Дарвин и эволюция Вселенной

Владимир Георгиевич Сурдин,
кандидат физико-математических наук,
Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга
«Экология и жизнь» №3, 2009

Два юбилея совпали в нынешнем году совершенно случайно: 200-летие Дарвина и 400-летие создания телескопа, давшего начало современной астрономии. Таким образом, год дарвинского юбилея оказался вдвойне знаменательным, поскольку ООН объявила его Международным годом астрономии (МГА—2009). Казалось бы, какая связь между Дарвином и астрономией? Но в действительности она без труда усматривается. Результатом работы Дарвина и его коллег стал эволюционный взгляд на живую природу. Результатом создания телескопа стал эволюционный взгляд на Вселенную.

Трудно поверить, но астрономы долго сопротивлялись идее об эволюции Вселенной. Разумеется, изменения в жизни звезд и планет наблюдались всегда. Тысячелетиями астрономы следили за перемещением светил по небу, пытаясь математически предсказать их пути и используя эти движения для счета времени и ведения календаря. Но в основном эти движения были периодическими, монотонно повторяющимися, в них не усматривалось элемента развития. Даже в ХХ веке, уже обнаружив факт расширения Вселенной, астрономы пытались описать его в рамках стационарной модели: вечно расширяющейся и при этом вечно сохраняющей свое неизменное состояние (очень изящная модель, но не выдерживающая давления фактов).

Я человек не религиозный, поэтому способен лишь поверхностно судить о мировосприятии верующего человека, но все же мне кажется, что религиозное сознание должно легче воспринимать идею эволюции, чем сознание естественнонаучное (которое под давлением статистики я отождествляю с атеистическим сознанием). Одна из аксиом абсолютного большинства религий — идея творения, сотворения мира, которая уже сама по себе есть эволюционная идея. Для атеиста же естественной является идея вечной природы, вечной Вселенной, следовательно, в своих основных качествах — неизменной (всё, что могло измениться, давно уже изменилось). Даже законы термодинамики, утверждающие неизбежность эволюции (энтропия нарастает!), физикам удалось обойти, вспомнив о наличии флуктуаций и в равновесном состоянии, причем флуктуаций любой амплитуды, если достаточно долго подождать. Но изыскания астрономов и геологов показали: неживая природа эволюционирует, развитие многих процессов в ней идет в одном направлении. Если же выражаться аккуратнее, то в эпохи, охваченные наблюдениями, процессы преимущественно развивались в одном направлении. Более того, астрономические наблюдения прошедшего столетия невозможно интерпретировать вне рамок модели расширяющейся Вселенной, имевшей «начало».

На мой взгляд, это не говорит о какой-либо конвергенции религиозных и атеистических взглядов на мир. Напротив, процесс непрерывного изменения и развития природы, которое интуитивно чувствовали наши предки, но не могли объяснить иначе как действием разумного начала, теперь находит естественное объяснение на основе «законов природы». Тут можно было бы вспомнить о деизме (Бог создал целесообразную «машину» природы, дал ей законы движения и больше не вмешивается в ее развитие), но, как любой паллиатив, деизм, на мой взгляд, не заслуживает серьезного отношения к себе.

Биологи пришли к идее эволюции раньше, чем астрономы и физики. Думаю, им способствовало то, что живой мир эволюционирует с характерным временем, доступным самому человеку, в чем убеждает нас работа селекционеров. Шкала размеров (см. схему), а следовательно и характерных времен эволюции космических систем, слишком велика для человека, а физические процессы в микромире происходят со скоростью, недоступной нашему восприятию.

Но сегодня и в науке о неживом эволюционная идея доминирует, хотя до сих пор не все эпизоды космической эволюции находят свое объяснение. Особенно сложны проблемы рождения планет, звезд, галактик, Вселенной... Как бы мы ни называли момент t = 0 в уравнениях космологов, фактически это рождение мира — проблема очень сложная для современной космологии, которая пытается решить ее, используя весь арсенал теоретической физики и наблюдательной астрономии. В последние годы доминируют попытки свести «начало Вселенной» до рядового эпизода в круговороте вечной эволюции многомерного мира. Это интересная идея, но она в каком-то смысле прячет проблему начала мира «под ковер», точно так же, как гипотеза панспермии делает это с проблемой происхождения жизни.

Но в этих заметках я не стану развивать тему рождения Вселенной, а опишу значительно лучше изученные эволюционные процессы из мира планет, звезд и галактик, чтобы продемонстрировать вездесущий характер эволюции во Вселенной, отнюдь не сводящийся только лишь к эпизоду ее рождения.

