Первая жизнь
Мы, земляне, можем оказаться очень молодыми представителями живых организмов во Вселенной. Ведь жизнь на нашей планете зародилась примерно 3.8 миллиарда лет назад. Впрочем, между рождением планеты и появлением на ней простейших живых организмов прошло не так много времени – всего 700 миллионов лет. Однако возможные первые обитатели Вселенной посчитают такую задержку уж очень долгой, ведь первые микробы могли появиться всего через 15 миллионов лет после Большого взрыва, рождения Вселенной как таковой.
Для этого планетам, на которых появились первые живые организмы, даже не нужно было находиться в зонах обитания их молодых звезд. Это, впрочем, было трудно выполнить, ведь первые звезды во Вселенной были гигантами с очень коротким временем жизни и очень мощным излучением. Планете стоило держаться подальше от такого нестабильного гиганта, там, где его излучение практически не нагревало бы планету. Ведь то, что при обычной активности гигантской звезды согревает мир, при всплеске активности может его стерилизовать.
Вместо света звезд первая жизнь, которая могла появиться 13.8 миллиарда лет назад, полагалась на реликтовое излучение, тогда намного более мощное, нежели сейчас. Эту интересную гипотезу выдвинул сотрудник Гарварда Авраам Леб, всемирно известный специалист по экзопланетам. Стоит отметить, что частично такой подход является классическим для изучения обитаемости планет. Требуется, чтобы планета была небольшой, твердой, температура на ее поверхности позволяла поддерживать жидкую воду. Ведь если представляют большой интерес луны газовых гигантов, под ледяной корой которых находится теплый океан, согреваемый приливными силами планеты, то чем хуже планеты под воздействием реликтового излучения? Это лишь еще один способ достижения требуемой температуры.
Наличие планет, а тем более твердых, в такой молодой Вселенной можно легко поставить под вопрос. Первые звезды начали образовываться через несколько десятков миллионов лет после Большого взрыва, и при этом использовались только водород и гелий, созданные при остывании Вселенной. Тяжелых элементов еще не было, ведь они образуются в результате жизнедеятельности звезд. Однако в молодой Вселенной могли существовать уплотнения, в которых изначальный газ находился под большим давлением и потому рано начал сгущаться, образуя первые звезды-гиганты. Они расходовали свое топливо, образуя при этом все более тяжелые элементы, невероятно быстро – за миллионы лет. Взрывы сверхновых-гигантов начали активно обогащать плотные регионы рожденными внутри светил элементами. Тем не менее, к моменту достижения реликтовым излучением удобной для жизни температуры тяжелых элементов было еще очень мало, так как не могло смениться несколько поколений даже гигантских и короткоживущих звезд. Чтобы проверить возможность образования планет при недостатке тяжелых элементов можно поискать в Млечном пути миры, обращающиеся вокруг очень бедных на такие элементы звезд.
Появление жизни вскоре после Большого взрыва имеет одно интересное последствие, нанося удар по антропному принципу. Согласно этому представлению, жизнь в нашей Вселенной возможна только при наблюдаемом нами соотношении фундаментальных физических величин. При этом вполне возможно существование других Вселенных, в которых соотношения между фундаментальными величинами отличаются совсем незначительно, но даже мизерного различия достаточно, чтобы не могли образоваться звезды, планеты, живые организмы, подобные земным. Среди фундаментальных постоянных, подпадающих под действие этого принципа, находится космологическая постоянная. Хотя предложивший этот параметр Эйнштейн вкладывал в него несколько иной смысл, а потом и вовсе отказался, теперь эта величина объясняет видимое ускоренное расширение Вселенной.
Если бы эта константа имела другую величину, то и Вселенная наша оказалась бы другой, а при принятии антропного принципа в ней не было бы жизни. Однако если жизнь появилась почти сразу Большого взрыва, то величина космологической постоянной не играла при этом никакой роли. Ускоренное расширение Вселенной еще не могло заметно проявиться, так что рождение и смерть звезд и обогрев планет реликтовым излучением происходили бы точно также.
Источник
Когда возникла жизнь во Вселенной?
Современные астрономы часто находят в космосе потенциально пригодные для жизни планеты. Нашу Землю вполне можно использовать как эталонный мир для существования жизни. Но все же ученым нужно рассмотреть множество различных условий, которые сильно отличаются от наших. При которых жизнь во Вселенной может поддерживаться в долгосрочной перспективе.
Сколько лет существует жизнь во Вселенной?
