Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

Солнечная система характеризуется многими особенностями, отличающими её от других выявленных планетных систем Млечного пути. Очень важной особенностью является присутствие четырех каменистых планет в зоне обитаемости планетной системы[7] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) или вблизи неё, а также существование массивного Юпитера на значительном расстоянии от Солнца, который существенно менял свою орбиту на протяжении истории планетной системы. Наличие и эволюция Юпитера стали одними из решающих факторов формирования Земли в зоне обитаемости планетной системы.

В зоне галактической обитаемости находятся много звездных систем, но условия на планетах этих систем значительно отличаются от солнечной системы. Потому, что многие звезды не сформировали вокруг себя зоны обитания. Например, самые распространенные звезды в Галактике, да и во всей Вселенной – красные карлики, практически не имеют планет. Довольно много экзопланет вращаются вокруг двойных звезд, что отличает эти звездные системы от Солнечной. Как правило, экзопланеты расположены очень близко от своих звезд, т. е. даже ближе, чем Меркурий находится от Солнца. На поверхности Меркурия температура достигает 430°C. В таких условиях не может быть речи о жидкой воде. Большинство из выявленных экзопланет является газовыми гигантами, похожими на Юпитер или ледяными планетами, т. е. не пригодными для обитания. Правда, по мере совершенствования методов обнаружения экзопланет доля планет похожих на Землю, скорее всего, будет возрастать. В настоящее время ученые прогнозируют в нашей Галактике около 300 миллионов экзопланет в зонах с благоприятными условиями для существования жидкой воды, а, следовательно, для зарождения жизни. Однако не только температурные условия определяют жизненный потенциал той или иной планеты, но и многие другие факторы. Эволюция Земли показала, что жизнь – весьма устойчивая природная форма, но, в то же время, очень зависимая от многих условий окружающей среды.

Время и место возникновения Солнечной развилки эволюции Галактики определилось приблизительно через 8,7 млрд. лет после Большого взрыва, т. е. около 5 млрд. л.н., когда сформировалось массивное, плотное газопылевое облако в Галактической нити Персея-Пегаса. Более точный адрес места формирования Солнечной системы: комплекс сверхскоплений Рыб-Кита, местная группа галактик, галактика Млечный Путь, рукав Ориона. Это облако массой около 10 масс Солнц состояло из молекул водорода и гелия, а также небольшой доли тяжелых элементов. Около 4,6 млрд. л.н. это массивное протосолнечное скопление молекулярной пыли и газа, вращающееся и летящее в галактическом пространстве, подверглось воздействию ударной волны от вспыхнувшей неподалеку сверхновой звезды под названием Матернитэ. Всё облако получило дополнительный импульс для уплотнения и подверглось гравитационному коллапсу (резкому сжатию). Взрыв сверхновой звезды не только явился триггером для начала формирования Солнечной системы, но внедрил в облако комплекс своих тяжелых и сверхтяжелых химических элементов, без которых Земля либо вовсе не образовалась бы, либо имела иной состав, не благоприятный для зарождения и эволюции жизни. Важнейшим вкладом сверхновой звезды в состав будущей Солнечной системы явился, прежде всего, набор сверхтяжелых элементов от кобальта до урана. Эти весьма тяжелые атомы наряду с полным комплексом химических элементов от водорода до железа были задействованы в конструировании нашей звездно-планетной системы и в процессе создания бесчисленного мира живых организмов на Земле.

