Конечно, нельзя отрицать, что где-нибудь во Вселенной есть неуглеродные формы жизни. Самые напряженные дискуссии ведутся относительно возможности существования кремниевой жизни. У кремния и углерода много схожих химических свойств. Как и углерод, кремний способен образовывать длинные молекулярные цепочки и переносить генетическую информацию. Кремниевая жизнь, предположительно, могла бы существовать в условиях, где невозможна жизнь углеродная, например на планетах с экстремально высокими температурами или в среде, богатой серной кислотой. Но все же кремний проигрывает углероду в химической универсальности, в способности образовывать стабильные соединения. Быть может, когда-нибудь кремневая жизнь и станет предметом исследований астробиологов, но пока большинство из них сошлись на том, что если во Вселенной и есть жизнь, то она, скорее всего, углеродная.
Другое важное вещество – вода, которая благодаря своим уникальным химическим свойствам стала основой всей известной нам жизни112. Во-первых, вся сложная химия жизни нуждается в растворителе, чтобы осуществлять транспорт питательных веществ из внешней среды в клетку и внутри клетки. Молекула воды, как известно, состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, образующих прочные (ковалентные) связи. Кислород перетягивает на себя общую с водородом пару электронов, приобретая отрицательный заряд, а водород становится заряженным положительно. Молекулы с такой зарядовой асимметрией называются полярными. Так удачно сложилось, что и большинство органических молекул из-за своей сложности и несимметричности являются полярными. Молекулы воды образуют связи с положительно и отрицательно заряженными частями таких молекул и эффективно разбивают их на части. Именно это свойство и позволило воде стать универсальным растворителем для жизни.
Во-вторых, вода участвует в образовании клеточных мембран, протекании многих важнейших реакций внутри клетки. Именно поэтому везде, где мы ищем жизнь, мы ищем условия, при которых вода может находиться в жидкой форме.
Что касается происхождения воды на Земле, есть вопросы, на которые пока не удается получить однозначные ответы. Существуют две основные гипотезы о происхождении поверхностных вод на Земле: эндогенная и экзогенная113. Согласно первой, Земля во время своего формирования захватила основную массу воды из протопланетной туманности. Оказавшись «запертой» внутри планеты, впоследствии вода вырвалась из ее недр в процессе извержения вулканов. Вторая, экзогенная, гипотеза гласит, что вода имеет космическое происхождение и была доставлена на Землю метеоритами и кометами, бомбардировавшими планету на протяжении миллиардов лет.
Какая гипотеза верна, можно выяснить, точно измерив количество воды на Земле. Однако до сих пор неизвестно, содержат ли глубокие слои нашей планеты воду или же ее присутствие ограничено только верхними слоями. Если верна эндогенная гипотеза, недра Земли должны быть богаты водой. На наличие залежей льда глубоко под землей указывают обнаруженные включения особой модификации льда (лед-VII) в алмазах, образование которых происходит в земной мантии на глубине в несколько сотен километров при высоких температуре и давлении114. Дальнейшие открытия показали, что наша планета содержит водород на глубине как минимум до 1 000 км. А это доказывает, что воды на Земле гораздо больше, чем ожидалось до сих пор, – но насколько? Если окажется, что вода присутствовала в глубинах Земли постоянно, а не была перенесена в мантию с поверхности, это станет весомым аргументом в пользу эндогенной гипотезы.
Но все же большинство ученых склоняется к экзогенной гипотезе. Подтвердить или опровергнуть ее могут изотопные исследования. Один или даже два атома водорода в молекуле воды могут быть замещены дейтерием (обозначается D) – «тяжелым» водородом[76]. Содержание дейтерия в воде варьируется даже в Солнечной системе. Например, у планет-гигантов оно примерно в шесть раз ниже, чем на Земле. Теоретически, имея известное отношение D/H, свойственное земным океанам, можно найти в космосе тела с таким же отношением D/H – они-то и будут ответственны за «транспорт» воды на Землю.
Долгое время считалось, что наличие воды на Земле связано с кометами, но многочисленные исследования заставили усомниться в этом предположении. Кометы Хейла – Боппа и Галлея имеют значения отношения D/H в два раза большие, чем морская вода Земли, комета 67P/Чурюмова – Герасименко – в три раза бо́льшее. У еще одной кометы, 103P/Хартли, отношение D/H согласуется с отношением D/H в морской воде Земли, но изотопный состав азота не совпадает с земным. Такие различия в изотопных отношениях сильно пошатнули позиции «кометной теории» происхождения воды.
Сейчас многие ученые считают, что основную часть воды на Землю принесли метеориты, которые бомбардировали поверхность нашей планеты в самом начале ее эволюции и во времена поздней тяжелой бомбардировки. Анализ изотопного состава метеоритов из Главного пояса астероидов показал схожие с земными значения отношения D/H. Также, согласно моделям, почти равное земному отношение D/H имеют кометы, чьи орбиты лежат в области пояса астероидов[77].
