Солнечная система. Происхождение солнечной системы

 

Глава 2: Зарождение жизни (гипотеза А. И. Опаркина)

 

Задолго до того, как мы установим  контакт с другими разумными  существами, обитающими где-либо в галактике, мы должны понять не только то место, которое  мы занимаем, но и пройденный нами долгий путь.

 

Джон Бернал

 

Часть 1:Начало

 

Итак, перед нами планета  Земля. Она имеет океан. Представим его себе. Реки, впадающие в него, сначала текут по склонам гор, по пути кроша горные породы, и все, что могут, выносят с собой  в океан. Атмосфера над океаном  насыщена вулканическими газами, пылью, пеплом. Волны, разлетаясь брызгами, захватывают  всё это в свои глубины. В результате вода в первозданном океане горько-соленая, мутная. Она - настоящий "бульон", столько здесь всего перемешано и растворено. Здесь можно встретить почти все элементы таблицы Менделеева. Особенно много тех, которые необходимы для создания живых существ. Теплая вода обеспечивает молекулам и атомам хорошую подвижность, перемешивание, контакты между собой в самых разных сочетаниях. Но для химических реакций этого мало. Для них часто бывает нужна "внешняя" сила. Толчок извне может помочь атомам и молекулам соединиться, может разбить молекулы на части. Химики для ускорения реакций часто применяют нагрев. Подобным же образом действует и природа. Для этого работают не только частички света - фотоны, но и "космические лучи" - осколки атомов, выброшенные далекими звёздами, которые круглые сутки проносятся сквозь атмосферу и вонзаются в толщу океана. Их удары особенно сильны и больше годятся для разбивания молекул.

 

Часть 2: Сверкнула молния

 

Небо заволокли черные тучи. В них и в воде накапливаются  электрические разряды. Они рванулись  навстречу друг другу. Ослепительная  вспышка молнии озарила волны  и прибрежные скалы. А в толще  воды при этом резко метнулись  молекулы, сшиблись друг с другом. Некоторые  от ударов развалились. Зато другие, наоборот, соединились. Стихла гроза. Наступила  ночь. Далеко от берега на дне океана пробудился дремавший вулкан. Горячие  газы, вырвавшись из его жерла, растворились в воде, насытив её новыми порциями углекислоты, метана, аммиака, сернистого газа. Из недр планеты пошла в  чёрную пучину огненная лава. Вспыхнула  красным заревом, закипела вода. Тучи ослепительно сверкающих пузырей устремились  вверх. Забурлили, засветились изнутри  в мраке ночи черные волны. Густые облака пара накрыли их. "Бульон" над вулканом стал горячее и гуще. Целыми кучами поплыли новые, причудливые "комки" атомов - только что возникшие  крупные молекулы...

 

Часть 3: Естественный отбор

 

