Главная » Хабрахабр » [Перевод] Спросите Итана: как быстро во Вселенной могла появиться жизнь?

[Перевод] Спросите Итана: как быстро во Вселенной могла появиться жизнь?


Органические молекулы находят в регионах формирования звёзд, в остатках звёзд и в межзвёздном газе, по всему Млечному Пути. В принципе, ингредиенты скалистых планет и жизни на них могли появиться в нашей Вселенной достаточно быстро, и задолго до появления Земли

С точки зрения жителей планеты Земля, до момента появления Солнца и Земли прошло 2/3 космической истории. История о том, как Вселенная стала такой, какой мы видим её сегодня, от Большого взрыва до огромного пространства, заполненного скоплениями, галактиками, звёздами, планетами и жизнью, объединяет нас всех. Это заставляет задуматься: не появлялась ли жизнь во Вселенной раньше нашей планеты, и в принципе, насколько давно она могла появиться? Однако жизнь появилась на нашем мире настолько давно, насколько мы способны заглядывать в прошлое при помощи измерений – возможно, даже 4,4 млрд лет назад. Это хочет узнать наш читатель:

Как скоро после Большого взрыва могло накопиться достаточно тяжёлых элементов для формирования планет, и, возможно, жизни?

И даже если мы ограничимся тем типом жизни, который мы считаем «похожим на наш», ответ на этот вопрос отправит нас дальше в прошлое, чем вы могли бы себе представить.

Графитовые отложения, обнаруженные в цирконе, старейшие свидетельства наличия основанной на углероде жизни на Земле. Эти отложения и количество имеющегося в них углерода-12 датируют появление жизни на Земле сроком более 4 млрд лет назад.

После Большого взрыва не было не только звёзд или галактик, не было даже атомов. Мы, конечно, не можем отправиться к самому началу Вселенной. Самые плотные регионы были на малую долю процента – возможно, всего на 0,003% — плотнее среднего. Всему нужно время на появление, и Вселенная, содержавшая после рождения море материи, антиматерии и излучения, начала существование с довольно однородного состояния. И всё же, у Вселенной было столько времени, сколько необходимо, на появление всего этого. Это значит, что потребуется огромный промежуток времени для работы гравитационного коллапса над созданием, например, планеты, которая в 1030 раз плотнее средней плотности Вселенной.

Хотя Земля появилась лишь спустя 9,2 млрд лет после Большого взрыва, многие шаги, необходимые для создания мира, подобного нашему, произошли совсем рано
Стандартная временная линейка истории Вселенной.

Через 3-4 минуты протоны и нейтроны сформировали нейтральные атомные ядра, но почти всё это были изотопы водорода и гелия. После первой секунды антиматерия аннигилировала с большей частью материи, и осталось немного протонов, нейтронов и электронов в море нейтрино и фотонов. И даже при наличии этих фундаментальных ингредиентов, жизнь – и даже скалистые планеты – пока были невозможны. И только когда Вселенная остыла до определённой температуры, на что ушло 380 000 лет, электроны смогли присоединиться к этим ядрам и впервые сформировать нейтральные атомы. Одними лишь атомами водорода и гелия не обойтись.

Однако, практически все эти атомы – это водород и гелий, и только спустя много миллионов лет назад начинают формироваться звёзды, в которых появляются тяжёлые элементы, необходимые для появления скалистых планет и жизни
С охлаждением Вселенной появляются атомные ядра, а за ними, при дальнейшем охлаждении – нейтральные атомы.

Хотя сначала он идёт очень долго, он продолжается неустанно и набирает обороты. Но гравитационный коллапс – это реальность, и, имея достаточно времени, он изменит вид Вселенной. Участки, начинающие с наибольшей плотности, растут быстрее других, и наши симуляции показывают, что самые первые звёзды должны были сформироваться примерно через 50-100 лет после Большого взрыва. Чем плотнее становится регион космоса, тем лучше у него получается притягивать всё больше и больше материи. А когда формируется настолько массивная звезда, она погибнет уже через один-два миллиона лет. Эти звёзды должны были состоять исключительно из водорода и гелия, и могли вырастать до довольно больших масс: сотни или даже тысячи солнечных.