Газопылевое протосолнечное облако представляло собой, по существу, пространство, заполненное двухатомными молекулами водорода (73 % – H2) и одноатомными молекулами гелия (25 % – Не). Доля всех тяжелых элементов составляла лишь 2 %. Самыми распространенными тяжелыми элементами являлись: кислород, углерод, неон, азот, железо, магний, кремний, сера, аргон, алюминий, никель, натрий и кальций. Все остальные элементы таблицы Менделеева присутствовали в газопылевом облаке в очень малых количествах. Среди газообразных молекул лишь изредка встречались тяжёлые химические элементы в форме различных микроскопических пылеобразных минеральных соединений. Пылевые гранулы состояли преимущественно из смеси разных силикатов (H2SiO3, Na2SiO3, H4SiO4 и др.[8]), графита (C) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которые, по одной из гипотез, занимают определявшее место в происхождении жизни (в создании цепочки РНК). Многие минералы сформировались уже в протосолнечном газопылевом диске, но определенная часть соединений была создана ещё в межзвездном пространстве в результате деятельности и гибели звезд первого и второго поколений. В межзвездном космосе атомы и молекулы движутся на значительном удалении друг от друга. В период долговременного одиночного путешествия они заряжаются большой энергией за счет поглощения электромагнитного излучения (фотонов – света). Поэтому при встрече такие, «высокоэнергетичные» молекулы были способными образовать экзотические соединения, которые не могут возникнуть в земных условиях. Продолжительная деятельность природной Галактической химической лаборатории обеспечила будущую Солнечную систему не только полным набором атомов, но также многими соединениями разной сложности, которые направили эволюцию Земле по траектории к зарождению и развитию жизни.

Например, в протосолнечное облако попали такие собранные из межзвездного пространства, тугоплавкие минералы ранних звезд, как: алмаз (С)[9], лонсдейлит (одна из полиморфных модификаций углерода), карбид кремния (соединение кремния с углеродом – SiC). Кроме того: нитрид кремния (кремний с азотом – Si3N4), оксиды алюминия (корунд – Al2O3) и титана (Ti3O), оливин (MgFeSiO4), пироксен ((Mg, Fe, Ca) Si2O6), полевой шпат ((K, Na) AlSi3O8). В планетеземали, содержащих эти минералы, присутствовали также примеси фосфатов кальция (Ca SO4), сульфида железа (FeS), самородных железа и никеля. Кроме того, исходное вещество для Солнечной системы было обогащено такими молекулами, как: вода (H2O), монооксид углерода (CO) и циановодород – бесцветный, очень ядовитый газ (HCN) и другими. Особое внимание обратим на недавно открытое в нашей и соседней галактике, весьма интересное соединение – Фуллерен – молекула в форме полого выпуклого многогранника из шестидесяти и более атомов углерода. Эта комбинация атомов в газообразной и твёрдой фазе напоминает покрышку футбольного мяча. Вполне возможно, что фуллерены участвовали в формировании пребиотических предков первых живых организмов. Ведь они обладают весьма прочной и долговечной конструкцией и способны транспортировать сложные органические молекулы.

Природа экспериментальным путем выбрала углерод для формирования живых существ потому, что только этот элемент способен формировать неисчислимое разнообразие молекул с крупнейшими размерами. Уже в протопланетном диске Солнечной системы образовалось значительное количество таких сложных[10] молекул, как: 1- муравьиная кислота (CH2O2), которую земные формы жизни активно используют для синтеза более сложных карбоновых кислот; 2- метанол (CH4O – простейший одноатомный спирт) и 3- формальдегид (CH2O – бесцветный органический газ). Наличие сложных углеводородов вне Земли показывает, что неживая и живая природа находятся в тесном единстве. Периодическая химия создала предпосылки для появления биотической химии. Конечно, для протекания химических реакций, создавших живые объекты, необходимы особые условия, возникновение которых потребовало от природы реализовать множество самых разных вариантов эволюции природы. Например, Земной маршрут эволюции природы характеризуется неустойчивостью большинства космических органических соединений. Особые геологические и геохимические условия на нашей планете преобразовали органические вещества космического происхождения и создали углеродные агрегаты, специфичные только для Земли. На Земле эволюция природы привела к зарождению жизни и её развитию до человека современного типа благодаря последовательному выстраиванию череды множества эволюционных поворотов (развилок). Читателю предоставлена возможность ознакомиться с 47 главными развилками эволюции природы, приведшими к возникновению разумной формы материи.

