Космическая пыль и происхождение жизни

На протяжении своего жизненного цикла, а также в колоссальных взрывах, знаменующих его завершение, звезды производят химические элементы, составляющие основу всего живого. Жизнь рождается из звездной пыли.

Космической пылью называют находящиеся в космическом пространстве частицы твердого вещества размером от долей микрона до нескольких микрон. Пылевая материя — один из важных компонентов мироздания. Она содержится в межзвездном, межпланетном и околоземном пространстве, в верхних слоях земной атмосферы, и выпадает на поверхность Земли, представляя собой одну из форм материального (вещественного и энергетического) обмена с Космосом.

Космическая пыль бывает двух основных видов: межзвездная, заполняющая объем галактик, и межпланетная, концентрирующаяся в окрестностях звезд. Присутствует она и в межгалактическом пространстве, но об этой ее форме мало что известно, и ее влияние на земные процессы ничтожно. Межзвездная пыль играет заметную роль в астрономических процессах. Она вызывает ослабление звездного света и его поляризацию. На поверхности пылинок образуются молекулы (в том числе органических соединений), попадающие в межзвездную среду, в которой формируются протопланетные диски. Межпланетная пыль по своим характеристикам отличается от межзвездной пыли. Прежде всего, она имеет существенно более крупные размеры — порядка нескольких микрон и даже вплоть до 100 мкм (размер межзвездных пылинок — от тысячных до десятых долей микрона). Различие в характеристиках определяется разными механизмами образования. Межзвездные пылинки возникают в атмосферах холодных звезд (гигантов и сверхгигантов) при температуре порядка 1500 K путем конденсации из газовой среды, а также при вспышках сверхновых звезд. Межпланетная пыль образуется, главным образом, в процессе распада периодических комет и при дроблении астероидов.

Межзвездная пыль

В межзвездной среде газ и пыль перемешаны в соотношении 100:1, т.е. масса пыли составляет около 1% от массы газа. Средняя плотность последнего — один атом водорода на кубический сантиметр или порядка 10-24 г/cм³. Плотность пыли, соответственно, в сто раз меньше. Несмотря на столь малую величину, пылевая материя, как упоминалось выше, оказывает существенное влияние на процессы, происходящие в Космосе. Прежде всего, она поглощает свет — из-за этого удаленные объекты, расположенные вблизи главной плоскости Галактики (где концентрация пыли наибольшая), в оптическом диапазоне не видны. Например, центр нашего Млечного Пути наблюдается только в рентгене, в инфракрасной области спектра и радиотелескопами.

Поглощение света пылью приводит к искажению расстояний до звезд, определяемых фотометрическим способом. Любопытно, что об этом знали Гималайские Махатмы задолго до открытия межзвездного поглощения европейскими астрономами. В XIX веке Альфред Синнет (Alfred Sinnett) — редактор влиятельной англоязычной газеты Pioneer, издававшейся в Индии — вел переписку с Махатмами, обсуждая различные религиозно-философские и научные проблемы. В одном из писем он задал Махатме К.Х. вопрос, насколько достоверным является определение удаленности звезд по измерениям их яркости. Махатма ответил, что «мощные скопления метеорного вещества» в межзвездном пространстве приводят к искажению наблюдаемой интенсивности звездного света и, следовательно, к ошибкам в оценках расстояний, полученных фотометрическим путем. По существу, это было указанием на наличие межзвездного поглощения, открытого в 1930 г. Робертом Трамплером (Robert Julius Trumpler), которое по праву считается одним из важнейших астрономических открытий ХХ века.

Позже астрономы научились вводить поправку в значения расстояний до удаленных объектов с учетом поглощения света в межзвездной среде. Определение величины этого поглощения является одной из важнейших задач наблюдательной астрономии. Но влияние пыли им не ограничивается: при взаимодействии с пылевой материей меняется также спектральный состав и поляризация света, отраженного и рассеянного пылинками, что позволяет судить об их свойствах и составе.

