк и Джим» можно рассматривать как призывы к открытости мышления, когда речь идёт о возможностях жизни в иных местах Вселенной. Во время путешествия по экзопланетам мы в первую очередь уделяем внимание жизни, «похожей на нас», то есть, такой жизни, какова она на нашей планете — основанной на химии молекул, содержащих атомы углерода. Однако в главе 15 мы расширим наш поиск. Вначале мы рассмотрим то, что мы называем «жизнью, не похожей на нас», то есть жизнь, которая по-прежнему основана на химии, но не обязательно на химии углеродсодержащих молекул. Наконец, в главе 16 мы снимаем все ограничения и представляем то, что мы называем «жизнью, совершенно не похожей на нас», то есть жизнь, которая вообще не основана на химии. Мы обнаруживаем, что по мере нашего полёта всё дальше и дальше от знакомого нам мира, и по мере того, как научные основы нашей дискуссии становятся всё более и более шаткими, нам приходится всё больше и больше обращаться к сценариям, которые можно было бы позаимствовать из научной фантастики. — Прежде чем продолжить, мы должны сказать пару слов о том, какими единицами измерения мы пользуемся. Когда мы приводим цифры, наша цель — дать читателю общее представление о размерах обсуждаемых объектов (планет, звёзд и т.д.). Соответственно, мы представляем все веса и меры в английской системе мер, а за ними в скобках указывается их приблизительный эквивалент в единицах метрической системы. Прежде чем начать путешествие за пределы земной атмосферы, мы также должны сказать несколько слов благодарности. В любом проекте вроде этого авторы полагаются на советы друзей и коллег. Сделав стандартную оговорку насчёт того, что любые ошибки, которые остались в книге, лежат исключительно на совести авторов, мы особенно благодарны докторам Джеффу Ньюмейеру и Ванде О’Брайен-Трефил за их неоценимую помощь во время написания этой книги. 1 НЕОЖИДАННАЯ ГАЛАКТИКА Похоже, что мы ежедневно открываем для себя во Вселенной нечто новое и восхитительное. Астрономы находят новые планеты (а также целые новые планетные системы) с такой скоростью, что за новостями сложно поспевать. Средства массовой информации полны историй о новых планетах, новых особенностях нашего собственного мира и новых способах удивлять нас, чем наша вселенная продолжает заниматься. Мы хотели бы поднять это восхищение на ступень выше, попросив вас поразмышлять над тем, какого рода живые существа могут быть нашими соседями по галактике и по вселенной. Мы хотим, чтобы вы представили себе, кто ещё, помимо нас самих и известных нам растений и животных, может населять те новые миры, которые наши учёные открывают с головокружительной скоростью. Чтобы помочь вам начать, давайте немного позанимаемся арифметикой. Занимаясь математикой Мы живём в галактике, где планет больше, чем звёзд. Это утверждение вряд ли вызовет у вас удивление, пока вы не осознаете, что в нашей родной галактике, Млечном Пути, насчитывается около 300 миллиардов звёзд. Это 300 000 000 000 звёзд, и нулей здесь ужасно много. Наше собственное Солнце, всего лишь одна из этих звёзд, содержит в своей системе более 100 планет, лун и крупных астероидов. Каждый объект из этой коллекции обладает уникальными признаками, и многие из них представляют собой потенциальные дома для жизни. Если такая ситуация типична для других звёзд, то в галактике должно находиться 30 триллионов таких объектов — такое число можно встретить лишь в астрономии и в расчётах государственного долга. Из этих возможных 30 триллионов объектов мы пока идентифицировали менее 4000 — ничтожную долю того, что есть на самом деле. Тем не менее, как говорится в нашей книге «Экзопланеты» ("Exoplanets”, Smithsonian Books, 2017), в эту ничтожную долю попадают миры, разнообразие которых просто поражает воображение. Есть миры, которые вращаются внутри атмосферы своей звезды, миры, покрытые водой, миры, блуждающие в холодном космосе и лишённые звезды, которая сияла бы на их небе. Мы можем