Этот остров Земля
Нашу планету можно сравнить с самым лучшим космическим кораблем: она несет на борту огромные запасы сырья, ее системы жизнеобеспечения преобразуют солнечную энергию в разнообразное топливо, она защищает нас от враждебного космоса. Жизнь существует на Земле почти 4 млрд лет, и стабильность условий на ее поверхности в течение всего этого периода играла критически важную роль в поддержании непрерывного процесса эволюции. Имеет смысл поговорить о том, как физические условия на нашей планете — ее геология — обеспечивали нам благоприятную среду обитания и защищали от негативных воздействий.
Земная атмосфера появилась и даже сегодня пополняется благодаря вулканическому газообразованию. Химический состав атмосферы обеспечивает незначительный парниковый эффект — теплоизоляционное покрытие, которое улавливает солнечную радиацию, — и нагревает поверхность. Помимо тепла наша атмосфера создает давление, которое позволяет воде существовать в жидком состоянии на всей поверхности планеты. Чтобы представить, какие условия существовали бы на Земле в отсутствие атмосферы, достаточно посмотреть на Луну. Уберите тепло — и вода замерзнет, понизьте давление — она закипит. В любом случае наличие атмосферы — ключевое условие существования жизни на поверхности Земли.
Атмосферу защищает от космоса (в частности, от исходящего от Солнца потока заряженных частиц, которые образуют солнечный ветер) магнитное поле Земли. Отражаемый магнитным полем, солнечный ветер обтекает нашу планету, проникая только в самые верхние слои атмосферы у полюсов, где заряженные частицы вызывают полярные сияния. Без защиты магнитного поля наша атмосфера постоянно подвергалась бы ионизации, выветриванию и испарению под воздействием энергии солнечного ветра и в конечном итоге просто улетучилась бы в космическое пространство.
Прослушивая эхо землетрясений в теле нашей планеты, мы можем выявить источник магнитного поля Земли. Согласно данным сейсмологов, земное ядро состоит из жидкого внешнего слоя с высоким содержанием железа и никеля и твердого внутреннего ядра. Горячее внешнее ядро подобно огромному бьющемуся сердцу, в котором циркулируют гигантские конвекционные потоки расплавленных металлов. Эти потоки вызывают перенос электронов в ядре нашей планеты — в буквальном смысле электрический ток. Ко всему прочему, наша планета вращается, порождая вокруг циркулирующих в ее сердцевине электрических токов обширное магнитное поле. Комбинация жидкого металлического ядра и вращения Земли приводит в действие генератор планетарного масштаба и создает наше магнитное поле. Оба эти фактора имеют принципиальное значение: если бы частота вращения была меньше (как на Венере) или ядро было холодным и твердым (как на Марсе), результирующее магнитное поле было бы значительно слабее.
Все это приводится в движение геологическими процессами, происходящими в расплавленных недрах Земли. Как ни удивительно это осознавать, но твердая порода, которая служит основанием для жизни на нашей планете, лишь тоненькая корочка, плавающая на поверхности кипящего шара из расплавленной магмы и металла. Пламя, пылающее в глубине Земли, все еще не остывший жар множества яростных столкновений, которые создали нашу планету 4,5 млрд лет назад. Подобно гигантскому тепловому двигателю, горячее ядро Земли приводит в движение геологические процессы, которые поддерживают «космический корабль» под названием Земля в рабочем состоянии.
Поскольку мы как начинающие астробиологи стараемся придерживаться непредвзятой точки зрения, я не буду утверждать, что геологическая активность на планете имеет решающее значение для возможности существования жизни за пределами Земли. Описанные выше взаимоотношения между геологическими процессами и жизнью не означают, что мы должны в наших поисках жизни ограничиться исключительно планетами, на которых присутствует геологическая активность. Но они помогают нам понять — в очень широком смысле, — как геология Земли создает и поддерживает условия, при которых жизнь развилась и продолжает существовать. Представим, что мы открыли за пределами Солнечной системы планеты и спутники, на которых протекают сходные с земными геологические процессы. Теперь мы можем порассуждать, каким образом они могут привести к возникновению или поддержанию жизни. Но, как обычно, мы не исключаем, что однажды наткнемся на новые миры, где оазисы жизни существуют в геологической пустыне, лишенной какой-либо активности.
Триумф Дарвина
В результате эволюционного развития на Земле возникло множество сложных и разнообразных жизненных форм. Мы видим примеры невероятной специализации и приспособляемости: если проиллюстрировать это утверждение примерами из фильмов о живой природе, то на экране замелькали бы в замедленной съемке колибри, львы, антилопы, древесные лягушки и другие невероятные существа.
Если немного изменить угол зрения и взглянуть на жизнь как на последовательность связанных между собой биохимических процессов, мы увидим, что все — действительно все без исключения — формы жизни на Земле обладают одним и тем же небольшим набором фундаментальных характеристик. Основная единица, из которой состоят все живые существа, — это клетка, небольшая капелька солоноватой воды, напичканная таким количеством органической химии, что для ее описания нужно несколько толстенных учебников. Что особенно удивительно, так это то, что каждая клетка повторяет фундаментальный набор общих правил, взятых из учебника биохимии для первого курса.
Все живое кодирует свою генетическую информацию, используя дезоксирибонуклеиновую кислоту. ДНК — это не что иное, как длинная цепочка из нуклеотидов, обозначаемых четырьмя буквами (C, A, G, T), связанных между собой в элегантную двойную спираль. Последовательность этих букв служит своеобразной молекулярной базой данных, содержащей всю информацию, с помощью которой кодируются все химические процессы в организме, а также обеспечивающей механизм передачи информации следующим поколениям. Аналогичным образом один и тот же универсальный элемент служит основным источником энергии для всех химических процессов в клетке: в процессе переноса задействованы молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которые способны накапливать энергию и отдавать ее в ходе реакции.
Язык белковой биохимии живой материи использует алфавит, состоящий из 20 аминокислот. Однако заметим, что в природе существует гораздо больше аминокислот — около 500. В связи с этим возникает вопрос, почему жизнь использует только эту фундаментальную, но все же ограниченную выборку? Еще одно общее свойство живой материи заключается в единой хиральности — оптической изометрии молекул — аминокислот (и сахаров). С учетом огромного разнообразия современных форм жизни, каким образом получилось, что такой простой набор строительных материалов наложил отпечаток на всю земную жизнь?
Чтобы примирить эти две противоположные друг другу характеристики жизни — разнообразие внешних форм и сходное биохимическое строение, природа придумала два механизма: деление клеток и эволюцию. Клетка воспроизводится делением на две почти идентичные копии. Естественный отбор закрепляет небольшие различия в генетических свойствах и отделяет наиболее приспособленные к внешней среде организмы как зерна от плевел. Сложность и многообразие форм жизни — следствие эволюционного развития, в ходе которого животные и растения приспосабливаются к различным условиям окружающей среды, существующим на Земле.