Планеты и их спутники

Рис. 1. Ио — спутник Юпитера. По размеру и массе он почти копия нашей Луны, но его поверхность не имеет с лунной ничего общего. Ио — самый вулканически активный объект в Солнечной системе

Одно из основных отличий космического пространства от биосферы — его почти абсолютная пустота. К примеру, если расселить людей равномерно по поверхности Земли, то расстояние между ближайшими соседями будет около 200 м, т. е. в 200 раз превысит характерный размер самого человека. Бесцельно бродя в ночной темноте, люди изредка сталкивались бы даже при таком рассеянном поселении. А среднее расстояние между звездами в нашей Галактике превышает их собственные размеры в миллиарды раз. Поэтому звезды практически никогда не встречаются друг с другом и тесно не взаимодействуют (за исключением особых случаев, к которым мы еще вернемся).

Иное дело планеты, их спутники и прочее околозвездное «население». Планетные системы — это тесные, густонаселенные «города» на просторах Галактики. В нашей Солнечной системе 8 больших планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), несколько планет-карликов (в начале 2009 г. — Церера, Плутон, Хаумея, Макемаке и Эрида), а также малые тела: более 400 тыс. астероидов, уже обнаруженных в области планетных орбит, и несметное число ядер комет, не открытых астероидов и даже карликовых планет «на задворках» системы — в облаке Оорта. Все они взаимодействуют и конкурируют за существование. С одной стороны, крупные объекты растут за счет мелких: падение метеоритных частиц на Землю можно наблюдать каждую ночь, с другой — взаимные соударения приводят к дроблению крупных объектов на более мелкие. Достается даже большим планетам: на Земле обнаружено уже немало осколков Луны и Марса. Наиболее интересная для нас внутренняя часть Солнечной системы постоянно обменивается веществом с периферией — одни малые объекты под действием гравитации массивных планет выталкиваются в облако Оорта (а иногда и дальше), другие — захватываются на их место.

Рис. 2. Поверхность Европы, спутника Юпитера. Ледяной панцирь Европы покрыт трещинами и мелкими метеоритными кратерами, указывающими на сравнительно небольшой возраст этой поверхности. Фото «Галилео», NASA

В целом наша планетная система давно уже пришла к равновесию, для этого у нее было время: Земля совершила миллиарды оборотов по орбите. Еще недавно астрономы думали, что это равновесие почти равноценно смерти, но год от года обнаруживаются новые процессы, «омолаживающие» планеты и их спутники. Примером могут служить спутники планет-гигантов, в последние годы приковавшие к себе внимание астрономов и биологов.

Первым свою высокую активность продемонстрировал спутник Ио (рис. 1) — самый экзотический в свите Юпитера. Зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» еще в 1979 г. обнаружили на его поверхности действующие вулканы, мощные извержения которых заметно меняют внешний вид поверхности Ио буквально за считанные месяцы. Хотя температура поверхности спутника не превышает –120°C, вблизи действующих вулканов она поднимается до +150°C, а в кальдере крупного вулкана Пеле зарегистрировано даже +300°C. В условиях крайне разреженной атмосферы и небольшой силы тяжести высота вулканических выбросов на Ио обычно достигает 100 км, а газовые султаны над самыми активными вулканами типа Пеле поднимаются на 300 км! По склонам вулканов на сотни километров разливаются потоки лавы. И эти процессы на всей поверхности спутника не прекращаются ни на минуту: Ио — истинный рай для вулканологов. Но и биологи проявляют к нему большой интерес: вулканические области — оазисы жизни, богатые энергией и важными химическими соединениями (достаточно вспомнить черные курильщики на дне океана). Биологам и геологам Ио напоминает молодую Землю, какой мы ее сейчас представляем.

В чем же причина омоложения этой юпитерианской луны?

Рис. 3. Энцелад — спутник Сатурна диаметром 500 км. Его ровное южное полушарие разительно отличается от северного, покрытого многочисленными метеоритными кратерами. Разумеется, метеориты падают и на юге, но их кратеры быстро исчезают. Почему?