Но в момент смерти таких звёзд происходит нечто потрясающее – и всё благодаря их жизни. Все звёзды синтезируют в ядре гелий из водорода, но наиболее массивные не только синтезируют углерод из гелия – они переходят на синтез кислорода из углерода, неона/магния/кремния/серы из кислорода, а там всё дальше, и дальше, вперёд по периодической таблице элементов, до тех пор, пока не дойдут до железа, никеля и кобальта. После этого идти уже некуда, и ядро схлопывается, запуская взрыв сверхновой. Эти взрывы выбрасывают во Вселенную огромные количества тяжёлых элементов, порождая новые поколения звёзд и обогащая межзвёздное пространство. Внезапно тяжёлые элементы, включая ингредиенты, необходимые для появления скалистых планет и органических молекул, заполняют эти протогалактики.

Как только нужные тяжёлые элементы становятся доступными во Вселенной, формирование этих «семян жизни» оказывается неизбежным
Атомы связываются, формируя молекулы, включая органические молекулы и биологические процессы, как на планетах, так и в межзвёздном пространстве.

Многие сверхновые создают нейтронные звёзды, а в слияниях нейтронных звёзд появляется наибольшее количество самых тяжёлых элементов периодической таблицы Менделеева. Чем больше звёзды живут, сгорают и погибают, тем более обогащённым будет следующее поколение звёзд. Нам не надо, чтобы средняя звёздная система Вселенной была похожа на Солнечную систему; нам нужно лишь просто, чтобы несколько поколений звёзд прожили и погибли в наиболее плотном регионе пространства, чтобы воспроизвести условия, подходящие для появления скалистых планет и органических молекул. Увеличение доли тяжёлых элементов означает увеличение количества скалистых планет с большей плотностью, количества элементов, необходимых для известной нам жизни, и вероятности появления сложных органических молекул.

И хотя сверхновые способны отправлять синтезированные в ядре тяжёлые элементы обратно во Вселенную, именно последующие слияния нейтронных звёзд создают большую часть самых тяжёлых элементов.
В центре остатков сверхновой RCW 103 находится медленно вращающаяся нейтронная звезда, бывшая ранее массивной звездой, достигшей конца своей жизни.

Достаточное количество других тяжёлых элементов набирается ещё быстрее; углероду, возможно, требуется больше времени до достижения большой концентрации потому, что он в основном появляется в звёздах, не превращающихся в сверхновые, а не в тех ультрамассивных звёздах, которые взрываются. К тому времени, когда Вселенной исполнился всего миллиард лет, наиболее удалённые объекты, изобилие тяжёлых элементов в которых поддаётся нашим измерениям, содержат много углерода: столько же, сколько его есть в нашей Солнечной системе. (А многие сверхновые создают фосфор; не нужно верить недавним сообщениям, которые совершенно неправильно преувеличивают его дефицит). Скалистым планетам углерод не нужен; сойдут и другие тяжёлые элементы. Вполне вероятно, что всего лишь через несколько сотен миллионов лет после зажигания первых звёзд – к тому времени, когда Вселенной было от 300 до 500 млн лет – вокруг наиболее обогащённых звёзд уже формировались скалистые планеты.

Пропуски в диске говорят о наличии новых планет.
Протопланетный диск вокруг молодой звезды, HL Тельца; фотография ALMA. Как только у диска будет достаточно тяжёлых элементов, в нём могут появиться скалистые планеты.

Но для жизни, похожей на нашу, нужен углерод, а это значит, что для хорошей вероятности появления жизни придётся ждать немного дольше. Если бы углерод не был необходим для жизни, в то же самое время в отдельных регионах космоса могли бы запуститься жизненные процессы. Интересно думать о том, что Вселенная сформировала планеты и все необходимые ингредиенты в нужном количестве для появления жизни, кроме углерода, и что для создания достаточного количества самого важного ингредиента жизни нужно подождать, пока самые массивные из солнцеподобных звёзд проживут и погибнут. Хотя атомы углерода и будут попадаться, на набор достаточного его количества должно уйти 1 – 1,5 млрд лет: до тех пор, пока Вселенной не стукнет 10% от её текущего возраста, а не просто 3-4%, требующиеся лишь для появления скалистых планет.

