ИТОГОВАЯ ДИСКУССИЯ «ПРОБЛЕМЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ»

Председательствующий А.Ю. Розанов

А.Ю. Розанов: Дорогие коллеги! Мы хотим создать программу, посвященную проблемам происхождения жизни. Три дня наших заседаний показали, что у нас есть шанс сделать нечто разумное и двигаться вперед. Некоторые направления обозначились достаточно четко, некоторые пока еще вырисовываются. Для того, чтобы дело двигалось, оно должно быть опубликовано — обличено в бумажные или электронные формы. Мое изначальное предложение -сделать книжку, в которой будут напечатаны и доклады, и дискуссия. Георгий Александрович Заварзин предлагает сделать это все на диске, что тоже возможно. Но самое главное, это нужно сделать быстро и не растягивать на много лет.

СВ. Шестаков. Тезисы о проблемах биологической эволюции

Глубокоуважаемые коллеги! Позвольте изложить три общих соображения, которые касаются темы нашего собрания, а именно — возникла ли жизнь на Земле или она привнесена извне, а если на Земле, то когда и каким образом эволюционировала. Продолжая обсуждение доклада Георгия Александровича Заварзина, хочу уточнить ряд понятий, которыми мы пользуемся здесь в аудитории, весьма разнообразной по научным интересам. Во-первых, следует подчеркнуть, что биологическая эволюция — это эволюция организмов и их сообществ на уровне популяции. Другой круг вопросов касается «добиологической эволюции», абиогенной эволюции макромолекул, способных реплицироваться, собираться в различные комплексы и даже обеспечивать сопряженные метаболические реакции. Однако при отсутствии мембранных структур и автономности такие конгломераты являются открытыми системами. Это прогеноты, «предклетки», которые представляют собой то, что называется «коммунальным хозяйством», где еще нет фиксированных геномов. Прогеноты нестабильны и находятся в постоянном обмене генетическим материалом в результате горизонтальных переносов. Из этого единого генного пула происходит сборка дифференцированных геномов и формирование первичных клеток, которые подвергаются действию селективных факторов энергетической и экофизиологической выгоды.

Я упомянул об этом для того, чтобы перейти к рассмотрению трех тезисов, первый из которых совершенно ясен. Он заключается в том, что даже если в какой-то форме жизнь появилась на Земле извне, неважно, из Солнечной системы, от звезд Галактики и т. д., все равно остается открытым вопрос, как же она где-то возникла? И тогда нужно четко определить, почему бы это не могло произойти и на Земле? Мое впечатление от большинства прослушанных докладов таково — на определенных этапах формирования Земли на самом деле были все необходимые условия для инициации добиологической эволюции и последующего зарождения жизни на нашей планете. Лев Михайлович Мухин сказал такую фразу, что весь «космос забит органикой». Стало быть, многие органические соединения вполне могли быть привнесены на Землю и/или синтезироваться при определенных температурных, геохимических и прочих условиях. Это относится не только к нуклеотидам и аминокислотам, но и к сложным полимерам с вершиной в виде мира РНК и предпосылок для появления первичного генетического кода. Таким образом, на мой взгляд, нет достаточно весомых логических оснований для того, чтобы отдавать предпочтение гипотезе панспермии о привнесении жизни извне.

Тезис второй. Современные представления о вирусах, неспособных размножаться вне организма хозяина, говорят скорее в пользу того, что вирусы возникли позже появления клеток (это традиционная точка зрения), или, по крайней мере, вместе с ними. «Эволюция» вирусов — это история коэволюции с хозяином. Вместе с тем, несомненно, вирусы играют огромную роль в горизонтальном переносе генетической информации и эволюции биосферы. Исходя из большого сходства вирусных геномов с мобильными элементами, можно полагать, что вирусы представляют собой геномные сегменты, «сбежавшие» из генома прокариот или эукариот и захватившие с собой часть генов, необходимых вирусам для собственного воспроизведения. Отдавая должное красоте гипотезы первичности доклеточного возникновения вирусов (Koonin Е. et al., 2006. Biol. Direct. V. 1: 29), изложенной В.И. Аголом, еще нельзя найти достаточно убедительных аргументов, позволяющих полагать, что основные домены, царства живого — архей, эубактерии и эукарноты — возникли из разных типов провирусов, так же как и рассматривать вирусы в качестве источников появления жизни на Земле по сценарию панспермии.

Третий тезис касается проблемы происхождения первичной клетки. Широкое распространение получил постулат о том, что клетка возникла единожды и затем через «узкое горлышко» отбора и началась биологическая эволюция. Вместе с тем допусти май другая гипотеза, согласно которой в разных частях планеты при разных локальных условиях (геохимических, физико-химических, климатических и т. д.) первичные протоклетки могли возникать независимо и неоднократно (Шестаков СВ., 2003. Палеонтол. журн. № 6: 50). Эти предшественники клеток конвергировали по единому принципу, подчиняясь правилам соотношения поверхности и объема, формирования мембран и т. п. В этом смысле можно предположить, что архей и бактерии, сходные по морфологии, но различные по аппарату репликации, транскрипции и трансляции, могли действительно возникнуть независимо друг от друга. Хорошую поддержку получила схема происхождения эукариот в результате соединения и взаимодействия геномов и метаболических сетей архей и эубактерий определенного типа. Из сказанного следует уже получивший широкое признание вывод о том, что не было единственного универсального однокорневого предшественника. После десяти последних лет бурных дискуссий образовалось два лагеря, к одному из которых (доминирующему) относятся тс, кто традиционно считает вертикальное наследование основой эволюции и придерживается иерархической филогении. Сторонники второго лагеря придают первостепенное значение множественным горизонтальным переносам, т. е. реализации сценария сетчатой эволюции, прежде всего для прокариот и низших эукариот (Doolittle W.F., Bapteste Е., 2007. PNAS. V. 104: 2043). Таким образом, сегодня происходит серьезная ревизия теории биологической эволюции. Главная задача заключается в том, чтобы определить конкретное соотношение вклада и темпов вертикальной, горизонтальной и редукционной эволюции для различных таксономических групп. За счет горизонтальных переносов идет эволюция организмов с высоким рекомбинационным потенциалом, тогда как у микробов с низким уровнем рекомбинации преобладает вертикальная эволюция (мутации, бифуркация, отбор). При горизонтальном переносе происходят интенсивные генетические обмены и геномные перестройки, приводящие к образованию мозаичных «химерных» геномов, при филогенетическом анализе которых затрудняется расшифровка путей видообразования (Шестаков СВ., 2007. Экол. генетика. Т. 5, № 2: 12).

В нашем совещании участвуют представители многих наук — астрофизики, химики, биологи, геологи, что очень познавательно и стимулирует к междисциплинарному взаимодействию. Вместе с тем, дискуссия показала ограниченность наших знаний вообще и недостаточную информированность каждого из нас в смежных научных областях. Поэтому предпочтение тем или иным гипотезам, которые мы обсуждаем, скорее отражает нашу веру или желание верить в какую-то идею, соединяющую разные ветви естествознания и, конечно, не имеющую ничего общего с догматами креационизма, которые, вообще-то, имеют чисто антропогенное происхождение, в отличие от тех законов, которые реально действуют в природе. Оставляя в стороне тему божественного креационизма, я хочу сказать несколько слов о другом креационизме. Ведь можно рассматривать не только вопросы происхождения жизни на Земле или поиски жизни на других планетах, но и обсуждать перспективы экопоэза как задачи искусственного создания условий для жизни. Этот термин был предложен известным генетиком Робертом Хейнсом, статья которого так и называется: «Экопоэз — поиграем в Бога на Марсе» (Haynes R.H., 1989. J. Biol. Sci. in Space. V. 3, № I: 101). По отношению к Марсу земляне являются инопланетянами, так почему бы нам на определенном этапе развития технологий не поставить вопрос об использовании Марса как полигона для экспериментального изучения проблемы происхождения жизни. Речь идет не столько о внедрении сложных экосистем или поселении человека на Марсе. Я имею в виду то, что можно было бы назвать созидательным креационизмом, призванным обеспечить условия для зарождения жизни на другой планете. Мои слова являются данью уважения к сторонникам теории панспермии, но только к схеме с метеоритами, кометами и другими потенциальными переносчиками я бы добавил и то, о чем говорят сюжеты некоторых научно-фантастических рассказов, то есть о том, что, может быть, на Землю жизнь пришла в результате творчества кого-то (может быть, с других планет), кто ставил эксперименты, направленные на создание условий для естественного зарождения жизни на Земле. Вот таким странным эссе хочу завершить свое полушутливое изложение гипотезы «направленной панспермии».

Л.М. Мухин: Сергей Васильевич, в последней части Вашего выступления были серьезные предложения по поводу Марса. Есть работа Криса Маккея (McKay СР., 1982. Terra forming Mars. J. Brit. Interplanet. Soc. V. 35: 427), где используется термин «terraforming» для процесса создания условий для жизни на других планетах. Что Вы тут скажете?

СВ. Шестаков: Кристофер Маккей и Роберт Хейнс были партнерами и вместе продвигали разработку конкретных программ освоения. Да, такие теоретические программы разрабатываются в надежде на будущее. И честно говоря, эта часть моего выступления была предназначена коллегам из Института медико-биологических проблем. Кроме того, у меня сложилось впечатление, что многие участники нашего собрания мало знают об этой области космического естествознания. Поэтому я счел необходимым об этом упомянуть.

A. Ю. Розанов: Одно маленькое замечание по поводу панспермии. Есть две крайние позиции: панспермия — это «жизнь есть всегда и везде», по Вернадскому, и панспермия — это транспорт. Обратите внимание, что эта проблема должна обсуждаться особым образом.

B. Н. Снытников: Уважаемые коллеги, я бы хотел обратить Ваше внимание вот на какое обстоятельство. Казалось бы совершенно элементарный с современной точки зрения эксперимент Миллера-Ури, проведенный в 1950-х гг., до сих пор упоминается в публикациях, хотя внешне его результаты довольно-таки тривиальны, что в неравновесных условиях да еще под воздействием плазмо-химических реакций могут формироваться более сложные органические молекулы. Вот какое у меня замечание или даже предложение. В последнее время российская программа исследования космоса, как ближнего, так и дальнего, находится в достаточно плачевном состоянии по сравнению с европейской или американской программами. Поэтому материала не хватает. Например, метеоритный материал с предполагаемыми псевдоморфозами можно было бы получить непосредственно в космосе. Академии следовало бы занять более активную позицию в этом вопросе. Второе предложение — может быть, уже настала пора перейти к обсуждению экспериментов, непосредственно связанных с проблемой возникновения жизни. При всем том, что я выслушал, мне кажется, что несколько реальных экспериментов, которые можно было бы сейчас проводить, уже можно наметить. И если правильно сформулировать программу такого сорта экспериментальной деятельности в этом направлении, то можно было бы рассчитывать на получение в дальнейшем более сильных результатов. Я предлагаю обсуждать именно программу проведения различного типа экспериментов, правда, это не должно выливаться в проблемы органического синтеза, чем часто грешат зарубежные работы. Спасибо за внимание!

