Что изучает астрономия в биологии
Астрономия
Лучшие условия по продуктам Тинькофф по этой ссылке
Дарим 500 ₽ на баланс сим-карты и 1000 ₽ при сохранении номера
. 500 руб. на счет при заказе сим-карты по этой ссылке
Лучшие условия по продуктам
ТИНЬКОФФ по данной ссылке
План урока:
Что такое астрономия
Сам термин «астрономия» появился благодаря таким ученым, как Пифагор и Гиппарх еще в III-II в. до н.э. В современном мире выделят несколько разделов науки астрономии.
Астрономия изучает как Вселенную в целом, так и ее объекты по отдельности. Это звезды, кометы, планеты, созвездия, галактики и т.д. Кроме этого ученые-астрономы посвящают свое время изучению черных дыр, туманности, системе небесных координат.
Связь астрономии с другими науками
Прослеживается тесная связь астрономи с другими науками. Математика, физика, химия, география, биология, механика, радиоэлектроника – это только часть наук, без которых не обходятся современные ученые-астрономы. Знания, полученные в процессе изучения этих предметов, обязательно облегчат и овладение астрономией как предметом.
Для осуществления астрономических исследований, расчета координат, траекторий небесных тел, необходимо владеть математическими, географическими знаниями. Знания химии нужны для определения химического состава небесных светил, объяснения химических процессов, происходящих в космическом пространстве. Не обойтись без физики, которая поможет разобраться в физических процессах, которые осуществляются на звездах, а также изучить форму небесных светил. Исследовать значение и происхождение названий созвездий, звезд, планет поможет лингвистика. Научиться пользоваться телескопом, изучить его строение и производить исследования в космосе поможет радиоэлектроника, механика. Как влияет солнечный свет на все живое на планете, объясняет биология. История перенесет нас в далекое прошлое и поможет разобраться в происхождении небесных тел, познакомит с древними астрономами.
Вселенная и ее масштабы
Современная наука доказала, что Вселенная имеет свои границы. Ученые измеряют ее размер световыми годами и насчитывают их около 45.7 миллиардов. Если представить, что один световой год равен 10 триллионам километров, то попробуйте представить себе масштабы Вселенной.
Какие тела заполняют Вселенную
Вселенную наполняют различные небесные тела. Их еще называют космическими телами Вселенной. Среди них выделяют:
Размеры небесных тел вселенского пространства могут быть как микроскопическими, так и гигантскими. Метеориты, астероиды и кометы относятся к малым телам Вселенной. Ученые продолжают изучать небесные тела и открыли самое большое тело во Вселенной. Им стала звезда UY Scuti. Ее радиус в 1700 раз превышает радиус Солнца.
Познакомимся поближе с небесными телами и определим их характеристики.
Астероиды – это глыбы из камня, которые образуют астероидный пояс. Он находится между орбитами Юпитера и Марса. Форма у астероидов неправильная, диаметр тел начинается от 30 метров и может достигать десятки километров. На данный момент ученые открыли более 97 853 768 этих малых космических тел Вселенной. Движение астероидов происходит по орбите вокруг Солнца.
Кометы – состоят из твердого ядра. Приближаясь к Солнцу, ядро начинает нагреваться и происходит испарение веществ, из которых оно состоит. В результате этого происходит образование газовой оболочки, а потом возникает хвост. По мере удаления от Солнца хвост и оболочка исчезают. Изредка кометы можно наблюдать невооруженным взглядом. Последней кометой, которая за последние 7 лет четко просматривалась на ночном небе, была C/2020 F3 NEOWISE. Это произошло в июле 2020 года. В основном же эти небесные тела ученые изучают с помощью телескопа.
Метеороиды – твердые небесные тела, размер которых больше атома, но меньше астероида. Они могут быть как первичными объектами, так и представлять собой фрагменты космических объектов, причем не только астероидов. Небесные тела, попавшие в атмосферу, называют метеорами. К ним относят осколки комет или астероидов.
Часть метеороида, достигшая земной поверхности, принято называть метеоритом. Другими словами, метеорит – это любое тело космического происхождения, упавшее на поверхность другого небесного объекта.
После падения метеориты оставляют след – кратер. На сегодняшний день крупнейший кратер Уилкса имеет диаметр 500 км.
Кратер от метеорита
Звезды – свет и тепло исходит от этих небесных тел. Они представляют собой массивные шары, состоящие из газа. Ближайшая звезда к Земле – Солнце. На ночном небе при отсутствии облаков можно наблюдать самые разные звезды. Их значение оценили еще наши предки. Эти «мерцающие точки» помогали ориентироваться в пространстве, о них часто писали в мифах и религиозных историях. Еще в древности, люди, не имеющие никакой техники, видели в звездах образы самых различных существ. Так начали выделять созвездия. На сегодняшний день их насчитывается 88, 12 из которых являются зодиакальными.
Планеты – достаточно большие шарообразные объекты, вращающиеся вокруг Солнца по определенной оси и не являющиеся спутником другого космического тела. В Солнечной системе 8 планет:
Телескопы: наземные и космические
Специальный прибор, который используют для наблюдения за космическими объектами, называется телескоп. Главная его задача – собрать как можно больше света от небесного тела и увеличить угол зрения, под которым это небесное тело можно изучать. Улавливаемый прибором свет пропорционален его объективу. Следовательно, чем больше объектив у телескопа, тем мельче объекты он может уловить.
Первый телескоп появился благодаря ученому Галилео Галилею в 1609 году. Принцип его работы практически ничем не отличался от уже имеющихся на то время подзорных труб. Для своего прибора ученый использовал более мощные линзы, которые позволили увеличить изображение в 20 раз. Телескоп помог сделать первые важные открытия в космосе. Сейчас он хранится в одном из музеев Флоренции.
С помощью наземных телескопов можно наблюдать за Солнцем, планетами, спутниками. Но вот изучить детально звезды не получится. Даже в самый мощный прибор они видны как маленькие мерцающие точки.
Более детально познакомиться с космосом и Вселенной позволяют космические телескопы, расположившиеся на орбите. Это настоящие гиганты, они помогают даже в изучении истории Вселенной. Первый космический телескоп подняли в воздух в августе 1957 года. На высоте 25 км он сделал съемку Солнца в высоком расширении.
Современные космические и наземные телескопы оснащены компьютерными программами. Они передают картинку на монитор, что позволяет увидеть изображение в таком виде, в каком оно представлено в действительности, без каких-либо искажений.
Где находятся самые крупные оптические телескопы
Как правило, телескопы устанавливают в отдаленных местах от городской суеты. Для этого подходят горные местности, либо бескрайние пустыни. К числу крупнейших телескопов мира относят:
Самый крупный телескоп России БТА (Большой Телескоп Альт-Азимутальный) расположен в горах на высоте 2070 м в Карачаево-Черкесии. Диаметр его зеркала составляет 6 метров.