Сжатие вращающегося газопылевого облака преобразовало его в диск, в котором сформировался центральный быстро крутящийся и уплотняющийся сгусток вещества – протозвезда. Мощное поле гравитации протозвезды стянуло на нее почти всю массу-энергию протосолнечной системы. Считается, что около 99,8 % массы химических элементов всего диска сконцентрировалось в прото-Солнце. Планеты и спутники Солнечной системы образовались из остатков вещества.

Вещество центральной протозвезды в течение приблизительно одного миллиона лет сжалось до такой степени, при которой произошел гравитационный коллапс[11]. В результате катастрофического сжатия в недрах протозвезды возникли термоядерные реакции синтеза гелия из водорода с выделением огромной энергии. Начало излучения этой энергии, сравнимое с взрывом неимоверно мощной водородной бомбы, означало возникновение нашего Солнца. Для нашей Галактики образование новой звезды 4,571 (4,568[12]) млрд. л.н. явилось всего лишь очередным вариантом в череде великого множества других «проб» создания разных звездных систем. Вспышка Солнца продолжила маршрут эволюции природы по направлению к появлению планеты Земля и возникновению человечества. Назовем начало образования Солнечной системы Солнечной развилкой эволюции Галактики на пути к человеку разумному. По подсчетам ученых, Солнце является представителем третьего поколения звезд от момента Большого взрыва, о чем уже отмечалось выше. Напомним, что предшествующие поколения звезд готовили тяжелые элементы в разнообразии и количествах, необходимых для возникновения в определенном месте Вселенной Земли, способной родить и развить жизнь до человека.

На разном удалении от вспыхнувшего Солнца создались отличающиеся температурные, радиационные и прочие условия, что обусловливало зональное образование специфических новых минералов и такое же распределение ранее прибывших соединений. Соответственно, планетеземали – исходные компоненты планет, сформированные на разном удалении от Солнца, различались как фазовым, так и химическим составом. Остатки вещества в протопланетном диске, после сбора протозвездой всего газа и пыли в её ближайшем окружении, сгруппировались во множество слоев-колец. Причем вещество колец, расположенных ближе к Солнцу, значительно прогревалось, что приводило к дегазации пылинок. Значительная часть газа отсюда выдавливалась звездным излучением в периферийную область протопланетного диска. Поэтому в составе ближайших к Солнцу газопылевых колец доля пыли значительно превышала газовую составляющую. Такая обогащенность тяжелыми минеральными частицами внутренней области диска обусловила формирование четырех твердых планет земной группы вблизи Солнца (Меркурий, Венера, Земля, Марс). В этой области кислород (O), кремний (Si) и натрий (Na) объединились в многочисленные пылинки минералов, называемых безводными силикатами (например, Na2SiO3 и др.). Силикаты послужат основой горных пород, из которых состоит земная кора. Образованные здесь углистые хондриты (графит, сажа, органические соединения и др.) содержали воду в значительных количествах, а также заключали силикаты с большой долей железа (прежде всего, оксида железа – магнетита – Fe3O4). Во внутренней области протопланетного диска были сосредоточены многие органические вещества, например, цианоацетилен (HC3N), ацетонитрил (CH3CN), циклопропенилиден (c-C3H2) и другие, вплоть до аминокислот, а также вышеупомянутые ПАУ. В этой области проявилось неполное окисление железа. Вещество более удаленных от Солнца газопылевых колец оказались более окисленным. Конечно, весь этот, достаточно обширный перечень химических соединений представлял очень малую долю в протосолнечном облаке. Всё же, даже такое небольшое количество разнообразных веществ обеспечило формирование Земли с её уникальным составом и со всеми живыми организмами на ней.

В слоях-кольцах, удаленных от Солнца, было очень холодно, что привело к намерзанию газа на пылинках. Этот газ, наряду с большим объемом выдавленного водорода и гелия из окружения Солнца, создали условия для формирования здесь планет иного типа – газовых гигантов (Юпитер, Сатурн).