Состав пылевых частиц зависит от содержания химических элементов в атмосферах звезд, в которых они образуются. Их можно разделить на два типа — углеродные и кислородные. В первых содержание углерода превышает содержание кислорода, во вторых — наоборот. В углеродных звездах практически весь кислород связан в молекулы угарного газа СО и не способен образовывать оксиды других элементов, в том числе кислородосодержащие минералы. Но там имеется избыток углерода. В этих условиях формируются углеродные частицы и пылинки из карбида кремния SiC. В кислородных звездах, напротив, в молекулы CO связан весь углерод, а кислород присутствует в избытке.

Здесь образуются частицы, содержащие оксиды металлов (например, магнетит Fe3O4), а также силикаты — форстерит Mg2SiO4, энстатит MgSiO3 и др. Из этих веществ формируются сначала зародыши ядер, а затем и сами ядра пылинок. Световым давлением они выбрасываются в межзвездную среду, где они тормозятся и охлаждаются.

Сталкивающиеся с ними атомы и молекулы газов налипают на пылинки, вызывая их рост. В результате ядра конденсации быстро «обрастают» оболочками из наиболее распространенных элементов — водорода H, углерода C, азота N, кислорода О.

В состав ядра входят железо, силикаты, графит, карбид кремния и другие тугоплавкие соединения. Пленка состоит из атомарного и молекулярного водорода, кислорода и радикалов гидроксила OH. Помимо сравнительно крупных частиц типа «ядро-оболочка», имеются также очень маленькие силикатные и графитовые частицы (без оболочки) размером порядка сотых долей микрона.

Под действием ультрафиолетового излучения на поверхности пылинок происходит распад молекул (фотолиз) и образование свободных радикалов. Последние, вступая в реакции, либо воссоздают исходную молекулу, либо объединяются в новую. Таким путем формируются все более и более сложные молекулы. Кроме того, в запыленной среде действует еще один механизм — коагуляция (слипание частичек между собой при столкновениях). Этот процесс играет важную роль в образовании планетных систем.

Распределение пыли в Галактике

Как уже отмечалось, газ и пыль сосредоточены главным образом в галактическом диске. Это же наблюдается и в других звездный системах.

Газ и пыль распределены по галактикам неравномерно, образуя отдельные газово-пылевые облака. Концентрация пыли в них приблизительно в сто раз выше, чем в межоблачной среде. Наиболее плотные из них не пропускают свет звезд, скрытых ими от наблюдателя. Поэтому такие облака выглядят как темные области на небе и получили название «темные туманности». Если вблизи газово-пылевого облака находятся яркие звезды, то благодаря рассеянию их света на частицах пыли оно тоже начинает светиться. Такие структуры принято называть «отражательными туманностями».

В газово-пылевых облаках процесс образования молекул идет более интенсивно. Особенно выделяются в этом отношении плотные молекулярные облака, где плотность газа и пыли в миллионы раз превышает средние значения. К настоящему времени в межзвездной среде открыто около двухсот различных молекул, в том числе и молекулы органических соединений. Среди них — цианистоводородная (синильная) кислота HCN и производная от нее молекула формамида NH2COH. Обе они играют важную роль в процессе добиологического (без участия живых клеток) химического синтеза. Найдены и более сложные органические соединения — например, спирты и сахара.2 Большое значение имеет обнаружение полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), молекулы которых насчитывают десятки атомов. Кластеры из ПАУ представляют собой промежуточное звено между молекулами и наночастицами. По мнению ряда ученых, сложные органические молекулы, присутствующие в межзвездной пыли, близки к стадии, за которой уже начинается добиологическая эволюция.

В плотных молекулярных облаках не только образование молекул, но и коагуляция протекает более интенсивно. А ведь именно в этих облаках рождаются протозвезды и протопланетные диски — будущие планетные системы. Слипание частиц в таких дисках приводит к тому, что там они вырастают до более крупных размеров, чем в межзвездной среде, постепенно превращаясь в макроскопические объекты — ядра комет и планетезимали, из которых далее формируются планеты.