Активная вулканическая деятельность на Ио в основном объясняется мощным приливным влиянием со стороны Юпитера. Из-за разницы в расстояниях ближней и дальней сторон спутника от планеты действующее на них притяжение существенно различается. В результате Юпитер придает Ио чуть-чуть дынеобразную форму: спутник вытянут в направлении планеты примерно на 7 км. Этим бы все и ограничилось, если бы Ио обращалась вокруг Юпитера на неизменном расстоянии, т. е. по круговой орбите. Но массивные соседи-спутники сбивают Ио с кругового пути и вынуждают то чуть приближаться, то удаляться от Юпитера. От этого заметно меняется напряжение приливной силы и форма спутника, который, как разминаемый в руках кусочек пластилина, разогревается от этих деформаций. Возможно, некоторый вклад в разогрев недр вносит и электрический ток, возникающий в теле Ио от того, что она движется в магнитном поле Юпитера.

Не менее интересен и второй крупный спутник Юпитера — Европа, на изображениях поверхности которой видна система линий (рис. 2), напоминающая старинные рисунки каналов на Марсе. С одной стороны, на Европе практически нет крупных метеоритных кратеров, что указывает на высокую активность геологических процессов, с другой — там нет ни гор, ни разломов, ни других признаков тектонической активности. Европа, поверхность которой сплошь покрыта льдом, более других планет и спутников похожа на ровный бильярдный шар.

Эти трудносовместимые свойства Европы, по-видимому, объясняются результатами теоретического моделирования ее внутреннего строения. Весьма вероятно, что под толстой ледяной корой спутника может находиться необъятный водный океан. Помимо жидкой воды Европа, кажется, имеет и другие компоненты, необходимые для жизни: сильное приливное влияние Юпитера (хотя и не такое сильное, как в случае Ио) служит ей источником тепла, а в трещинах ледового панциря заметны следы органических соединений.

Экзобиологи уже потирают руки, предчувствуя обнаружение неведомых организмов в ледовитом океане Европы. Для проверки этой гипотезы инженеры работают над проектом космического аппарата, который смог бы проникнуть сквозь ледяной покров Европы и, превратившись в «подводную лодку», исследовать первый внеземной океан. Если там действительно обнаружится биосфера, то какой простор откроется для эволюционной биологии! Но технически задача очень сложна: вряд ли удастся в ближайшее время пробиться сквозь ледяной панцирь Европы толщиной, как минимум, в десятки километров, а свежие трещины с открытой водой пока в нем не найдены.

Поэтому значительно привлекательнее выглядит сравнительно небольшой спутник Сатурна — Энцелад (рис. 3), внешне весьма похожий на Европу. Да и по своей природе он близок к Европе: судя по всему, под его ледяным панцирем (во всяком случае, под значительной его частью) тоже находится жидкая вода. Впервые астрономы увидели поверхность этого спутника более четверти века назад, когда «Вояджер-2» пролетал через систему Сатурна. Тогда он передал фотографии, которые на многие годы поставили в тупик специалистов. Даже на фоне большого разнообразия спутников Сатурна Энцелад выглядел «белой вороной». Его ледяная поверхность оказалась ярко-белой, как свежий снег. На поверхности Энцелада обнаружились обширные области без единого кратера, что указывало на его геологическую активность. Однако такая активность предполагает источник внутреннего тепла. Откуда он на столь скромном по размеру и массе теле?

Рис. 4. Снимок ночной стороны Энцелада; небольшая часть дневной стороны выглядит как тонкий полумесяц. Ясно видны струи воды (в виде пара и льдинок), улетающие с поверхности спутника в районе его южного полюса. Слева — исходный снимок; справа — яркость представлена в искусственных цветах

Летом 2004 г. межпланетный зонд «Кассини» (NASA, ESA) достиг системы Сатурна, сбросил посадочный аппарат в атмосферу его крупнейшего спутника Титана и начал изучать остальные спутники, в том числе и Энцелад, которому было оказано особое внимание. И Энцелад его оправдал: снимки, полученные в контровом освещении (в направлении на Солнце), показали, что из трещин в южной полярной области бьют фантастические фонтаны (рис. 4), выбрасывая водяной пар, который тут же превращается в снежинки. Основная их масса падает обратно, на поверхность спутника, но часть улетает в космос, создавая вдоль орбиты Энцелада самое внешнее кольцо Сатурна. Сами трещины удалось рассмотреть во время пролета зонда над поверхностью Энцелада: они хорошо заметны на рис. 3 — несколько параллельных полос, похожих на следы тигриных когтей (за это их так и прозвали — tiger stripes).

