Голубые брызги

Мы с вами живем на голубой планете – единственной известной пока планете с большим запасом жидкой воды. Внутри нас тоже есть океан. Тело взрослого человека примерно на 57 % состоит из воды. С годами мы высыхаем, поскольку тело новорожденного ребенка содержит около 75 % воды. Большая часть воды в организме сосредоточена не в крови, а заключена в клетках мышц, головного мозга и сердца. Метаболизм пищи и кислорода зависит от воды, как и рост и взаимодействие наших клеток. Даже воспроизводство, зависящее от подвижности яйцеклеток и сперматозоидов, требует наличия жидкой среды. Фактически любая реакция в организме в той или иной степени нуждается в участии воды.

Но не только это связывает нас с водой: в наших телах заключена история самой воды. Первые 2,7 миллиарда лет жизнь развивалась исключительно в воде, и это отразилось на всех системах нашего организма. Многие отделы нашей головы развиваются из серии вздутий, которые затем превращаются в костичелюстей, ушей и гортани, а также в обслуживающие их мышцы, нервы и артерии. Эквивалентные структуры обнаружены у всех существ, имеющих голову, включая рыб. У таких животных кости переходят в структуры, определяющие форму и функцию жабр. В определенном смысле мышцы, нервы и кости, с помощью которых мы говорим, жуем и слышим, соответствуют жаберным структурам наших предшественников – рыб. Эта глубокая связь отразилась и в окаменелостях, по которым можно проследить превращение жаберных костей в структуры нашей головы, включая кости уха.

Итак, большую часть своей истории мы провели под водой – вплоть до выхода на сушу около трехсот миллионов лет назад. Это обстоятельство способствовало появлению специфической функции почек, заключающейся в поддержании баланса воды и соли. Репродукция у наземных животных тоже меньше зависит от воды, чем у водных: оплодотворение происходит внутри тела, а развивающийся плод отделен от внешнего мира мембранами и сосудами, защищающими его и связывающими с организмом матери. Наши руки и ноги, адаптированные к жизни на суше, представляют собой модифицированные плавники рыб. Наше существование на суше обеспечивают те же органы, которые позволяют рыбам жить в воде.

Почки человека и других млекопитающих – великолепная адаптация для жизни на суше. Почки с особым строением помогают сумчатым крысам и антилопам жить в безводных пустынях, пользуясь только той водой, которая содержится в пище. Но даже в этом самом специализированном органе наземных животных прослеживается водное происхождение. Все бесчелюстные рыбы, с которыми мы разошлись от последнего общего предшественника около полумиллиарда лет назад, имеют очень примитивные почки. Эта специализированная ткань, тянущаяся вдоль всего тела, отделяет жидкие отходы метаболизма из кровотока прямо во внутреннюю полость, откуда они выводятся наружу через отверстие в задней части тела. Костные рыбы, с которыми мы разошлись от общего предка четыреста пятьдесят миллионов лет назад, имеют уже более оформленную структуру: этот сгусток ткани связан со специализированной системой, через которую выводятся жидкие отходы. В своем новейшем варианте, как в организме млекопитающих, система фильтрации расположена не вдоль всего тела, а только в нижней части спины.

В процессе внутриутробного развития наши почки последовательно проходят три стадии превращения. На первой стадии это специализированная ткань, протянувшаяся вдоль всего тела и открывающаяся в полость тела, практически как у бесчелюстных рыб. На второй стадии эта система приобретает такой же вид, как у костных рыб: локализуется вдоль спины и соединена со специальной выводящей системой. Взрослая форма, сменяющая две предыдущие, формируется в конце первого триместра беременности. Таким образом, в процессе внутриутробного развития мы повторяем историю наших древних предков, обитавших в воде.

Наша связь с водой неслучайна. Молекула воды отличается особенными свойствами. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода и напоминает голову Микки Мауса: крупный атом кислорода – голова, а более мелкие атомы водорода сверху – уши. Отрицательный заряд сконцентрирован на атоме кислорода, а положительный – на стороне водорода. Такое строение воды объясняет хорошую растворимость в ней самых разных веществ. Соли, белки, аминокислоты – в воде растворяется такое множество соединений, что это обеспечивает возможность протекания жизненно важных реакций. Нам больше не требуется водная среда вокруг нас, но наша жизнедеятельность неизменно связана с наличием водной среды внутри организма.