Земля образовалась около 4.5 миллиардов лет назад. Однако с момента Большого взрыва прошло более 9 миллиардов лет. Крайне самонадеянно было бы предполагать, что Вселенной потребовалось все это время для создания необходимых условий для жизни. Обитаемые миры могли возникнуть гораздо раньше. Все ингредиенты, необходимые для жизни ученым пока неизвестны. Но некоторые вполне очевидны. Так какие условия необходимо выполнить, чтобы появилась планета, которая может поддерживать жизнь?
Первое, что будет необходимо — это правильный тип звезды. Здесь могут существовать всевозможные сценарии. Планета может существовать на орбите вокруг активной, мощной звезды и оставаться пригодной для жизни, несмотря на ее враждебность. Красные карлики, такие как Proxima Centauri, могут излучать мощные вспышки и лишать атмосферы потенциально пригодной для жизни планеты. Но очевидно, что магнитное поле, плотная атмосфера и жизнь, которая была достаточно умна, чтобы искать убежища во время таких интенсивных событий, вполне могли бы в совокупности сделать такой мир пригодным для жизни.
Но если срок жизни звезды не слишком большой, то развитие биологии на ее орбите невозможно. Первое поколение звезд, известное как звезды популяции III, с вероятностью 100 процентов не имели обитаемых планет. Нужно чтобы звезды, по крайней мере, содержали некоторые металлы (тяжелые элементы тяжелее гелия). К тому же, первые звезды жили достаточно мало, чтобы на планете успела появиться жизнь.
Требования к планетам
Итак, прошло достаточно времени для появления тяжелых элементов. Возникли звезды, чей срок существования исчисляется миллиардами лет. Следующим ингредиентом, который нам нужен, является правильный тип планеты. Насколько мы понимаем жизнь, это означает, что планета должна обладать следующими характеристиками:
- способна поддерживать достаточно плотную атмосферу;
- поддерживает неравномерное распределение энергии на своей поверхности;
- имеет жидкую воду на поверхности;
- обладает нужными начальными ингредиентами для возникновения жизни;
- имеет мощное магнитное поле.
Каменистая планета, имеющая достаточно большие размеры, плотную атмосферу и вращающаяся вокруг своей звезды на правильном расстоянии, имеет все шансы. Учитывая что планетные системы достаточно распространенное явление в космосе, и так же то, что в каждой галактике огромное число звезд, первые три условия достаточно легко выполнить.
Звезда системы вполне может обеспечить энергетический градиент своей планеты. Он может возникать при воздействии ее гравитации. Или таким генератором может быть крупный спутник, вращающийся вокруг планеты. Эти факторы могут вызвать геологическую активность. Поэтому условие неравномерного распределения энергии легко выполнимо. Планета также должна обладать запасами всех необходимых элементов. Ее плотная атмосфера должна позволять жидкости существовать на поверхности.
Планеты с подобными условиями должны были возникнуть к тому времени, когда Вселенной было всего 300 миллионов лет.
Нужно больше
Но есть один нюанс, который нужно учитывать. Он состоит в том, что необходимо иметь достаточное количество тяжелых элементов. И их синтез занимает больше времени, чем требуется для появления скалистых планет с правильными физическими условиями.
Эти элементы должны обеспечить правильные биохимические реакции, которые необходимы для жизни. На окраинах крупных галактик для этого может потребоваться много миллиардов лет и множество поколений звезд. Которые будут жить и умирать, чтобы выработать необходимое количество нужного вещества.
В сердцах галактик звездообразование происходит часто и непрерывно. Из переработанных остатков предыдущих поколений сверхновых звезд и планетарных туманностей рождаются новые звезды. И количество нужных элементов может там быстро расти.
Галактический центр, однако, является не очень удачным местом для возникновения жизни. Вспышки гамма-всплесков, сверхновые, образование черных дыр, квазары и разрушающиеся молекулярные облака создают здесь среду, которая в лучшем случае нестабильна для жизни. Вряд ли она сможет возникнуть и развиваться в таких условиях.
Чтобы получить нужные условия этот процесс должен прекратиться. Необходимо чтобы звездообразование больше не происходило. Именно поэтому самые первые, наиболее подходящие для жизни планеты возникли, вероятно, не в такой галактике, как наша. А скорее в красно-мертвой галактике, которая перестала образовывать звезды миллиарды лет назад.