Всеволновая астрономия
Первые ученые-астрономы для изучения космического пространства использовали исключительно оптические телескопы. Следовательно, изучить и описать они могли лишь то, что непосредственно улавливал их взор. Сегодня же астрономия достигла значительных высот, ведь ученые могут вести свои наблюдения на различных длинах волн. Новые знания и технологии способствовали выделению совершенно новых дисциплин, таких как гамма-астрономия, радиоастрономия и рентгеновская астрономия.
Каждый космический объект излучает ряд волн, невидимых для человеческого глаза. Но их можно измерить специальными приборами. Необходимость таких измерений неоценимо важна. Например, гамма- или рентгеновское излучение, которое приходит из космоса на Землю, рассказывает о грандиозных процессах, происходящих в самых глубинках Вселенной. Из-за гигантских расстояний человек не может наглядно изучить все космические объекты. Все знания человечества о космосе базируются на излучении, которое исходит от небесных тел. Так удалось определить расстояние между объектами во Вселенной, их состав, возраст, размер и т.д.
Понятие «всеволновая астрономия» означает, что современные наблюдения за космическими телами ведутся во всех известных диапазонах электромагнитного излучения.
Как развивалась отечественная космонавтика
История развития отечественной космонавтики берет свое начало с середины ХХ столетия. В 1946 году основали Опытно-конструкторское бюро №1, его задачей стала разработка спутников, ракет-носителей и баллистических ракет. Спустя 10 лет силами бюро была спроектирована первая ракета-носитель, с помощью которой в космос был запущен первый искусственный спутник планеты Земля.
После запуска искусственного спутника развитие космонавтики приобрело совершенно другие темпы. Спустя некоторое время в космическое пространство был запущен еще один спутник, но на его борту уже находилось живое существо – собака по имени Лайка.
Запуски межпланетных станций позволили заняться исследованием Луны, а уже в 1959 году космический аппарат достиг поверхности спутника Земли. В это время Советский Союз получил снимки обратной стороны Луны, что позволило ученым присвоить названия практически всем основным формам рельефа на спутнике.
Первая фотография обратной стороны Луны
Важным событием в развитии отечественной космонавтики стал полет первого человека в космос. Состоялось это 12 апреля 1961 года на корабле «Восток» пилотируемым Юрием Гагариным. В 1965 году человек впервые вышел в открытый космос.
До 1991 года отечественная космонавтика радовала множеством открытий и достижений:
Запуск первого искусственного спутника Земли
4 октября 1957 года стал знаменательным для всей мировой космонавтики. В этот день был осуществлен запуск первого в мире искусственного спутника Земли. Это событие стало началом изучения космического пространства и открыло новые возможности в развитии не только отечественной, но и мировой космонавтики.
Космодром Байконур, находящийся в Казахстане, стал площадкой для первого запуска первого искусственного спутника Земли. Для этого использовалась ракета-носитель Р-7. Спутник пребывал в космическом пространстве 92 дня, 1440 раз облетел вокруг Земли, что позволило ученым впервые произвести изучение верхних слоев ионосферы. Также была получена достаточно важная информация о работе аппаратуры в космических условиях и произведена проверка расчетов.
Первый искусственный спутник Земли
Современная космонавтика и ее достижения
Огромный прорыв сделала современная космонавтика в своем развитии. Сегодня о космосе говорится как о реальном, а не как о чем-то сказочно далеком. Запуск современного космического корабля, полеты в космическое пространство стали хоть и дорогостоящими, но обычными явлениями в жизни российского государства.
Не вызывает ни у кого удивления космический туризм, когда за определенную плату можно полетать на космическом корабле. На высоком уровне проходят космические исследования. Современные ученые работают над созданием солнечных электростанций, разрабатывают технологи влияния на климат Земли.
С 2016 года начал свою работу космодром «Восточный» в Амурской области. Это позволило России совершать запуски космических кораблей со своей территории и не зависеть от других стран.
В недалеком будущем в планах запуск пилотируемых кораблей на поверхность Луны, беспилотных космических аппаратов для исследований космического пространства, реализация программы «Морской старт».
Приоритетной задачей для России стало дальнейшее развитие отечественной космонавтики, изучение возможностей современной космической отрасли и выведение ее на передовые мировые рубежи.
Астробиология
Содержание
Обзор
Миссиями, разработанными специально для поиска жизни, были Программа «Викинг» и посадочный модуль Бигль 2, направленные к Марсу. Основной вывод, который можно сделать по результатам работы «Викингов»: либо количество микроорганизмов в местах посадок аппаратов ничтожно мало, либо их нет вообще. Посадочный модуль Бигль 2 предположительно приземлился удачно, но на связь не вышел. Основной причиной выхода из строя признан отказ оборудования связи. Значительную роль в астробиологии должна была сыграть миссия Jupiter Icy Moons Orbiter (англ.), предназначенная для исследования ледяных спутников Юпитера, однако она была отменена. В 2008 году посадочный модуль «Феникс» исследовал марсианский грунт на наличие следов микробной жизни, а также присутствие воды. Главным научным результатом миссии стало обнаружение льда под тонким слоем грунта, а также его химический анализ.
В ноябре 2011 года НАСА запустила марсоход Curiosity, который продолжит поиски следов жизни на Марсе. Европейское космическое агентство разрабатывает марсоход ExoMars, который планируется к запуску в 2018 году.
Международный астрономический союз (МАС) регулярно проводит крупные международные конференции посредством Комиссии 51 «Биоастрономия: поиск внеземной жизни», которая была создана МАС в 1982 году для координации работ в области поиска жизни и разума во Вселенной и в настоящее время функционирует на базе Института астрономии при Университете Гавайев.
Методология
Сужение задачи
Следующее предположение — наличие воды в жидком состоянии. Вода является распространённым веществом, которое необходимо для формирования сложных углеродных соединений, которые, в конечном счёте, могут привести к появлению жизни. Некоторые исследователи предлагают также рассматривать среду аммиака или водно-аммиачных смесей, поскольку она обеспечивает больший диапазон температур для жизни и, таким образом, расширяет количество потенциальных миров. Эту среду считают подходящей как для углеродной, так и для неуглеродной жизни.
Поскольку Земля является единственной планетой, на которой достоверно известно наличие жизни, то не представляется возможным узнать, корректны ли принятые предположения или нет.
Составные части астробиологии
Астрономия
Оценить число планет с разумной жизнью можно с помощью уравнения Дрейка. Уравнение определяет вероятность наличия разумной жизни как произведение таких параметров, как количество планет, которые могут быть обитаемые и количество планет, на которых может возникнуть жизнь [19] :
,
где N — количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт; R* — число ежегодно образующихся звёзд (звёзд подобных Солнцу); fp — доля звёзд, обладающих планетами; ne — среднее количество планет (и спутников) с подходящими условиями для зарождения цивилизации; fl — вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями; fi — вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь; fc — отношение количества планет, разумные жители которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, на которых есть разумная жизнь;
L — время жизни такой цивилизации (то есть время, в течение которого цивилизация существует, способна вступить в контакт и хочет вступить в контакт).