Итак, давайте вернемся к тому, с чего мы начали: в каких условиях на Земле зарождалась жизнь?
На сегодняшний день мы достаточно неплохо представляем, как проходил процесс эволюции Земли и ее биосферы. Один из самых интересных выводов, которые можно сделать, состоит в том, что не только температура Солнца, метеориты, скорость остывания Земли и подобные геофизические условия оказывали воздействие на биосферу, но и органический мир преобразовывал планету, влиял на ее геологическую историю. Более того, именно из-за этого влияния у нас есть шанс найти обитаемые миры с помощью телескопов.
Геологи делят историю нашей планеты на четыре больших эона – отрезка геологической истории: катархей (или гаден), самый древний, архей, протерозой и, наконец, фанерозой, в котором мы с вами и живем. Чем дальше в прошлое мы хотим заглянуть, тем меньшим количеством материала, сохранившего свидетельства эпохи, мы располагаем, тем более схематичными оказываются описания вех нашей истории. С самым первым эоном, длившимся первые 500 миллионов лет истории Земли, ситуация самая сложная. По-видимому, никаких горных образований, оставшихся с тех времен, не сохранилось вообще – все разрушилось в горниле катастрофических событий, сопровождавших формирование нашей планеты.
Непрерывные соударения Земли с метеоритами и процессы, сопровождавшие выделение ядра из магмы, почти полностью расплавили ее поверхность. Возникли настоящие океаны из лавы, просуществовавшие около 100 первых миллионов лет. Следы этих океанов в виде переплавленных пород мы находим как на Земле115, так и на Луне116.
Затем все еще горячая и покрытая сетью разломов и вулканов молодая планета подверглась новому испытанию. Большинство ученых сходится на том, что около 4,1 миллиарда лет назад началась поздняя тяжелая бомбардировка117: на Земле ее следы были уничтожены эрозией, но на Луне они есть (на ее возвышенностях, по возрасту соответствующих земному катархею, плотность метеоритных кратеров гораздо больше, чем на более молодых). Каждый метеоритный удар поднимал температуру поверхности Земли на сотни градусов, испарял уже образовавшиеся водоемы и уничтожал любую успевшую закрепиться на планете жизнь. Это привычная точка зрения на раннюю историю Земли, сформированная в XX веке. Однако открытия, сделанные уже в новом столетии, заставляют ее пересмотреть. Я хочу рассказать всего о трех открытиях, которые способны перевернуть все наши представления о времени возникновения древней жизни.
Для начала перенесемся в Австралию. Сегодня ученым не известны никакие горные породы достоверно старше 4 миллиардов лет. Сохранились лишь крупицы катархейских минералов (размером намного меньше 1 мм), которые не были уничтожены. Есть несколько мест, где такие минералы можно найти. Один из них – горный хребет Джек Хиллс в Австралии. В его осадочных породах в 2001 году группа профессора Джона Вэлли обнаружила древнейшие катархейские кристаллы циркона, невероятно прочные и долговечные, возрастом 4,374 миллиарда лет. Их возраст совсем немного уступает возрасту самых старых из известных метеоритов (4,565 миллиарда лет)118, по которым определяется возраст всей Солнечной системы и Земли в частности. Когда образовались эти кристаллы циркона, Земле было всего 160 миллионов лет! Однако ценность этих кристаллов заключается даже не столько в их возрасте, сколько в той информации о ранней Земле, которую удалось получить благодаря им.
Изотопный анализ кристаллов циркона из Джек Хиллс показал, что климатические условия на Земле 4,4 миллиарда лет назад были сходными с условиями в период 3,8–2,6 миллиарда лет назад119, то есть с условиями той эпохи, когда на Земле уже плескались океаны жидкой воды, полные микроорганизмов. Это означает, что 4,4 миллиарда лет назад у Земли уже была твердая и относительно холодная кора, на которой могли находиться водоемы с жидкой водой.
Чтобы увидеть второе свидетельство древней жизни, необходимо отправиться в Канаду, но для начала заглянуть на дно Тихого океана, в район Галапагосских островов, где в 1970-х годах впервые были обнаружены «черные курильщики». Потом их будет открыто множество: вдоль краев тектонических плит, подводных гор и срединно-океанических хребтов. «Черными курильщиками» называют источники нагретой магмой до 350–400 °C воды, поднимающиеся из трещин земной коры, черные из-за сульфидов металлов. В отсутствии любого другого источника энергии «черные курильщики» становятся просто оазисами для жизни. Глубоководные, невосприимчивые к таким высоким температурам бактерии преобразуют растворенные в воде минералы, поступающие из недр, в пищу и, размножаясь, привлекают мелких животных, которые ими питаются, а те, в свою очередь, становятся пищей для более крупных глубоководных существ. На заре времен «черные курильщики» тоже дымили на дне океанов.