Когда мы изучаем галактики, мы видим, что 99,9% их состава — это газ и пыль. Это является причиной появления новых поколений звезд и непрерывного процесса звездообразования. Но некоторые из них прекратили формировать новые звезды около 10 миллиардов лет назад или больше. Когда их топливо заканчивается, что может произойти после катастрофического крупного галактического слияния, звездообразование внезапно прекращается. Голубые гиганты просто заканчивают свою жизнь, когда у них заканчивается топливо. А красные звезды остаются медленно тлеть дальше.
Мертвые галактики
В результате эти галактики сегодня называются «красными мертвыми» галактиками. Все их звезды стабильны, стары и безопасны в отношении тех рисков, которые приносят области активного звездобразования.
Одна из таких, галактика NGC 1277, находится совсем рядом с нами (по космическим меркам).
Поэтому очевидно, что первые планеты, на которых могла возникнуть жизнь, возникли не позже 1 миллиарда лет после рождения Вселенной.
По самым осторожным оценкам во Вселенной существует два триллиона галактик. И поэтому галактики, которые являются космическими странностями и статистическими выбросами, несомненно, существуют. Остается только несколько вопросов: какова распространенность жизни, вероятность ее появления и необходимое для этого время? Жизнь может возникнуть во Вселенной и до достижения миллиардного года. Но устойчивый, постоянно обитаемый мир является гораздо большим достижением, чем жизнь, только что возникшая.
Источник
Жизнь появилась раньше, чем Земля?
Сегодня мы имеем представление о том, как Вселенная стала такой, какой мы наблюдаем ее сейчас, от момента Большого Взрыва до огромного пространства, заполненного галактиками, звездами и планетами. Солнцу и Земле, потребовалось около 2/3 от общей космической истории для того, чтобы появиться на этих просторах. Самые ранние свидетельства существования жизни, обнаруженные на Земле, датируются возрастом в 4-4.4 млрд. лет, то есть весьма вероятно, что возникла она всего лишь через 100 миллионов лет после рождения планеты. Могла ли жизнь на нашей Земле возникнуть за столь короткий срок, или же ее появлению предшествовала эволюция в другом мире? И если это так, насколько широко распространена жизнь во Вселенной?
Через какое время после Большого Взрыва появилось достаточно тяжелых элементов для формирования планет и, возможно, появления жизни?
Даже ограничиваясь тем типом жизни, который мы признаем «похожим на наш», ответ на этот вопрос уводит нас дальше, чем мы можем себе представить.
Графитовые отложения, найденные в кристалле циркона, являются одними из самых древних доказательств существования жизни на Земле. Эти отложения и значения углерода-12, которые они имеют во включениях, датируют первую жизнь на Земле более чем в 4 миллиарда лет назад. (EA Bell et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2015)
После Большого Взрыва не было звезд и галактик, не было даже атомов. Требовалось время, чтобы они сформировались. Новорожденная Вселенная содержала гигантское количество материи, антиматерии и излучения, и выглядела как достаточно однообразное место. Самые плотные ее области были, возможно всего лишь на 0,003% плотнее, чем в плотность вещества, заполняющего пространство в среднем. Это означает, что для создания тела вроде планеты потребовалось огромное количество гравитационной энергии, что соответствует величинам, которые примерно в 1030 раз больше, чем средняя плотность Вселенной. Но Вселенная никуда не торопится, и у нее было столько времени, сколько нужно, чтобы произошло все, что произошло.В первую секунду после Большого Взрыва, или близко к этому, антиматерия полностью уничтожила большую часть материи, оставив лишь небольшое количество протонов, нейтронов и электронов среди колоссального количества нейтрино и фотонов. Через 3-4 минуты протоны и нейтроны образовали стабильные атомные ядра, но они почти все являлись изотопами водорода и гелия. И только тогда, когда Вселенная охладилась ниже определенного порога, что заняло приблизительно 380 000 лет, электроны связались с этими ядрами, образовав нейтральные атомы. На этом этапе жизнь — и даже существование скалистых планет было еще невозможно. Атомы водорода и гелия просто не могли бы этого сделать.
Гравитация родила звезды
Но гравитационное сжатие — это реальность, и, учитывая достаточно количество имеющегося времени, в итоге оно изменит Вселенную. Хотя сначала это происходит чрезвычайно медленно, процесс неумолим и в итоге даст знать о себе. Чем плотнее будет становиться любая область пространства, тем быстрее она будет уплотняться. Регионы, которые возникли с наибольшей избыточностью материи, стали расти быстрее всех. Компьютерное моделирование этого процесса показывает, что самые первые звезды должны были образоваться в период примерно 50-100 миллионов лет после Большого взрыва. Эти звезды должны были состоять исключительно из водорода и гелия и способны были расти до очень больших масс: сотен или, может быть, тысяч масс нашего Солнца. Существовали первые звезды относительно недолго, всего лишь один или два миллиона лет.