Однако на данный момент это уравнение обосновано лишь теоретически и маловероятно, что уравнение будет ограничено разумными пределами погрешности в ближайшее время. Первый множитель R определяется из астрономических измерений и является наименее обсуждаемой величиной. По второму и третьему множителям (звёзды с планетами и планеты с подходящими условиями) в настоящее время идёт активный сбор данных. Остальные параметры основаны исключительно на предположениях. Проблема формулы в том, что она не сможет использоваться для создания гипотезы, поскольку содержит параметры, которые не могут быть проверены. Другая связанная тема — парадокс Ферми, который предполагает, что если разумная жизнь распространена во Вселенной, то должны существовать явные признаки этого. На этом парадоксе основаны такие проекты как SETI, которые пытаются обнаружить радиосигналы от разумных внеземных цивилизаций.
Биология
Биология и химия, в отличие от физики, не допускает вероятностей и предположений, то есть либо биологические явления реальны, либо нет. Биологи не могут сказать, что процесс или явление, будучи математически возможными, должны обязательно существовать в реальной жизни. Для биологов основа предположений очевидна и они точно определяют, что является гипотетическим, а что нет.
До 1970-х годов учёные полагали, что жизнь полностью зависит от энергии Солнца. Растения на Земле используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза, в результате которого образуются органические вещества из углекислого газа и воды и высвобождается кислород. Далее животные поедают растения, тем самым осуществляется передача энергии по пищевой цепи. Ранее считалось, что жизнь в глубинах океана, куда не попадает солнечный свет, существует благодаря питательным веществам, которые образуются от потребления органических останков, падающих с поверхности океана, либо от мертвых животных, то есть также зависит от Солнца. Предполагалось, что способность жизни к существованию зависит от её доступа к солнечному свету. Однако в 1977 году, во время исследовательского погружения на глубоководном аппарате Алвин около Галапагосских островов, учёные обнаружили колонии гигантских трубчатых червей, моллюсков, ракообразных, мидий и других морских обитателей, сгруппированных вокруг подводных вулканических образований, названных чёрными курильщиками. Эти существа процветали, несмотря на отсутствие доступа к солнечному свету. Позднее было выяснено, что они составляют совершенно независимую пищевую цепочку. Вместо растений основу этой пищевой цепи составляет некая форма бактерий, которая извлекает энергию из процесса окисления реактивных химических веществ, таких как водород или сероводород, поступающих из внутренних частей Земли. Этот хемосинтез произвёл революцию в изучении биологии, доказывая, что жизнь не обязательно зависит от Солнца — она лишь требует наличия воды и энергии.
Астрогеология
Основная статья: Геология планет земного типа в Солнечной системе (англ.)
Астрогеология — научная дисциплина, предметом которой является изучение геологии планет и их спутников, астероидов, комет, метеоритов и других астрономических тел. Информация, собранная этой дисциплиной, позволяет оценить пригодность планеты или её спутника для развития и поддержания жизни.
Геохимия — дополнительная дисциплина астрогеологии, включающая в себя изучение химического состава Земли и других планет, химических процессов и реакций, которые регулируют состав пород и почвы, циклы материи и энергии и их взаимодействие с гидросферой и атмосферой планеты. Специализации включают астрохимию, биохимию и органическую геохимию.
Жизнь в Солнечной системе
Гипотеза уникальной Земли
Данная гипотеза на основании астробиологических выводов утверждает, что многоклеточные формы жизни могут представлять большую редкость, чем изначально предполагалось учёными. Она даёт возможный ответ на парадокс Ферми: «Если внеземные цивилизации являются довольно распространёнными, то почему мы не наблюдаем никаких следов разумной внеземной жизни?». Эта теория является противоположной точкой зрения принципа заурядности, предложенного знаменитыми астрономами Фрэнком Дрейком, Карлом Саганом и другими. Принцип заурядности предполагает, что жизнь на Земле не является исключительным явлением и с большой долей вероятности может быть найдена на бесчисленном множестве других миров.
Исследования
Хотя описание внеземной жизни является нерешенным вопросом, а гипотезы и прогнозы относительно её существования и происхождения широко варьируются, тем не менее, развитие теорий для поддержки поиска жизни в настоящее время можно считать наиболее конкретным практическим применением астробиологии.
Биолог Джек Коэн и математик Ян Стюарт, среди прочего, рассматривают ксенобиологию отдельно от астробиологии. Коэн и Стюарт считают, что астробиология — это поиск жизни подобно той, которая существует на Земле за пределами нашей Солнечной системы, в то время, как ксенобиология занимается исследованиями в тех случаях, когда мы предполагаем, что жизнь не основана на базе углерода или кислородного дыхания, но пока она имеет определяющие характеристики жизни. (См. Углеродный шовинизм).
Результаты исследований
Метан
Планетные системы
Возможно, что у некоторых планет в Солнечной системе, таких как газовый гигант Юпитер, могут быть спутники с твёрдой поверхностью или жидким океаном, которые являются более пригодными для жизни. Большинство планет, обнаруженных к 2011 году за пределами Солнечной системы, являются горячими газовыми гигантами и непригодны для жизни. Таким образом, точно не известно, является ли Солнечная система, с такой планетой как Земля, уникальной или нет. Улучшенные методы обнаружения и увеличенное время наблюдения несомненно позволят обнаружить больше планетных систем и, возможно, некоторые из них будут как Земля. Например, миссия Кеплер предназначена для обнаружения планет размером с Землю вокруг других звезд путём измерения мельчайших изменений в кривой блеска звезды, когда планета проходит между звездой и телескопом. Прогресс в области инфракрасной и субмиллиметровой астрономии открыл компоненты других звёздных систем. Инфракрасные исследования обнаружили пояса пыли и астероидов вокруг далёких звёзд, лежащие в основе формирования планет.
Жизнепригодность планеты
Также ведётся исследование относительно ограничений окружающей среды для жизни и работы экстремальных экосистем, позволяя исследователям предсказать, какая планетная среда могла бы быть наиболее подходящей для жизни. Такие миссии, как спускаемый аппарат Феникс, Mars Science Laboratory и ExoMars к Марсу, зонд «Кассини» к спутнику Сатурна Титану и миссия «Ice Clipper» к спутнику Юпитера Европе дают надежду на дальнейшее изучение возможности наличия жизни на других планетах в нашей Солнечной системе.
АСТРОБИОЛОГИЯ
АСТРОБИОЛОГИЯ – научная дисциплина, посвященная поиску жизни за пределом Земли и изучению возможности ее существования в условиях отличных от земных. Термин «астробиология» широко распространен, но не общепринят: наряду с ним нередко используется термин «экзобиология», предложенный в 1960 нобелевским лауреатом, генетиком Джошуа Ледербергом. В русскоязычной литературе под «экзобиологией» обычно понимают экспериментальный поиск жизни в пределах Солнечной системы. Изредка в научной литературе употребляется также термин «биоастрономия» как синоним поиска внеземной жизни. Однако именно понятие «астробиология» охватывает наиболее широкий спектр направлений исследований в этой области: изучение жизни в экстремальных условиях на Земле, поведение биологических объектов в условиях космического полета (космическая биология), особенности функционирования человеческого организма в космосе (космическая медицина), исследование условий на объектах Солнечной системы и поиск возможных проявлений жизни на них, поиск планетных систем у иных звезд, проблема происхождения жизни на Земле, поиск внеземного разума (SETI) и т.п.