Солнцеподобные звёзды, после гибели которых остаётся планетарная туманность, являются главным источником углерода во Вселенной.
Остатки сверхновой (слева) и планетарная туманность (справа) – оба этих метода позволяют звёздам вернуть сгоревшие тяжёлые элементы обратно в межзвёздное пространство и использовать их для появления звёзд и планет следующего поколения. На его производство уходит больше времени, поскольку звёзды, после гибели которых появляется планетарная туманность, живут дольше тех, что гибнут в виде сверхновых.

Оказывается, что увеличение сложности геномов подчиняется определённой тенденции. Экстраполяция в прошлое наиболее продвинутых форм жизни на Земле, появлявшихся в разные эпохи – это интересное упражнение. Показатель ли это того, что жизнь, существующая на Земле, появилась гораздо раньше самой Земли? Если вернуться к отдельным спаренным основаниям, то получится срок, больше похожий на 9-10 млрд лет, чем 12-13 млрд лет назад. И показатель ли это того, что жизнь могла начаться миллиарды лет назад, а в нашем участке космоса на то, чтобы начать, ушло несколько дополнительных миллиардов лет?

Время отсчитывается назад в миллиардах лет от текущего момента
На этом полулогарифмическом графике сложность организмов, измеряемая длиной функциональной неизбыточной ДНК по отношению к геному, считаемой по спаренным основаниям нуклеотидов, линейно увеличивается со временем.

Но мы не знаем и того, где проходит черта между жизнью и не жизнью. На текущий момент мы этого не знаем. Мы также не знаем, началась ли земная жизнь тут, на раньше образовавшейся планете, или где-то в глубинах межзвёздного пространства, вообще без всяких планет.

То, что в простом космическом камне существует более 80 уникальных типов аминокислот, может говорить о том, что ингредиенты для жизни, или даже сама жизнь, появились вообще не на планете.
Многие аминокислоты, не встречающиеся в природе, обнаружены в Мурчисонском метеорите, упавшем на Землю в Австралии в 1969-м.

Скалистые планеты в некоторых местах появились гораздо раньше, чем могла появиться жизни: всего через полмиллиарда лет после Большого взрыва, или даже раньше. Очень интересно, что сырые, элементарные ингредиенты, необходимые для жизни, появились вскоре после формирования первых звёзд, а самый важный ингредиент – углерод, четвёртый по распространённости элемент во Вселенной – является самым последним ингредиентом, достигшим необходимого нам количества. Какие бы жизненные процессы, приведшие к появлению человечества, ни происходили – насколько мы их понимаем, они могли начать свой путь уже тогда, когда Вселенной было в десять раз меньше, чем сейчас. Но как только у нас есть достаточно углерода, через 1 – 1,5 млрд лет после Большого взрыва, становятся неизбежными все шаги, необходимые для появления органических молекул и начала движения по направлению к жизни.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

toString: Великий и Ужасный

Она — причина многочисленных шуток и мемов про многие подозрительные арифметические операции, преобразования, вводящие в ступор [object Object]'ы. Функция toString в языке JavaScript наверно самая "неявно" обсуждаемая как среди самих js-разработчиков, так и среди внешних наблюдателей. Уступает, возможно, лишь удивлениям ...

Ракета-носитель «Союз-5SL» будет работать с двигателями советского образца

Так выглядит Falcon Heavy, тяжелая ракета-носитель от SpaceX, с которой собирается конкурировать S7 Space Генеральный директор S7 Space Сергей Сопов на днях заявил о том, что эта частная аэрокосмическая компания (в некоторых СМИ ее называют “Российской SpaceX”) собирается возродить производство ...