лишь стоять в благоговейном ожидании того, что ещё обнаружится во вселенной, когда с течением времени наши приборы станут лучше и точнее. Но цифры говорят нам нечто иное. Если хотите, создайте в своём воображении странный мир — возможно, мир, совершенно не похожий ни на один из тех, что мы нашли на данный момент. Возможно, в вашем воображаемом мире будет высокая концентрация редкого элемента — например, иттербия. Может быть, это будет луна блуждающей планеты, вечно дрейфующей во тьме космоса. Или, может быть, он похож на Землю, и жизнь кишит на его суше и в океанах на его поверхности. Предположим далее, что ваш воображаемый мир действительно маловероятен — возможно, его плотность меньше, чем у воды, или он сделан из твёрдого железа. Предположим, что шансы против того, что ваша планета хотя бы просто сформируется, составляют миллион к одному (для справки, это примерно равно вероятности того, что в этом году в вас ударит молния). Даже при таких низких шансах на существование вашего мира вы можете расчитывать на то, что в одной только нашей галактике вы найдете примерно 10 миллионов таких миров. Убавьте шансы существования вашего мира до триллиона к одному, и количество планет, подобных вашей необычной, упадет «всего лишь» до 10 000. Ваш воображаемый мир может быть сколь угодно странным, однако, если он не противоречит законам физики и химии, нечто подобное, вероятно, действительно существует — с учётом огромного количества планет в галактике. Фактически, мы можем превратить предыдущее предложение в руководящий принцип для нашей беседы: Если вы можете представить себе мир, который соответствует законам физики, то есть большая вероятность того, что он уже существует где-то в нашей галактике. Если приведённые выше цифры недостаточно впечатляют, просто помните, что во Вселенной существуют миллиарды галактик, подобных нашей, и в каждой из них предположительно найдётся по столько же планет. Что это расскажет нам о жизни? В свете невероятного разнообразия планет мы должны ожидать найти аналогичный, или даже ещё более высокий уровень разнообразия и изменчивости у жизни, которая также может существовать в этих мирах. Это создаёт нам проблему, потому что нам знакома лишь одна форма жизни: жизнь, которая «похожа на нас», то есть, основанная на химии углеродсодержащих молекул и требующая наличия жидкой воды. Всё биоразнообразие Земли, в сущности, является результатом единственного «эксперимента», проведённого всего лишь в одной из бесчисленных лабораторий Вселенной, и в силу этого обстоятельства наша планета даёт нам очень мало конкретных указаний в размышлениях о той огромной сложности, которую мы ожидаем найти в Млечном Пути. Но пока это всё, что у нас есть, и поэтому нам придётся использовать наши ограниченные знания с максимальной отдачей. Мы начнем исследование форм, которые может принимать жизнь в галактике, со знакомства с тем, что мы называем правилами игры: это те основополагающие принципы, которые сделали жизнь на Земле такой, какая она есть. Мы утверждаем, что важнейший среди этих принципов, эволюция под действием естественного отбора, должен действовать практически во всех остальных природных средах в галактике. Второй великий принцип — то, что жизнь основана на химии атомов углерода — вероятно, менее универсален. Тем не менее, мы будем придерживаться углеродной химии так долго, как сможем, поскольку знакомое легче понять. Соответственно, мы разбиваем наше обсуждение возможной жизни на три категории, указанные в предисловии: жизнь, похожая на нас; жизнь, не похожая на нас, и жизнь, совершенно не похожая на нас. По очевидным причинам мы начнём с того, что уделим значительную часть нашего внимания первой категории. Определив основные правила для нашего исследования возможности существования жизни, похожей на нас, мы рассмотрим, во что они могут вылиться в разнообразных типах природных условий на экзопланетах: • Планета Златовласки: похожая на Землю