Из истории астробиологии.
Появлению астробиологии предшествовали общефилософские взгляды на распространенность жизни за пределом Земли, выраженные, например, Джордано Бруно в работе О бесконечности, Вселенной и мирах (1584). Первые попытки наблюдать проявление внеземной жизни были связаны с телескопическим изучением поверхностей Луны и Марса, сообщения об их изменчивости вызвали к жизни гипотезу о растительном покрове этих планет. Одним из авторов и страстным пропагандистом этой гипотезы был французский астроном Камиль Фламмарион, утверждавший идею жизни на планетах в своей книге Множественность обитаемых миров (1862) и в капитальном трехтомном труде Планета Марс и условия обитаемости на ней (1892–1909).
Сильный толчек развитию идеи жизни в космосе дало великое противостояние Марса, наблюдавшееся в сентябре 1877. Именно тогда итальянский астроном Джованни Скиапарелли открыл знаменитые марсианские «каналы». Давая им это название, Скиапарелли просто следовал астрономической традиции: поскольку темные пятна астрономы называли морями – сначала на Луне, затем на Марсе, – то соединяющие их темные линии естественно было назвать каналами (ит. canali). Скиапарелли понимал, что Марс, скорее всего, планета сухая, и оказался прав. Но некоторые энтузиасты восприняли «каналы» всерьез и даже полагали, что это искусственные сооружения, созданные марсианами для орошения полей.
Одним из этих энтузиастов, много сделавшим для изучения Марса и других планет, был американский астроном Персиваль Ловелл, на свои средства построивший великолепную обсерваторию в Аризоне. В 1894–1896 он составил и опубликовал карту Марса, на которую нанес множество одиночных и сдвоенных каналов, прямых как стрела, тянущихся на тысячи километров. В многочисленных комментариях Ловелла и в его прекрасно изданных книгах о Марсе речь шла не просто о жизни на этой планете, но и о разумных ее обитателях. Ловелл многих заразил своим энтузиазмом: именно тогда, в 1898 был написан самый известный роман о нашествии марсиан на Землю – Война миров Герберта Уэллса. Английский литератор создал свой шедевр под впечатлением свежих астрономических открытий. Позже, в 20 в., эта тема разрабатывалась крупнейшими писателями-фантастами, в немалой степени стимулируя научные изыскания.
Изучая сезонные изменения на поверхности Марса, Ловелл заключил, что она покрыта растительностью (во всяком случае – полосами вдоль каналов). Книга Ловелла Марс как пристанище жизни (1908) имела успех среди энтузиастов астробиологии. Одним из них был пулковский астроном Гавриил Адрианович Тихов (1875–1960), в течение 40 лет изучавший физические условия на Марсе, в основном, фотометрическими методами. Он полагал, что на поверхности планеты есть участки, покрытые растительностью. В связи с этим он исследовал спектральную отражательную способность земных растительных сообществ в разных регионах, пытаясь обнаружить растения с цветовыми характеристиками, аналогичными некоторым участкам марсианской поверхности. Эту пограничную между астрономией и ботаникой область он назвал «астроботаникой», ныне этот термин не употребляется.
Современная астробиология основывается на достижениях биологии, астрономии, химии. В экспериментальном плане она использует возможности космонавтики для изучения Солнечной системы, а также методы астрономии и радиоастрономии для изучения органической составляющей межзвездной среды и поиска планетных систем, подобных Солнечной системе. Основные проблемы астробиологии – изучение обстоятельств зарождения и развития жизни на Земле, выяснение граничных условий органической жизни, поиск жизни на планетах Солнечной системы, исследование химической (предбиологической) эволюции органического вещества. Одним из способов решить некоторые проблемы астробиологии представляется поиск внеземных цивилизаций.
Зарождение жизни.
Например, Миллер действовал электрическими разрядами на смесь H2 + CH4 + NH3, циркулирующую над кипящей водой. Среди продуктов реакций в его установке обнаружились мочевина (NH2)2CO, метилмочевина, большой набор органических кислот и шесть аминокислот. Другие исследователи модифицировали опыт и получали несколько иной набор веществ. В результате подобных экспериментов выяснилось, что в условиях молодой планеты из простейших веществ быстро формируются сложные соединения. Например, в лабораторных условиях появлялись 12 из 20-ти аминокислот, образующих все белки земных организмов, и 4 из 5-ти оснований, образующих информационные молекулы РНК и ДНК. Из этих элементарных «кирпичиков» построены все земные организмы.
Однако в подобных экспериментах не удалось продвинуться до синтеза высокоорганизованных комплексов белков и, тем более, таких самовоспроизводящихся структур как молекулы ДНК. Осталось много нерешенных проблем, связанных с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Но большинство биологов считает, что таким путем постепенно могла образоваться биосфера Земли. Позже, в результате фотосинтеза, обусловленного деятельностью растений, земная атмосфера стала окислительной. Считается, что присутствие кислорода в составе атмосферы планеты является достаточным (хотя и не обязательным) признаком на ней жизни.
Гипотеза панспермии.
Некоторые ученые считают, что «чудо рождения жизни» требует невероятно редкого сочетания многих факторов, а потому не может происходить во Вселенной часто. Они не исключают, что жизнь, возникнув лишь однажды, затем распространяется с планеты на планету, подобно эпидемии. Поэтому наряду с теорией зарождения жизни на Земле сейчас активно обсуждается и гипотеза панспермии – перенос жизни с одних небесных тел на другие. Эту идею впервые высказал в 1908 шведский ученый Сванте Аррениус, а возродили ее спустя полвека биохимики Френсис Крик и Лесли Оргел. Сам Аррениус считал, что живые клетки переносятся от одной планеты к другой под давлением света звезды. Крик и Оргел предполагали «направленную панспермию» – организованный перенос живого вещества с планеты на планету какими-то разумными существами. В последнее время стали рассматривать и третью возможность: перенос жизни в составе метеоритов, выбитых с поверхности обитаемой планеты. Для проверки гипотезы панспермии важно обнаружить жизнь еще хотя бы на одной планете и сравнить ее с земной: если и там белки окажутся собранными из 20-ти таких же аминокислот, как на Земле, значит, действительно, все живые существа вышли из одной колыбели.
Некоторые основания для этой гипотезы панспермии дает обнаружение органических соединений в межзвездной среде, а также в ядрах комет и метеоритах. Исследование первичного метеоритного вещества – углистых хондритов, выявило в них сложные углеводородные соединения вплоть до основных элементов ДНК – пуриновых оснований – аденина и гуанина. Это, по крайней мере, говорит о том, что образование таких веществ может происходить еще на допланетной и даже дозвездной стадии в первичной газово-пылевой туманности. В дальнейшем это органическое вещество входит в состав образующихся планет и при благоприятных условиях определяет развитие на них жизни. Вопрос о переносе живых организмов с планеты на планету пока открыт. На Земле бесспорно обнаружены метеориты с Луны и, весьма вероятно, с Марса (SNC-метеориты, или шерготтиты). Но сообщения о нахождении в них окаменелостей, напоминающих примитивные формы жизни, пока не кажутся большинству специалистов убедительными.
Поиск жизни на планетах и спутниках.
Солнечная система предоставляет чрезвычайно разнообразные «полигоны» для астробиологических исследований: холодные газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), твердые карлики – от горячего Меркурия до ледяного Плутона, планеты с атмосферами различной плотности – от газового океана Венеры до разреженной как стратосфера оболочки Марса. Внимание экзобиологов привлекают и спутники планет (Европа, Титан, Ио, Тритон), где условия для жизни могут быть благоприятнее, чем на самих планетах. Интересны льды кометных ядер и углеродистые недра астероидов. В большинстве этих мест из-за их недоступности до сих пор экзобиологические исследования не проводились. Первым объектом для поиска внеземной жизни стала Луна.
Из всех небесных светил только Луна в течение тысячелетий демонстрировала людям свой явный планетный облик; все остальные планеты выглядели как звезды. Появление телескопа и обнаружение с его помощью гор и долин на Луне только укрепило мнение о ней как о месте, подобном Земле. Издревле люди «населяли» Луну душами умерших, а в 15–18 в. появилось немало книг с фантазиями о путешествиях с Земли на Луну и о возможных обитателях Луны – селенитах (от греч. selene, луна).
Улучшение качества телескопов и внимательное изучение с их помощью лунной поверхности, с одной стороны, указало на отсутствие у Луны плотной атмосферы и открытых водных поверхностей, а с другой – выявило множество интересных мелких деталей лунной топографии, например, извилистых узких долин, напоминающих речные русла. В 1824 немецкий врач и астроном Франц Паула фон Груйтуйзен (1774–1852) описал увиденные им на лунной поверхности города, укрепления, дороги и даже звериные тропы. Ставший в 1826 профессором астрономии Мюнхенского университета, Груйтуйзен, вероятно, последним из профессиональных ученых подозревал разумную жизнь на Луне. Наблюдая в 1834 заход звезд за лимб Луны, Фридрих Бессель не обнаружил у нее даже следов атмосферы. К концу 19 в., казалось, были отброшены последние надежды встретить на Луне жизнь, но в середине 20 в. они появились вновь.
В Солнечной системе Луна, как и Земля, занимает место, наиболее благоприятное для жизни. Чуть ближе к Солнцу слишком жарко (Венера), а чуть дальше от Солнца слишком холодно (Марс). И только на орбите Земли – Луны средняя температура поверхности планеты немного выше нуля по Цельсию – идеальная температура для жизни. На Земле жизнь есть. Почему бы ей не быть и на Луне?
Ответ кажется очевидным: для жизни важна не только подходящая средняя температура, но и отсутствие сильных колебаний температуры, а на лишенной атмосферы Луне эти колебания значительно сильнее, чем на Земле. Второе неблагоприятное свойство лунной поверхности – отсутствие жидкой или газовой среды: в вакууме живая клетка быстро высыхает и активные биологические процессы в ней прекращаются.
Однако к середине 20 в. биологи убедились в высокой приспособляемости жизни, которую удалось обнаружить и в жерлах вулканов, и в глубоководных впадинах, и в стратосфере, и в горячих серных источниках, и в антарктических льдах. Оказалось, что простейшие формы жизни не нуждаются в водной среде. Поэтому вопрос о жизни на Луне вновь стал актуальным, особенно в 1960-е, в период подготовки лунных экспедиций. Радиоастрономические измерения показали, что не прикрытая атмосферой поверхность Луны днем нагревается Солнцем до +130° С, а ночью остывает до –170° С. Однако под верхним слоем лунного грунта, уже на глубине 1 м почти не ощущаются колебания температуры: там постоянно около –40 С. Поскольку нельзя было исключить, что в таких условиях жизнь возможна, то в первых лунных экспедициях соблюдались строгие условия карантина: после возвращения на Землю астронавтов три недели держали в изолированной камере, чтобы убедиться в отсутствии внеземных форм жизни.
Сотни килограммов лунного грунта были подробно исследованы в лаборатории, но никаких следов органической жизни не обнаружилось. Теперь ясно, что еще одна недооцененная ранее функция земной атмосферы – это защита живых организмов от влияния космической радиации. На открытую лунную поверхность беспрепятственно попадают губительные для жизни ультрафиолетовые и рентгеновские солнечные лучи, а также заряженные космические частицы, которые на Земле, в основном, задерживаются в атмосфере, поэтому сейчас ученые уверены: на поверхности Луны нет условий для жизни, органическая жизнь там не могла зародиться и не может поддерживаться.
Планеты и спутники.
До сих пор Луна остается единственным небесным телом, образцы вещества которого были доставлены на Землю и детально изучены на предмет биологической активности. В принципе, такой анализ можно проводить на поверхности изучаемой планеты, оснастив спускаемый аппарат автоматической био-лабораторией, что и было сделано лишь однажды, при исследовании Марса. Возможен и дистанционный поиск индикаторов жизни, например, путем спектрального анализа атмосферы и поверхности планеты. Именно такой анализ служит пока единственным источником астробиологических данных о всех объектах Солнечной системы за исключением Луны и Марса. На спускаемых аппаратах, достигших поверхности таких тел как Венера, Юпитер, астероид Эрос, астробиологических приборов не было.
Дистанционные исследования показали, что Меркурий непригоден для жизни: на нем нет атмосферы и воды (возможны лишь залежи льда в полярных кратерах), а колебания температуры поверхности чрезвычайно высоки (от +420° С днем до –185° С ночью). У поверхности Венеры жизнь также невозможна, поскольку там постоянно высокая температура (+460° С), при которой плавится свинец. Однако, не исключена возможность жизни в верхнем слое облаков Венеры, где условия гораздо мягче, но пока это только гипотеза.
Кроме Марса, ни одна из планет не вызывает у экзобиологов пристального интереса. Плутон и Харон, лишенные солнечного тепла и внутренних источников энергии, считаются абсолютно непригодными для жизни. В отношении планет-гигантов есть умеренный оптимизм, поскольку в их атмосферах обнаружено много простейших органических молекул, но все же трудно поверить, что при отсутствии твердой поверхности (а у планет-гигантов ее практически нет) может существовать жизнь.
Как оказалось, значительно большее сходство с Землей имеют не сами планеты-гиганты, а некоторые их спутники – Титан, Европа, Тритон, Ио. Например, у Титана – спутника Сатурна – есть не только азотная атмосфера с органическими компонентами, но и твердая поверхность, где могут скапливаться продукты синтеза. Правда, температура этой поверхности (–185° С) скорее подходит для сжижения кислорода.
Первые эксперименты в атмосфере и на поверхности Титана должен провести 14 января 2005 посадочный аппарат «Гюйгенс», который в составе межпланетного зонда «Кассини» (НАСА и Европейское космическое агентство) прибыл 30 июня 2004 в систему Сатурна.
В ожидании посадки на Титан ученые не питают особых надежд по поводу жизни на его поверхности: там не может быть ни жидкой воды, ни подходящей для жизни температуры. Зато повышенное внимание астробиологов привлекает спутник Юпитера Европа, хотя и лишенная атмосферы, но, по-видимому, имеющая под своей ледяной поверхностью океан жидкой воды при комнатной температуре. Сомнений в этом уже практически не осталось, поэтому сейчас активно разрабатываются проекты космических зондов, способных опуститься на поверхность Европы и, проникнув сквозь ледяную кору, исследовать этот океан в поисках жизни. Фактически, Европа – единственное место в Солнечной системе, для которого есть веское доказательство наличия воды в жидком состоянии, поскольку наличие воды на Марсе под слоем вечной мерзлоты еще не доказано.
Астробиологи всегда возлагали большие надежды на Марс (см. МАРС, раздел «Поиск жизни на Марсе»), но лишь космические полеты дали реальную возможность для практического поиска жизни на его поверхности. Обнаруженные на Марсе с помощью пролетных и орбитальных аппаратов русла высохших рек убеждали ученых, что на планете могла быть вода. К тому же приемлемый для жизни диапазон температуры (почти такой же, как в Антарктиде) указывал, что на Марсе могли бы существовать микробы и простейшие формы растений, поэтому одной из приоритетных задач космической программы США был поиск жизни на Марсе. Эта работа достигла кульминации в 1976, когда две автоматические станции «Викинг» опустились на поверхность Марса и проработали на ней несколько лет. В состав каждой станции входило три прибора для микробиологических экспериментов с марсианским грунтом:
1) Эксперимент «Газовый обмен». Несколько граммов грунта смачивали раствором, богатым питательными веществами, и затем с помощью газового хроматографа следили за изменением химического состава газов над смесью грунта и питательных веществ. Такие изменения могли произойти в результате жизнедеятельности марсианских микроорганизмов. На Земле этот эксперимент обнаружил бы существование жизни по изменениям содержания кислорода, углекислого газа или водорода в воздухе над грунтом, вызванным обменом веществ живых организмов, содержащихся в пробе, с окружающей средой.
2) Эксперимент «Разложение метки». В этом эксперименте, предназначенном для более прямой проверки биологической активности, использовался набор органических соединений, меченых путем замены части обычных атомов углерода радиоактивными атомами 14 C. Этими соединениями смачивалась проба грунта. Если бы любой организм потребил часть этих меченых молекул (отсюда название «разложение метки»), то при прогревании пробы грунта, в которой он жил, в газе над образцом была бы зарегистрирована радиоактивность. На Земле такой эксперимент называют «дыханием грунта», так как он показывает, выделяют ли микроорганизмы газ в атмосферу.
У описанных экспериментов два основных недостатка. Во-первых, сейчас на Марсе практически нет жидкой воды, поэтому водная среда может оказаться совершенно непривычной для марсианских бактерий. Во-вторых, органические питательные вещества, «лакомые» для земных организмов, могли оказаться ядовитыми для марсианских. Этих недостатков был лишен третий биологический эксперимент:
3) Эксперимент «Пиролизное разложение». Проба грунта помещалась в камеру, где обычная марсианская атмосфера заменялась эквивалентной смесью газов, меченных радиоактивными атомами углерода. Внутри камера освещалась ксеноновой лампой с фильтром, задерживающим ультрафиолетовое излучение, чтобы исключить возможность фотохимических реакций, имитирующих биологическую активность. После того как предполагаемые марсианские организмы имели возможность пожить некоторое время в этой среде, камера промывалась инертным газом для удаления непрореагировавших остатков радиоактивной атмосферы.
Затем проводился пиролиз – прокаливание образца грунта до температуры 625° С. Получаемая газовая смесь содержала продукты пиролиза и непрореагировавшие исходные газы, которые адсорбировались на частицах грунта. После этого газовую смесь пропускали через колонку с окисью меди, которая задерживает органические молекулы, но не адсорбирует 14 CO2 и 14 CO, поступающие в детектор. Их радиоактивность регистрировалась счетчиком. Затем температура в колонке повышалась до 750° С. В результате адсорбированные органические соединения должны были окисляться до меченого углекислого газа, который вытеснялся в детектор радиоактивности. Именно данная фракция 14 CO2 должна была служить показателем биологической активности взятых образцов грунта.
Результаты этих экспериментов, проведенных на борту «Викингов», выявили довольно высокую химическую активность грунта, но детальный анализ показал, что она могла иметь неорганическую природу: марсианский грунт может содержать химические вещества типа перекисей, (например, перекись водорода H2O2) которые реагируют с простыми органическими соединениями с выделением углекислого газа. Данные лишь одного из биологических экспериментов можно было интерпретировать как указание на возможность жизни.
Однако на борту «Викингов» был еще один, очень чувствительный, физический прибор, способный регистрировать органические молекулы в любой, не обязательно живой, форме. Этот прибор сочетал в себе газовый хроматограф и масс-спектрометр. Пробы грунта нагревались в специальной печке для выделения летучих веществ, которые затем поступали в хроматографическую колонку и выходили из нее последовательно в зависимости от времени задержки, различного для разных газов. Масс-спектрометр анализировал уже разделенный поток газа, определяя молекулярный вес присутствующих в нем соединений. Ни в одной из проб грунта в двух местах посадки аппаратов не были обнаружены органические вещества, а только лишь вода и углекислый газ, что неудивительно, поскольку они содержатся в атмосфере планеты. Таким образом, этот четвертый эксперимент, не показавший наличия органических молекул, служит доказательством отсутствия жизни. Сейчас ученые согласны, что в местах посадки «Викингов» на Марсе жизнь не обнаружена и что неясные химические процессы с участием перекисей имитировали проявление жизни в биологических экспериментах.
Результаты работы «Викингов» разочаровали экзобиологов. Стало ясно, что в нынешнюю эпоху условия на Марсе неблагоприятны для возникновения жизни: там холодно, сухо, очень разреженный, лишенный кислорода воздух и поэтому сильно ультрафиолетовое излучение Солнца, стерилизующее поверхность планеты. К тому же планета практически лишена магнитосферы, защищающей от космических лучей. После экспедиций «Викингов» ученые почти потеряли надежду обнаружить на Марсе активную жизнь. Исследования Марса прервались почти на 20 лет.
С середины 1990-х изучение Марса вновь активизировалось. Этому способствовала находка в Антарктиде марсианского метеорита ALH 84001, который, по мнению некоторых ученых, содержит следы биосферы Марса. В 1997 на околомарсианскую орбиту был выведен аппарат «Марс Глобал Сервейор» (США), позволивший получить детальные изображения поверхности планеты. Стало очевидно, что в истории Марса были периоды более благоприятные для жизни. Есть признаки того, что климат Марса существенно менялся: в далеком прошлом по его поверхности текла вода: на ней ясно видны следы водной эрозии – овраги и пустые русла рек.