М.Я. Маров: Прежде всего, я хочу выразить признательность организаторам за приглашение принять участие в данном рабочем совещании и с удовлетворением особенно отметить то, что оно проводилось в «неформальном формате». В результате докладчики имели возможность достаточно подробно излагать проблемы, обозначенные в названиях докладов, и была хорошая возможность их подробно обсуждать. В свою очередь, обсуждения обнажили многие ключевые проблемы, которые заслуживают дальнейшего внимательного изучения. И, конечно, важно, чтобы космохимические и биологические направления исследований получили дальнейшее развитие и были в числе будущих программ фундаментальных исследований, поддерживаемых грантами Российской академии наук. Я очень надеюсь, что, подобно тому, как мы это делали три предыдущих года, эти исследования продолжатся в рамках новых программ или подпрограмм. У участников, безусловно, есть очень серьезный задел и есть вполне обозримые перспективы развития данных направлений. Это первое, о чем мне хотелось сказать.

Второе. Я услышал здесь много нового от биологов, что важно для расширения собственного мировоззрения и понимания стоящих перед нами задач. Но это также важно с точки зрения выявления некоторых общих закономерностей, проявляющихся в различных областях знаний, что имеет вполне определенный философский смысл. С позиций механика и физика обсуждавшаяся проблематика имеет самое непосредственное отношение к стохастической динамике открытых нелинейных диссипативных систем. Это фундаментальное направление, восходящее к пионерским работам Анри Пуанкаре и получившее развитие в трудах Ильи Пригожина, бурно развивается в современном мире. В 2006 г. с академиком Алексеем Максимовичем Фридманом мы выпустили книжку, посвященную астрофизическим дискам, в которой большое внимание уделено стохастическим процессам. В 2009 г. выходит моя книга, написанная совместно с моим учеником и близким коллегой Александром Владимировичем Колесниченко, посвященная динамике турбулентных газов в космических и природных средах и процессам возникновения упорядоченности в хаотических системах. В ней, в частности, показано, что внутри сложных природных комплексов, открытых взаимодействию с окружающей средой, заложены процессы самоорганизации, и развит математический аппарат для моделирования таких сред. Замечательно, что в хаотической, изначально незапрограммированной диссипативной системе, обменивающейся веществом, импульсом и энергией с окружающей средой, выстраиваются вполне определенные островки упорядоченности. Так, в турбулентных средах, при определенных значениях ключевых параметров, вы можете наблюдать, как в самой системе появляются упорядоченные структуры. Может показаться парадоксальным, но в вихрях, периодически возникающих в турбулентной среде, молекулы, которые произвольным образом ведут себя в ламинарном течении, оказываются более упорядоченными. Другие примеры возникновения порядка из хаоса — коллективные взаимодействия в кольцах планет, атмосферная динамика, образование галактик и галактических кластеров и многое другое. Другими словами, самоорганизация заложена в самой системе. На совещании я получил дополнительные подтверждения существованию такой парадигмы и для биологических систем. В частности, мое внимание привлек доклад Александра Борисовича Четверина, в котором обсуждалась возможность «собрать клетку». С моей точки зрения, последовательность выстраивания полинуклеотидов и полипептидов при построении генома, равно как и способность рибозима катализировать производство полипептидов, есть не что иное, как основа первичного упорядочения при становлении белкового мира. Говоря физическим языком, это баланс энтропии внутри сложной системы: наряду с ее ростом, связанным с хаотичностью, одновременно происходит приток в систему отрицательной энтропии (негэнтропии) за счет внутренней упорядоченности. Здесь можно усмотреть прямую (хотя, вероятно, и достаточно грубую) аналогию с упомянутыми мною турбулентными течениями. Однако в биологических системах все несравненно сложнее — самоорганизация происходит в огромных сообществах супрамолекул, объединенных многочисленными функциональными связями.

Обожаете современное искусство во всех его проявлениях, тогда не упустите свой шанс посетить самые яркие выставки в Германии 2012 года.
Вашим незаменимым помощником в этом благородном начинании станет ООО «Мосинтур», которое поможет Вам забронировать авиабилеты и номера в отелях. Более полную информацию по предоставляемым ООО «Мосинтур» услугам Вы сможете найти на сайте mosintour.ru.

АКТИВНОСТЬ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Разработанные микробиологами школы СИ. Кузнецова радиоизотопные методы определения скорости микробиологических процессов нашли свое применение и при исследовании микробных сообществ термальных местообитаний, в том числе и глубинных (Pimenov, Bonch-Osmolovskaya, 2006). Последние отличаются невозможностью инкубирования изолированных проб с добавленными радиоизотопными субстратами непосредственно в месте отбора; приходится проводить инкубацию в термостате с соответствующей температурой, без учета геостатического давления, которое на глубине 1500-3000 м является значительной величиной и может существенно влиять на ход исследуемых процессов. Тем не менее, несмотря на относительный характер получаемых параметров, они способны дать нам важную информацию о некоторых процессах, протекающих в высокотемпературных глубинных местообитаниях (примером которых являются нефтяные месторождения). Так, было установлено, что в микробных сообществах пластовых вод Самотлорского нефтяного месторождения сульфатредукция и метаногенез являются конкурентными процессами и реализуются в зависимости от концентрации сульфатов (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003). При этом скорости сульфатредукции, литотрофного (с использованием водорода) и ацетокластического (с использованием ацетата) метаногенеза имеют два максимума (рис. 1). Первый приходится на заводняемые скважины поверхностных горизонтов, второй (основной) — на скважины глубинных юрских горизонтов, откуда нефть изливается под естественным давлением. Можно с значительной долей уверенности предположить, что именно в этих скважинах при температуре 84 °С процессы сульфатредукции и метаногенеза осуществляет аборигенная гипертермофильная микрофлора.

Рис. 1. Скорость микробиологических процессов — сульфатредукции, литотрофного и ацетокластического метаногенеза в скважинах высокотемпературного нефтяного месторождения Самотлор, Западная Сибирь (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003, модифицировано).

Рис. 2. Влияние сульфата на скорость сульфатредукции (а) и молекулярного водорода на скорость литотрофного метаногенеза (б) в скважинах высокотемпературного нефтяного месторождения Самотлор, Западная Сибирь.

Исследование влияния на скорость процессов добавления дополнительного количества сульфатов или введения водорода в газовую фазу инкубационных флаконов показало, что присутствие сульфатов стимулирует сульфатредукцию, в то время как добавление водорода не влияет на скорость метаногенеза (рис. 2). Первое явление может быть объяснено тем, что сульфатредукторы при лимитации сульфатами могут участвовать в других процессах, например, синтрофном окислении органического вещества путем передачи электронов метаноге-нам. При добавлении дополнительного количества сульфатов эта микрофлора переключалась на их восстановление с использованием тех же доноров. Стимуляцию литотрофного метаногенеза и сульфатредукции водородом можно было бы ожидать, считая что он компенсирует потери присутствующего в пластовых водах растворенного водорода за счет дегазации при поднятии проб на поверхность и снижении давления. Однако, так как этот эффект не наблюдался, приходится предположить, что литотрофный метаногенез является не результатом использования водорода глубинного происхождения, а терминальной реакцией анаэробного разложения органического вещества, и численность присутствующих в пробе метаногенов соответствует количеству образующегося при брожении органических субстратов водорода. Таким образом, и сульфатредукция, и литотрофный метаногенез в микробных сообществах высокотемпературных нефтяных месторождений являются не первичными процессами, дающими начало микробному сообществу, существующему за счет хемосинтеза, а, наоборот, завершают анаэробную деструкцию органического вещества, видимо, захороненного в этих горизонтах в более древние геологические периоды.

ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОДЗЕМНЫХ ТЕРМОФИЛЬНЫХ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ

Молекулярно-биологические методы, получившие развитие в последние десятилетия, дали возможность экспрессной оценки разнообразия микроорганизмов в природных местообитаниях без этапа культивирования. Кратко суть этих методов заключается в следующем: с помощью полимеразной цепной реакции гены 16S рибосомальной РНК (общепризнанный филогенетический маркер) всех микроорганизмов, присутствующих в природном образце, сначала выделяются, затем тем или иным способом разделяются и по их последовательности определяется филогенетическое положение присутствующих в пробе организмов. В случае наземных и морских гидротерм применение этих методов обнаружило присутствие в этих сообществах большого количества новых организмов, неизвестных в лабораторных культурах. Оказалось, что подземные термальные местообитания по филогенетическому составу микроорганизмов сильно различаются.

Микробные сообщества высокотемпературных нефтяных месторождений состоят в основном из представителей уже известных родов. Применение микрочипа с нанесенными на нем люминисцентными зондами, специфичными к I6S рРНК 17 родов или групп родов термофильных архей и бактерий, позволило обнаружить в пластовых водах юрского горизонта (глубина 2384 м, температура 84 °С) представителей 12 из них (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003). Это гипертермофильные архей рода Thermococcus, представители относящихся к глубоким филогенетическим ветвям бактерий порядков Thermotogales и Aquificales (также гипертермофилы), литотрофные метаногены родов Methanothermobacter, сульфатредуцирующие бактерии рода Desiilfolomuculimu анаэробные органотрофы рода Thermoanaerobacter и некоторые другие (рис. 2). Близкие результаты были получены путем анализа библиотек клонов генов 16S рРНК из высокотемпературных нефтяных месторождений Калифорнии (Orphan et al., 2000) и Китая (Назина и др., 2006).

Совершенно иные результаты дал филогенетический анализ термофильных микробных сообществ, развивающихся в горнодобывающих шахтах в Южной Африке (Takai et al., 2001). Путем анализа библиотек клонов генов I6S рРНК были обнаружены присутствующие там архей типа Crenarchaeota, представляющие новые филогенетические линии (рис. 3). При этом наиболее разнообразными были микробные сообщества, развивающиеся в шахтах, не оводняемых поверхностными водами метеорного происхождения. Все это дало основания предположить, что в исследуемых глубинных экосистемах развивается аборигенное сообщество, состоящее из микроорганизмов с неизвестное пока физиологией, возможно, литоавтотрофов.