Недавно в межзвездном пространстве были обнаружены фуллерены. Это удивительные соединения, в которых атомы углерода образуют сложные структуры в виде замкнутых многогранников, составленных из правильных пяти- и шестиугольников. Интересно, что такую же структуру имеет футбольный мяч. По всей видимости, она весьма устойчива. Фуллерены легко «вбирают» внутрь углеродных сфер различные вещества (лекарства, витамины). Медики и биологи применяют их для доставки некоторых препаратов внутрь живой клетки. Полагают, что в межзвездной среде внутри молекул фуллерена могут сохраняться зародыши жизни.

Гипотеза Хойла и Викрамасинге

Известный британский астрофизик Фред Хойл (Fred Hoyle) и его сотрудник из Шри-Ланки Чандра Викрамасинге (Chandra Wickramasinghe) выдвинули гипотезу, согласно которой значительная часть межзвездных пылинок представлена одноклеточными организмами — бактериями или фитопланктоном. Основанием для такого предположения послужило исследование особенностей спектра поглощения космической пыли в видимой части спектра (на длинах волн 400-500 нм) и в инфракрасной области (около 3 мкм). Хойл и Викрамасинге считают, что спектры лучше соответствуют бактериям, чем полосам излучения льда. Хотя интерпретация спектральных деталей учеными не является однозначной, их гипотезу нельзя исключать из рассмотрения. Она не противоречит наблюдениям — по крайней мере, если доля бактерий среди пылинок не слишком мала. Касательно возможности выживания в межзвездной среде, следует иметь в виду, что одноклеточные организмы (особенно споры) достаточно устойчивы к ионизирующему излучению космического пространства. В еще большей степени это относится к вирусам и вироидам. Кроме того, такие органические «пылинки» (подобно ядрам обычных пылинок) будут обрастать ледяными оболочками, которые играют роль защитного экрана, предохраняющего ядро от излучений, способных повредить его молекулярную структуру. В последнее время Викрамасинге модифицировал эту гипотезу. Мы вернемся к ней ниже, когда речь пойдет о панспермии.

Итак, межзвездная пыль содержит сложные органические молекулы, а возможно — и микроорганизмы. В процессе эволюции молекулярных облаков она оказывается в составе протопланетных дисков и может послужить исходным материалом для возникновения жизни на планетах.

Межпланетная пыль

Пылевая материя, присутствующая в межпланетной среде, вызывает оптические явления — такие, как зодиакальный свет, фраунгоферова корона, противосияние, зодиакальная составляющая свечения ночного неба. Их исследование предоставляет сведения о природе и свойствах пылевых частиц.

На основе изучения зодиакального света установлено, что концентрация пыли вблизи орбиты Земли составляет 10 в 15 степени частиц в кубическом сантиметре, или же несколько частиц на кубический километр. Интенсивность рассеянного ими света практически не зависит от длины волны, а значит, по сравнению с ней размер частиц должен быть достаточно велик (порядка нескольких микрон). Средняя плотность пылевой материи составляет 10 в 23 степени г/см3. Общая ее масса в межпланетном пространстве оценивается в 10 в 17 степени кг — примерно в миллион раз меньше массы Луны. В плоскости эклиптики плотность пыли убывает пропорционально расстоянию от Солнца, а в перпендикулярном эклиптике направлении — экспоненциально по мере увеличения расстояния от нее.

На частицу в межпланетном пространстве в основном действуют две силы: всемирного тяготения и светового давления. Под действием последнего поглощающие частицы размером менее микрона выметаются из пределов Солнечной системы. Более крупные пылинки, а также «прозрачные» диэлектрические частицы остаются в сфере притяжения нашего светила, двигаясь по орбитам под действием этих двух сил. Вследствие эффекта аберрации света сила светового давления не точно совпадает с противосолнечным направлением, а составляет с ним малый угол α. Это приводит к тому, что она имеет две составляющие: направленную по радиус-вектору от Солнца и перпендикулярную радиус-вектору, направленную против орбитальной скорости частицы. Первая составляющая приводит к уменьшению эффективной силы солнечного притяжения, а вторая вызывает торможение частицы. Ее называют «силой радиационного торможения», а сам эффект уменьшения орбитальной скорости за счет светового давления получил имя Пойнтинга-Робертсона (Poynting-Robertson) в честь описавших его ученых.