планета, расположенная на таком расстоянии от своей звезды, которое позволяет ей обладать океанами жидкой воды на своей поверхности на протяжении длительных периодов времени. Такая планета — самый простой случай для анализа, потому что мы уже обладаем хорошими знаниями об одной планете Златовласки — о самой Земле. Многие из экзопланет, которые мелькали в последнее время в новостях, вроде той, что вращается вокруг Проксимы Центавра (это звезда, являющаяся нашим ближайшим соседом), и трёх членов семьи из целых семи планет, вращающихся вокруг звезды TRAPPIST-1, представляют собой планеты Златовласки — все они находятся на нужном расстоянии от центральной звезды, поэтому вода на их поверхности остаётся жидкой. • Мир с подповерхностным океаном: планета, на которой океаны жидкой воды ограничены снизу твёрдой породой, а сверху — льдом. Мы знаем о подобных мирах в нашей собственной солнечной системе: у планеты Плутон (см. «Лингвистическое отступление» в главе 7) и нескольких спутников внешних планет есть подповерхностные океаны. • Планета-сирота: планета, которая была выброшена из своей родной солнечной системы и теперь блуждает в космосе, не привязанная к звезде. Таким сиротам не обязательно быть замёрзшим, безжизненным местом, поскольку они могут обладать всеми теми внутренними источниками тепла, которые доступны другим планетам, и отсутствие света не окажет никакого влияния на тепло от этих источников. • Водный мир: планета, на которой вообще нет суши. В таких условиях главной особенностью окружающей среды являются чётко разграниченные слои, находящиеся в водах планеты на разных глубинах. В океанах Земли эти слои создаются массивами воды с разной температурой и солёностью, но на экзопланетах могут существовать и другие факторы (например, давление). Мы рассмотрим увлекательную возможность того, что в разных слоях водных миров может эволюционировать жизнь различного рода, и это наводит на мысль о поистине удивительных сценариях. Если хотите, представьте себе межслоевую войну, во время которой существа с верхнего уровня сбрасывают подводный эквивалент бомб на существ с нижнего уровня, а нижний уровень отвечает на это, посылая вверх пузыри. • Мир в приливном захвате: планета, которая всегда обращена к своей звезде одной и той же стороной подобно тому, как Луна всегда смотрит на Землю одним и тем же боком. Считается, что к этому типу относятся многие из открытых нами миров, вроде планет звезды TRAPPIST-1. Их отличительная особенность состоит в том, что одна сторона всегда невероятно жаркая, тогда как другая вечно заморожена. Жизнь может существовать лишь в узкой переходной зоне между этими крайностями, и важной дополнительной особенностью этих планет являются свирепые ветры, которые переносят тепло со стороны, обращённой к звезде, на сторону, направленную в космос. • Суперземля: каменистая планета, которая по размерам стоит между Землёй и Нептуном. Похоже, в космосе их очень много, и наша Солнечная система может оказаться довольно необычной из-за того, что в ней их нет. Принимая во внимание их массу, главной особенностью природной среды на этих планетах является их сильная гравитация. Если живые существа в этих мирах остаются жить в океанах, супергравитация не будет проблемой, но если они переселятся на сушу, им придётся в процессе эволюции разработать стратегию решения этой проблемы. На Земле, где гравитация более умеренная, в процессе эволюции возникло множество стратегий, разных для различных форм жизни: сосудистые системы у растений, наружные скелеты у насекомых, внутренние скелеты у млекопитающих. Какие стратегии породила бы эволюция, если бы гравитация Земли была вдвое больше, чем сейчас? А если в десять раз? А если бы вид рептилий адаптировался, приобретя в процессе эволюции плавательный пузырь, как это сделали рыбы, чтобы двигаться в толще воды, то смог бы он в итоге превратиться в летающих драконов, способных парить в плотной атмосфере планеты?