В сходном местообитании близкого географического расположения (также Южная Африка, горнодобывающая шахта глубиной 2.8 км) была обнаружена еще одна микробная экосистема, также уникальная — биопленка, состоящая практически из одного микроорганизма — «Candidalus Desulj’orudis audaxiviator» (Lin et al., 2006). Роста этой бактерии в лабораторных условиях пока получить не удалось, но уже получена полная последовательность ее генома, из которой следует, что «DesulJorudis audaxiviaion> является умеренно-термофильной литоавтотрофной сульфатре-дуцирующей бактерией, использующей молекулярный водород как энергетический субстрат и углекислоту как источник углерода, причем пути фиксации углекислоты сходны с архейными.

РАЗНООБРАЗИЕ И ЧИСЛЕННОСТЬ КУЛЬТИВИРУЕМЫХ ОРГАНИЗМОВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Параллельно с применением «прямых» методов исследования микробиологических процессов и филогенетического состава микроорганизмов в высокотемпературных глубинных экосистемах велась и работа по изучению их традиционными культуральными методами. Ряд гипертермофильных архей и бактерий, широко известных по микробным сообществам морских гидротерм, был выделен из проб в высокотемпературных нефтяных месторождениях шельфовой зоны: на Аляске (Stetter et al., 2003), в Северном море (Nielsen, Torsvik, 1996; Stetter et al., 2003), в Калифорнии (Orphan et al., 2000) и в Японии (Takahata et al., 2000). Среди них были органотрофные архей родов Thermococcits и Pyrococcus, метанобразующие и суль-фатредуцируюшие архей (роды Methanothevmococcits и Archaeoglobus), органотрофные бактерии порядка Thermotogales). Еще более удивительным было выделение этих же организмов, типичных обитателей морских гидротерм, из пластовых вод с соленостью уровня морской, но расположенных в центре континента: нефтяного резервуара Парижского бассейна (L’Haridon et al., 1995), месторождения Самотлор в Западной Сибири (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003). Эти изоляты либо принадлежали к уже известным видам, либо представляли новые виды. Так, из проб юрских горизонтов Самотлорского месторождения был выделен новый вид гипертермофильных архей Thermococcus sibiricus (Miroshnichenko et al., 2001).

Рис. 3. Новые филогенетические группы прокариот в горнодобывающих шахтах Южной Африки (Takai et al.. 2001).

Рис.4. Клетки Thermococciis sibiricus — анаэробной органотрофной гипертермофильной архей, выделенной из нагнетательной скважины Самот.торского нефтяного месторождения, Западная Сибирь. Масштаб 0.5 мкм.

Этот организм с клетками кокковидной формы (рис. 4) растет при температуре от 40 до 95 °С, сбраживая пептиды в присутствии элементной серы, которая восстанавливается в сероводород. Можно, однако, предположить, что, как и у остальных представителей рода Thermococcus, восстановление серы у этого организма играет важную роль лишь при лабораторном культивировании в закрытых сосудах, так как позволяет избежать ингибирующего действия водорода — основного восстановленного продукта в отсутствие серы (Бонч-Осмоловская, Мирошниченко. 1994). Другие новые органотрофные термофильные прокариоты, выделенные из пластовых вод Самотлорского нефтяного месторождения, относились к порядку Thermotogales и представляли новые виды в родах Termosipho и Petrotoga (L’Haridon et al., 2002a, b).

Сходные микробные сообщества были обнаружены под океанической корой в районе глубинной гидротермальной активности (Deming, Baross, 1993; Takai, Horikoshi, 1999). Культуральные методы показали доминирование Thermococcales — органотрофных гипертермофильных архей (Takai et al., 2004). Однако при применении молекулярно-биологических методов к этому же сообществу выявилось значительное преобладание метаногенов порядка Methanococcales. Об активности последних свидетельствовал и легкий изотопный состав присутствующего метана, говорящий о его биологическом происхождении.

Численность органотрофных термофильных прокариот в высокотемпературных нефтяных месторождениях оказалась неожиданно высокой — 10⁴-10⁶ клеток в мл. Это подтверждает сделанное на основании радиоизотопных экспериментов предположение о том, что микробные сообщества нефтяных месторождений используют энергию захороненного органического вещества. Однако недавние данные, полученные Н.М. Шестаковой и Т.Н. Назиной (Шестакова, 2007), указывают на совершенно особую экологическую функцию, которую могут играть в природных сообществах даже представители хорошо изученных таксонов. Авторам этой работы удалось показать, что представитель органотрофного рода Thermoanaerohacler в присутствии водород-использующего метаногена способен анаэробно окислять ацетат. Таким образом, было найден агент, или, вернее, агенты ацетокластического метаногенеза, зарегистрированного в высокотемпературных нефтяных месторождениях. Полученные данные указывают также на то, как далеки от полноты наши познания о физиологии даже легко культивируемых в лабораторных условиях микроорганизмов; экстраполяция их на природные системы может не приблизить нас к пониманию истинного положения вещей.

Другим способом раскрытия экологической роли микроорганизмов, в том числе некультивируемых, является метагеномный анализ микробных сообществ и выявление функциональных генов, которые могут указать нам на метаболические пути, реализуемые в сообществе. В случае «Desulfbrudis atidaxiviatom»
такой анализ явился, по существу, определением полной геномной последовательности единственного организма, растущего, фактически, в виде чистой культуры. Несомненно, подобные работы будут проводиться и с другими, более сложными экосистемами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении мы собираемся вернуться к вопросу, поставленному в заглавии этого обзора: могут ли микробные сообщества высокотемпературных подземных экосистем рассматриваться как аналоги первичных биоценозов Земли? Как мы уже увидели, эти сообщества очень сильно различаются, в первую очередь по исходному энергетическому субстрату. Микробные сообщества нефтяных месторождений, по видимости, являются органотрофными и используют органическое вещество если не самой нефти, то более доступное, захороненное вместе с окружающей породой. Это органическое вещество, скорее всего, являлось продуктом фотосинтеза. Таким образом, подземные сообщества, ассоциированные с нефтяными месторождениями, не зависят от современного фотосинтеза, но зависят от продуктов фотосинтеза, происходившего в предшествующие геологические периоды.

Что же может являться энергетическим субстратом подземных анаэробных микробных сообществ? Конечно же, в качестве основного такого субстрата рассматривается водород (Nielsen, Takai, 2005). Известно, что он может образовываться из базальта при реакции с водой и поддерживать рост водород-использующих прокариот, например метаногенов (Stevens, McKinley, 1995). Другим источником водорода является радиолиз воды — этот процесс предлагается в качестве основного для уникальной экосистемы, образуемой «Desulforudis audaxiviatoni». В последнем случае остается непонятным, почему вместе с «Desulforudis aiidaxiviator» не развивается полноценное микробное сообщество, использующее органическое вещество первичного продуцента. Возможно, какие-то ограничения накладываются особыми физико-химическими условиями, исключающими развитие всех прочих организмов, кроме «Desulforudis audaxiviatony».

Однако в случае высокотемпературных микробных сообществ основным источником водорода все-таки остаются ювенильные газы вулканического происхождения. Как уже было сказано, водород часто рассматривается как возможный источник энергии для анаэробных хемосинтетиков в гидротермах различного типа. Однако приток аллохтонного органического вещества в этих системах не позволяет считать их независимыми от современной биосферы. Возможно, наиболее близким к искомым гипотетическим сообществам будут микробные экосистемы гидротермальных местообитаний под океанической корой, где высокая численность литоавтотрофных метаногенов по сравнению с органотрофами указывает на возможность хемосинтетического происхождения первичного органического вещества в этой экосистеме.

Гипотеза Хойла и Викрамасинга

Ф. Хойл и Ч. Викрамасинг (Hoyle, Wickrarnasinghe, 1979,1980) около 30 лет назад высказали предположение, что часть межзвездных пылинок может быть одноклеточными организмами: бактериями или фитопланктоном. В работе 1979 г. они основывались на соответствии положения и формы широкой спектральной особенности (покрывающей диапазон длин волн X от 4000 до 5000 А) зависимости от X коэффициента поглощения света межзвездной пылью абсорбционным свойствам пигментов фитопланктона. В статье 1980 г. они показали, что полоса поглощения пыли в области 3 мкм, которая обычно связывается со льдом в оболочках пылинок (см. рис. 5 и табл. 5), обусловлена поглощением света бактериями, находящимися в межзвездной среде, поскольку это дает лучшее совпадение с наблюдаемыми профилями этой полосы. Согласно их работе, до 60 % пылинок могут состоять из бактерий.

Эта гипотеза возродила интерес к возможности панспермии. Но аргументы авторов нельзя считать убедительными ввиду неоднозначности интерпретации широких спектральных деталей (это видно на примере рис. 6). Поэтому гипотеза была встречена большинством специалистов скептически. Однако она не противоречит наблюдениям (по крайней мере, если доля бактерий среди пылинок не так велика). К тому же выяснилось, что одноклеточные организмы очень устойчивы к существующему в космическом пространстве ионизующему излучению. Поэтому исключать из рассмотрения гипотезу Хойла и Викрамасинга не следует.

Внутри молекулярных облаков такие органические «пылинки» (подобно тугоплавким ядрам обычных межзвездных пылинок) могут обрастать ледяными оболочками. Эти оболочки могут играть роль дополнительного экрана, защищающего органическое ядро таких пылинок от излучений, способных повредить находящийся внутри замороженный организм.

Рис. 12. Траектории частиц при оттоке газа от плоскости спиральной галактики в межгалактическую среду («галактический ветер»)(а) и траектории движения газа в «галактических фонтанах» (б), когда газ не имеет достаточной энергии, чтобы покинуть галактику. Горизонтальная черта — галактическая плоскость, ЦГ — галактический центр.

Органические ядра могут пережить эпохи испарения оболочек (нагрев до 100-200 К в областях звездобразования), но, в отличие от тугоплавких ядер пылинок, не способны пережить нагрев до 1000-2000 К. Однако нагрев пылевых частиц до таких температур происходит очень редко.

Движение пылинок

Тела, способные переносить молекулы, такие, как крупные пылинки (> 1 мкм), метеороиды и небольшие ядра комет пока не удается наблюдать. Поэтому пока нет надежной информации об их количестве и движении. В отличие от них межзвездные пылинки размером 0.01-1 мкм) давно и интенсивно изучаются. Пылинки движутся в основном вместе с межзвездным газом. Из-за неоднородности распределения в Галактике наиболее ярких горячих звезд пылинки под действием светового давления могут приобретать скорость до 2-10 км/с относительно газа (Tarafdar, Wickrarnasinghe, 1976), а в некоторых случаях ускоряться (так называемым бетатронным механизмом) до ~30-100 км/с.