Океанские волны без конца  перемешивают, переставляют атомы, по-разному  комбинируют их. Молекулы создаются  и распадаются. Снова и снова  в каждой капле океана повторяются  миллиарды раз уже испробованные  и не оправдавшие себя сочетания. Неужели в таких условиях возможна хоть какая-то эволюция? Возможна. Сами собой, без всякого плана или  системы, создаются разные, какие  получатся, варианты молекул. А потом  испытываются. Наверху, в небе, разыгралась  гроза. И мы видим, как при вспышке  молний, шарахнувшись, разваливаются, рассыпаются все слабо связанные  молекулы. А те, что выдержали  эту проверку на прочность, остаются. Уже на этом этапе химической эволюции вещества работает своеобразный "естественный отбор". Эволюция идёт в направлении  создания всё более сложных и  при этом прочных молекул, обладающих все новыми и новыми свойствами. А это приближает возможность  нащупать в дальнейшем такие формы  и свойства молекул, которые сделают  вещество существом. В химической эволюции вещества главную роль играют атомы  углерода. Это особый, незаменимый  элемент. Его атомы обладают поистине неисчерпаемыми "потенциальными возможностями". Они четырехвалентны (т.е. очень высокая  способность присоединять атомы  и молекулы других химических элементов), что в атомном мире редкость. Цепляясь друг за друга, они могут образовывать молекулы в виде колец или цепочек, при этом прихватывая другие атомы или молекулы. И тогда кольца и цепочки обрастают "гроздьями", создаются грандиозные, сложнейшие молекулы в виде ветвящихся деревьев, насчитывающие в своем составе многие тысячи атомов самых различных элементов. Сегодня таких молекул в природе бесчисленное множество вариантов. Но пока они еще не создались. В первозданном океане идут эксперименты. Фронт работы широчайший - весь океан. Атомов - сколько угодно. Времени - сотни миллионов лет. И вот нет-нет, где-то получается что-то интересное. Возникает совершенно случайно какая-нибудь новая комбинация атомов, обладающих прогрессивными свойствами. И значит, крохотный шаг к появлению жизни сделан. Делая, может быть, всего по одному такому шагу за тысячи лет, природа за миллиард лет все же дошла до возникновения жизни. Попробуем мысленно представить себе главные из этих шагов. Пропустим несколько миллионов лет и снова вернемся в первозданный океан. Кроме исходных крохотных и примитивных молекул, вроде метана, аммиака и углекислого газа, с которых всё началось, перед нами теперь плавает в воде множество совершенно новых, незнакомых комбинаций атомов. Появились, например, полимеры - длинные цепочки из молекул. Иногда одинаковых, иногда разных. Появились катализаторы. Это молекулы-помощники, молекулы-посредники, облегчающие перестройку других молекул. Через много миллионов лет мы видим, что простенькие полимеры стали полипептидами. Плывут длинные, сложные, ветвистые нити, состоящие из аминокислот. Их тысячи вариантов. Но самое поразительное - появился процесс копирования молекул - репликация. Это форменная эволюция. Раньше случайно возникшая комбинация атомов, существуя в одном экземпляре, не влияла на ход химической эволюции в целом. К тому же она могла в любой момент быть разбита шальной космической частицей и "изобретение" безвозвратно терялось. Теперь, при тиражировании молекул, "опыт" распространяется, а гибель некоторых экземпляров не представляет опасности.

 

Часть 4: Мутация

 

Репликация не тормозит прогресс, как это может показаться, заполняя океан однотипными молекулами. Дело в том, что при копировании  иногда происходит сбой. Исходную молекулу или её матрицу может что-либо повредить. Например, блеснувшая вблизи молния. Получится "мутация", и  травма начинает печататься во всех следующих  копиях, дав начало новой серии  молекул. "Мутанты" вовсе не всегда являются браком. Случается, что среди  них находят ценные находки, обладающие преимуществами перед оригиналами. Поэтому, говоря шутливо, внешние силы не калечат молекулы, а вносят в  них небольшие изменения, как  бы с целью посмотреть: что получится? Результаты этих стихийных экспериментов  природы оценивает практика. Естественный отбор беспощадно перечеркивает  все миллионы "глупых" вариантов, оставляя лишь единица "умных". В  итоге мутации способствуют увеличению разнообразия молекул и этим помогают идти химической эволюции вещества.

 

Проходят ещё миллионы лет. Природа "нащупала" наилучшие  последовательности аминокислот в  цепочках полипептидов - появились  белковые молекулы - будущие кирпичи  живых организмов. Усложнилась и  стала совершеннее репликация. Матрица  теперь уже не механическая форма, а  условная, химическая "запись" порядка  аминокислот в белковой молекуле. Запись в виде портативной цепочки  особых молекул - нуклеотидов. Эволюция вещества поднимается на новый уровень. Длинные, причудливо изогнутые нити разных белковых молекул цепляются друг за друга и понемногу собираются. Сначала в небольшие комочки, потом в более крупные комки, похожие на клубки или капли. У молекул, тесно соприкоснувшихся в комке, разные свойства. Иногда это приводит к возможности своеобразного их сотрудничества. Например, катализаторы, оказавшиеся в гуще молекул, могут способствовать реакциям, полезным для комка в целом. Иначе говоря, комки белковых молекул оказываются в ряде случаев "системами", способными к какой-то внутренней деятельности. Но система системе рознь. И конечно, начинается долгий путь поисков наиболее удачных сочетаний молекул в них. Удачнее, например, те, в которых снаружи расположились особо прочные молекулы. Они служат механической защитой остальным. Удачнее те, в которых включены молекулы, способные реагировать на опасные примеси в воде. Они служат химической защитой. Но наиболее интересны те варианты ,в которых оказался хороший набор катализаторов. Теперь, правда, их нужно называть ферментами. В этих комках начинается более или менее активный "обмен веществ" с окружающей средой. Идет захват материала, расщепление молекул, иногда даже с выделением энергии, выбрасывание отходов, восстановление поврежденных молекул. Даже репликация - синтез белковых цепочек. Обмен веществ - свойство очень прогрессивное. Такой комок оказывается очень устойчивым перед разными разрушающими внешними воздействиями, независимым, прочным, долговечным. При большой сложности он становится очень живучим - то, к чему стремится химическая эволюция. Вещество в нем, в сущности, приобрело некоторые свойства живого! Эволюция белковых молекул приводит к их специализации. В одних, например, лучше идут реакции с получением энергии, другие чётко реагируют на изменения температуры, в третьих хорошо налажена репликация. И если мы снова пропустим миллионы лет, то обнаружим в океане ещё более "гигантские" сооружения, в каждом из которых миллионы молекул. Разные типы комков вошли в них в виде отдельных деталей. Сейчас биологи называют эти детали органеллами. А всё сооружение в целом - одноклеточным организмом!