Сравнительное содержание различных форм воды на планете.

Вода имеет еще одно свойство, которое легко обнаружить на кухне: она может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии, причем эти переходы осуществляются в достаточно узком интервале температур. Наша жизнь еще и потому так тесно связана с водой, что она присутствует на планете в твердом (лед), газообразном (водяной пар) и жидком состоянии, обеспечивающем протекание всех процессов в живых организмах. Более 97 % воды на планете содержится в океанах, а остальная вода распределена между облаками, льдом и источниками пресной воды, причем каждая форма в нашей жизни чрезвычайно важна.

Вода является незаменимой средой не только для химических процессов в нашем организме, но и для метаболизма всей планеты. Вода в виде дождя и вода от таяния льда и снега вызывает эрозию гор и почвы, в результате чего минералы возвращаются в море. Это постепенное выветривание уравновешивает процесс формирования новых гор. Находящиеся в воздухе молекулы, многие из которых оказывают значительное влияние на климат и состояние атмосферы, находятся в постоянном круговороте между горными породами и морем, и круговорот этот осуществляется водой. Вода поддерживает связи, необходимые для существования жизни на Земле.

Вода внутри наших тел и в океане многое может рассказать о своем происхождении. Поскольку вода состоит из двух частей водорода и одной части кислорода, можно считать, что две части атомных ядер в ее составе возникли в результате Большого взрыва, а одна часть – в результате термоядерных реакций внутри звезд. Но, хотя история атомов, составляющих молекулу воды, является общей для Вселенной, история молекул воды связана с Солнечной системой. Химическая структура молекул воды на Земле (в частности, содержание в ней различных изотопов водорода) отличается от структуры молекул воды в составе льда на кометах, астероидах, на других планетах. Анализ льда с кометы Хейла – Боппа, едва не столкнувшейся с Землей в 1997 году, показал, что состав этой воды отличается от состава земной воды. У многих это открытие вызвало сильное разочарование, поскольку в то время считалось, что источником воды на Земле были именно кометы. Сторонники этой гипотезы вновь восторжествовали в 2011 году, когда новые зонды, посланные на другие кометы, такие как Хартли-2, обнаружили явное сходство изотопного состава воды на кометах и в земных океанах. Но история воды не связана исключительно с кометами: чем пристальнее мы рассматриваем Солнечную систему, тем больше воды мы находим. Более мощные телескопы и новые спутники позволили обнаружить воду на Луне и на астероидах. Следы воды обнаружены и в еще более неожиданных местах. Ближайшая к Солнцу планета Солнечной системы – Меркурий. Температура здесь достигает 400 °C (этого достаточно, например, чтобы расплавить свинец). Искусственный спутник Меркурия “Мессенджер”, выведенный в 2004 году на орбиту планеты специалистами НАСА, прислал фотографии глубоких кратеров на полюсах Меркурия. Так вот, по своим отражающим свойствам структура вещества в этих кратерах соответствует структуре льда. Вода могла сохраниться здесь по той причине, что в кратерах, скрытых от солнечных лучей на планете без атмосферы, скорее всего, очень холодно. Такое обилие воды в Солнечной системе может говорить о том, что вода прибыла на Землю из космоса. Кроме того, определенное количество воды на Земле могло выделиться из минералов в процессе образования планеты. При очень сильном нагревании (а именно такие условия, скорее всего, были на Земле четыре с половиной миллиарда лет назад) минералы могут высвобождать связанные молекулы воды. В любом случае, принесли ли воду кометы или она выделилась из камней при формировании Солнечной системы, каждый стакан выпиваемой нами воды происходит из источника столь же древнего, как сама Солнечная система. И, как рассказывает нам циркон, жидкая вода на нашей планете существует уже не менее четырех миллиардов лет.

Наша история складывалась под влиянием воды, наше существование возможно благодаря воде, и наше будущее, с большой вероятностью, тоже будет зависеть от воды.