Тепло от Солнца прогрело вещество протопланетного диска. Для каждого кольца были характерны свои температуры, зависящие от удаления их от звезды. Вещество колец, прогретых свыше 2 000°C, испарилось и переместилось на более удаленные орбиты. На удалении более 8 млн. км от Солнца пониженные температуры позволили металлам и минералам затвердеть, но вода и ряд других веществ находились в жидком или газообразном состоянии. Эта внутренняя часть Солнечной системы простирается до «линии снега», границы, за которой вода, метан и аммиак существуют в твердой фазе – форме льда. Эти соединения водорода являются самыми распространенными веществами Солнечной системы, особенно вода.

Молекулы газа, пылинки, кристаллы льда в кольцах вокруг Солнца постепенно притягивались друг к другу, образуя каменные обломки и куски льда. По мере вращения по своим орбитам вокруг Солнца более крупные тела притягивали мелкие, превращаясь в каменные или ледяные глыбы размером приблизительно от 1 до 1,5 км – планетеземали. Через несколько миллионов лет из планетеземалей сформировались протопланеты – основа будущих планет. Довольно хаотичное движение протопланет приводило их к частому столкновению, в процессе которого одни разрушались, а другие наращивали массу.

Первой планетой Солнечной системы стал газовый гигант Юпитер приблизительно 4,55 млрд. лет назад. Юпитер по химическому составу очень сходен с Солнцем. Этой огромной планете не хватило совсем немного массы для того, чтобы зажечь термоядерную реакцию в ядре и превратиться в звезду подобную Солнцу. Если бы в распоряжении Юпитера оказалось чуть больше исходного газопылевого материала, то на месте этой планеты вспыхнула бы вторая звезда в нашей Солнечной системе. Впрочем, в таком случае эта двойная звездная система не была бы нашей, так как высокая температура на Земле испарила бы всю воду, и не было бы человека на ней. Вокруг Юпитера подобно звездной системе вращается 79 спутников, среди которых – такая интересная минипланета, как Европа, под ледяной оболочкой которой расположен океан жидкой воды. Юпитер образовался на достаточно удаленном расстоянии от Солнца. Сначала скомпоновалась суперземля – каменная планета массой превышающей нескольких масс Земли. Огромная масса твердой протопланеты притянула к себе все ближайшие протопланеты и весь газ, окружающий её орбиту в пределах своего слоя-кольца. В конечном счете, Юпитер расчистил от протопланетного вещества широченное кольцо в диске Солнечной системы. Возникла замерзшая гигантская газовая планета, внешние оболочки которой представлены в основном молекулярным и металлическим водородом, а ядро сложено тяжелыми элементами, вероятно, в плазменном состоянии.

Немного позже шло формирование соседней планеты Сатурн, которая собрала все вещество с обширного пространства, прилегающего к её орбите. Получился второй по величине замерзший газовый, преимущественно водородный гигант в Солнечной системе. Эти два планетных монстра вобрали в себя 92 % вещества, оставшегося после образования Солнца. В периферийной области диска Солнечной системы образовались две другие холодные планеты меньшего размера – Уран и Нептун, состоящие преимущественно из водорода, гелия и метана. Внешние планеты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун состоят из водорода, гелия, метана, аммиака и других газов. Кроме того, в их атмосферах содержатся сложные молекулы. Предполагается существование твердого ядра у этих планет.

Внутренняя часть протопланетного диска оказалась значительно беднее газом, чем внешняя зона. Поэтому здесь образовались каменно-металлические планеты: Меркурий, Венера, Земля, Тея и Марс. Поверхностные слои планет земного типа (включая Луну) образованы твердыми силикатными, алюмосиликатными, карбонатными и другими минералами. Внутри этих планет находится ядро из более тяжелых пород, содержащих элементы с большой атомной массой. Меркурий содержит ферромагнитное ядро и обладает сильным магнитным полем. Общее количество металлического железа, по некоторым данным, в Меркурии составляет около 58 %. Венера и Марс, как и Земля, имеют железные ядра. На Венере много карбонатов, термическое разложение которых привело к накоплению диоксида углерода в атмосфере этой планеты. Размеры этих планет получились довольно скромными по сравнению с газовыми гигантами внешней части системы, поскольку для их формирования в ближних к Солнцу протопланетных кольцах осталось совсем немного вещества. Для завершения формирования внутренних планет потребовалось в десять раз больше времени, чем для образования внешних планет. Только приблизительно через 75 миллионов лет после образования Солнца завершилось строительство Солнечной системы. Однако эволюция системы почти сразу приняла революционный характер. Планета Тея, мчащаяся вокруг Солнца по орбите очень близкой к Земному пути, в конечном счете, столкнулась с более массивной Землей. Из обломков Теи и вырванной части Земли около 4,48 миллиарда л.н. образовался спутник Земли – Луна. После появления Луны Земля приобрела самую надежную стабильность среди всех внутренних планет (земного типа).

Осталось не собранным в планету множество астероидов на орбите между Марсом и Юпитером. Произошло это по той причине, что сильная гравитация Юпитера перемешивает, сталкивает астероиды, не позволяя им собраться в одно космическое тело. За орбитой Нептуна расположено еще одно кольцо астероидов – пояс Койпера. В этом поясе огромное количество каменных обломков и ледяных глыб расположены на большом расстоянии друг от друга, что исключает их аккрецию (соединение) в планету.

На внешней, гравитационной границе Солнечной системы расположена гипотетическая сферическая область – облако Оорта – остаток исходного протопланетного диска, который сформировался вокруг Солнца около 4,6 миллиарда л.н. Объекты облака Оорта состоят преимущественно из водяных, аммиачных и метановых льдов. Они вращаются вокруг Солнца по очень вытянутым эллиптическим или параболическим орбитам и служат источником долгопериодических комет.

Через 50 миллионов лет после образования Солнечной системы Юпитер вошел в резонанс с Сатурном, что привело к мощному гравитационному катастрофическому событию – смене орбит многих планет. Тяжелее всего пришлось Нептуну и Урану, которым пришлось поменять орбиты. В результате этого гравитационного воздействия основная масса космических тел из пояса астероидов и пояса Койпера вылетели из своих орбит за пределы Солнечной системы, но часть их устремилась во внутренние части системы. Земля, Луна, Меркурий, Венера и Марс в период от 4,1 до 3,8 миллиарда л.н. практически непрерывно подвергались мощным атакам метеоритов и астероидов различной величины[13]. Этот катастрофический период эволюции Солнечной системы назвали поздней тяжелой бомбардировкой, максимум которой случился приблизительно 3,9 млрд. л.н. В результате на Землю дополнительно поступило много минерального материала и воды. Поздняя бомбардировка значительно перепахала поверхность Земли, испарила миллионы тонн воды, способствовала повышению влажности атмосферы и скорости перемещения воздушных и водных масс.

Солнечная система несётся сквозь Млечный путь по круговой орбите на расстоянии 26 тысяч световых лет от центра со скоростью приблизительно 230 км/с. Путь Солнечной системы, а значит и Земли, вокруг центра Галактики составляет около 230 миллиона лет. Таким образом, наша планетная система за время своего существования совершила около 20 оборотов вокруг Стрельца А – высокоплотного объекта, сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного пути. Под влиянием гравитации центрального галактического балджа движение Солнца по орбите имеет волнообразный характер, благодаря которому Солнце периодически оказывается то с одно, то с другой стороны галактической плоскости. Каждые приблизительно 29–30 миллионов лет Солнечная система пересекает галактическую плоскость. Наша планетная системы в каждом положении орбиты испытывает определенное воздействие окружающих космических тел, которое вызывает какие-то реакции Солнца, планет и других объектов. Например, предполагают, что в определенном, повторяющемся положении системы в Галактике, облако Оорта повышает частоту «обстрела» кометами Земли. Встречи комет с Землей могли стать спусковыми моментами череды глобальных планетарных событий, обусловливающих массовые вымирания живых организмов. Немало научных трудов свидетельствуют о высокой вероятности влияния галактических факторов на ход эволюции земных живых организмов. Понятно, что в ином галактическом положении наша планета была бы иной. Земля движется по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км в секунду. Чем дальше от Солнца располагается планета, тем медленнее она вращается вокруг центра Солнечной системы.