 

Вспомните предысторию жизни. Атомы - молекулы - полимеры - органеллы - одноклеточные существа. Всё идет в направлении от простого к сложному, к разнообразию структур, форм, свойств. В живых организмах добавилось важнейшее  новое - могучее стремление к самосохранению, к долговечности. Нужны улучшенная защищенность, более хорошая вооруженность  в борьбе за существование. Объединяясь, клетки этого достигают. Борьба за существование, в частности, способствует увеличению разнообразия форм в животном мире. Иногда куда выгоднее не вступать в  бой с врагом, а просто уйти в  другую "экологическую нишу", переменить образ жизни так, чтобы, даже оставаясь  на том же участке земли, никогда  и не в чём не соприкасаться  с врагом. Перестать соперничать  с ним. Не иметь с ним ничего общего. Противопоставить сопернику  не силу, а какое-то совершенно особое качество, которое даёт новые возможности  к существованию. Пройдет ещё  очень много времени и на Земле  появится человек. Появится, и изменит  мир в котором живет. Он научится наблюдать за звёздами, за планетами  Солнечной системы, строить космические  аппараты и запускать их в космос. Многие из этих аппаратов садятся  на поверхности планет и возвращаются обратно.

 

Глава 3: Человечество и поиск

 

Человечество достигло таких  успехов в астрономии, технике, связи, кибернетике, которые создали реальные технические предпосылки для  установления связи с разумной жизнью других миров.

 

Академик В.А. А м б  а р ц у м я н

 

Часть 1: Цивилизация и  её влияние на космос

 

Плоды нашей деятельности уже заметны из космоса. Это подтверждают космонавты, различающие с орбитальных  станций даже шоссейные и железные дороги, мосты, корабли в море. Они  видят это невооруженным глазом, а значит, с Луны то же самое можно  увидеть в тысячекратный телескоп, какие стоят в наших обсерваториях. Марсиане, если бы они существовали, даже вооруженные техникой, равноценной  нашей, без особого труда обнаружили бы наши города, дымы промышленности, космические  аппараты, испытания атомных бомб. При более пристальном наблюдении они заметили бы искусственные моря и оросительные каналы. Ну а работу телевизионных станций можно  обнаружить и с других планетных  систем. Люди в мире звёзд. Цивилизация. Сообщество разумных существ, выросшее за миллиарды лет из комочков слизи, копошащихся в мутных лужах. Разумных существ, проникших в глубины  атома и в дали Вселенной, познавших  строение звёзд и тайну живой  клетки, постигших законы своей эволюции!

 

Часть 2: Новый век - новое  решение

 

В каждую эпоху люди в своих  мечтах решали проблему контактов с  инопланетянами, исходя из техники  своего времени. Вплоть до XVIII века люди полагали, что для полёта к звёздам  достаточно будет энергии мышц, своих  и домашних животных. И поэтому, даже фантазируя, единственно что они  могли предложить - это всего-навсего  экипаж, запряженный... в стаю птиц. Что  воздух кончится сразу, как "отлетишь от дома", наши далёкие предки не знали. Они не представляли себе и  огромные расстояния, отделяющие нас  от Луны и планет, не говоря уже о  расстояниях до звезд. Потом, измерив  эти расстояния и узнав, что небесные тела разделяет почти пустое, безвоздушное пространство, стали мечтать хотя бы о взаимной сигнализации.