Близнецы-уродцы

После изматывающей трехдневной конференции в Калифорнии я развалился на диване в гостиничном холле, ожидая автобуса в аэропорт. Напротив расположился знаменитый ученый. Часть его лица скрывала от меня крышка его лэптопа. Мое внимание привлекло выражение его лица. Он глядел на экран, то смеясь, то недоверчиво качая головой. Мне стало неудобно оттого, что я слежу за ним, так что я отвел взгляд. Заметив мое смущение, сосед кивнул мне головой, пригласив взглянуть на экран. На экране я увидел скалу с хорошо знакомым мне рисунком поверхности. Характер расположения слоев говорил о том, что эти породы сформировались в древних дюнах. Я много раз видел такой рисунок, когда отправлялся на поиски окаменелостей в Канаду или в Африку, и несколько раз даже находил окаменелости в таких породах. Скала манила к себе. Палеонтологи любят этот тип камней. Но эти фотографии были сделаны не на Земле, а на Марсе. Мой коллега входил в состав группы ученых, занимавшихся анализом изображений, присланных марсоходом “Спирит”. Эти фотографии были присланы на Землю накануне.

В фильме “Близнецы” (1988) Арнольд Шварценеггер исполняет роль супермена, отправляющегося на поиски давно потерянного брата. В конце концов он находит брата-близнеца (его играет Денни Де Вито) – невзрачного, не обладающего никакими талантами человека с криминальным прошлым. Они родились от одной матери, но судьба одного многим одарила, а другого оставила ни с чем. Увидев брата, персонаж Шварценеггера многое начинает понимать о самом себе. Точно так же мы многое можем узнать о нашей планете и о нас самих, если внимательно приглядимся к нашим соседям по Солнечной системе – Венере, Марсу и Юпитеру. В прошлом мы – персонаж Шварценеггера, в будущем – Де Вито.

Фотографии песчаников американского Запада (слева) и Марса (справа).

Много тысяч лет люди смотрели на небо в надежде узнать что-то о жизни, времени и нашем месте во Вселенной. Телескопы помогли нам приблизить дальние объекты и обнаружить спутники далеких планет и каналы на Марсе. В последние сорок лет мы запустили сотню ракет к Луне, астероидам и другим планетам и их спутникам и даже в более далекие миры, находящиеся за пределами гравитационного притяжения нашего Солнца. “Аполлон-8” позволил людям впервые вырваться из гравитационного поля Земли и войти в поле другого небесного объекта. Облетая вокруг Луны в канун Рождества 1968 года, Уильям Андерс увидел восход Земли над Луной. Через двадцать пять лет беспилотный космический корабль “Вояджер” начал выходить из Солнечной системы, вырвавшись из гравитационного поля нашего Солнца и погрузившись в глубины космического пространства. Инженеры настроили камеры таким образом, чтобы можно было увидеть Землю. Голубой оазис воды и воздуха, единственный среди известных нам обитаемых миров, был маленьким шариком для “Аполлона-8” и едва заметной точкой для “Вояджера”.

Еще до начала реализации проекта “Аполлон” исследования Венеры в значительной степени изменили представление о нашем месте во Вселенной. Эта яркая планета похожа на сферу, но если вам представится возможность, взгляните на нее в бинокль или телескоп. Вы увидите то, за что чуть не казнили Галилео Галилея, когда он в 1610 году впервые описал свои наблюдения. Венера, подобно нашей Луне, проходит от фазы полумесяца к целому диску, и обратно. На основании этих наблюдений Галилей доказал, что планеты, включая нашу, вращаются вокруг Солнца, а не наоборот.

Венера по размеру напоминает Землю и располагается ближе к Солнцу. Долгое время считалось, что она больше всего похожа на Землю, и именно по этой причине первые межпланетные аппараты ученые направляли именно сюда в надежде найти жизнь. Некоторые даже полагали, что когда мы спустимся на планету, мы найдем тропический мир, напоминающий тот, что был на Земле в эпоху динозавров.

Первые подозрения о том, что на Венере происходит что-то странное, возникли в 30-х годах, когда был создан телескоп нового типа. Этот телескоп, установленный в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, не измерял интенсивность света, а выдавал электромагнитный спектр излучения. Этот спектр указывал на то, что атмосфера Венеры на 99 % состояла из диоксида углерода.