В 1997 мягкую посадку на Марс совершил зонд «Марс Пасфайндер» (США), доставивший первый автоматический марсоход «Соджорнер», который обнаружил признаки мощных водных течений в геологическом строении поверхности. Это подтвердили и самоходные лаборатории «Спирит» и «Оппортьюнити» (США), опустившиеся на Марс в начале 2004. К сожалению, все самоходные аппараты не оснащены приборами для поиска веществ биогенного происхождения. Такие приборы были на борту спускаемого аппарата «Бигль-2», который в 2003 в составе европейского зонда «Марс Экспресс» отправился для поиска следов жизни на Марсе, но не смог благополучно сесть на поверхность.
Однако данные орбитальных аппаратов подогревают интерес экзобиологов к Марсу. В самое последнее время появились доказательства того, что в наши дни на Марсе есть источники жидкой воды и открытые бассейны. Глобальное картографирование нейтронного излучения Марса выявило огромные залежи водяного льда и связанной воды в приповерхностном слое планеты. Это поддерживает идею о периодическом изменении марсианского климата, долговременные вариации которого могут быть связаны с изменением наклона полярной оси планеты. При небольшом повышении температуры планеты ее разреженная атмосфера может стать в 100 раз плотнее за счет испарения льдов полярных шапок и слоя вечной мерзлоты, поэтому не исключено, что жизнь на Марсе существовала когда-то в прошлом. Нужны новые полеты на Марс для поиска ископаемых остатков жизни. Не исключено, что, по крайней мере, на Марсе экзобиология может уступить место экзопалеонтологии.
Астероиды и кометы.
Поверхности астероидов напоминают лунную и выглядят совершенно стерильными. Кометы почти наверняка содержат сложные органические молекулы, образовавшиеся еще в эпоху формирования Солнечной системы, но трудно вообразить себе жизнь на комете. Впрочем, «трудно» не означает «невозможно». Жизнь, как высшая форма развития материи, отличается удивительной приспособляемостью, а условия на малых телах Солнечной системы могут быть не так уж плохи. Например, в метеорите, упавшем 22 марта 1998 близ г.Монаханс в штате Техас (США), ученые обнаружили кристаллы каменной соли с внедренными в них крохотными капельками воды. Без сомнения эта вода имеет космическое происхождение, ибо метеорит попал в лабораторию сразу после падения (о котором ученым сообщили школьники – свидетели этого события), и земная влага проникнуть в него не успела. Возраст техасского метеорита около 4,5 млрд. лет, поэтому капельки в кристаллах соли несут в себе следы досолнечного вещества. Похожие капельки воды были найдены и в метеорите, упавшем незадолго до этого в Марокко. На Земле кристаллы соли возникают только при выпаривании соленой (например, морской) воды. Наличие соли в осколках астероидов, означает, что жидкая вода во время образования Солнечной системы не была редкостью.
Можно подвести итоги. Современные условия на большинстве объектов Солнечной системы исключают жизнь. Наиболее привлекательными для ее поиска считаются Марс, Европа (спутник Юпитера) и Титан (спутник Сатурна). Прямые поиски жизни до сих пор проводились лишь на Луне и Марсе, не дав положительных результатов. Однако последние исследования Марса, выявившие не только следы воды, но и ее наличие, оставляют некоторую надежду. В отношении Европы и Титана также планируются биологические эксперименты. Попытки с помощью автоматических аппаратов обнаружить жизнь на других небесных телах основываются на предположении, что жизнь на них имеет ту же углеводородную основу, что и на Земле. Возможность жизни на другой основе (аммиак, кремний) считается маловероятной. В ходе исследований уточняется диапазон условий, пригодных для органической жизни.
Границы органической жизни.
Диапазон условий, пригодных для развития органической жизни, выясняется в ходе исследований организмов, обитающих в экстремальных условиях: в вечной мерзлоте, в геотермальных источниках, в холодных пустынях («сухих долинах») Антарктиды, в глубокозалегающих породах земной коры. Зародившись и развиваясь в комфортных условиях нашей планеты, жизнь, тем не менее, демонстрирует широкий диапазон возможностей и механизмов приспособления. Особо экстремальные условия внешней среды выдерживают некоторые микроорганизмы. Одни из них способны жить в горячей (до 115° С) воде, другие приспособились к низкой температуре (до –20° С); многие бактерии размножаются в очень кислых или щелочных условиях, в концентрированных растворах солей, в присутствии большого количества тяжелых металлов и даже при очень высокой радиации. Некоторые микроорганизмы выдерживают низкое давление в верхних слоях атмосферы (до высоты 85 км), другие – давление воды в 1000 атм на дне океанских впадин. Практически полное высыхание и охлаждение до температуры 0,01 К (–273° С) выдерживают в «пассивном» состоянии споры и цисты микроорганизмов – бактерий, водорослей, грибов.
Однако, такой широкий диапазон условий, в которых могут сохранить жизнь некоторые современные биологические виды, не должен вводить в заблуждение: устойчивость жизни – это результат ее длительной эволюции и высокой специализации видов. В истории земной биосферы было множество эпизодов массового вымирания животных и растений, причем не только в результате конкурентной борьбы, но и в ответ на изменение внешних условий. Как выяснили биологи, земные формы жизни особенно чувствительны к наличию жидкой воды, даже во льдах и морозильных камерах микроорганизмы размножаются лишь в тонкой пленке воды на поверхности кристаллов. Поэтому даже на Земле жизнь существует не везде: например, антарктические «сухие долины» практически стерильны.
Условия для зарождения жизни вряд ли принципиально отличаются от условий для ее поддержания. Биологи не видят иной основы жизни, кроме органических молекул – биополимеров. Если для некоторых из них, таких, как молекула ДНК, важнейшим свойством является последовательность звеньев-мономеров, в которой закодирована наследственная информация организма, то для большинства других молекул – белков и, в особенности, ферментов – наиболее важна пространственная форма, очень чувствительная к температуре. Стоит температуре повыситься, как белок денатурируется – теряет свою пространственную конфигурацию, а вместе с ней и свои биологические свойства (например, белок куриного яйца «сворачивается» от тепла), поэтому самые жесткие требования, необходимые для жизни, предъявляются к температуре.
Зоны жизни вокруг звезд.
Чем бы ни закончился поиск внеземной жизни в пределах Солнечной системы, астробиологи уже имеют реальный шанс обнаружить жизнь в миллионах иных планетных систем, населяющих нашу Галактику. Только в окрестности Солнца за последние годы обнаружено более 100 планетных систем (см. экзопланеты). Пока выявляются лишь планеты-гиганты, но уже ясно, что обнаружение планет земного типа – дело ближайших лет. В принципе, возможно спектральное изучение их атмосфер для поиска в них кислорода как индикатора жизни. Пока же нет доказательств, что где-либо за пределами Земли есть жизнь.
Для прогнозирования условий в иных планетных системах привлекаются астрофизические данные, позволяющие определять характеристики так называемых «зон жизни» вокруг звезд и центра Галактики. Необходимым для развития жизни считается наличие звезды умеренной массы, обладающей длительным периодом спокойной эволюции, а также планеты с полупрозрачной атмосферой, движущейся по круговой орбите в определенном диапазоне расстояния от этой звезды. Имеет значение возраст звезды, определяющий ее химический состав, а также орбита звезды в Галактике, определяющая частоту пересечения ею спиральных рукавов, где условия для жизни считаются не столь благоприятными. Эти расчеты позволяют прогнозировать наиболее перспективные места для поиска внеземной жизни, в том числе – разумной.