В галактиках с бурным звездообразованием пылинки выносятся вместе с газом в межгалактическое пространство (рис. 12). Если они попадают внутрь плотного скопления галактик, то разрушаются горячим межгалактическим газом скопления, если нет — могут через ~1 млрд. лет попасть в другую галактику.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Молекулы существуют в космическом пространстве в широком наборе астрономических объектов. К настоящему времени в газовых средах отождествлено около 150 различных молекул примерно в 250 изотопических вариантах. Самые крупные из найденных молекул содержат 13 атомов. Основная часть молекул содержит атомы углерода, эти молекулы являются простейшими органическими соединениями. Молекулы обнаружены в атмосферах холодных звезд, в атмосферах планет и их спутников, но наибольшее их количество и разнообразие найдено в молекулярных облаках межзвездной среды и в оттекающих оболочках звезд, находящихся на поздних стадиях эволюции. Имеются косвенные указания на существование в межзвездной среде более крупных молекул, содержащих 20-60 атомов, в виде длинных углеродных цепочек, полициклических ароматических углеводородов и, возможно, фуллеренов, но надежных отождествлений таких молекул нет.

Молекулы могут перемещаться в пространстве на значительные расстояния, если они входят в состав пылинок или более крупных тел. Наиболее радикальной является гипотеза Хойла и Викрамасинга, согласно которой некоторые пылинки могут представлять собой одноклеточные организмы. Эта гипотеза не подтверждена, но и не опровергнута ни наблюдениями, ни теоретическими расчетами.

Они состоят из тугоплавких ядер и намерзших на них ледяных оболочек. Время жизни ядер пылинок сравнимо с временем жизни галактик, т. е. они постепенно накапливаются в течение всего времени эволюции Вселенной. Пылинки могут перемещаться внутри галактик из одной области звездообразования в другую, а при достаточной мощности процессов звездообразования в галактике — выноситься галактическим ветром в межгалактическое пространство. Однако если пылинки попадают в горячий газ скопления галактик, они там быстро разрушаются. Если же они выносятся из галактики, не принадлежащей крупному скоплению галактик, то через время ~1 млрд. лет они могут попасть в другую галактику.

Другими «транспортными средствами» для молекул, защищающими их от губительного действия ультрафиолетового излучения, могут служить метеорные, метеоритные тела и ядра комет, астероиды и планеты, некоторые из которых должны блуждать в пространстве между звездами и время от времени проникать в планетные системы. Блуждающими могут быть также отдельные звезды и их группы, выброшенные из галактик в процессе взаимодействия галактик между собой. В этом случае звезды переносятся из одной галактики в другую вместе с окружающими их планетными системами и могут переносить за космологическое время (~10¹⁰ лет) сколь угодно сложные молекулы и другие объекты как биологической, так и иной природы на расстояния вплоть до десятков миллионов световых лет. Наиболее эффективно этот процесс происходит при слиянии (мержинге) галактик.

Не удивлюсь, если в поисках заветной фразы “больничный лист купить недорого” вы изучили все известные Вам сайты, но так и не нашли желаемого. Я советую Вам, не тратя попусту время, посетить clickuk.org, где Вы сможете за умеренную плату заказать: больничный лист, справку в ГАИ, медицинскую книжку и т.п..

Основные компоненты межзвездной среды (МЗС)

Подавляющая часть объема Галактики и других галактик занята межзвездной средой -материей, заполняющей пространство между звездами внутри галактик. Именно из межзвездной среды рождаются звезды и окружающие их протопланетные диски, а затем планетные системы. Причем на ранних стадиях образования звезд и протопланетных дисков молекулярный состав вещества сохраняется таким, каким он был в наиболее холодных участках межзвездной среды, из которых образуются протозвезды.

Основные компоненты межзвездной среды приведены в табл. 3. Заметим, что все эти компоненты существуют не сами по себе, а любая их пара взаимосвязана, причем в большинстве случаев взаимодействие сильное. Поскольку в межзвездной среде осуществляется примерное равенство плотности энергии движений газа (кинетической энергии), магнитного поля и заряженных частиц (космических лучей), межзвездная среда представляет собой очень сложно структурированный, динамичный объект (см., напр., Бочкарев, 1985).

Таблица 3. Основные компоненты межзвездной среды

Дефицит тяжелых элементов в межзвездном газе

Содержание элементов в газовой фазе межзвездной среды заметно отличается от указанной в табл. 2 средней распространенности: наблюдается дефицит тяжелых элементов, достигающий для Fe, Ni, Ti, Са, AI трех порядков величины. На рис. 1 видно, что величина дефицита зависит от температуры Т_с его конденсации, т. е. перехода из газообразной в твердую фазу с образованием межзвездных пылинок.

Рис. 1. Зависимость дефицита элементов в межзвездном газе от температуры их конденсации Т. (образования пыли). Высоты баров указывают на степень неопределенности данных. По вертикальной оси отложен десятичный логарифм относительного содержания элементов (по отношению к водороду), отнесенный к соответствующей величине в солнечной фотосфере.

Поэтому величина дефицита элементов в газе дает информацию о составе межзвездной пыли. Суммарный дефицит тяжелых элементов в газовой фазе составляет ~1 % массы газа, что соответствует доли массы межзвездной пыли в межзвездной среде (табл. 3).

Наблюдения молекул

Межзвездное пространство пронизано ультрафиолетовым излучением горячих звезд. Поэтому в незащищенных от ультрафиолетового излучения областях межзвездной среды молекулы быстро разрушаются, так что их равновесное содержание очень мало. Поэтому в большом количестве молекулы присутствуют только в молекулярных облаках. Молекулярные облака — это плотные участки межзвездной среды, в которых пылинки, равномерно перемешенные с газом, ослабляют ультрафиолетовое излучение горячих звезд в тысячи, миллионы и более раз. Однако концентрация частиц газа в этих «плотных» участках составляет всего лишь ~10³ см ³ (плотность ~10^-21 г/см³). Такие участки межзвездной среды являются наиболее холодными. Их температура обычно составляет 10-30 К. Именно в такой «криогенной», разреженной космической среде находится большинство космических молекул.

В основном наблюдается собственное излучение молекул. При столь низких температурах тепловое излучение вещества имеет место только в радио- и субмиллиметровом спектральных диапазонах. Но как раз в эти спектральные диапазоны попадает огромное количество молекулярных линий, прежде всего вращательных переходов (рис. 2). При температурах 10-100 К молекулы не создают молекулярные полосы, содержащие большое количество спектральных линий. Их спектры просты. Специфика используемых астрономами в этих диапазонах радиофизических методов измерения позволяет реализовывать очень высокое спектральное разрешение λ/∆ λ =10⁶-10⁸. Это дает возможность не только однозначно отождествлять по набору спектральных линий молекулы и молекулярные ионы, но и легко различать их изотопические варианты. Из радиоспектров удается извлекать разнообразную информацию: распределение содержания различных молекул и молекулярных ионов внутри молекулярных облаков; распределение температуры и плотности вещества в них; детально изучать движения газа в разных местах облака (см., напр., Бочкарёв, 2009). Все это позволяет подробно исследовать области звездообразования и изучать процессы, приводящие к рождению звезд.

В табл. 4 приведен список надежно отождествленных к концу 2000 г. 126 различных молекул и молекулярных ионов в межзвездном газе, в околозвездных оболочках и кометах. Видно, что преобладают углеродосодержащие, предбиологические соединения. В основном наблюдаются линейные молекулы, хотя есть и кольцевые типа С₃. Самые длинные из обнаруженных молекул — цианополиины до HC₁₁N, включительно.

Рис. 2. Характерный вид спектра излучения молекулярного облака в коротковолновой части радиодиапазона. Показан участок спектра от 1.14 мм до 1.45 мм (207-263 ГГц), содержащий около 900 молекулярных линий, в основном соответствующих вращательным переходам тяжелых молекул. Такие спектры дают возможность разнообразной диагностики молекулярных облаков: распределения внутри облака содержания молекул, кинематики движений, температуры и плотности газа.

После 2000 г. была открыта группа отрицательных молекулярных ионов: С₄Н^—, С₆Н^—, С₈Н^—. Обнаружены новые сложные молекулы, в том числе CH₂CCHCN, CH₃CCCN, CH₃C₅N, CH₃C₆N и ряд более простых молекул.

Как и цианополиины, эти молекулы говорят о том, что в межзвездной среде имеются длинные углеродные цепочки. Однако обнаружить их можно только тогда, когда к одному концу углеродной цепочки прикрепляется какой-нибудь атом или ион, либо к обоим концам присоединяются разные атомы, как в цианополиинах. В этих случаях дипольные моменты молекул становятся отличными от нуля и молекулы оказываются способны интенсивно излучать в радиолиниях.

Двухатомные симметричные молекулы, такие как Н₂, N₂ , O₂, образуются в молекулярных облаках в большом количестве, но наблюдать их очень трудно. Нулевой дипольный момент приводит к отсутствию у них разрешенных спектральных линий. Это исключает их изучения методами радиоастрономии. Другая возможность — это поиск в спектрах звезд, наблюдаемых сквозь молекулярные облака, межзвездных линий поглощения таких молекул, возникающих при электронных переходах. Однако холодный газ молекулярных облаков способен создать только слабые линии поглощения, лежащие за редким исключением в далекой части ультрафиолетового (УФ) диапазона (длины волн около 1000 А), там, где очень велико поглощения света межзвездной пылью. Реально провести такие наблюдения удалось в основном для молекулярного водорода и для молекул С₂. Последние имеют подходящий электронный переход вблизи 1 мкм, где пыль поглощает слабо.

Из вышесказанного следует, что, если какая-либо молекула не наблюдается, еще не означает, что она не образуется или отсутствует в МЗС. Надо проверять возможность ее наблюдать. Во многих случаях целесообразно привлекать численное моделирование химических процессов в меж-

Таблица 4. Список 126 молекул, обнаруженных к ноябрю 2000 г. в газовой фазе в межзвездном, околозвездном и кометном веществе

В левой колонке указано число атомов в молекуле. Буквой «с» отмечены циклические молекулы, буквой «l» — линейные.

При таком моделировании также возникает немало проблем. Обсуждение вопросов, связанных с межзвездной химией, можно найти в работах автора (Бочкарёв, 2009) и других исследователей (Каплан, Пикельнер, 1979; Далгарно, 1979, 1986; Tielens, 2005; Lemaire, Combes, 2007).