 

В XIX веке, всего каких-нибудь сто лет тому назад все серьезно верили в существование марсиан. И тогда вполне серьезно ученые выдвигали  предположения об оптической связи  с ними. Математик Карл Гаусс предлагал  прорубить в сибирских лесах  многометровую просеку в виде треугольника и засеять её пшеницей. Марсиане увидят в свои телескопы  на фоне тёмно-зеленых лесов аккуратненький светлый треугольник, и поймут, что  слепая природа не могла это сделать. Значит на этой планете живут разумные существа. Многим идея Гаусса понравилась, но, чтобы показать марсианам, что  земляне высокообразованны, предлагали на сторонах треугольника сделать квадраты, чтобы получился рисунок теоремы  Пифагора. Этот проект обладал заметными  недостатками. Ведь Сибирь часто покрыта  облаками и снегом, и треугольник  может долго оставаться незамеченным марсианами. А главное, даже в хорошую погоду его можно будет видеть только днем. Поэтому более правильным показался проект венского астронома Йозефа Иоганна фон Литрова. Он предлагал в пустыне Сахара, где всегда безоблачно, вырыть каналы в виде правильных геометрических фигур (возможно теорему Пифагора). Стороны многоугольника должны быть по крайней мере тридцать километров. А ночью поверх воды налить керосин и поджечь. Огненные полосы прочертят на ночной стороне планеты яркий чертеж. Уж марсиане не могут его не заметить. Но и этот проект был отвергнут как очень дорогой. Француз Шарль Кро подсказал гораздо более дешёвый способ связи. Он посоветовал своему правительству соорудить огромную батарею зеркал для отражения солнечных лучей в сторону Марса. Зайчик, конечно, был бы ослепительно ярок. Проект Шарля Кро имел очень большое преимущество по сравнению с остальными. Зеркала можно шевелить, и тогда при взгляде с Марса ослепительная яркая точка на Земле подмигивала бы. И главное, мигание можно было передать марсианам сообщение. Наивно! А ведь это всё было совсем недавно, при жизни наших предков. Тем временем создаётся целый ряд научно-фантастических произведений, посвященных перемещениям между планетами. Наиболее известны из них "Из пушки на Луну" Жюль Верна и "Война миров" Герберта Уэллса.

 

С развитием ракетной техники  в послевоенные годы, а главное, запуск первого искусственного спутника Земли  в 1957 году дали мощный толчок старым мечтам человечества о межпланетных перелётах. Хлынула целая лавина самых разнообразных  научно-фантастических произведений. Полетав к Венере и Марсу, герои  книг стали запросто летать к звездам, бороздя уже на огромных межзвездных  кораблях бескрайние просторы Галактики, сражаясь с самой различной космической  нечистью и злодеями. Но и тут  снова, уже в который раз, строгий  анализ охладил мечтателей. Современные  ракеты, работающие на химическом топливе, изготавливаются из самых прочных  и легких материалов, из двигателей "выжато" уже почти всё, но всё  это делает пределом наших мечтаний полёт к Марсу или Венере. И  всё же полёты в пределах Солнечной  системы реальны. Но у нас нет  надежды встретить здесь разумные существа. Есть шансы найти их в  других планетных системах, около  других звезд. Но о полёте к звёздам  на современных ракетах говорить бессмысленно: полёт до ближайшей  звезды (кроме Солнца) - Альфа Центавра будет длиться 80 тысяч лет при  скорости 17 километров в секунду.

 

Глава 4: Солнечная система: состав и особенности

 

Мы рады той таинственности, которая находится за пределами  нашей досягаемости...

 

Харлоу Шепли

 

