Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

• Название: Эволюция Вселенной и происхождение жизни
• Автор: Пекка Теерикор
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2010

Сэр Исаак Ньютон сказал по поводу открытий знаменитую фразу: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов».

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни — описывает восхождение на эти метафорические плечи, проделанное величайшими учеными, а также увлекательные детали биографии этих мыслителей. Впервые с помощью одной книги читатель может совершить путешествие по истории Вселенной, какой она представлялась на всем пути познания ее природы человеком. Эта книга охватывает всю науку о нашем происхождении — от субатомных частиц к белковым цепочкам, формирующим жизнь, и далее, расширяя масштаб до Вселенной в целом.

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни» включает в себя широкий диапазон знаний — от астрономии и физики до химии и биологии. Богатый иллюстративный материал облегчает понимание как фундаментальных, так и современных научных концепций. Текст не перегружен терминами и формулами и прекрасно подходит для всех интересующихся наукой и се историей.

---

Марсианские каналы и гипотетическая планета Вулкан показывают, как воображение человека — само по себе очень важное для науки — может увести нас в ошибочное направление и как тщательные научные наблюдения могут исправить подобную ошибку. Урбен Леверье в 1859 году обнаружил, что движение Меркурия по эллиптической орбите отягощено аномалией, которую не удается объяснить гравитационным влиянием на него известных планет. Тогда он предположил, что виновником аномалии служит неизвестная планета, движущаяся внутри орбиты Меркурия. Это предположение подкрепил французский любитель астрономии Э. М. Лескарбо, который видел планетообразный объект, быстро двигавшийся на фоне солнечного диска. В следующие десятилетия подобные объекты несколько раз наблюдали перед Солнцем. Было предпринято несколько попыток обнаружить их во время солнечных затмений, но ничего такого не удалось заметить во время затмений 1901–1908 годов. Альберт Эйнштейн в 1915 году объяснил аномалию орбиты Меркурия с помощью теории относительности и тем самым закрыл вопрос о Вулкане.

Идею марсианских каналов подхватили писатели. В романе Герберта Уэллса «Война миров», опубликованном в 1898 году, марсиане атаковали землян. Через 40 лет радиопостановка романа вызвала панику у слушателей, воспринявших ее всерьез. В некоторых фантастических произведениях марсиане представлены мирными существами, например в книге Клайва Льюиса «За пределом безмолвной планеты». Фактически мысль о каналах теплилась до тех пор, пока первые космические зонды не передали нам четкое изображение Марса, не искаженное расстоянием и земной атмосферой.

Экспедиции на Марс.

Советские экспедиции к Марсу 1960–1962 годов начались с «Марса-1», но ни одна из них не достигла Красной планеты. Первый американский зонд «Маринер-3», запущенный в 1964 году, разделил их печальную участь. Представление о планете, покрытой растительностью и каналами, окончательно похоронили 22 черно-белые фотографии, переданные на Землю по радио «Маринером-4» 15 июля 1964 года. Первый большой блок изображений был получен в 1969 году при пролете мимо Марса зондов «Маринер-6 и -7»: на 198 снимках запечатлелось 20 % поверхности Марса. Пару лет спустя «Маринер-9», первый космический аппарат на орбите другой планеты, передал на Землю 7329 снимков, покрывших 80 % Красной планеты. Эти изображения, сыгравшие важную роль в подготовке следующих экспедиций, рассказали нам довольно печальную историю: Марс — это песчаная пустыня без признаков жизни. Он выглядит таким же сухим, как пустыни Сахара или Атакама. На этих снимках видны также сухие русла рек, метеоритные кратеры, потухшие вулканы и гигантские каньоны, такие как долины Маринера длиной в 4000 км.

До экспедиций «Викингов» состав атмосферы Марса оставался неизвестным. На пике популярности марсианских каналов, в 1909 году, в Ликской обсерватории Уильям Кэмпбелл провел спектральные наблюдения Марса и не обнаружил воду, что противоречило гипотезе о заполненных водой каналах: испарения с водной поверхности должны быть заметны в атмосфере. Вначале предполагали, что у Марса может быть довольно значительная атмосфера. В обсерватории Мак-Дональд (шт. Техас) Джерард Койпер (1905–1973) смог обнаружить двуокись углерода — первую составляющую марсианской атмосферы. Наличие относительно плотной атмосферы подтверждалось также разницей размеров между большим ультрафиолетовым изображением, показывающим твердую поверхность планеты вместе с атмосферой, и изображением меньшего размера в ближнем инфракрасном диапазоне, где была видна только твердая поверхность. В 1950-х годах наилучшим считался такой вывод Жерара де Вокулёра об атмосфере Марса: 98 % азота, 1 % аргона, 0,25 % двуокиси углерода и менее 0,1 % кислорода.

Первый точный анализ атмосферы Марса провели космические зонды «Викинг-1» и «Викинг-2», севшие на Марс в 1976 году. За несколько лет работы на Марсе они полностью изменили наши знания об этой планете. Сейчас известно, что атмосфера Марса содержит 95 % двуокиси углерода, около 3 % аргона и только 2 % азота. Кислорода очень мало, всего 0,15 %, а воды еще меньше (0,03 %). Среднее атмосферное давление у поверхности составляет только 8 миллибар, или 1/120 давления у поверхности Земли. А на вершине 25-км горы Олимп давление атмосферы даже меньше, чем 1 мбар (рис. 31.3). Атмосфера Марса настолько разреженная, что не может удерживать жидкую воду на поверхности. В течение марсианского года атмосферное давление существенно меняется, поскольку зимой значительная часть двуокиси углерода конденсируется на полюсе в виде инея. Изменение давления составляет ±12 % с некоторой асимметрией между северной и южной зимой.

Рис. 31.3. Это изображение марсианских вулканов построено по данным лазерного альтиметра орбитального аппарата «Марс Глобал Сервейер». Гора Олимп — крупнейшая гора в Солнечной системе. С разрешения NASA.

«Викинги» ищут жизнь.

«Викинги» были первыми и до сих пор единственными экспедициями, которые искали жизнь на Марсе. На каждом из аппаратов было проведено по три биологических теста. Кроме того, газовый хроматограф искал химические соединения в верхних слоях мар-сианского грунта и измерял состав атмосферы вблизи поверхности. Хотя это и не был чисто биологический тест, но все же выяснялась локальная концентрация кислорода, озона, метана, формальдегида и других газов, связанных с жизнью. Обнаружилось немного паров воды, но не было найдено ни одного из органических газов.

Три остальных теста предназначались для поисков жизни. Они проводились в закрытых камерах. В эксперименте по газовому обмену измерялось производство и поглощение CO2, N2, СН4, Н2 и O2.

Вначале из закрытого контейнера изгонялась начальная атмосфера Марса путем наполнения контейнера гелием, затем туда вводилась смесь Не, Кг и CO2. Питательные вещества добавлялись с неоном, который служил диагностическим газом. Газовый состав постоянно измерялся. Проверялось, дышит ли что-нибудь в исследуемом образце почвы. В эксперименте по выделению метки тоже проверялось наличие дыхания. Но в этом случае питательный раствор содержал радиоактивный углерод 14С. В эксперименте постоянно отслеживалось возможное выделение 14С из-за организмов, которые могли питаться раствором.

В эксперименте по пиролизу искали возможность фотосинтетической или химической связи изотопа 14С с молекулами СО или CO2. Выдержав образец почвы 5 дней в инкубаторе с газом, помеченным изотопом 14С, его сначала нагревали до 120 °C и «проветривали» инертным газом, чтобы изгнать непрореагировавшие СО и CO2. Затем его прокаливали до 650 °C, чтобы произошло термическое разложение гипотетических марсианских микроорганизмов, и выделившиеся органические вещества собирали в испарительную камеру. Наличие в этом газе радиоактивного изотопа 14С должно было доказать существование метаболизма.

В 1976 году, во время проведения экспериментов «Викингов», еще не был открыт один из трех основных доменов жизни. В 1977 году профессор микробиологии Карл Вёзе и специалист по биоинженерии Джордж Фокс открыли новый домен живого, скрывавшийся до этого в тени бактерий, — археи. Оказалось, что этот домен почти целиком состоит из экстремофильных организмов. Это микробы, выживающие и даже процветающие в условиях, которые мы бы назвали невыносимыми для эукариотических организмов, таких как люди и растения. Эти условия подразумевают сильную засуху, высокое содержание соли, сильное ультрафиолетовое излучение, экстремальные значения температуры, высокую кислотность или щелочность.

Сейчас считается вполне вероятным, что жизнь на Марсе существует в виде архей и бактерий. Учитывая обилие разных метаболических систем у этих организмов, результаты экспериментов «Викингов» по поиску жизни на Марсе уже выглядят не столь однозначно. Эти зонды могли бы в большинстве случаев найти жизнь на Земле, но неясно, смогли бы они сделать то же самое на Марсе. Кроме того, не исключено, что жизнь была уничтожена реактивной струей или водой еще до проведения экспериментов. К тому же микробы вряд ли могут выжить в верхнем слое грунта, собранном манипуляторами «Викингов» для экспериментов. Ультрафиолетовое излучение может быть для микробов смертельным. Если бы копнули поглубже, на 1–2 метра, было бы гораздо лучше. Эти области защищены от интенсивного ультрафиолета и по причине более высокого давления могут содержать полости с жидкой водой.

После экспедиций «Викингов» наступила пауза, продолжавшаяся 20 лет, прежде чем новые зонды отправились к Красной планете. Но после этого к Марсу устремилась целая армада, умножившая наши знания об этой планете. «Пасфайндер» сел на Марс 4 июля 1997 года. Этот самоходный аппарат исследовал Марс в течение двух месяцев. Почти одновременно с ним был запущен и вышел на орбиту вокруг Марса аппарат «Марс Глобал Сервейер», проработавший до 2006 года, когда его сигналы пропали. В 2001 году на орбите вокруг Марса появился «2001 Марс Одиссей». В июне 2003 года был запущен европейский «Марс Экспресс», который вышел на орбиту вокруг Марса в декабре 2003 года. С собой он привез спускаемый аппарат «Бигль-2», который разбился при посадке; а орбитальный аппарат успешно работает до сих пор. С начала 2004 года по поверхности Красной планеты бродят два марсохода — «Спирит» и «Оппортьюнити». С 2006 года вокруг Марса обращается «Марс Риконисенс Орбитер». В 2008 году посадочный аппарат «Феникс» искал воду и пригодные для жизни условия в почве Марса. Но ни одна из экспедиций после «Викингов» напрямую не искала на Марсе жизнь.