Многие молекулы обнаружены в сотнях и тысячах различных объектов, хотя большинство других удалось пока наблюдать лишь в нескольких наиболее изученных молекулярных облаках. Чувствительность современных радиоастрономических измерений позволяет изучать молекулы не только в нашей Галактике, но и в других галактиках. В настоящее время в других галактиках найдено около 50 различных молекул. Наша Галактика не уникальна по количеству межзвездного вещества в молекулярной форме. Есть галактики, у которых доля массы, приходящаяся на молекулы, как заметно больше, так и значительно меньше, чем в Галактике.

На рис. 3 приведена схема строения молекулярного облака. Показано, что УФ излучение звезд проникает в облако и постепенно ослабляется (UV на рис. 3).

Рис. 3. Схема строения молекулярного облака

Рис. 4. Относительные содержания молекул в молекулярных облаках.

Для каждой из молекул, перечисленных в нижней части рисунка, приведены десятичные логарифмы содержаний молекул относительно Н₂ (по числу молекул) в четырех хорошо изученных молекулярных облаках. Названия облаков указаны в правой верхней части рисунка.

По мере ослабления этого излучения по направлению к центру облака падает температура и растет плотность вещества. Положительно заряженные атомарные и молекулярные ионы постепенно сменяются нейтральными атомами и молекулами. От гравитационного коллапса облако удерживают внутренние движения и магнитные поля. Тем не менее, отдельные сгустки молекулярного облака способны превращаться в звезды. Молодые маломассивные звезды типа Т Тельца (схематически показаны в центре рисунка) своим излучением вызывают подогрев внутренних частей молекулярного облака, поддерживают «энергетику» химических реакций и сбрасывают часть молекул, намерзших на пылинки, в газовую фазу.

Относительные содержания молекул в четырех молекулярных облаках показано на рис. 4. Они сравнительно мало меняются от облака к облаку. Естественно, наиболее велико содержание молекулярного водорода Н₂. Но эта молекула трудна для наблюдения, поскольку не имеет дипольного момента и, соответственно, сильных спектральных линий. Второе место занимают молекулы угарного газа СО. С точностью до ошибок измерений во всех облаках количество молекул СО составляет – 10^-4 числа молекул Н₂. Молекула СО легко наблюдается по сильным и удобным для измерений эмиссионным (реже абсорбционным) вращательным радиолиниям λ = 2.6 мм и λ = 1.3 мм, принадлежащим 5 изотопическим вариантам этой молекулы. Содержание более сложных молекул мало зависит от их сложности и колеблется в пределах 10^-7 – 10^-9 количества молекул Н₂.

Рис. 5. ИК полосы — источник информации о молекулах, из которых состоят межзвездные пылинки. По горизонтальной оси — длины волн в микронах; по вертикальной оси — спектральные плотности потоков излучения в янских (1 Ян = 10^-23 Вт/м² Гц) от области звездообразования W33A. Указаны отождествления полос поглощения. Символом X обозначен неоднозначно определяемый фрагмент молекулы.

Таблица 5. Инфракрасные полосы в спектрах межзвездной пыли и образующие их вещества

Тугоплавкие составляющие

Льды

Приведены длины волн полос в микронах. Для льдов также указаны типы колебаний молекул, ответственных за образование полос. Символом X обозначен неоднозначно определяемый фрагмент молекулы.

На сайте ca.skbkontur.ru Вы сможете заказать нескольких типов электронных цифровых подписей, которые позволят вам принимать участие в: торгах по продаже имущества банкротов, госзаказах, имущественных торгах или самостоятельно торговать на всех доступных площадках.

1.3. Узкие овраги на марсианских склонах

Перемещение больших масс грунта — по-видимому, тонких фракций песка по склону, происходящее в современную эпоху — доказывает и прекрасно иллюстрирует рис. 8, где в нижней части снимка видны размытые валы осыпавшегося материала. Ширина участка на снимке около 3 км. Валы сыпучего материала огибают остатки прежнего рельефа, оставляя обнаженный склон. Такие же осыпи можно видеть и в других районах Марса; они известны со времен миссии «Viking» (1976 г.).

Рис. 7. Термодинамические условия существования льда, пара и воды на Марсе. Кружок в центре соответствует давлению 6.1 мб. Условия существования воды в жидком виде на поверхности Марса отражает небольшая центральная часть диаграммы с горизонтальной штриховкой. Структура диаграммы, соотношение шкал давления/глубины и среднегодовые температуры для широт 30° и 70° по: (Stewart, Nimmo, 2002).

Рис. 8. Осыпи грунта и нитевидные овраги (показаны стрелками) на склоне кратера на Марсе (424°S, 158.2°W). Овраги похожи на следы земных горных рек, но в отличие от земных оврагов, они не расширяются, а сужаются вниз по склону (MGS МОС Release No. МОС2-320, NASA/JPL/MSSS).

Но наряду с осыпями сыпучего материала, на рис. 8 можно видеть не отмечавшиеся прежде (из-за недостаточного разрешения) образования. Это тонкие нитевидные километровые овраги или борозды, спускающиеся по склону (показаны стрелками на рис. 8). Их ширина в узкой части составляет всего десятки и единицы метров. Овраги очень похожи на промоины земных горных рек или ручьев, но в отличие от земных оврагов, они не расширяются, а сужаются вниз по склону. Поэтому они не могли возникнуть под действием камнепада или крупномасштабного селя. Тем более они не могли образоваться под действием пылевых оползней, которые засыпают все овраги. Зато именно жидкие потоки (воды или какой-то другой жидкости) легко могли бы образовать такие промоины. В работах (Maiin, Carr, 1999; Malin, Edgett, 2000) указывается именно на источники грунтовой воды как среды, формирующей овраги, промоины и другие образования такого рода на Марсе. По их данным, узкие овраги или протоки достаточно часто встречаются в полосе широт 30°N-70°S. Они морфологически подобны склоновым руслам земных рек и не перекрываются более поздними образованиями (такими как песчаные дюны). Ширина (и, вероятно, глубина) оврагов близка к 10-20 м, а протяженность составляет от нескольких сотен метров до километров (Malin, Edgett, 2000). Авторы еще одной работы на ту же тему (Palermo et al., 2001) обработали сотни снимков камеры МОС и также получили доказательства современных следов грунтовых вод. Их источники, согласно обеим работам (Malin, Edgett, 2000; Palermo et al., 2001), находятся на крутых склонах долин и кратеров, на глубине 150-500 м под уровнем окружающей поверхности. Но по данным второй работы (Palermo et al., 2001) широта районов, где в основном сосредоточены источники, лежит в пределах от 30°S до 30°N.

Рис. 9. Склон кратера с протоками на Марсе (39°S, I66°W). В правой нижней части снимка бассейн шириной около 600 м (MGS МОС Release No. МОС2-320, NASA/JPL/MSSS)

На рис. 9 представлен другой район с подобными оврагами. Их ширина от единиц метров до 10-20 м. Они также не расширяются, а сужаются вниз по склону. На первый взгляд, это кажется парадоксальным, если овраг образован потоком. Но можно предложить простое объяснение: если грунтовая вода действительно образовала ключ и поток вышел на склон и устремился вниз, то в условиях Марса масштаб развивающейся промоины будет зависеть, прежде всего, от температуры поверхности и температуры потока.

Описываемые Э. Палермо и др. (Palermo et al., 2001) объекты обнаружены, в основном, в полосе широт ± 20-30°. Если температура поверхностного слоя составляет типичные для экваториальной зоны Марса 240-260 К или ниже, поток, спускаясь по склону, должен постепенно впитываться в сухой морозный грунт и замерзать. Образуется ложе канала из промерзшего грунта, по которому поток устремляется дальше, впитываясь, наращивая промерзшее ложе и охлаждаясь. Поэтому, в отличие от земных склоновых рек, потоки на Марсе сужаются, спускаясь по склону. При переходе воды с температурой 0 °С в фазу льда выделяется почти 80 ккал/кг. Теплоемкость грунта близка к 0.2, поэтому промерзшее ложе потока может получиться достаточно толстым, если ключ существует достаточно долго. Как ведет себя грунт Марса при увлажнении и сколько при этом поглощается тепла, точно не известно, но баланс отдаваемого тепла должен включать текущие теплопотери в образующемся ледяном ложе канала и более медленные процессы излучения и отдачи тепла в атмосферу. Температура истекающей воды также неизвестна, но она не может быть высокой, и, как показано выше, энтальпия воды не играет существенной роли.

Часто утверждается, что жидкая вода на поверхности Марса немедленно испаряется. Это недоразумение. Роль испарения пренебрежимо мала и ее нетрудно оценить. Пусть давление р в данном районе составляет 8 мб, а температура кипения Т(р) = 4 °С, согласно рис. 7. При температуре T_L потока, например, 10 °С, истекающая вода должна кипеть, с уменьшением ее энтальпии. Какая-то доля потока будет потеряна при испарении с понижением его температуры до Т_s(р) = 4 °С (или до 0 °С при давлении 6.1 мб) и с прекращением кипения. Поскольку теплота парообразования составляет q = 539 ккал/кг, а теплоемкость с_aq = 1 ккал/(кг °С),

N =[T_L-T_s(p)]c_aq/q_v.

Роль испарения в этом примере сведется к тому, что потерянная часть N составит 1.1 %. Таким образом, сколько-нибудь значительная часть истекающей воды испариться не может.

Рис. 9 представляет склон кратера, богатого склоновыми протоками. В нижней части снимка находится изрезанной формы бассейн. Внешняя граница бассейна выделяется светлой окантовкой. Вероятно, это ледяная кромка. Поверхность бассейна, по сравнению с примыкающей поверхностью, гладкая; возможно, это лед. В верхней (по снимку) части бассейна видны два-три следа, соответствующие многократному понижению уровня поверхности. Сток воды через края бассейна образовал второй, внешний контур (в нижней части снимка). Два таких же, но меньших по размерам контура можно видеть в левой части снимка. Источников жидкой фазы, пополняющих бассейн, на снимке видно несколько. Вероятно, главный источник находится справа над бассейном. Это вытянутое образование с шестью на-правлеными вниз отростками. По-видимому, вода стекает вдоль отростков. Более мелкие структуры того же вида видны слева над бассейном и, вероятно, связаны с наиболее широким протоком вдоль склона. Форма промоин на рис. 9, соответствующая крутому склону, указывает, что поток должен нести с собой значительное количество грунта. Горизонтальная ось снимка около 1500 м. Размер бассейна около 600 и, а площадь около 0.3 км².

Рис. 10. Протяженность следа потока на склоне Марса (см. рис. 9) достигает 6 км. Для земных грунтов потемнение соответствует увлажнению. Предположительно, темный след относится к более позднему источнику (MGS МОС M0807686b. NASA/JPL/MSSS).

Никакие песчаные запруды на Марсе не смогли бы удержать большие массы воды, даже с учетом втрое более низкой силы тяжести на планете. Но если грунт очень холодный, поступающая вода, впитываясь в морозный грунт, могла бы быстро создать чаши изо льда и промерзшего грунта, обладающие определенной прочностью. По существу, это тот же предложенный выше механизм, который объясняет сужение протоков вдоль склона.

Возраст образований на рис. 9 не может быть большим. Вполне вероятно, что комплекс источников и бассейн действуют в наши дни. На это указывает чистая (без отложений пыли), насколько можно судить по снимку, кромка бассейна, примыкающий к нему второй контур и четкие нитевидные протоки на склонах. В ряде случаев наблюдаются следы потоков, уходящие на несколько километров, а также повторно появляющиеся свежие следы, пересекающие прежние истечения (рис. 10). Подобных образований найдено много (Ксанфомалити, 2003). Жидкая вода локально появляется во многих точках планеты, спорадически или даже периодически, хотя в целом бюджет жидкой воды на Марсе весьма ограничен.

1.4. Поиск следов жизни на Марсе: заключение

Итак, длительные поиски обитаемости Марса положительных результатов пока не дали. На какой-то стадии исследований утверждалось, что важным шагом было бы обнаружение на Марсе воды в жидкой фазе. Но и после этого задача осталась столь же далекой от разрешения, а никаких следов жизни найти не удается.

Это следует считать удивительным, так как в последние десятилетия было доказано, что планеты постоянно обмениваются осколочным материалом (Melosh, 1984), образующимся при ударах крупных метеоритов. Результаты поиска следов жизни в марсианских SNC метеоритах широко известны (McKay et al., 1996). Материал с поверхности Земли в эпоху интенсивной метеоритной бомбардировки также выбрасывался в космос в виде вторичных метеоритов и нес в себе элементы земной биосферы. Поэтому метеориты, подобные марсианским SNC, попадали не только с Марса на Землю, но и с Земли на Марс. Если учесть, что присутствие микроорганизмов на земных образцах неизбежно, а на Марсе следы их не находят, уместен вопрос: не обладает ли Земля каким-то исключительным свойством, которое нас окружает, но которого мы не замечаем?

Вода в жидкой фазе на поверхности Марса

После первых измерений с аппаратов «Viking» возникла и стала быстро развиваться идея о том, что водные запасы Марса сконцентрированы в подпочвенной мерзлоте (и полярных шапках) планеты (Soderblom, Wenner, 1978; Carr, 1979, 1981, 1996; Squires et al., 1992; Clifford, 1993). Часто утверждается, что жидкая вода, необходимая для жизни и метаболизма, не может существовать на поверхности Марса и никогда там не появляется (Hecht, Vasavada, 2006). Присутствие жидкой воды на поверхности многие авторы считают исключенным не только из-за низких средних температур на Марсе (Т≈220 К), но и по причинам, определяемым термодинамическими свойствами системы [лед-вода-водяной пар]: при давлении 6.1 мб и ниже, вода кипит при любой температуре, допускающей ее жидкое состояние. Разумеется, парциальное давление водяного пара (p_aq = n_aq кТ), из-за малого отношения смеси, составляет ничтожную долю давления атмосферы Марса, состоящей почти полностью из углекислого газа. Сама величина 6.1 мб, принятая для «средней» поверхности планеты, соответствует тройной точке диаграммы состояния воды [лед-вода-водяной пар] при 0.01 °С, и была выбрана как удобная абстракция для среднего давления у референтной эквипотенциальной поверхности.

Данная тема активно обсуждалась в печати. Мной указывалось (Ксанфомалити, 2003): реальные значения давления атмосферы у поверхности Марса, с его большими перепадами высот z, лежат в широких пределах, как это следует из барометрической формулы:

где H(z) — шкала высот атмосферы, H(z) = kT/mg (здесь к — постоянная Больцмана, m — средняя молекулярная масса и g — ускорение свободного падения на уровне 6.1 мб). Из формулы следует, что давление составляет 0.6 мб на вершинах неактивных вулканов области Фарсида (высота до z=24 км относительно уровня 6.1 мб), 9 мб в глубоких частях каньона Кондор (z=- 4 км) и 10 мб на дне впадины Эллада. Таким образом, своеобразный «запрет по давлению», т. е. широко распространенное мнение о том, что вода вообще не может существовать в жидком виде на поверхности Марса, неверен. Запрет не носит абсолютного характера, поэтому определенные образования на поверхности планеты могут иметь природу, связанную с водой. (Другое дело, что бюджет жидкой воды на Марсе весьма ограничен). На рис. 7 показаны области существования льда, пара и воды на Марсе. Небольшая центральная часть диаграммы с горизонтальной штриховкой указывает на зону возможного существования воды в жидком виде на поверхности Марса.

На сайте www.nafutbolke.com Вы найдете яркие и креативные футболки с прикольными рисунками, которые не позволят Вам слиться с серой толпой унылых обывателей.

Дискуссия

по пленарному докладу В.И. Агола

«ВИРУС-ДО ИЛИ ПОСЛЕ КЛЕТКИ?»

Председательствующий Л.М. Мухин

A. В. Тутуков: Почему так много видов вирусов существует одновременно, что обеспечивает их многообразие и многообразие их экологических ячеек?

B. И.А.: Я придерживаюсь той точки зрения, что эволюционные сценарии — это вид искусства, не обязательно все должно быть правдой. Полагаю, что первично разнообразие вирусов ничем не сдерживалось, ничем не ограничивалось, они имели все возможные способы репликации и транскрипции. Затем они рекомбинировали, приобретали новые гены, либо в результате дупликации, либо от других вирусов, либо из клетки… Так что, по-моему, вопрос заключается в том, есть ли ограничения этому разнообразию. Вирусы удивительно устойчивы. Можно в их геноме очень консервативные последовательности заменять совершенно случайными — мы это делаем — и отбирать вирусы, которые будут жизнеспособны. Возможностей для изменений вирусного генома очень много.

A. В. Тутуков: В астрономии многочисленные типы звезд оказалось возможным расположить в эволюционной последовательности и стало ясно, что многие типы — это одна и та же звезда, наблюдаемая в разные фазы развития. Нельзя ли что-то подобное применить к вирусам?

B. И.А.: Таксономия и классификация вирусов оперирует семействами и надсемействами, внутри которых можно построить дерево, основанное на монофилетических связях. Но поскольку возможен горизонтальный перенос генетической информации, построить общее дерево не удастся. Я бы гак сказал: дерево построить нельзя, а кустарник — пожалуйста.

A. В. Тутуков: Неужели Чарльз Дарвин так плох, что в докладе ни разу не прозвучал термин «естественный отбор»?

B. И.А.: Когда мы говорим об эволюции конкретных вирусов — например, вируса полиомиелита — естественный отбор имеет большое значение.

Л.М. Мухин: И есть критерии отбора?

В.И.А.: Должна выжить популяция вируса. При этом популяция бывает генетически очень гетерогенной. И иногда для воспроизводства популяции нужно, чтобы между ее отдельными представителями непременно существовало взаимодействие. То есть эволюция происходит на уровне популяции, а не ее частей или членов.

Л.В. Ксанфомалити: Можно ли дать какие-то временные оценки, сколько каждая стадия занимала, исходя из вероятности того или иного процесса?

В.И.А.: Я точно не берусь. Есть люди, которые этим занимаются. Мы разбираем невоспроизводимые события. Скорость эволюции конкретных вирусов оценить можно.

A. С. Спирин: Как Вы думаете, если бы в космосе носились вирусы, бактерий бы не было, и мы исходили бы из внеземного происхождения жизни, возможно ли попадание на Землю такой комбинации вирусов, из которой в принципе могла бы возникнуть живая клетка, жизнь?

B. И.А.: Действительно, вирусы существенно более устойчивы физически, можно предположить, что они могут переноситься в космическом пространстве (хотя таких данных, естественно, нет). И если на Земле были подходящие условия, то я не вижу большой разницы, были ли они созданы на Земле или прилетели.

А.Д. Альтштейн: Как Вы представляете происхождение ДНК-содержащих вирусов из РНК-содержащих? Должны возникнуть минимум три фермента: тот, который будет делать дезоксирибонуклеотиды, тот, который будет делать код ДНК на матрице РНК, и тот, который будет считывать ДНК с РНК.

В.И.А.: Проще всего с обратной транскриптазой, она очень похожа на РНК-зависимую РНК-полимеразу. Что касается ферментов, которые синтезируют ДНК на матрице РНК, они, в общем, тоже не из другого теста. В общем, инженерных трудностей здесь нет, есть трудности скорее идеологические — зачем это все появлялось, какое это давало преимущество? И эти ферменты не обязательно должны появиться одновременно. Что-то может появиться и не использоваться или использоваться для чего-то другого.

М.Я. Маров: Вирус можно представить как некую субстанцию, паразитирующую на клетке. Можно ли говорить о том, что природа создала вирус как своего рода механизм естественного отбора для более сложных организмов?

В.И.А.: Я бы так ответил — создано не для этого, но природой используется и для этого.

СВ. Шестаква: Когда Вы говорите о происхождении и эволюции вирусов, то Вы, конечно, имеете в виду очень ранние этапы эволюции биосферы. Но, говоря об эволюции современных вирусов, вероятно, целесообразнее этот процесс называть не эволюцией, а изменчивостью.

В.И.А.: Это вопрос скорее семантический. Конечно, в этом случае речь идет о микро-эволюции. Но в то же время, я хочу отмстить, что и в наше время вирусы подвергаются эволюции -тот же вирус иммунодефицита человека, вирус гриппа. Когда вирус получает нового хозяина, он эволюционирует, это в некотором смысле макроэволюционное событие. То есть пока, например, вирус полиомиелита остается вирусом полиомиелита, это микроэволюция, дрейф и так далее, но когда один вирус становится другим, происходит качественный скачок — это уже эволюция.

Л.М. Мухин: Необходима начальная информация о начальном геноме, иначе все это —
искусство. Откуда ее взять?

В.И.А.: Это центральный вопрос — где начинается смысл. Если взять случайную последовательность, когда появится жизнеспособный геном? Число сценариев ограничено, число возможностей бесконечно.

A. Б. Четверки: В экспериментах стартовали со случайных последовательностей длиной в несколько десятков нуклеотидов. Надо стартовать с 10¹², чтобы что-то получилось.

B. И.А.: Но там уже был отбор, смысл, внесенный экспериментатором.

Качественные и современные телевизоры на любой вкус и кошелек Вы сможете найти на сайте catalogue.technoportal.ua, который станет вашим гидом по миру мобильной связи и портативной и видеотехники.

Сценарий бесконечной мультивселенной № 1. Мультивселенная породила сама себя.

Если крошку Билли не удовлетворили следствия «начала», о которых мы уже поговорили, или если он решил, будто понял, куда мы клоним, будет достаточно фразы «мультивселенная породила сама себя », чтобы раз и навсегда отвадить любого от того, чтобы просить у физика совета в сердечных коллизиях или разъяснения по биологическим вопросам.

Однако происхождение мультивселенной по-прежнему остается открытым вопросом для обсуждения. В 1998 году Дж. Ричард Готт и Ли Цзин Ли из Принстона предложили вероятный вариант событий, согласно которому мультивселенная возникла из некоего объекта, похожего только и исключительно на машину времени. Готт и Ли показали, что решить Эйнштейновы уравнения общей теории относительности можно так, что мультивселенная начнет ходить по замкнутому кругу¹, и этот круг послужит «стволом» дерева, которое дает побеги и ветви, порождая свою собственную вселенную. Поскольку лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, приведем картинку, которую нарисовали сами Готт и Ли.

Вроде Дня сурка.

Трактовать эту схему нужно следующим образом: по большей части время идет снизу вверх, и все начинается с бублика внизу. Таково происхождение мультивселенной. Это значит, что начала у мультивселенной не было, поскольку крутиться по петле можно бесконечно. А следовательно, мы вправе говорить о «времени после Большого взрыва» как о времени, когда петля дала побег в будущее и родилась некая вселенная. Кроме того, вы заметите, что от первичной временной петли отходит не один рог, а несколько. Это полностью соответствует с представлением об инфляции мультивселенной, с которым мы уже знакомы.

Сценарий бесконечной мультивселенной № 2. Это не первая Вселенная

Существует вероятность, что Вселенная могла в конечном итоге схлопнуться и впасть в коллапс,— эту вероятность мы обсудили и практически сразу отмели. С нашей нынешней точки зрения, подобная версия привлекательна потому, что если бы Вселенная окончила свои дни «большим хлопком», дело, вероятно, было бы в том, что мультивселенная — это всего лишь последовательность расширений и сжатий, которая длится вечно, и наша Вселенная — всего лишь одно звено в бесконечной цепи.

Неувязка (помимо того факта, что во Вселенной не хватит вещества для нового коллапса) состоит в беспорядке. Как мы видели в главе 3, Вселенная любит беспорядок. Если вы когда-нибудь строили башню из жестяных банок из-под лимонада, то знаете, что есть только один способ их сложить — одну на другую, стоймя, вертикально. Но если разрушить башню, банки раскатятся как цопало. Развалить башню из банок можно куда как большим числом способов, чем построить, и с течением времени Вселенная находит способы разрушить и другие формы порядка.

Если наша Вселенная — результат целой серии расширений и коллапсов, то наш «Большой взрыв» произошел через миллиарды и триллионы лет после некоего «начала» (а оно откуда взялось и почему приключилось?), так что на наведение беспорядка было сколько угодно времени. Но особого беспорядка как-то не наблюдается. Более того, история нашей Вселенной была очень гладкой и упорядоченной. Ответ не сходится.

Однако в последние годы появилось много других циклических моделей, которые обеспечивают существование вечной Вселенной. В 2002 году Пол Штейнхардт из Принстонского университета и Нил Турок из Кембриджа придумали модель, эксплуатирующую дополнительные измерения из теории струн. Как мы видели в главе 6, теория струн предполагает, что наша Вселенная, возможно, вообще не трехмерная, а обладает целыми десятью пространственными измерениями. А наша Вселенная живет на трехмерной «бране», которая плывет по мультивселенной, не взаимодействуя с другими вселенными.

Однако гравитационно разные браны (то есть разные вселенные) взаимодействуют. В этой модели темная энергия, которая ускоряет Вселенную,— вовсе не отдельное явление, а просто остаток гравитационного притяжения между бранами¹, а темная материя — просто обычная материя на соседней бране. Случается, что браны сталкиваются, отчего и происходят «большие взрывы» в пределах разных бран, а затем все происходит так, как мы уже видели.

Эти модели необычайно элегантны, к тому же обладают дополнительным преимуществом — им не нужна инфляция, чтобы объяснить проблемы плоского мира и горизонта. Кроме того, проблема «увеличения беспорядка» решается совершенно по-новому. С каждым циклом браны становятся все более эластичными, а это означает, что беспорядок распространяется по все большему и большему объему. Однако крошечный лоскуток, который мы называем нашей Вселенной,— всего лишь клочок браны, поэтому мы с каждым повторением начинаем почти что с нуля.

«Гравитационное притяжение между бранами» часто называют «любовью» (особенно в научном сообществе, где никто не придает значения внешней красоте).

Звучит великолепно — но ведь все эти модели требуют, чтобы теория струн оказалась верной, а по этому поводу мнения, прямо скажем, расходятся. Есть множество условий, при которых Вселенная способна претерпеть череду сжатий и расширений, и теория струн — лишь один вариант из нескольких. Если верна петлевая квантовая теория гравитации, например, то при попытке посмотреть кинохронику Вселенной вы бы застряли в планковском времени — Вселенная буквально не в состоянии стать меньше и моложе, чем тогда. В результате время автоматически обратится вспять. Иначе говоря, естественным решением всех проблем было бы предположение о том, что Вселенная вечна.

В конечном итоге теория Большого взрыва обладает тем же основным недостатком, что и теория эволюции. Обе практически идеально описывают, как Вселенная (или жизнь на Земле) менялась после зарождения, но ни та ни другая не в силах объяснить, с чего все началось. Нельзя винить теорию в том, что она объясняет не абсолютно все, но это не отменяет природной любознательности. Ответ на вопрос крошки Билли может закончиться словами: «И откуда ты взялся, мы тоже не знаем».

Наши сновидения таят в себе множество тайн и загадок, расшифровать которые не под силу простому обывателю. Поэтому нет ничего удивительного в том, что тайна сна из покон веков будоражила пытливые умы стремящихся к знаниям людей. Если Вы относитесь к их числу, то настоятельно рекомендую Вам посетить сайт www.mirmistiki.net.ua.

ИНОПЛАНЕТЯНЕ >>

Тайна № 2. Проблема плоского мира

В предыдущей статье мы столкнулись еще с одной большой загадкой, когда говорили о «форме» Вселенной. Мы отметили два факта.

1. Судьбу и форму Вселенной определяет критическая плотность. Если сложить все, что составляет массу и энергию,— то есть темную материю, темную энергию, барионы и фотоны,— а затем разделить это на критическую плотность, то мы обнаружим, что отношение реальной плотности к критической — Ω_тот — составляет 100% или по крайней мере настолько близка к 100%, насколько мы можем измерить. Это означает, что Вселенная плоская.

2. Если бы Ω_тот хоть немного отличалась от 100%, то по мере развития Вселенной плотность либо возрастала бы очень быстро и в конце концов пришла бы к коллапсу (если бы Ω_тот была больше 100%), либо сокращалась бы (если бы она была меньше 100%). Для наглядности: если через одну секунду п. Б. в. равнялась 99,9999%, сегодня она составляла бы меньше одной миллиардной процента.

Итак, мы подошли ко второй тайне: почему Вселенная плоская, если, по всем нашим данным, она совершенно не обязана быть именно такой?

Решение всех проблем. Теория инфляции

В начале 1980-х годов многие исследователи пытались разобраться с этими вопросами, а также с вопросом о том, когда и как объединялись сильное и электрослабое взаимодействия. Физики надеялись, что чем выше энергии, тем больше похожи друг на друга все силы. Мы уже почти сумели достичь в наших ускорителях энергий, необходимых для унификации электромагнетизма и слабого взаимодействия, но еще не можем добыть никаких экспериментальных данных об объединении электрослабого и сильного взаимодействий. Даже БАК — самый мощный ускоритель, имеющийся в нашем распоряжении,— чтобы доказать великую теорию унификации, должен был бы вырабатывать энергии в триллионы раз больше предела своих нынешних возможностей.

Однако делать умозаключения нам никто не мешает. Примерно в 10^-35 секунд п. Б. в.¹ энергии во Вселенной были настолько высоки, что все три силы, кроме гравитации, могли бы быть унифицированы, а вакуум обладал еще более высокой энергией, чем в период унификации электромагнетизма и слабого взаимодействия.

¹За такое время даже свет успел бы пробежать лишь одну триллионную поперечника атомного ядра.

Температуры, о которых мы говорим, настолько абсурдно высоки, что кажется, будто их выдумали: примерно 10²⁷ градусов Цельсия. Поскольку для великой теории унификации (ВТУ) у нас нет ни единой модели, никаких подробностей мы не знаем, но если это было что-то похожее на конец эпохи электрослабого взаимодействия, то когда кончилась эпоха великой унификации, произошло нечто странное.

В 1981 году Алан Гус, который тогда работал в Стэнфорде, предположил, что это «нечто странное» называлось космической инфляцией, и на первый взгляд это казалось какой-то ерундой. Вскоре после того, как сильное взаимодействие откололось от электрослабого, Вселенная, согласно инфляционной модели, прошла период экспоненциального расширения — она увеличивалась в размере со скоростью примерно в 10⁴⁰ раз за крошечную долю секунды.

Так выглядит базовая картина инфляции, однако теперь перед нами встает другая задача — объяснить, почему мы решили, будто эта модель развития ранней Вселенной жизнеспособна. Наверное, вам кажется, будто экспоненциальный рост — это полнейшая фантастика. А вот и нет. Не забывайте, что наша Вселенная экспоненциально растет даже сейчас, пока мы с вами беседуем. Дело в одной мелочи, о которой вы уже знаете,— в так называемой темной энергии.

Возможно, вам к тому же кажется, будто такое стремительное расширение нарушает принцип специальной относительности, ведь нельзя двигаться быстрее света, — но не волнуйтесь. Нас беспокоит только одно — как бы информация не распространялась быстрее скорости света. А пространство пусть себе расширяется, как считает нужным.

Представьте себе, что капитан Кровавая Борода и его команда пытаются сбыть часть своей неправедно нажитой добычи в торговом центре. Кровавая Борода знает, что в обычной обстановке ему нипочем не перегнать первого помощника мистера Уинкса, но выясняет, что если он бежит по эскалатору, то прямо-таки летит — он двигается так быстро, как мистеру Уинксу и не снилось. Представьте себе, как удивится капитан, когда увидит, что и мистер Уинкс тоже бежит по эскалатору — и легко и просто пробегает мимо него.

