Почему искать жизнь в Солнечной системе следует именно на Европе – спутнике Юпитера, и Титане и Энцеладе – спутниках Сатурна? Какие признаки свидетельствуют о том, что там может быть жизнь?
Об этом рассказывает Борис Евгеньевич Штерн, астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и Астрономического центра Физического института Академии наук.
Говоря об эволюции жизни, мы в первую очередь обращаемся к прошлому, нежели к настоящему.
Для удобства, вся наша планетарная летопись разделена палеонтологами на отдельные хронологические участки, такие как эоны, эры, периоды и так далее. Разделение это условное, и используются для более наглядной систематизации нашего прошлого. Как правило, основные временные границы определялись глобальными катастрофами, вымираниями или иными изменениями экосистем.
Тезисно, мы пройдём весь путь эволюции жизни вплоть до наших дней.
Начинаем с Докембрия и Палеозоя. На этом пути мы сделаем девять остановок.
Докембрий — это эон, который включает в себя: Катархей, Архей и Протерозой
Палеозой – это эра, которая включает в себя: Кембрий, Ордовик, Силур, Девон, Карбон и Пермь
Первая остановка: Катархей, который начался примерно 4,5 миллиарда лет назад и закончился 4 миллиарда лет назад.
В это время и появилась наша планета Земля и на ней начал происходить абиогенез. Примерно 4 миллиарда лет назад, в результате молекулярной эволюции, самозародилась жизнь. Возникли РНК, ДНК, белки и, возможно, уже первые клетки.
Сформировались основные принципы обмена веществ, а именно:
Углеродная основа
Зависимость от воды, азота и фосфора
Центральная догма
Вторая остановка: Архей, который начался примерно 4 миллиарда лет назад и закончился 2,5 миллиарда лет назад
В это время уже точно была одноклеточная жизнь, представленная бактериями и археями. Появился фотосинтез.
Третья остановка: Протерозой, который начался примерно 2,5 миллиарда лет назад и закончился 541 миллион лет назад
С появлением фотосинтеза, начал формироваться озоновый слой атмосферы. Побочный продукт фотосинтеза – кислород и к нему жизнь на тот момент не была приспособлена. Произошёл так называемый «кислородный холокост». Кислород буквально начал убивать всё живое.
Но также благодаря кислороду появилось аэробное дыхание, которое этот кислород стало использовать. Дыхание с использованием кислорода позволило разогнать метаболизм и увеличить мощность обмена энергией. Появляются «эукариоты-симбионты»: анаэробные археи объединились с аэробными бактериями. Вторые стали митохондриями внутри усложнённой клетки. Среди этих одноклеточных эукариот был и наш далёкий предок.
Появляются первые многоклеточные организмы и половое размножение. Половое размножение привнесло в жизнь разделение на половые и соматические клетки. Половые клетки – будут копировать себя и переходить из поколения в поколение. Соматические клетки выполняют функцию построения машины выживания репликаторов и не имеют возможности передаваться сквозь поколения. Так в природе зарождается старение и естественная смерть – некое побочное явление жизненного цикла репликаторов.
Четвертая остановка: Кембрий, который начался примерно 541 миллион лет назад и закончился 485 миллионов лет назад
Многоклеточная жизнь открывает для себя огромное количество новых и неосвоенных экологических ниш. Происходит так называемый «Кембрийский взрыв» - появление большого количества новых видов живых существ.
Появляются примитивные губки, моллюски, членистоногие, иглокожие. В этом многообразии наша эволюционна линия представлена вторичноротыми хордовыми.
Хорда – важное эволюционное приобретение, которое служит эндоскелетом и точкой опоры для мышц. Так же хордовые приобрели трубчатую нервную систему и замкнутую кровеносную систему.
Пятая остановка: Ордовик, который начался примерно 485 миллионов лет назад и закончился 443 миллиона лет назад
Расцвет красных водорослей, головоногих моллюсков и иглокожих. Набирают обороты рыбообразные в том числе и наша предковая линия.
У тех наших далёких предков появляется чешуя, головной мозг, зубы, сердце и хрящевой скелет.
Жизнь начинает осваивать новые экологические ниши, выходя на сушу. Первопроходцами были лишайники и мхи.