По мере увеличения знаний о строении и истории Солнечной системы нарастает уверенность специалистов в уникальной предрасположенности нашей звездной системы к появлению и развитию жизни. Прежде всего, следует отметить, что орбита Солнечной системы удачно проходит в средней части «зоны обитаемости» нашей Галактики. Для Млечного Пути эта зона удалена от галактического центра на расстояние приблизительно двух третей радиуса Галактики. На большем расстоянии от центра Галактики звезды и планеты бедны тяжелыми химическими элементами, что не приемлемо для жизни. Космические тела, расположенные ближе к ядру галактики, подвергаются сильнейшему неблагоприятному воздействию черных дыр, которые там находятся.

Солнечная система сформировалась в одном из самых безопасных мест Млечного пути – во внешних регионах, в которых приблизительно 6 миллиардов л.н. происходило меньше всего вспышек сверхновых звезд и гамма-всплесков. В то же время, в отличие от других подобных мест район образования нашей системы, к нашему счастью, оказался не совсем спокойным. Земля подвергалась достаточно регулярным воздействиям вещества и энергии от взрыва сверхновых звезд, что вызывало многочисленные глобальные вымирания земных организмов и стимулировало рост многообразия живой природы. Эволюция жизни в таких условиях привела к появлению современного человека. Так что, Солнечная система с нашей планетой появилась в нужном месте и в благоприятное время для зарождения и эволюции жизни.

Удачной предрасположенностью Солнечной системы к ее обитаемости было также то обстоятельство, что её планеты вращаются вокруг достаточно молодой звезды (возрастом около 4,6 млрд. лет), с относительно небольшой массой. Малая масса Солнца позволяет ей существовать продолжительное время, около 20 млрд. лет. Если бы наша звезда имела массу больше, то она, спустя несколько десятков или сотен миллионов лет после своего возникновения (в зависимости от массы) успела бы реализовать термоядерные реакции и взорвалась бы, превратившись в нейтронную звезду или черную дыру. Этого времени просто не хватило бы для появления жизни и её эволюции до разумных существ. Человечеству повезло также в том отношении, что начальная светимость Солнца была благоприятной для появления на Земле жизни вскоре после образования планеты (около 70 % от современной светимости). Так, если бы начальная светимость была выше реальной, то парниковые газы в атмосфере планеты привели бы к перегреву земной поверхности и исчезновению воды. Эволюция Земли пошла бы по пути Венеры. В случае если бы начальная светимость Солнца была меньше существовавшей, то с большой вероятностью реализовались бы все рассматриваемые развилки эволюции нашей планеты, однако они происходили бы с задержкой на 1,5–2 млрд. лет. При таком варианте эволюции человечество появилось бы еще не скоро. Солнце является стационарной звездой, которая мало меняет свою светимость в течение миллиардов лет. Поэтому эволюция земной жизни имела возможность на протяжении последних 4 млрд. лет пройти маршрут от первых живых клеток до человека разумного.

Следующим необходимым фактором обитаемости звездной системы выступает наличие планеты на таком расстоянии от звезды, которое обеспечивает присутствие на ней жидкой воды на протяжении нескольких миллиардов лет. Кроме того, эта планета должна иметь размеры, позволяющие ей генерировать в недрах и выдавать на поверхность тепло на протяжении не менее 5–6 млрд. лет. В Солнечной системе звезда и планета Земля подходят под перечисленные критерии. Ученые оценили, что земное ядро будет излучать тепло еще около одного миллиарда лет. Спустя этот срок произойдет сильнейшее охлаждение Земли, что приведет к исчезновению её магнитного поля. На этом рубеже уж точно прекратится жизнь на нашей планете.