Однако значение того, что происходило, когда эти звезды умирали, необычайно важно. Из-за того, как именно эти звезды жили. Все звезды пережигают водород в гелий в своих недрах в реакциях термоядерного синтеза, но самые массивные при этом производят из гелия углерод, затем из углерода получается кислород, кислород дает жизнь неону, магнию, кремнию, сере, а затем все выше и выше по периодической таблице до тех пор, пока не возникнет железо, никель и кобальт. После этих элементов реакция термоядерного синтеза становится энергетически невыгодной, и ядро звезды разрушается, вызывая взрыв сверхновой. Эти взрывы, в процессе которых происходит синтез элементов тяжелее железа, выбрасывают огромное количество тяжелых элементов во Вселенную, питая новые поколения звезд и обогащая межзвездную среду. Тяжелые элементы, включая ингредиенты, которые нужны для формирования скалистых планет и органических молекул, теперь заполняют будущие галактики.
Атомы могут связываться с образованием молекул, включая органические молекулы в межзвездном пространстве, а также на планетах. После того, как во Вселенной будут доступны соответствующие типы тяжелых элементов, образование этих «семян жизни» неизбежно. (Дженни Моттар)
Чем больше звезд будут существовать, гореть и умирать, тем больше будет обогащаться следующее поколение звезд. Большие количества тяжелых элементов означают наличие большего количества скалистых планет большой плотности, большее количество элементов, необходимых для появления жизни, и большей вероятности возникновения сложных органических молекул. Совсем не обязательно, чтобы среднестатистическое место во Вселенной выглядело как наша Солнечная система; достаточно того, чтобы несколько поколений звезд жили и умирали в самых плотных областях пространства, сумев создать условия для возникновения скалистых планет и органических молекул.
Углерод как основа жизни
Когда Вселенная имела возраст один миллиард лет она накопила огромное количество углерода. Столько, сколько имеет сейчас наша Солнечная система. Другие тяжелые элементы появляются в изобилии еще быстрее. Синтез углерода, возможно, занимает больше времени, чтобы достичь таких значений, потому что он в основном производится в звездах, которые не становятся сверхновыми. (А многие сверхновые произведут фосфор; в противовес недавнему сообщению, обосновывающему его отсутствие.) Поэтому весьма вероятно, что через несколько сотен миллионов лет после того, как загорелись первые звезды, когда Вселенной было 300 — 500 миллионов лет — уже существовали скалистые планеты, обогащенные тяжелыми элементами.
Если не учитывать потребность жизни в углероде, вероятно, уже тогда существовали области пространства, которые могли бы начать процессы зарождения жизни. Но углерода для жизни, такой как наша, было все еще мало, и это означает, что нам нужно подождать еще немного, чтобы получить хорошую вероятность для ее появления. Хотя атомы углерода будут присутствовать уже в достаточно большом количестве, вероятно, потребуется подождать еще 1-1,5 миллиарда лет, пока возраст Вселенной не составит около 10% нынешнего. Довольно интересно, что Вселенная тогда уже сформировала планеты и имела все ингредиенты в правильном сочетании для возникновения жизни, кроме углерода.
Возраст первых молекул ДНК
Существует интересное исследование: если экстраполировать самые передовые формы жизни, которые существовали на Земле в разные периоды истории нашей планеты, можно обнаружить, что их геномы имеют сложность, возрастающую с определенной тенденцией. Если перейти к одиночным базовым парам, то получается, что жизнь возникла 9-10 миллиардов лет назад. Является ли это свидетельством того, что жизнь, которую мы видим на Земле, появилась задолго до того, как Земля стала ей обладать?
На этом логарифмическом графике изменения сложности организмов, измеренные по длине функциональной ненасыщенности ДНК на один геном, подсчитанной по паре нуклеотидных оснований (bp), линейно возрастают со временем. Время отсчитывается назад за миллиарды лет до настоящего времени (время 0). (Широв и Гордон (2013)
На данный момент мы этого не знаем. Но в то же время мы также не знаем, где находится грань между жизнью и неживой материей. Мы также не знаем, получила ли начало жизнь здесь, на Земле, или на более ранней планете, или может она началась в глубине межзвездного пространства, вообще без планеты.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник