«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 08 (15)

Как бы то ни было, энергия тем или иным способом воплощается в химические вещества сложного строения. На поверхности нашей планеты эти вещества из углекислого газа и воды синтезируют растения, утилизируя солнечный свет с помощью фотосинтеза. В основе биоценоза черных курильщиков находятся хемотрофы — бактерии, которые получают энергию для синтеза нужных им веществ за счет окисления таких реакционно способных неорганических соединений, как водород, сероводород, оксиды двухвалентного железа или аммиак: они в изобилии выходят из жерла подводного вулкана. Ну а когда потом кто-нибудь поедает эти растения или бактерии, получается пищевая цепь, что приводит к многообразной жизни. Помимо энергии, которая запасена в питательных веществах, живому существу нужно еще нагреть свое тело до такой температуры, чтобы в нем шли необходимые химические реакции.

Делать это можно двумя способами. Либо получать тепло от того же источника энергии, откуда берутся вещества: от звезды или внутренностей планеты. Либо, как это делает венец творёния и его ближайшие родственники на эволюционном древе, — только за счет разложения потребленных веществ, созданных другими организмами. Скорее всего, такая же схема рассеяния потока энергии будет верна и для всякой иной жизни. Если она, конечно, существует.

Ледяной панцирь на Европе (спутник Юпитера) может скрывать океан живой воды

Растворитель жизни

Разобравшись с потоком энергии, посмотрим на поток вещества, который проходит сквозь организм в результате каскада химических реакций. А в какой среде могут проходить все эти химические реакции? У нас на Земле основа жизни — жидкая вода, полярный растворитель. И многие ученые не без основания считают, что именно она сделала нас такими, какие мы есть.

В самом деле, липиды — идеальное вещество для построения клеточных мембран из водного раствора: они в воде образуют “пузырьки”, надежно защищая их внутренность от внешних воздействий. В водном растворе прекрасно идет реакция, которая лежит в основе биосинтеза многих веществ, а именно превращения карбонильной группы С=О и слияния двух коротких молекул в одну длинную с общим углеродным скелетом. Цепочки ДНК в воде становятся теми самыми полианионами, которые, благодаря периодически расположенным зарядам одного и того же знака, не перепутываются, а комплиментарные участки при этом объединяются водородными связями в единую молекулу-спираль. При температуре жидкой воды не разрываются связи внутри углеродного скелета. Вдобавок вода обладает уникальным свойством, которого нет у других растворителей: при замерзании ее плотность уменьшается.

Только в водоеме лед плавает над жидкостью, давая возможность жизни спастись от замораживания. Аммиачное или этановое (о котором речь пойдет ниже) озеро промерзает до дна — чтобы в нем зародилась жизнь, окружающая температура не должна падать ниже точки замерзания.

Соответственно, в планетной системе появляется пояс жизни земного типа: зона, где вода может существовать в жидком состоянии. Положение его границ зависит от мощности излучения звезды. Если планета находится слишком близко, на ней так жарко, что вся вода испаряется. Если слишком холодно — она замерзает. Метод расчета границ пояса предложил ученый из США Сушу Хуан. Суть его такова. Поток энергии на поверхность планеты пропорционален светимости звезды и обратно пропорционален квадрату расстояния до нее. Сама же планета излучает тепло, энергия которого по закону Стефана-Больцмана пропорциональна четвертой степени ее температуры. Баланс энергий для температур планеты 273 и 373К (плавление и кипение воды при атмосферном давлении) дает в Солнечной системе положение границ на расстояниях 0,7 и 1,3 астрономических единиц от Солнца. То есть, Земля находится посередине пояса, а Марс — за его пределами. Орбита Венеры проходит как раз по границе пояса жизни, однако жидкой воды на ней нет: в расчете не учтена облачность и парниковый эффект.

Другой эффект, который не принял во внимание Сушу Хуан, обеспечивает существование океанов под ледяной корой на спутниках крупных планет. Если они расположены далеко от звезды, энергии ее излучения не хватает для того, чтобы растопить воду. Но эту энергию можно получить от планеты-гиганта за счет действия приливных сил либо ядерных реакций, которые протекают внутри твердого ядра. И в том и в другом случае под многокилометровой корой из твердого льда должен быть океан жидкой воды. На Энцеладе, одном из спутников Сатурна, существование такого океана доказано: корабль “Кассини” зафиксировал водяные гейзеры, которые прорывают ледяную кору. У спутника Юпитера Европы тоже есть ледяная кора, однако гейзеров нет, поэтому о существовании жидкого океана в глубинах планеты ученые пытаются судить по косвенным данным, например моделируя формы ударных кратеров или изучая трещины в ледяной коре.