Вследствие радиационного торможения частица начинает падать на центральную звезду, постепенно приближаясь к ней по спиральной траектории. Расчеты показывают, что вся пыль, заключенная внутри сферы радиусом в одну астрономическую единицу (равной большой полуоси земной орбиты), выпадает на Солнце за время порядка 100 тыс. лет. Отсюда следует, что пылевая материя в Солнечной системе должна непрерывно обновляться, а значит, должен существовать постоянный источник ее пополнения.

В начале статьи уже говорилось, что межпланетная пыль образуется при распаде комет и столкновениях астероидов. Еще одним источником ее пополнения является межзвездная среда. Пылевые частицы проникают в Солнечную систему при прохождении через плотные газово-пылевые облака, а также под действием «галактического ветра», которым «обдувается» Солнце и планеты при движении по Галактике, сквозь газ и пыль межзвездного пространства. Вместе с пылью сюда должны попадать и органические молекулы, причем часть из них может быть непосредственным носителем «кирпичиков» жизни — более вероятным, чем кометы. В течение длительного времени считалось, что в нашей планетной системе отсутствуют частицы, прилетающие «извне». Этот вывод был основан на тщательном изучении траекторий метеорных тел, которое показало, что все они имеют эллиптические орбиты и, следовательно, образуются внутри Солнечной системы. Строго говоря, этот вывод относится к малым телам размерами от сантиметра до долей миллиметра. Но его неправомерно распространяли и на более мелкие частицы. Первые образцы межзвездных пылинок доставил на Землю в 2006 г. космический аппарат Stardust.5

Межпланетная пыль влияет не только на процессы, происходящие в Солнечной системе. Оказалось, что ее влияние необходимо учитывать и при построении космологических моделей. Исходными данными для них являются флуктуации яркости (или температуры) реликтового микроволнового излучения. Однако наблюдаемый фон неба определяется не только реликтовым излучением, но и рассеянным светом межзвездной, а особенно — межпланетной среды. Следовательно, астрономам необходимо иметь полную картину зодиакальной составляющей свечения неба.

Космическая пыль на Земле

На протяжении всей истории нашей планеты космическая пыль из межпланетного пространства непрерывно выпадает на ее поверхность. Она обнаруживается в глубоководных морских и океанических отложениях, в ледниках и снегах Арктики и Антарктики, в снежном покрове горных вершин, в толще земных пород. По разным оценкам, на поверхность Земли выпадает от 103 до 109 тонн космической пыли в год (последняя цифра, по-видимому, все же завышена).

Пылевые частицы, выпадающие на Землю, имеют различное происхождение. Часть из них образуется в процессе дезинтеграции метеорных тел и метеоритов при прохождении через атмосферу. Обычно их называют микрометеоритами. Другая часть — это собственно межпланетная пыль, частицы которой из-за своей малой массы при атмосферном торможении почти не нагреваются (в отличие от более крупных тел) и в практически неизменном виде достигают поверхности. Размер их не превышает нескольких десятков микрон. В международной транскрипции их обозначают IDP (Interplanetary Dust Particle).

Они представляет наибольший интерес для ученых, поскольку несут неискаженную информацию о составе и структуре космической пыли. Кроме того, эти частицы могут быть «средством доставки» на Землю добиологического, а возможно, и биогенного органического вещества. В отличие от них, микрометеориты подвергаются изменениям при пролете через атмосферу, и органика в них не сохраняется (не говоря уже о живых микроорганизмах).

Космическая пыль оказывает заметное влияние на климат нашей планеты, на формирование земной коры и другие геофизические процессы. Есть данные, что она влияет на плодородие почв, на растительные организмы и даже на здоровье людей. Последнее можно объяснить, учитывая обнаруженные в последнее время биологические эффекты наночастиц. Уместно поставить вопрос: попадают ли частицы IDP в организм человека? Наиболее подходящим местом для сбора космической пыли является Антарктида. По данным Сергея Булата (Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова) с соавторами, в 1 кг снега там содержится около 30 микрограмм пыли.

