Как появилась жизнь на Земле: отвечает Стивен Хокинг

В марте 2018 года умер Стивен Хокинг, физик и великий популяризатор науки, так и не успев завершить свою последнюю книгу. Его семья, коллеги и фонд Stephen Hawking Estate закончили её с помощью архива учёного. Книга «Краткие ответы на большие вопросы» вышла в издательстве «Бомбора», а мы публикуем отрывок, в котором Стивен Хокинг рассуждает о жизни во Вселенной.

13,8 миллиарда лет назад, когда произошел Большой взрыв и родилась Вселенная, углерода не существовало. Тогда было так жарко, что всё вещество должно было существовать в виде частиц, которые мы называем протонами и нейтронами. Изначально протонов и нейтронов было поровну.

Однако по мере расширения Вселенная остывала. Примерно через минуту после Большого взрыва температура должна была упасть приблизительно до миллиарда градусов, что в сто раз выше температуры в недрах Солнца. При такой температуре нейтроны начинают распадаться, образуя больше протонов.

Если бы происходило только это, то всё вещество Вселенной в итоге оказалось бы состоящим из простого элемента — водорода, ядро которого содержит единственный протон. Однако некоторые нейтроны сталкивались с протонами, сливались и образовывали другой простейший элемент — гелий, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Но в молодой Вселенной не могли образовываться более тяжёлые элементы, типа углерода и кислорода.

Трудно представить, что какая-то живая структура может состоять только из водорода и гелия. В любом случае, молодая Вселенная всё равно оставалась ещё слишком горячей для того, чтобы атомы могли создавать молекулы.

Вселенная продолжала расширяться и остывать. Но в некоторых её участках плотность оказывалась несколько выше, чем в других, и в них гравитационное притяжение дополнительной материи замедляло расширение вплоть до полного прекращения этого процесса. Коллапс вещества стал приводить к образованию звёзд и галактик. Это началось примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва.

Некоторые из первых звёзд должны были быть массивнее нашего Солнца, температура их тоже была выше и способствовала превращению первоначальных гелия и водорода в более тяжёлые элементы, такие как углерод, кислород и железо. Это могло происходить в течение нескольких сотен миллионов лет. В результате некоторые звёзды взрывались, превращаясь в сверхновые, и рассеивали тяжёлые элементы в космическом пространстве, что стало сырьём для новых поколений звёзд.

Другие звёзды слишком далеки от нас, и мы не в состоянии непосредственно увидеть, есть ли у них планетные системы. Однако есть два способа, позволяющих обнаружить наличие планет у звёзд. Первый — следить за звездой и наблюдать, остаётся ли неизменным поток исходящего от неё света. Если планета оказывается между звездой и земным наблюдателем, то она слегка затмевает свет звезды. Если это происходит регулярно, значит, планета обращается на околозвёздной орбите. Второй способ — точное измерение положения звезды.

Если вокруг звезды обращается планета, она вызывает слабое колебание положения звезды. Если колебания происходят неоднократно и регулярно, можно сделать вывод, что у звезды есть как минимум одна планета

Эти способы впервые были применены около двадцати лет назад. К настоящему времени благодаря им у далеких звёзд обнаружено несколько тысяч планет. По некоторым расчётам, в среднем каждая пятая звезда обладает планетой, похожей на Землю, которая находится от звезды на расстоянии, приемлемом для существования жизни в том виде, как мы её знаем.

Наша Солнечная система образовалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, или чуть меньше девяти миллиардов лет после Большого взрыва, из газа, содержащего остатки ранних звёзд. Земля сформировалась преимущественно из тяжёлых элементов, в том числе из углерода и кислорода. Каким-то образом отдельные атомы смогли объединиться в виде молекул ДНК. Это та самая знаменитая двойная спираль, обнаруженная в 1950-е годы Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета.

Две цепочки спирали связываются парой нуклеотидов. Известны четыре нуклеатида: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Аденин в одной цепочке всегда связывается с тимином в другой, а гуанин — с цитозином. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет уникальную комплементарную последовательность в другой. Две цепочки могут отдаляться, и каждая действует как образец для создания последующих цепочек.

Читайте также

«К черту всё, возьми и сделай! Победи болезнь, изучи тайны Вселенной, стань всем примером»

Молекулы ДНК способны воспроизводить генетическую информацию, закодированную в последовательности нуклеотидов. Части последовательности могут использоваться для производства протеинов и других химических соединений, которые способны нести инструкции, закодированные в последовательности, и собирать сырьё для ДНК для самовоспроизводства.