То же самое происходит и в расширяющейся Вселенной. Может показаться, будто частицы движутся «быстрее света»,— а это просто Вселенная расширяется вместе с ними. Если бы вы были субатомной частицей в тогдашней Вселенной, вы бы все равно не сумели обогнать луч света. Во время инфляции это так же справедливо, как и во все другие времена.

Гораздо серьезнее вопрос о том, почему же началось это расширение. Идея состоит в том, что когда сильное взаимодействие отходит от двух других, оно вызывает во Вселенной так называемый фазовый переход. Можете считать это внезапным превращением — вроде того, которое происходит, когда вы нагреваете лед до температуры выше нуля по Цельсию и он тает. Кроме того, это очень похоже на перемены, которые происходят, когда расщепляются электромагнитное и слабое взаимодействия.

Согласно гипотезе Гуса, во время инфляции Вселенная была наполнена так называемым инфлятонным полем¹. Во многих отношениях это похоже на поле Хиггса, которое сегодня контролирует массы и имеет отношение к электромагнитному и слабому полю.

¹ Нет, это не опечатка. Просто в дело вступает еще одна частица, такая же, как наши старые знакомые: электрон, фотон, инфлятон.

Поскольку инфлятонное поле расширяется в точности как темная энергия, у них много существенных общих качеств. Одно из самых важных — инфлятонное поле, расширяясь, не теряет плотности энергии. Это очень существенная составляющая уравнения, поскольку мы уже видели, что обычно большое расширение приводит к тому, что Вселенная сильно остывает, и тогда все в ней должно немедленно замерзнуть. Однако инфлятонное поле — это вроде гигантской батареи, и когда инфляция произошла, вся энергия высвобождается, и Вселенная снова разогревается. Все становится вкусное и поджаристое, будто ничего и не остывало.

Если вы по-прежнему сомневаетесь, мы не вправе вас упрекать. Однако мы вас заверяем, что не стали бы говорить об инфляции, если бы она не помогала объяснять те загадочные явления, которые мы наблюдаем во Вселенной. Помните проблему горизонта, когда мы не понимали, как же перемешались разные кусочки неба? Инфляция разрешает эту проблему очень просто. Хотя до инфляции прошло совсем мало времени, маленький участок Вселенной все равно успел уравновеситься до одной температуры, а затем этот маленький участок раздулся до таких исполинских размеров, что теперь он включает в себя объем всей наблюдаемой Вселенной.

Кроме того, инфляция объясняет проблему плоского мира. Тут все еще лучше соответствует интуиции и здравому смыслу. Представьте себе, что вы надуваете очень большой воздушный шарик. Даже хотя «на самом деле» воздушный шар — это сфера, для муравья, человека или галактики, которые сидят на его поверхности, поверхность кажется плоской. Иначе говоря, возможно, наша Вселенная и не совсем плоская, но если она и не совсем плоская, то очень близка к таковой.

Означает ли это, что во Вселенной бесконечное количество материи? В конце концов, когда мы говорили о плоском пространстве, то упомянули о том, что плоская Вселенная бесконечна. Поскольку везде есть некоторое количество материи, а количество пространства бесконечно, отсюда прямо следует, что в целом количество вещества должно быть бесконечно.

Обычно подобные соображения очень нервируют, поскольку, когда начинаешь рассуждать о понятиях вроде бесконечности, нормальный человеческий мозг немедленно приходит к парадоксальным умозаключениям: «Если пространство бесконечно, значит, в нем бесконечное количество материи, а следовательно, где-то во Вселенной существует еще один я…» — и конец чувству собственной уникальности.

А по нашему мнению, вы все равно уникальны, что бы там ни думала Вселенная.

Мы говорили о периоде инфляции так, словно он был только один, но на самом деле (то есть согласно данной модели) Вселенная разветвлялась много-много раз — не исключено, что бесконечно много. Каждый участочек пространства претерпевал инфляционное расширение, и новое пространство создавалось быстрее, чем завершалась инфляция каждого данного участка. Алан Гус назвал это «бесконечным бесплатным обедом ».

Для наглядности надо провести грань между нашей Вселенной — всем тем, что мы видим и с чем находимся в прямом контакте, всем тем, что могло бы повлиять на нас и на что мы сами могли бы повлиять (либо теперь, либо в обозримом будущем),— и «мультивселенной». «Мультивселенная» (этоодин из множества терминов, обозначающих одно и то же основное понятие) — это то, что мы понимаем как Вселенную с большой буквы. Мультивселенная, вероятно, состоит из множества разных вселенных, каждая из которых либо отделена от прочих пространством, либо временем, либо просто не может прямо с ними взаимодействовать.

Не путайте эти разные вселенные со «множественными мирами» — интерпретацией квантовой механики, с которой мы познакомились в главах 2 и 5. Разные вселенные мультивселенной — просто обычные вселенные, которые, вероятно, во многом похожи на нашу (или не похожи), только мы не можем в них побывать.

Представим себе, что в мультивселенной бесконечное множество вселенных. Квантовая механика учит нас, что даже если каждая конкретная вселенная конечна, устроена она может быть лишь определенным количеством способов (хотя это количество, вероятно, сокрушительно велико). Это значит, что где-то в мультивселенной может оказаться человек, идентичный вам во всем. Этот человек сейчас читает то же самое предложение, что и вы, и чувствует себя в точности таким же незначительным. Это унизительно — и к тому же немного жутко. Как будто у вас бесконечное множество преследователей. Более того, если количество вселенных и в самом деле бесконечно, то где-то существует и дубликат нашей Вселенной, как она есть.

Но бесконечна ли наша индивидуальная ветвь инфляции, наша Вселенная? Не обязательно. Инфляция не делает нашу Вселенную плоской, она просто раздувает ее до таких сокрушительно громадных размеров, что она становится настолько плоской, насколько нам это может быть интересно. Кроме того, это означает, что, строго говоря, материи в ней не бесконечное количество, а следовательно, никаких ваших двойников не существует, по крайней мере в нашей Вселенной. Понимаете? Мы же говорили — вы совершенно уникальны.

Разумеется, поскольку мы на самом деле не вправе с уверенностью судить о том, как были устроены материя и гравитация в первую крошечную долю секунды, все это можно считать не более чем обоснованными догадками.

Сломалась машина, и Вы уже несколько месяцев добираетесь на работу пешим ходом? Значит, пришло время посетить автобазар www.avtobazar.poltava.ua, где представлены автомобили на любой вкус и кошелек, а благодаря интуитивно понятному поиску Вы сможете в кратчайшие сроки подобрать себе железного коня, отвечающего всем Вашим требованиям.

Откуда взялась материя? >>

V. Существует ли где-нибудь в пространстве-времени твоя точная копия?

Инфляция (t = 10-35 секунд)

Время до наступления эпохи кварков было восхитительным, однако невероятно запутанным. Температура была так высока, что кварки, электроны и нейтрино легко и просто создавались из высокоэнергичных фотонов. Нам нет смысла задумываться о том, чем в то время была занята каждая разновидность частиц. Все они создавались и уничтожались с такой быстротой, что, в общем-то, и не отличались друг от друга. Первобытный бульон Вселенной был практически однородным, и говорить о нем вовсе не так уж интересно. Лучше попробуем разгадать несколько удивительных тайн.

Тайна № 1. Проблема горизонта

По большей части фоновое космическое излучение имеет примерно одинаковую температуру. Два участка на противоположных сторонах неба зачастую различаются по температуре всего на одну стотысячную градуса. На первый взгляд это пустяк — однако увидеть, в чем тут проблема, вам, вероятно, поможет пикантная аналогия. Представьте себе, что капитан пиратского корабля готовится лечь в ванну. Предположим, он наполняет ее из двух кранов — по одному на противоположных концах ванны. Так получилось, что из крана по правому борту течет холодная вода, а из крана по левому борту — кипяток. Как вы думаете, когда капитан попробует воду и ляжет в ванну, будет ли он плескаться в равномерно теплой водичке? Нет. Голове будет горячо, а ногам — холодно. Вода мгновенно не перемешивается.

Все эти температурные вычисления основаны на простом предположении: когда Вселенная была вполовину меньше, чем сейчас, она была вдвое горячее — и так далее. Но это означает, что вначале температура везде была примерно одинакова. Если бы Вселенная, подобно ванне Кровавой Бороды, была разная в разных местах, температурам понадобилось бы некоторое время, чтобы перемешаться и выровняться. Самая быстрая скорость передачи тепла — скорость света, и на это бы попросту не хватило времени.

«Минуточку! — возразите вы.— У нас было почти 14 миллиардов лет! За такое время перемешается все что угодно!» Это так, но вы забыли об одной детали. Свет, попадающий на Северный полюс, и свет, попадающий на Южный полюс, исходят из участков пространства, крайне далеких друг от друга.

Предвидим следующее возражение: «В первые моменты после Большого взрыва все было очень близко друг от друга! И температуры в двух этих точках наверняка успели выровняться еще тогда! Или нет?»¹

Нет — хотя ход вашей мысли нам нравится. Да, эти участки тогда были очень близки, однако Вселенная была так юна. И ее юность пересилила размеры. Мы понимаем, что интуитивно вам хочется просто предположить, будто температура «на старте» везде была одинаковой, но ведь это только потому, что вы привыкли, что любым событиям что-то предшествует, вот в чем дело. Большой взрыв — это вселенская отправная точка, поэтому попросту нет никаких причин для того, чтобы в самом начале все было однородно, а вы считаете, что Вселенная когда-то была маленьким шариком. Как мы видели в главе 6, расширение Вселенной идет по другому сценарию. В любое время после нуля все точки во Вселенной находились на каком-то расстоянии друг от друга.

¹ Когда это вы успели так поумнеть? Нет-нет, что вы, мы не против.

Если пробиться сквозь вычисления, окажется, что время на перемешивание было лишь у тех участков неба, которые разделены углом примерно в один градус — около двух диаметров полной Луны. Поскольку большая часть Вселенной никогда не контактировала с остальной Вселенной, почему все выглядит примерно одинаково, куда ни посмотри? Почему галактики в Северном небесном полушарии такие же, как галактики в Южном?

Сломался любимый ноутбук? Не торопитесь его выбрасывать: скорее всего вашему верному другу необходим ремонт матрицы ноутбука, который в кратчайшие сроки сделают для Вас квалифицированные сотрудники ООО «Астра-Сервис XXI».

Проблема плоского мира >>