В Солнечную систему входит Солнце, 9 больших планет вместе с  их 34 спутниками, более 100 тысяч малых  планет (астероидов), порядка 10 в 11 степени  комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных  тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок). Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в систему. Гравитационное притяжение солнца является главной силой, определяющей движение всех обращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой от него планеты - Плутон 39,5 а.е., т.е. 6 миллиардов километров, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звёзд. Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 100 тысяч а.е. и подвергаются воздействию притяжения звезд. Двигаясь в Галактике, Солнечная система время от времени пролетает сквозь межзвездные газопылевые облака. Вследствие крайней разряженности вещества этих облаков погружение Солнечной системы в облако может проявится только при небольшом поглощении и рассеянии солнечных лучей. Проявления этого эффекта в прошлой истории Земли пока не установлены. Все большие планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон - обращаются вокруг солнца в одном направлении (в направлении своего вращения самого Солнца), по почти круговым орбитам, мало наклоненным друг к другу (и к солнечному экватору). Плоскость земной орбиты - эклиптика принимается за основную плоскость при отсчёте наклонений орбит планет и других тел, обращающихся вокруг Солнца. Расстояния от планет до Солнца образуют закономерную последовательность - промежутки между соседними орбитами возрастают с удалением от Солнца. Эти закономерности движения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на то, что Солнечная система не является случайным собранием космических тел, а возникла в едином процессе. Благодаря почти круговой форме планетных орбит и большим промежуткам между ними исключена возможность тесных сближений между планетами, при которых они могли бы существенно изменять своё движение в результате взаимных притяжений. Это обеспечивает длительное существование планетной системы. Планеты вращаются так же вокруг своей оси, причём почти у всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в том же направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Чрезвычайно медленное вращение Венеры происходит в обратном направлении, а Уран вращается как бы лежа на боку. Большинство спутников обращаются вокруг своих планет в том же направлении, в котором происходит осевое вращение планеты. Орбиты таких спутников обычно круговые и лежат вблизи плоскости экватора планеты, образуя уменьшенное подобие планетной системы. Таковы, например, система спутников Урана и система галилеевских спутников Юпитера. Обратными движениями обладают спутники, расположенные далеко от планеты. Сатурн, Юпитер и Уран кроме отдельных спутников заметных размеров имеют множество мелких спутников, как бы сливающихся в сплошные кольца. Эти спутники движутся по орбитам, настолько близко расположенным к планете, что её приливная сила не позволяет им объединиться в единое тело. Подавляющее большинство орбит ныне известных малых планет располагается в промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Все малые планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскости эклиптики. Кометы движутся в основном по орбитам, близким к параболическим. Некоторые кометы обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров - в десятки и сотни а.е. У этих комет, называемых периодическими, преобладают прямые движения, т.е. движения в направлении обращения планет. Будучи вращающейся системой тел, Солнечная система обладает моментом количества движения (МКД). Главная часть его связана с орбитальным движение планет вокруг Солнца, причём массивные Юпитер и Сатурн дают около 90%. Осевое вращение Солнца заключает в себе лишь 2% общего МКД всей Солнечной системы, хотя масса самого Солнца составляет более 99,8% общей массы. Такое распределение МКД между Солнцем и планетами связано с медленным вращением Солнца и огромными размерами планетной системы - её поперечник в несколько тысяч раз больше поперечника Солнца. МКД планеты приобрели в процессе своего образования: он перешел к ним из того вещества, из которого они образовались. Планеты делятся на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу (это проявляется в различиях их плотности), скорости вращения и количеству спутников. Четыре планеты, ближайшие к Солнцу, планеты Земной группы, невелики, состоят из плотного каменистого вещества и металлов. Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - гораздо массивнее, состоят в основном из лёгких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их недрах, имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы составляют водород и гелий. В них содержится так же до 20% каменистых веществ и легких соединений кислорода, углерода и азота, способных при низких температурах концентрироваться в льды. Недра планет и некоторых спутников находятся в раскалённом состоянии. У планет земной группы и спутников вследствие малой теплопроводности наружных слоёв внутреннее тепло очень медленно просачивается наружу и не оказывает заметного влияния на температуру поверхности. У планет-гигантов конвекция в их недрах приводит к заметному потоку тепла из недр, превосходящему поток, получаемый им от Солнца. Венера, Земля и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выделившихся из их недр. У планет-гигантов атмосферы представляют собой непосредственное продолжение их недр: эти планеты не имеют твердой или жидкой поверхности. При погружении внутрь атмосферные газы посте пенно переходят в конденсированное состояние. Девятую планету - Плутон, по- видимому, нельзя отнести ни к одной из двух групп. По химическому составу он близок к группе планет-гигантов, а по размерам к земной группе. Ядра комет по своему химическому составу родственны планетам - гигантам: они состоят из водяного льда и льдов различных газов с примесью каменистых веществ. Почти все малые планеты по своему современному составу относятся к каменистым планетам земной группы. Сравнительно недавно открытый Хирон, движущийся в основном между орбитами Сатурна и Урана, вероятно, подобен ледяным ядрам комет и небольшим спутникам далёких от Солнца планет. Обломки малых планет, образующиеся при их столкновении друг с другом, иногда выпадают на Землю в виде метеоритов. У малых планет, именно вследствие их малых размеров, недра подогревались значительно меньше, чем у планет земной группы, и поэтому их вещество зачастую претерпело лишь небольшие изменения со времени их образования. Измерения возраста метеоритов (по содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада) показали, что они, а следовательно вся Солнечная система существует около 5 миллиардов лет. Этот возраст Солнечной системы находится в согласии с измерениями древнейших земных и лунных образцов.