Шестая остановка: Силур, который начался примерно 443 миллиона лет назад и закончился 419 миллионов лет назад
Возникают челюсторотые рыбы. Появляются зелёные харовые водоросли – прародители сосудистых растений. Возникают папоротникообразные, заселяя берега водоёмов. Остатки растений на суше создают привлекательную экологическую нишу для грибов. Суша начинает меняться и обретать всё более «живой» облик.
Седьмая остановка: Девон, который начался примерно 419 миллионов лет назад и закончился 385 миллионов лет назад
Происходит активное завоевание суши. Формируются, пусть и примитивные, но уже полноценные леса. Бурно кипит эволюция растительного мира в новой наземной среде обитания.
Появляются шестиногие, а от них – насекомые.
Наша эволюционная ветвь на тот момент была представлена лопастепёрыми рыбами. Они жили в пересыхающих водоёмах. Те далёкие «Мы» обзавелись толстыми, похожими на лапки, плавниками и начали развивать лёгкие.
От лопастепёрых рыб появились древние амфибии. Среди многообразия древних амфибий был и наш предок. Для амфибий того периода были характерны следующие адаптации: развитие позвоночника и рёбер; избавление от чешуи; дыхание лёгкими и поверхностью кожи; развитие зрения под условия сухопутного образа жизни; усложнение мозга под новую среду обитания.
Восьмая остановка: Карбон, который начался примерно 385 миллионов лет назад и закончился 299 миллионов лет назад
В растительном мире доминируют плауны и папоротники. Появляются и только начинают свое развитие голосеменные растения. Это время лесов и болот, в результате которого образовалось огромное количества угля, который мы по сей день активно используем. Уголь не что иное как остатки растительного мира, который, скажем так, законсервировался и содержащийся в нём углерод вышел за пределы круговорота веществ. Уменьшение в атмосфере углерода, привело к увеличению в ней кислорода.
Повышение концентрации кислорода в воздухе облегчает трахейное дыхание и появляются гигантские членистоногие. Происходит бурная эволюция насекомых, среди прочего, у них появляются крылья.
Эволюция продолжается и среди амфибий, в том числе – появляется ветвь, ставшая на путь будущих рептилий. Возникает адаптация в виде откладывания яиц с амнионом и в скорлупе, которая решала проблему размножения на суше и обеспечивала защиту зародыша. В этой ветке эволюции хочется отметить разделение на три фундаментальные группы.
1 Группа: Парапрептилии. Среди них, например, будущие черепахи.
2 Группа: Зауропсиды. Она даст начало большинству рептилий, а впоследствии и птицам.
3 Группа: Синапсиды. Это наша эволюционная ветвь, которая позднее приведёт нас к млекопитающим. Ну а пока «Мы-рептилии» перешли от икрометания к яйцекладке, обзавелись сухим покровом тела, развили подвижные рёбра, немного отрастили шею, удлинили конечности, усилили наземное зрение и заложили основы насекомоядности.
Девятая остановка: Пермский период, который начался примерно 299 миллионов лет назад и закончился 252 миллиона лет назад
На Земле, в силу многих причин, холодает. Это вызывает у ряда животных адаптацию к повышению обмена веществ. Появляются зверообразные рептилии, в том числе и наша предковая линия.
Зверообразные рептилии выбрали стратегию «больше есть» и «сохранять тепло», чтобы усилить свой обмен веществ.
Стратегия «сохранять тепло» выразилась в появлении шерсти.
Стратегия «больше есть» выразилась в адаптациях по дифференциации зубной системы и в возникновении возможности жевания пищи. Это в свою очередь отразилось на изменении строения головы: пришлось заглубить барабанную перепонку в слуховой проход и отрастить слуховую раковину.
Также, появилась потребность улучшить обоняние и осязание. Для лучшего осязания появились вибриссы – выросты на коже, которые мы у животных по-простому называем «усами». Для лучшего обоняния усиливаются зоны мозга ответственные за обработку данной информации. Это неминуемо привело к увеличению черепной коробки и прокачки мозговых возможностей в целом.
Долгое время существование у нашей планеты магнитного поля казалось чем-то совершенно естественным: у Земли есть магнитное поле, значит, и у других планет оно есть! Но во второй половине XX века учёные начали понимать: всё не так просто...