Примерно 3% ее можно отнести к IDP — получаем около микрограмма на килограмм. Масса этих частиц — от 10-8 до 10-12 г. Следовательно, в килограмме снега содержится от 100 до 106 частиц. Примерно такое же их количество (во всяком случае, по порядку величины) выпадает на единицу поверхности в любом месте Земли. Значит, в каждом водоеме в литре воды должно быть от ста до миллиона частиц космической пыли. Чем мельче пылинки — тем их больше.

Космическая пыль и происхождение жизни

Существует два различных подхода к проблеме происхождения жизни. Первый гласит, что жизнь возникла в процессе химической добиологической эволюции на первобытной Земле. Согласно второму, она была занесена на Землю из Космоса (гипотеза панспермии). В обоих процессах космическая пыль играет существенную роль.

Для добиологической эволюции необходимы вода и органические соединения. Вода на Земле появилась около 4 млрд лет назад. Считается, что одним из ее источников были кометы. Но недавно появились данные, что таким источником могла быть и космическая пыль. В 2014 г. группа ученых под руководством Джона Брэдли (John P. Bradley, Lawrence Livermore National Laboratory, Institute of Geophysics and Planetary Physics, USА) обнаружила пузырьки воды в частицах межпланетной пыли, образовавшиеся при участии солнечного ветра.

Основная его компонента — протоны (ядра атомов водорода H+). Силикаты, входящие в состав пылинок, содержат связанный кислород, который высвобождается и вступает в реакцию с протонами, образуя молекулы воды. Брэдли справедливо отмечает, что частицы пыли могут быть источником не только воды, но и органических соединений. Таким образом, в них присутствуют все необходимые компоненты для добиологического синтеза. Причем речь идет не только о нашей Солнечной системе: аналогичными свойствами обладает пыль в планетных системах других звезд. Это подтверждается, в частности, тем фактом, что воду удалось обнаружить даже в составе лунной пыли, добытой не в затененных кратерах на полюсах Луны, а на освещаемой Солнцем поверхности, испытывающей периодический нагрев до +130°C.

Важным элементом современных представлений о происхождении жизни является гипотеза о существовании древнего мира РНК7 как возможного предшественника жизни на Земле. Предполагается, что молекулы РНК могли возникнуть на первобытной Земле или на других космических телах, а также в межпланетной среде. Один из сценариев, в котором важную роль играет межпланетная пыль, разработан Валерием Снытниковым из Института катализа Сибирского отделения РАН. Протопланетный диск, формирующийся из межзвездных молекулярных облаков, содержит молекулы воды и органических соединений. Такая среда с наночастицами космической пыли благоприятна для синтеза эффективных катализаторов (в роли последних могут выступать и сами органические молекулы). Таким образом, в диске на этом этапе идет каталитический синтез органических соединений и самих катализаторов. В дальнейшем там возникают условия, максимально благоприятные для появления добиологических соединений, ведущего к образованию «мира РНК», из которого формируется допланетная биосфера. Свидетельством такого этапа, по мнению Снытникова, могут быть следы бактерий, обнаруженные в метеоритах. Речь идет о микрофоссилиях, представляющих собой окаменевшие формы, в которых органика замещена веществом окружающей породы с сохранением тончайших морфологических структур.

Микрофоссилии в метеоритах были обнаружены учеными из Палеонтологического института РАН под руководством академика Алексея Розанова; те же результаты получены сотрудником NASA Ричардом Гувером (Richard Hoover). Такие структуры присутствуют только в углистых ходритах. Их возраст составляет 4,5-4,56 млрд. лет, а возраст фоссилизированных остатков — еще больше. Отсюда следует, что окаменевшие организмы существовали еще до образования Земли. По мнению академика Розанова, это указывает на внеземное происхождение жизни. Она могла возникнуть на какой-то планете земного типа, где была вода, атмосфера и подходящие температурные условия.