Как я уже говорил, мы не знаем, каким образом появились молекулы ДНК. Поскольку шансы возникновения молекул ДНК благодаря случайным комбинациям чрезвычайно малы, многие склонны предполагать, что жизнь на Земле появилась откуда-то извне, например, благодаря обломкам, оторвавшимся от Марса в тот период, когда планеты находились ещё в нестабильном состоянии, или что в Галактике летают семена жизни. Впрочем, маловероятно, что ДНК способна выжить, долгое время подвергаясь космической радиации.

Если зарождение жизни на конкретной планете очень и очень маловероятно, но всё же возможно, то для этого потребуется весьма длительное время. И ещё должно хватить времени на последующую эволюцию таких разумных существ, как мы с вами, прежде чем Солнце распухнет и поглотит Землю.

Временное окно, в которое это может произойти, определяется продолжительностью жизни Солнца, а она составляет около десяти миллиардов лет. За это время разумная форма жизни должна потенциально освоить космические путешествия, чтобы иметь возможность перебраться к другой звезде. Но если побег окажется невозможным, жизнь на Земле будет обречена.

Ископаемые останки свидетельствуют, что некоторые формы жизни появились на Земле примерно 3,5 миллиарда лет назад. Это произошло спустя всего 500 миллионов лет после того, как Земля стала стабильной и достаточно остыла, чтобы на ней могла формироваться жизнь. Но у Вселенной на формирование жизни было примерно семь миллиардов лет, следовало предусмотреть достаточный запас времени на то, чтобы появились такие существа, как мы, способные задаться вопросом о происхождении жизни.

Если вероятность образования жизни на конкретной планете чрезвычайно мала, почему это произошло на Земле примерно в 1/14 от доступного временного окна?

Раннее возникновение жизни на Земле предполагает, что существуют высокие шансы спонтанного зарождения жизни в подходящих условиях. Возможно, сначала были более простые формы организации, из которых образовалась ДНК. Появившаяся ДНК оказалась настолько успешной, что могла полностью вытеснить ранее существовавшие формы. Мы не знаем, каковы были эти формы, но одним из вариантов представляется РНК.

РНК похожа на ДНК, только гораздо проще и без двойной спиральной структуры. Короткие отрезки РНК могут самовоспроизводиться, как ДНК, и постепенно складываться в ДНК. Мы не в состоянии создать нуклеотиды, не говоря уж о РНК, в лабораторных условиях из неживого материала (Сейчас уже в лабораториях синтезируют и РНК, и ДНК — Прим. пер.). Но на протяжении 500 миллионов лет, когда океаны покрывали почти всю поверхность планеты, не исключена возможность того, что РНК возникла случайно.

Читайте также

«Хьюстон, у нас проблемы!». Проверьте, как хорошо вы знаете простые факты о космосе

По мере самовоспроизводства ДНК не исключена вероятность случайных ошибок, многие из которых оказывались вредными и вели к гибели видов. Некоторые оказывались нейтральными и никак не влияли на функционирование генов. А отдельные ошибки оказывались благотворными для выживания видов — и попадали в ряд дарвиновского естественного отбора.

Поначалу процесс биологической эволюции шёл очень медленно. Потребовалось 2,5 миллиарда лет для того, чтобы первые клетки эволюционировали до многоклеточных организмов. За последующий миллиард лет некоторые из них развились до рыб, а некоторые рыбы, в свою очередь, превратились в млекопитающих.

С тех пор скорость эволюции неизменно возрастала. На эволюцию первых млекопитающих до нас ушло всего 100 миллионов лет. Дело в том, что первые млекопитающие уже имели свои версии жизненно важных органов, которыми обладаем мы. Следовательно, для эволюции ранних млекопитающих до человека потребовалась лишь тонкая настройка.

Но эволюция человеческой расы вышла на критическую стадию, сопоставимую по значимости с развитием ДНК. Речь идёт о формировании речи, в особенности — письменной речи. После этого передача информации от поколения к поколению стала возможна не только генетически, через ДНК, но и иным способом.

За 10 000 лет письменной истории можно выявить несколько различимых изменений в человеческой ДНК, обусловленных биологической эволюцией. Но объём знаний, передаваемых от поколения к поколению, вырос несоизмеримо. Я пишу книги, чтобы рассказать вам, что я узнал о Вселенной за свою долгую карьеру учёного, и, занимаясь этим, переношу знания из своего мозга на бумагу, чтобы вы могли прочитать их