В 1962 году Венере повезло – именно сюда земляне решили отправить первый межпланетный корабль в рамках проекта “Маринер”. Это было очень серьезное предприятие. Взлет космического корабля опасен и сегодня, а уж в 1962 году тем более. Старт корабля “Маринер-1” с самого начала пошел не так, как было задумано, так что пришлось в аварийном порядке взорвать корабль, чтобы избежать катастрофы, которая могла бы погубить города на побережье Флориды. Следующая ракета, “Маринер-2”, могла нести не более пятнадцати килограммов инструментов для всех научных исследований. После удачного старта путь “Маринера-2” к Венере продолжался около трех с половиной месяцев. Те немногие инструменты, которые перенес корабль, позволили сделать чрезвычайно важные открытия. Выяснилось, что на Венере плавится даже свинец: температура на ее поверхности составляет около 480 °C. Давление на поверхности планеты в девяносто раз превосходит давление на Земле. Чтобы почувствовать, что это такое, нужно опуститься под воду на глубину около километра. Кроме того, анализы подтвердили, что атмосфера планеты практически полностью состоит из углекислого газа. “Маринер-2” обнаружил, что наша ближайшая родственница, по размеру почти наш близнец, больше напоминает ад.

Почему планеты-близнецы так сильно различаются? Отчасти ответить на этот вопрос помогли новые исследования. В 60-х годах, пока НАСА осваивала Луну, в Советском Союзе конструировали машины для отправки на Венеру. Попасть на Венеру и собрать о ней какие-либо данные – сложнейшая задача. Чтобы аппарат смог оторваться от Земли, он должен быть легким, но в этом-то и сложность: гигантское давление на Венере оставляет очень мало времени на сбор данных: вскоре после посадки аппарат будет раздавлен, как жестяная банка при игре в футбол. Неудивительно, что история первых запусков – сплошная история катастроф. “Венера-1” потеряла контакт с Землей еще в полете, а “Венера-2” – при посадке на Венеру. “Венера-3” разбилась при посадке. “Венера-4” вошла в атмосферу Венеры, послала несколько сигналов и исчезла. Но настойчивость вознаграждается. “Венера-9”, запущенная через четырнадцать лет после “Венеры-1”, опустилась на Венеру и послала на Землю первые черно-белые фотографии. Следующие аппараты высаживались на планету и производили анализ почвы и атмосферы. Что они обнаружили? На Венере бывают гром и молния. На Венере есть магматические горы, очень напоминающие земные. Конечно, Венера очень горячая, на ней высокое давление и ее атмосфера заполнена углекислым газом, но она удивительно похожа на нашу родную планету.

Затем, в 1978 году НАСА запустила космический корабль “Пионер”. Это была миниатюрная научная лаборатория, способная, кроме прочего, определять состав облаков и атмосферы. Когда “Пионер” погрузился в облака Венеры, одно из устройств зафиксировало присутствие серной кислоты. Затем это устройство проанализировало атомный состав серной кислоты, в частности, изотопный состав атомов водорода. Соотношение атомов водорода в веществе зависит от наличия жидкой воды. И тут ученых ждал сюрприз: сегодня Венера твердая и сухая, как камень, но когда-то здесь были океаны.

Венера и Земля родились как близнецы, но судьба их сложилась по-разному. Венера потеряла воду, а Земля ее сохранила: Венера находится слишком близко к Солнцу, чтобы жидкая вода могла здесь задержаться. Именно исчезновение воды может объяснить многие различия двух планет. На Земле вода облегчает удаление углекислого газа из атмосферы через сложную цепочку химических взаимодействий. На Венере такие реакции невозможны. Венера напоминает закрытую емкость, наполненную газом: вулканы выбрасывают углекислый газ, и удалить его нет никакой возможности, так что со временем давление только нарастает. С увеличением давления поднимается и температура. И этот парниковый эффект на Венере возник в результате исчезновения воды.

Другой наш сосед по Солнечной системе, Марс, рассказывает иную историю. Мы пока еще не обнаружили здесь действующих вулканов, извергающих лаву, и не зафиксировали движений коры. Но вид каньонов и каналов планеты свидетельствует о том, что они были сформированы под действием воды. Над поверхностью возвышаются застывшие вулканы. Если здесь когда-то была вода, то температура должна была быть примерно такой же, как у нас на Земле. Поверхности, все еще хранящие следы воды, изменились со временем и рассказывают о падении множества больших и малых метеоритов, произошедших здесь миллиарды лет назад. Недавно проведенные исследования показали сезонное присутствие жидкой воды на планете, но ее количество несравнимо с тем, что когда-то сформировало глубокие каньоны. Активная геологическая жизнь Марса осталась в далеком прошлом.