Жизнь, как и любой другой термодинамический процесс, требует для своего поддержания неравновесных условий. На простейшем примере паровой машины или двигателя внутреннего сгорания легко понять, что в случае одинаковых температур нагревателя и холодильника машина работать не будет. На более сложном уровне это верно и для живого организма. Источником энергии для земной биосферы служит солнечный свет, излученный поверхностью звезды при температуре 5600° С, а окружающий нас «холодильник» (земная атмосфера) имеет среднюю температуру 15° С. Чтобы на поверхности планеты поддерживались неравновесные условия, у планеты должна быть достаточно прозрачная атмосфера, иначе даже при благоприятной температуре у поверхности планеты условия там будут как в термостате: температура вещества и излучения будут одинаковы. Поэтому планеты земного типа с их полупрозрачными атмосферами более благоприятны для жизни, чем планеты-гиганты.
Температура на поверхности планеты земного типа, имеющей сравнительно разреженную атмосферу, в основном, зависит от мощности дневного светила и расстояния до него. В 1950-х американский астрофизик Су-Шу Хуанг исследовал эту проблему: он рассчитал, на каком расстоянии от звезд разного типа могут находится обитаемые планеты, если средняя температура на их поверхности допускает существование жидкой воды, т.е. заключена в диапазоне от 0 до 100° С. Для детального проведения такого расчета нужно знать параметры атмосферы и поверхности планеты. Например, средняя температура поверхности и особенно ее суточные колебания сильно зависят от наличия или отсутствия облаков, от степени отражения света (хорошо известно, насколько по разному нагреты весной участки земли, покрытые снегом и уже освободившиеся от него). В расчетах Су-Шу Хуанга все эти тонкости не учитываются и сами расчеты относятся к некой «типичной» планете.
Суть идеи Хуанга в том, что вокруг любой звезды существует определенная область – «зона жизни» (иногда ее называют экосферой), за пределы которой орбиты этих планет не должны выходить. Велика ли эта зона у звезд различного типа? Нужно учесть, что поток тепла на поверхность планеты пропорционален светимости звезды (L) и обратно пропорционален квадрату расстояния до нее (R). В космос планета возвращает это тепло в виде инфракрасного излучения своей поверхности, которое, по закону Стефана-Больцмана, пропорционально четвертой степени ее температуры (Т). Из уравнения баланса энергии («сколько пришло – столько ушло»)
Можно получить связь: T 4
L/R 2, откуда находится расстояние до планеты с заданной температурой поверхности: R
65%. Например, если считать положение Земли в Солнечной системе (R = 1 а.е.) идеальным для жизни, то внутренняя и внешняя границы пояса жизни имеют радиусы R1 = 0,7 а.е. и R2 = 1,3 а.е. Вблизи этих границ движутся Венера и Марс. Но свойства их атмосфер увеличивают отличие температуры от земной, поэтому условия на них оказались за пределами возможностей жизни. Учитывая это, имеет смысл сузить «температурные рамки жизни» до диапазона, скажем 10–60 К, получив при этом относительную ширину пояса жизни D R
Численное значение идеального для жизни расстояния от звезды зависит от ее светимости (R
L 1/2 ), которая, в свою очередь, быстро возрастает с увеличением массы звезды. Значит, у звезд-карликов зона жизни близка к звезде и поэтому узка (R/3). При случайном формировании планет невелика вероятность, что одна из них попадет именно в эту узкую область. У звезд высокой светимости зона жизни находится далеко от звезды и поэтому очень широка. Но продолжительность жизни массивных звезд так мала, что трудно ожидать развития разумной жизни на их планетах (земной биосфере для этого понадобилось более 3 млрд. лет).
Таким образом, по мнению Су-Шу Хуанга, для обитаемых планет наиболее подходящими являются звезды главной последовательности спектральных классов от F5 до K5, причем звезды второго поколения, богатые такими химическими элементами, которые необходимы для биосинтеза – углерод, кислород, азот, сера, фосфор. Солнце как раз и является такой звездой, а наша Земля движется в середине его зоны жизни. Если бы масса Солнца была немного иной, то в зону жизни попали бы Венера или Марс. Поэтому можно надеяться, что у любой солнцеподобной звезды, обладающей планетной системой, найдется хотя бы одна планета с условиями, пригодными для развития жизни.
Межзвездные обитаемые планеты? Казалось бы, не вписывается в рамки исследований идея о жизни на планетах-скитальцах, потерянных своими звездами; но эта идея обсуждается.
Речь идет о том, что одинокие планеты могут «бродить» в межзвездном пространстве. Вообще говоря, это вполне возможно. К примеру, не раз обсуждалась идея, состоящая в том, что значительная доля скрытой (невидимой) массы Галактики могла бы быть заключена в межзвездных планетах-гигантах типа Юпитера. В 1999 американский астроном Дэйв Стивенсон предположил, что помимо «юпитеров» в пространстве между звездами могут встречаться и планеты земного типа. Стивенсон считает, что на заре существования Солнечной системы в ней могла быть дюжина землеподобных планет, движущихся по вытянутым орбитам, пересекающим орбиту Юпитера. У таких планет было два варианта эволюции: либо столкнуться с Юпитером, либо после тесного сближения с ним навсегда покинуть Солнечную систему. Согласно законам небесной механики, второй вариант осуществлялся чаще.
Какова же судьба потерянных планет? Стивенсон считает, что планеты-скитальцы вполне могут быть обитаемыми. К моменту вылета из своей системы такая планета могла приобрести плотную атмосферу из молекулярного водорода, способную сохранять ее внутреннее тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных элементов, и поддерживать на поверхности температуру и давление, допускающие существование жидкой воды, а где есть вода, там возможна и жизнь.
Конечно, речь может идти только о наиболее примитивных формах жизни, поскольку естественная радиоактивность – слабый источник энергии. Но, в принципе, возможность межзвездной жизни еще шире открывает дорогу идее панспермии: нельзя исключить, что подобные «переносчики семян» путешествуют от одной планетной системы к другой. Это предположение существенно расширяет сферу приложения астробиологии.
Открытие экзопланет и начало второго этапа исследований Марса автоматическими зондами стимулировало появление исследовательских центров по астробиологии: в США – NASA Astrobiology Institute (NAI), во Франции – Groupement de Recherche en Exobiologie (GDR Exobio), в Великобритании – United Kingdom Astrobiology Forum (UKAF), в Австралии – Australian Centre for Astrobiology (ACA), в Испании – Centro de Astrobiologia (CAB), и др. Их работу координируют European Exo/Astrobiology Network Association (EANA), а также International Astrobiology Circle (IAC). В рамках Международного астрономического союза действует комиссия 51 «Биоастрономия: поиск внеземной жизни». Это говорит о том, что астробиология находится на этапе бурного роста.