Уже первые полёты спутников показали, что уровень радиации в космосе просто «зашкаливает». Обычное оконное стекло, отправленное в космос, через пару-тройку месяцев становится жёлтым, потом коричневым и растрескивается:
Вот что делает радиация с обычным стеклом. Слева внизу радиационно стойкое стекло - для сравнения
От нашего Солнца постоянно истекает «солнечный ветер» – мощнейший поток заряжённых частиц (электронов, протонов и ядер гелия), летящих с бешеной скоростью – почти 1000 километров в секунду. Если бы этот поток радиации долетал до поверхности Земли, жизнь на ней никогда бы не зародилась...
Магнитное поле Земли - щит от солнечной радиации
Солнечный ветер несёт в себе и другую опасность. Если его энергичные частицы свободно сталкиваются с молекулами газов земной атмосферы, они (как бильярдные шары или пули в тире) раскалывают их и безжалостно «выбрасывают» в космическое пространство. Мощный поток солнечной радиации за несколько десятков тысяч лет может «сдуть» с Земли всю её атмосферу!
Однако на пути солнечного ветра встаёт надёжный щит – магнитное поле нашей планеты. Заряженные частицы оказываются в ловушке силовых линий поля и пролетают мимо. Только небольшая часть ионов всё-таки долетает до нашей атмосферы в районах Северного и Южного полюсов – и тогда мы видим такое явление природы, как северное сияние.
Северное сияние
Ещё больше учёные удивились, когда наши космические аппараты достигли Луны и других планет земной группы – Меркурия, Венеры и Марса. Оказалось, что магнитного поля там или нет вообще, или оно невероятно слабенькое, в сотни раз слабее земного! Получается, наша планета –исключение?
Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс
Нет, у далёких газовых гигантов – Юпитера или Сатурна – магнитное поле обнаружено, да ещё какое мощное! Но почему его нет у ближайших «родственников» Земли?
Если мы мысленно «разрежем» Землю напополам, то глубоко внутри обнаружим твёрдое раскалённое (между прочим, горячее поверхности Солнца!) железное ядро. Между твёрдым ядром и мантией находится внешнее ядро, в котором железо находится в жидком состоянии. Оно постоянно «кипит», буквально как вода в чайнике – более горячие частицы поднимаются вверх, остывшие опускаются вниз (физики называют это явление конвекцией). А ещё наша планета быстро вращается, делает 1 оборот вокруг своей оси за 24 часа! Так получается самое настоящее планетарное динамо, в котором создаются колоссальной силы электрические токи. Именно они-то и создают магнитное поле.
Внутреннее строение Земли
Попробуем «по шагам» реконструировать события, происходившие более 4 миллиардов лет назад. (Само собой, это предположения – но предположения научные, обоснованные. Сможете предложить другие, более убедительные – всегда пожалуйста!)
Итак, 4 миллиарда лет назад вблизи нашей звезды сформировались 4 очень похожие друг на друга планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс. Все они имели жидкое горячее ядро из железа и никеля, все они имели внешнюю твёрдую оболочку из силикатов, у всех у них была первичная атмосфера из углекислоты, метана и водяного пара и у всех у них было мощное магнитное поле. Но вот дальше, как это часто водится у братишек-сестрёнок из одной семьи, «дорожки сильно разошлись».
Больше всего не повезло Меркурию. Помните сказку про Винни-Пуха, в которой Пятачок вечно жаловался, что он – «очень маленькое существо»? Оказывается, быть маленькой планетой – тоже совсем невесело. Горячее ядро Меркурия быстро остыло, конвекционные потоки ослабли, магнитное поле практически исчезло, а колоссальной силы солнечный ветер попросту «раздел» планету, «сдув» с неё незащищённую ничем зачаточную атмосферу. Итог: Меркурий – это голый безжизненный кусок скалы с кратерами.
Судьба Марса оказалась похожей на судьбу Меркурия, хотя Марс «продержался» дольше. Всего 3 с половиной миллиарда лет назад у него были атмосфера, горячее железное ядро, магнитное поле и даже океаны из жидкой воды на поверхности. Но снова сказался небольшой размер планеты – когда ядро остыло, магнитное поле исчезло и атмосфера оказалась беззащитной. Тяжёлый углекислый газ планета ещё смогла удержать, а вот воду и метан – нет. Они были «выброшены» солнечным ветром в космическое пространство. Итог: Марс – это замёрзшая сухая пустыня с тоненькой углекислотной атмосферой и бешеным (по земным меркам) уровнем радиации на поверхности.