Рис. 5. Гиперион — спутник Сатурна размером 370 х 280 х 226 км. Его поверхность похожа на губку, а внутри он, вероятно, испещрен множеством каверн, поскольку имеет чрезвычайно низкую среднюю плотность — всего 0,57 г/см³

Проблема источника энергии фонтанов решилась так же, как и в случае Европы, — это приливное влияние гигантского Сатурна. Энцелад довольно близок к нему и поэтому нещадно деформируется в гравитационном поле планеты, отчего его недра плавятся, а форма поверхности округляется. Для сравнения можно посмотреть, как выглядит более далекий спутник примерно такого же размера — Гиперион (рис. 5). Ясно, что он избежал «жарких объятий» Сатурна, никогда не плавился и не извергал на свою поверхность снежные фонтаны.

Энцелад — это то, о чем мечтали планетологи: на этом маленьком, но активном небесном теле обнаружилось всё — современная геологическая активность, вещество, извергающееся из недр (не надо бурить!) и относительная доступность (посадка зонда на Энцелад не представляет проблем). Теперь этот крошечный объект, затерянный среди других на краю Солнечной системы, вызывает огромный интерес. Не исключено, что и у других планет-гигантов обнаружатся приливно-эволюционирующие спутники. Еще недавно астрономы сильно недооценивали эволюционную роль приливов. А ведь биологи предупреждали: жизнь на Земле вышла на сушу благодаря приливам.

Любопытно, что одним из первых исследователей приливных явлений в космосе был сын Чарлза Дарвина — сэр Джордж Говард Дарвин (1845–1912), известный геофизик и астрофизик, профессор Кембриджского университета, президент Королевского астрономического общества. Как видим, связь между биологией и астрономией в этой замечательной семье была очень тесной. Впрочем, не забыта оказалась и физика: сын сэра Джорджа Дарвина — Чарлз Галтон Дарвин (1887–1962) стал известным физиком.

По сути, в теории приливов Джордж Дарвин сыграл ту же роль, какую Чарлз Дарвин сыграл в биологии: объединил разрозненные идеи и создал стройную теорию. Книга Дж. Дарвина «Приливы и родственные им явления в Солнечной системе» (последнее издание на русском языке: М.: Наука, 1965) в этой области исследований почитается так же высоко, как в биологии «Происхождение видов» его отца.

Звезды и галактики

Рис. 6. Скопление молодых звезд NGC 602, родившихся несколько миллионов лет назад на краю соседней галактики Малое Магелланово облако, еще не успев освободиться от материнского газово-пылевого облака, начинает выбрасывать в окружающее пространство собственное вещество, обогащенное новыми химическими элементами. На фото видно, как выброшенный звездами горячий газ взаимодействует с холодным газом облака, раздувая в нем каверну. Это один из бесчисленного множества эпизодов эволюционного цикла космического вещества: Вселенная уже миллиарды лет обогащается элементами, необходимыми для зарождения жизни. Фото с космического телескопа «Хаббл» (NASA)

Самый очевидный на сегодня процесс эволюции во Вселенной — это химическая эволюция ее вещества в недрах звезд. Это не количественный процесс, а качественный. Древнее вещество Вселенной, которое мы встречаем сегодня в составе маломассивных звезд первого поколения, практически не содержит ничего, кроме водорода и гелия. Этих элементов недостаточно не только для зарождения биосфер, но даже для формирования планет земного типа. А то вещество, из которого состоят наша планета и ее живая оболочка, родилось и было выброшено в космическое пространство благодаря эволюции весьма малочисленных массивных звезд.

Будь Вселенная устроена немного иначе, наиболее массивные звезды могли бы и не рождаться. Реакции ядерного синтеза происходят в недрах всех звезд, но у большинства из них новые химические элементы навсегда остаются глубоко в недрах, и только самые массивные светила извергают их, обогащая Вселенную элементами, необходимыми для жизни.

Случайное это свойство нашей Вселенной или предопределенное? Должна ли была эволюция непременно привести к рождению галактик, к формированию в них массивных звезд и т. д. вплоть до появления живого вещества и разумного существа? Тут мы вступаем в самую современную натурфилософскую область, изучающую так называемый антропный принцип. Полстолетия назад, раздумывая о фундаментальных свойствах Вселенной, московский физик Абрам Леонидович Зельманов сформулировал его так: «Мы являемся свидетелями процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекают без свидетелей». В такой формулировке антропный принцип постулирует вполне очевидную вещь: изучая Вселенную, мы непременно обнаружим у нее такие свойства, которые в процессе ее эволюции позволили появиться нам, любознательным особям.