Процесс добиологической эволюции исследовался в совместных экспериментах российских и итальянских ученых из Объединенного института ядерных исследований в Дубне и ряда университетов Италии. В ходе этих экспериментов молекулы формамида, которые, как показывают спектральные данные, содержатся в межзвездной среде, подвергались воздействию ионизирующих излучений, имитирующих воздействие галактических космических лучей. Были получены разнообразные соединения, необходимые для дальнейшего развития жизни. При этом удалось установить, что вещество метеоритов является активным катализатором этих процессов. Если это действительно так, то подобным катализатором может быть и космическая пыль.

Хотя в попытках смоделировать добиологическую эволюцию достигнуты определенные успехи, проблема далека от решения. Практически доказано, что основные блоки биохимии — так называемые мономеры — могут быть легко получены на Земле или попасть на нее из космоса. Наметился прогресс в понимании процессов полимеризации и возникновения каталитических функций. Однако появление наследственности, зарождение мембран и живой клетки со всем сложным механизмом ее функционирования пока остается тайной.

Перенос жизни из Космоса. Панспермия

Долгое время, начиная с античности, господствовали представления о непрерывном самопроизвольном возникновении живых организмов из неживой материи — так называемая «теория самозарождения жизни». Считалось, что черви, насекомые, жабы и другие существа возникают из грязи и гниющих продуктов, а мыши рождаются из пшеничных зерен. Лишь в XVII веке была доказана несостоятельность подобных воззрений. Однако вскоре, после открытия микроорганизмов, наука вернулась к этой идее на новом уровне.

Потребовалось более ста лет, чтобы окончательно доказать, что в мире микробов, как и среди высших организмов, любое существо ведет свое происхождение от родительской формы. Вот тогда, чтобы объяснить, как же появились на Земле первые живые клетки, и возникла мысль о том, что жизнь была занесена на Землю из Космоса. В начале ХХ века знаменитый шведский физико-химик Сванте Аррениус (Svante Arrhenius, 1859-1927) — третий лауреат Нобелевской премии по химии — разработал теорию переноса зародышей жизни с одной планеты на другую, которую он назвал «теорией панспермии». Согласно Аррениусу, споры бактерий могут уноситься с поверхности планеты под действием электростатических сил, а затем выталкиваться за пределы планетной системы давлением излучения центрального светила. В межзвездном пространстве они оседают на поверхность более крупных пылинок, что дает им возможность при прохождении вблизи другой звезды преодолеть ее световое давление и проникнуть во внутренние области ее планетной системы.

Вскоре после возникновения теории панспермии она подверглась серьезной критике: считалось, что споры и микроорганизмы должны погибать в межзвездной среде под действием таких факторов, как ультрафиолетовое излучение, жесткая (рентгеновская) радиация и космические лучи. Однако более детальное исследование показало, что некоторые микробы способны сохраняться на поверхности пылинок, не говоря уже о внутренних частях метеорных тел и комет. Еще более устойчивыми являются вирусы и вироиды. Эти открытия привели в последней четверти ХХ века к возрождению теории панспермии.

Одним из самых твердых ее сторонников остается Чандра Викрамасинге. Он считает, что каждая обитаемая планета выбрасывает в межзвездное пространство огромное число микроорганизмов, большинство из которых погибает, и лишь ничтожная доля достигает планет с подходящими условиями на поверхности, «засевая» их жизнью. Многочисленные «обломки» погибших микробов входят в состав межзвездной пыли, что объясняет ее спектральные свойства. В противоположность распространенной точке зрения, согласно которой органические соединения в межзвездной среде «выстраиваются в ряд» от простейших к более сложным, воспроизводя шаги, ведущие к жизни, Викрамасинге считает, что, напротив, эти вещества «извлечены» из живых организмов, образуя ряд от разрушенных бактерий и фрагментов клеток до соединений типа ПАУ и более простых органических молекул. Однако более вероятно, что в межзвездной среде протекают оба процесса — синтез органических соединений и распад микроорганизмов, вынесенных за пределы биосфер обитаемых планет.

Гипотеза панспермии, конечно, объясняет возникновение жизни на Земле, но оставляет открытым вопрос о том, как она появилась на тех «первомирах», откуда она начала распространение. Очевидно, происхождение жизни во Вселенной относится к тем проблемам, для решения которых необходимо существенное расширение современной научной парадигмы.