Что произошло с Венерой? Скорее всего в те далёкие времена эта планета претерпела колоссальную катастрофу – столкнулась с другой планетой (размером с Марс или Меркурий). При этом получилось так, что скорость вращения планеты замедлилась – один «день» на Венере длится целых 8 наших месяцев, она вращается в 243 раза медленнее, чем Земля. Мощность планетарного динамо при этом ослабла, и магнитное поле планеты не смогло защитить лёгкие газы. Часть воды превратилась в серную кислоту, другая была выброшена солнечным ветром в космос. В итоге Венера осталась без воды и метана – но, в отличие от Марса, благодаря своим размерам смогла удержать плотную атмосферу из углекислого газа. Итог: Венера – это раскалённый ад под толстыми облаками из серной кислоты.
С нашей Землёй тоже случилась похожая катастрофа, и приблизительно в то же самое время – Земля столкнулась с другой планетой (учёные даже придумали ей имя – Тейя).
Столкновение молодой Земли и Тейи (рисунок художника)
Однако удар пришелся как бы «вскользь», по касательной, и вращение Земли, напротив, ускорилось. Из обломков, оставшихся от столкновения, сформировалась Луна, которая своей гравитацией постоянно воздействовала – и до сих пор воздействует! – на жидкое земное ядро, как бы «взбалтывая» его. В результате наша планета получила очень мощное магнитное поле, надёжно защищающее поверхность и атмосферу от солнечного ветра.
В майском номере журнала мы расскажем:
Что такое красота? Как работает наша память – куда девается то, что мы забываем? Что такое звёздная пыль и лестница в небо? Для чего живым существам латинские названия? Поговорим об эволюции, о приспособлении, естественном и отрицательном отборе – и поучимся слушать умную музыку. "Слишком умную"!
Журнал "Лучик" – это НЕОБЫЧНЫЙ детский журнал. Судите сами: вот тутлюди выложили несколько старых номеров "Лучика". (Нас, что характерно, не спросили. И правильно сделали!)
Что нового известно о сверхмассивных чёрных дырах? Какие открытия в изучении этих объектов заставили пересмотреть теоретические работы по астрофизике? Может ли чёрная дыра сформироваться без галактики? Об этом и не только рассказывает Ольга Касьяновна Сильченко, доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе государственного астрономического института имени П.К. Штернберга.
Вольная абстракция нейросети на тему теории Большого взрыва
Данная статья написана по мотивам моего музыкального научпоп альбома "Трактата о естественных науках"
Всё началось 13 миллиардов и 800 миллионов лет назад. Именно тогда и появилась наша вселенная. Вы наверняка слышали о Большом взрыве. Такое название носит теория, которая является общепринятой космологической моделью развития нашей вселенной. Это именно название теории, никакого буквального взрыва в космической пустоте не было.
А был сам факт появления времени. Это логично, ведь, чтобы чему-то начаться во времени, нужно что бы время вообще существовало. Но самого по себе времени не существует. Время должно соотносится с чем-то. Этим «чем-то» является пространство. Поэтому, появление времени может произойти лишь в рамках пространства.
Так мы получаем «пространство-время» которое неразрывно между собой связанно. Там, где время, там пространство, там, где пространство, там и время.
Есть мнение, что пространство-время могло возникать многократно, схлопываясь в некую сингулярность и снова возникая с самого начала времени. Это называют «Большим отскоком».
Вся наша вселенная это своеобразные уровни организации систем. Эти системы от меньшего к большему взаимодействуют друг с другом и их эффект не просто сумма отдельных компонентов, а всегда больший эффект. Это называется синергия. На каждом новом уровне что-то меняется усложняется и масштабируется. Такая «смена вселенских настроек» очень важный момент: что-то работает на супер-малых масштабах, но перестаёт работать в привычном нам макромире и наоборот.