В современном виде антропный принцип перерос эту простую мысль и развился в интереснейшее направление теоретических исследований. Решаемые им проблемы достойны Создателя: может ли вселенная с совершенно иной геометрией (например, с другим числом пространственных измерений) и иной физикой (другие значения мировых констант) быть прибежищем жизни? Единственна ли наша Вселенная или их бесчисленно много? Разнообразны ли при этом их свойства? Можно ли проникнуть из одной вселенной в другую? Может ли разумное существо конструировать и создавать вселенные с определенными свойствами? Возможна ли конкуренция вселенных, и если да, то вселенные с какими свойствами имеют более высокий шанс сохраниться? В этих астрофизических вопросах чувствуется влияние биологии. В некотором смысле антропный принцип дает развитие эволюционному принципу Дарвина. Быть может, когда-нибудь и астрофизики придут в выводу, что наша Вселенная сформировалась в результате естественного (или искусственного?) отбора.

Так ли уж проста Вселенная?

Рис. 7. Спиральная галактика NGC 1232. Благодаря самоорганизации вещества в галактиках, в их спиральных рукавах формируются области звездообразования, где среди прочих звезд могут рождаться массивные светила — двигатели космической эволюции

Встречаясь с биологами, я порой чувствую с их стороны скрытую зависть: мне кажется, они завидуют нашей пресловутой «астрономической точности». Действительно, по общему мнению, астрономия — старейшая из наук. Считается, что она давно и твердо опирается на законы физики и математики, а потому предельно точна. Откроем учебник космологии: двумя-тремя уравнениями описана эволюция Вселенной! Откроем монографию по физике звезд: несколькими формулами описана эволюция звезды, причем любой! Биологи лишь мечтают, что когда-нибудь их наука тоже достигнет такого уровня. Известный специалист по эволюционной динамике Мартин Новак считает: «Если возможно полное и окончательное понимание законов биологии, то оно обязательно выглядит как набор математических уравнений».^*

А правда ли, что астрономы уже «поверили алгеброй гармонию» Вселенной? В ответ на подобные вопросы мне вспоминается один исторический анекдот. Многие годы в научно-популярной литературе цитировалась реплика знаменитого английского астрофизика сэра Фреда Хойла о том, что «нет ничего проще звезды». Полвека спустя этот эпизод вспомнил английский астроном Питер Фелгет: «Как очевидец могу сказать, что замечание о простоте звезд было сделано Фредом Хойлом (тогда еще не сэром) на коллоквиуме, который он проводил в старой обсерваторской библиотеке в Кембридже. Насколько я помню, фраза Хойла, произнесенная с его изумительным северным акцентом, звучала так: «В принципе звезда имеет довольно простую структуру». В ответ на это профессор Редман заметил: «Вы бы тоже выглядели довольно простым, Фред, с расстояния в десять парсеков».^**

Глубокий смысл этого замечания открывается нам постепенно. Чем детальнее мы изучаем звезды, тем более сложными выглядят их структура и поведение. Так что впору согласиться с высказыванием английского астронома Джона Брауна: «Вопреки известной реплике Фреда Хойла звезды не так уж просты, по крайней мере когда изучаешь их с расстояния в 5 микропарсеков, как в случае с Солнцем».^*** Чем дольше и внимательнее мы наблюдаем за жизнью звезд и даже за самой близкой из них — Солнцем, тем больше обнаруживается загадок. Это не означает, что некоторые из них мы не разгадываем, но их число от этого не уменьшается. В этом смысле сближение биологии и астрономии идет с двух направлений: биологи находят простые математические закономерности в живом, астрономы обнаруживают немыслимое разнообразие космических процессов.

Хотя биологию обычно не относят к точным наукам, поскольку она еще не достигла полной однозначности, свойственной высоко математизированным дисциплинам, я вижу в этом заблуждение. Биология далеко впереди физики и астрономии, если учесть сложность ее объекта. У нас, астрономов, еще не родился свой Карл Линней, который привел бы в порядок систематику астрономических объектов и систему их названий: у астрономов масса курьезных терминов типа белых, красных и коричневых карликов, планетарных туманностей, метеороидов-метеоров-метеоритов, квазаров, пульсаров и т. п. Поэтому, быть может, нам еще рано думать о своем Дарвине и стоит позавидовать биологам, среди которых уже трудился ученый, создавший грандиозную теорию об эволюции живого вещества Вселенной.

^* Вакс X. Как рассчитать эволюцию? // В мире науки, 1/2009, с. 16–17.
^** Fettgett Р. В. Simple stars // The Observatory, v. 115, 1995, p. 95.
^*** The Observatory, v. 114, 1994, p. 124.