Многие различия между Венерой и Марсом объясняются тепловым балансом. Венера потеряла воду, поскольку располагается слишком близко к Солнцу: вода испарилась, и цепная реакция привела к дальнейшему повышению температуры на планете. Марс находится относительно далеко от Солнца и поэтому, по-видимому, он не получал достаточно тепла, чтобы сохранить жидкую воду. Недостаток тепла в определенной степени связан и со сравнительно небольшим размером этой планеты. При прочих равных условиях удельная площадь поверхности малых объектов больше, чем крупных (и удельная площадь поверхности кожи у детей больше, чем у взрослых). Но чем больше площадь поверхности, тем больше потери тепла: дети замерзают в холодной воде быстрее взрослых. Вот и с планетами та же история. Марс из-за малого размера утратил и свое тепло, и геологическую активность.

Жизнь планеты полностью зависит от времени и места ее появления, от ее размера и состава. Наша планета обитаема лишь по той причине, что она возникла на правильном расстоянии от Солнца, находится в гравитационном равновесии с соседями, имеет правильную массу, необходимую для сохранения жидкой воды и атмосферы и поддержания круговорота веществ. Кого прикажете благодарить за это?

Хвала Юпитеру

Древние римляне считали, что бог Юпитер следит за соблюдением норм и законов и тем самым регулирует отношения в обществе. Планета Юпитер играет аналогичную роль в физическом и биологическом мире.

Масса Юпитера в два с половиной раза превышает массу всех остальных планет Солнечной системы, вместе взятых. Он в триста с лишним раз тяжелее Земли. Внутри него могут поместиться одиннадцать сотен таких планет, как Земля. Имея гигантскую массу и мощное гравитационное поле, Юпитер оказывает очень сильное влияние на своих соседей. Он привлекает астероиды и кометы, а также соревнуется с Солнцем, затягивая планеты на свою орбиту. Это противостояние Юпитера и Солнца определило орбиту Земли и оказало серьезное влияние на ее историю.

Более 4,6 миллиарда лет назад, когда вихрь пыли кружился вокруг звезды, впоследствии ставшей Солнцем, возникли сгустки вещества (как и предполагали Сведенборг, Кант и Лаплас). Силы притяжения планет определили их взаимное расположение. Представьте себе, какое влияние оказывали на формирующуюся Землю все другие планеты, Солнце и центр притяжения внутри самой Земли. Юпитер с его сильным гравитационным полем в значительной степени определил, сколько вещества может быть использовано на формирование Земли и где в Солнечной системе она окажется.

Результаты компьютерного моделирования показывают, что Юпитер образовался раньше Земли. Соревнование с Юпитером за остатки вещества повлияло на конфигурацию остальной части Солнечной системы. Если бы Юпитер образовался ближе к Солнцу, возможно, в Солнечной системе было бы меньше планет, но они были бы крупнее. Если бы он расположился дальше, возможно, возникло бы больше маленьких планет. Размер нашей планеты и ее расположение относительно Солнца (то есть основные факторы, определившие наличие воды и жизни) в значительной мере связаны с влиянием Юпитера.

Но Юпитер повлиял не только на наличие воды на нашей планете, но даже на размер, форму и функционирование наших тел. Юпитер определил размер Земли и тем самым силу гравитации на ее поверхности. Простой мысленный эксперимент позволяет выявить целую сеть взаимосвязей. Если бы Юпитер расположился ближе к Солнцу, Земля была бы крупнее и тяжелее, и обитатели Земли были бы вынуждены выдерживать гораздо более сильное земное притяжение. Даже если бы такая странная Земля смогла удержать жидкую воду, что маловероятно, жизнь на планете была бы совсем другой. Инженерам хорошо известно: прочнее та балка, что толще. При прочих равных условиях на более тяжелой Земле жили бы более толстые существа, которые лучше справлялись бы с силой земного притяжения. И, напротив, на маленькой Земле сила притяжения была бы меньше, и живые существа вырастали бы более высокими и легкими. Масса Земли определяет силу притяжения и тем самым влияет на все без исключения аспекты нашей жизни – от размера и формы тела до того, как мы передвигаемся, едим и взаимодействуем с нашей планетой.

Представить себе влияние Юпитера на форму человеческого тела – все равно что оказаться в в комнате смеха. Если бы Юпитер расположился дальше от Солнца, мы жили бы на маленькой планете и были бы выше ростом (слева), а если бы Юпитер поместился ближе к Солнцу, мы были бы приземистее (справа).