Первый уровень
Первый такой уровень возникает по факту появления пространства-времени. Пространство состоит из своеобразных узлов – которые называются кванты пространства. Это, скажем так, неделимые «пиксели» нашей вселенной. По своей сути, кванты-пространства представляют собой кванты-гравитации.
Второй уровень
Переходим на второй уровень. На нём кванты пространства формируют элементарные частицы. Происходит это во многом благодаря флуктуации. Флуктуация – это случайные колебания квантов пространства. Это принципиально не устранимое явление. По сути, это хаос, некий рандом. В какой-то степени это бесконечность. Бесконечность возможностей взаимодействия квантов между собой, в конечном счете приводящая к факту взаимодействия. Так формируются кварки, нейтрино, глюоны и прочие супер-малые частицы, чья классификация весьма запутана.
Третий уровень
На третьем уровне происходит процесс бариогенезиса т.е. формирования материи и антиматерии, из образовавшихся ранее элементарных частиц.
Четвёртый уровень
На четвертом уровне формируются атомные ядра химических элементов. Этот процесс называется нуклиосинтез. Таким образом, во вселенной начало доминировать вещество и его комбинации. Появились первые атомы, которые перешли из состояние плазмы в газообразное состояние.
Пятый уровень
На пятом уровне доминирует гравитация. Проще говоря, материя притягивает друг друга и взаимодействует между собой. Так и формируется наш макромир. Взаимодействие вещества и гравитации привело к формированию планет, квазаров, звёзд, туманностей и галактик.
НЕ большой НЕ взрыв
Так и развивалась наша вселенная, переходя от уровня к уровню в течении многих миллиардов лет. Сейчас мы живём в эре вещества. Такова наша краткая история в изложении теории Большого взрыва. Мы и есть Большой dзрыв во всём его великолепии. Каждый из нас – великая флуктуация, перешедшая в уровень относительно стабильного макромира.
P.S.
Всё это более подробно в моём альбоме. Он доступен на всех музыкальных площадках. Несём научно-популярное искусство в массы!
Как скорее всего большинство людей знает – вселенная постоянно расширяется с огромной скоростью. Но на заре своего рождения она расширялась медленнее чем сейчас. Учёные изучая реликтовое излучение(подробнее напишу позже, но если коротко то это тепло оставшееся после большого взрыва) заметили, что начиная с одного момента вселенная совершила большой скачок в скорости расширения:
Позже изучив эту тему подробнее они обнаружили, что чем больше вселенная расширяется, тем быстрее она это делает при этом утягивая с собой и галактики. Все бы ничего, но из-за взаимного притяжения этого не должно происходить. Значит какая-то сила противодействует гравитации. Эту силу и назвали тёмной энергией.
Чем темная энергия отличается от темной материи?
Скорее всего у всех появился такой вопрос. Темная энергия и темная материя – это не одно и то же. Правильнее будет сказать даже, что они оказывают противоположное влияние на вселенную и галактики. Потому что темная материя сближает галактики, а темная энергия раздвигает их. Несмотря на названия у них схожа лишь невидимость.
Кто, как и когда открыл темную энергию?
В начале 20-го века множество астрономов стали замечать расширение вселенной. Я перечислю несколько из них: • В 1922 году русский учёный Александр Фридман опубликовал стать, основанную на общей теории относительности Эйнштейна, с множеством историй вселенной и в том числе с расширением вселенной. • В 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр опубликовал статью в которой, с помощью общей теории относительности Эйнштейна, опроверг самого Эйнштейна в его заявлении, что вселенная статична. Он доказал, что уравнения Эйнштейна подтверждает расширение вселенной. • В 1929 году Эдвин Хаббл со своим коллегой Милтоном Хьюмасоном с помощью наблюдений подтвердил расширение вселенной.
Раньше считалось, что это расширение со временем будет замедляться, но в 1998 году две разные группы астрономов, наблюдавших за далекими сверхновыми, заметили, что звездные взрывы были тусклее, чем ожидалось. Эти группы возглавляли астрономы Адам Рисс, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт. За эту работу это трио получило Нобелевскую премию по физике 2011 года.
Их есть у нас! Красивая карта, целых три уровня и много жителей, которых надо осчастливить быстрым интернетом. Для этого придется немножко подумать, но оно того стоит: ведь тем, кто дойдет до конца, выдадим красивую награду в профиль!