Большая история

Кристиан Дэвид

Но если внешние орбиты атома не заполнены, возникают неловкость, напряжение и проблемы, и все это порождает бесконечную сутолоку в борьбе за место, которой обусловлена существенная часть химических процессов. Некоторые электроны-перебежчики уходят в соседние атомы. При этом атом, который они покидают, теряет отрицательный заряд и может соединиться с атомом, у которого есть лишний электрон, образуя ионную связь. Так из атомов натрия, внешний электрон которого обычно готов соскочить, и хлора, который все время ищет лишний электрон, чтобы заполнить свою внешнюю орбиту, получается поваренная соль. Бывает, что электроны лучше всего чувствуют себя, обращаясь вокруг двух ядер, так что те успешно делят между собой их заряд в ковалентной связи. Такой связью соединяются атомы водорода и кислорода, когда образуют молекулы воды. Но молекула при этом получается кривобокая,

в ней два маленьких атома водорода привязаны к более крупному атому кислорода с одной стороны. При такой странной форме отрицательные и положительные заряды распределяются по поверхности молекулы неравномерно, это сбивает атомы водорода с толку, и их нередко привлекают к себе атомы кислорода из соседних молекул. Благодаря этому притяжению молекулы воды способны, пользуясь слабыми водородными связями, слипаться в капли. Водородные связи играют важнейшую роль в химии жизни, потому что ими в большой степени определяется поведение генетических молекул, например ДНК. В металлах электроны ведут себя совершенно иначе. Они большими толпами курсируют между их ядрами, поэтому металлы так хорошо проводят электрический ток – ведь это не что иное, как огромный поток электронов.

Углерод, у которого в ядре шесть протонов, играет в романтическом мире атомов роль донжуана. Обычно на его внешней орбите четыре электрона, но место есть для восьми, так что можно доставить ему удовольствие, удалив четыре электрона с его внешней оболочки, добавив их туда или позволив ему разделить их с другим атомом. У него большой выбор, и поэтому из углерода можно строить сложные молекулы с кольцами, цепочками и другими экзотическими формами. Благодаря этим мастерским способностям он так важен для химии жизни.

Судя по всему, базовые химические правила универсальны. Мы знаем это, потому что спектроскопы показывают, что многие простые молекулы, которые мы можем найти на Земле, существуют и в облаках межзвездной пыли. Но космическая химия, по-видимому, довольно проста; пока что в межзвездном пространстве не найдено ни одной молекулы, в которой было бы значительно больше сотни атомов. Это неудивительно. В конце концов, в космосе атомы находятся далеко друг от друга, им сложно соединяться. К тому же температуры здесь прохладные, так что энергии активации, которая нужна, чтобы подтолкнуть их к длительным отношениям, мало. Самое удивительное в космической химии то, что здесь способны формироваться не только простые молекулы, из которых образованы планеты, например вода и силикаты, но и такие, из которых строятся живые организмы, например аминокислоты, образующие белки. Более того, сегодня нам известно, что простые органические молекулы весьма распространены во Вселенной, что повышает вероятность существования жизни за пределами планеты Земля.

Четвертый порог. От молекул к спутникам, планетам и солнечным системам

Простые химические молекулы, обращающиеся вокруг молодых звезд, создали условия Златовласки для следующего порога усложнения, послужив строительным материалом для совершенно новых астрономических объектов: планет, спутников и астероидов. По химическому составу планеты более разнообразны, чем звезды, и при этом они гораздо холоднее, поэтому на них образовались идеальные условия Златовласки для сложных химических явлений. И по крайней мере на одной из них (нашей), а может быть, и на многих других эта химия в конце концов породила жизнь.

В течение долгого времени людям была известна лишь одна Солнечная система. Но в 1995 году астрономы обнаружили экзопланеты – планеты, обращающиеся вокруг других звезд нашей галактики. Это удалось сделать, зафиксировав мельчайшие колебания в движении или крошечные изменения яркости звезд, которые можно наблюдать, когда перед звездой проходит планета. С тех пор мы узнали, что планеты есть у большинства из них, так что, возможно, в одной только нашей галактике существуют десятки миллиардов планетарных систем разнообразных типов. К середине 2016 года астрономы нашли более 3000 экзопланет. В течение следующих 10–20 лет исследование других планетарных систем должно дать нам более точные представления о самых распространенных их конфигурациях. Скорее всего, скоро мы сможем изучить атмосферу других планет, а это должно позволить понять, сколько из них пригодны для жизни. Мы уже знаем, что многие имеют примерно те же размеры, что и Земля, и обращаются на таком расстоянии от своей звезды, чтобы на них присутствовала

вода в жидкой форме – важнейший для жизни ингредиент.

Открытие экзопланет говорит о том, что четвертый порог, как и третий, был пересечен уже множество раз и впервые это произошло в истории Вселенной довольно рано, возле звезды, которую мы, скорее всего, никогда не найдем. Но теперь нам достаточно много известно о том, как выглядит этот переход.

Образование планетарных систем – это грязный, хаотичный процесс, побочный продукт формирования звезд в химически обогащенных областях космоса. В течение миллиардов лет после Большого взрыва межзвездное пространство было заполнено облаками вещества с большим количеством разных химических элементов. Почти на 98 % они по-прежнему состояли из водорода и гелия, но критическую роль сыграли оставшиеся 2 %. Как и в ранней Вселенной, гравитация с удовольствием лепила из этих облаков комки. Возможно, в нашей части космоса ей помогла сверхновая, которая взорвалась неподалеку и перетряхнула все вокруг, в результате чего около 4,567 млрд лет назад газ и пыль стали собираться в огромное облако. В качестве визитной карточки эта сверхновая оставила характерные радиоактивные материалы, которые встречаются в метеоритах нашей Солнечной системы.

Сжимаясь, пылевое облако распалось на множество звездных туманностей. Из одной из них образовалось наше Солнце. Оно поглотило 99,9 % всего вещества вокруг себя. Но нам сейчас интересно то, что осталось – кольца мусора на орбите вокруг нашей молодой звезды. Звездная туманность сжималась под действием гравитации, и кружащаяся масса газа, пыли и частичек льда вращалась все быстрей и быстрей, пока центробежная сила не раскатала ее, как тесто для пиццы, и не получилась тонкая плоская область, где теперь расположена Солнечная система. Сегодня такие протопланетные диски можно наблюдать вблизи формирующихся звезд, так что нам известно, что они встречаются очень часто.

Вращающийся диск вещества превратился в планеты, спутники и астероиды под действием двух процессов. Первый – это химическая сортировка. Резкими выбросами из молодого Солнца заряженных частиц, которые называют солнечным ветром, с внутренних орбит выбило более легкие элементы, например водород и гелий, и образовались две отдельные зоны. Внешние области молодой Солнечной системы, как и б'oльшая часть Вселенной, состояли в основном из этих первозданных элементов, водорода и гелия. Но внутренние, где впоследствии появились каменистые планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс, – потеряли столько их молекул, что химический состав здесь оказался на редкость разнообразным. Кислород, кремний, алюминий и железо образуют более 80 % земной коры, а такие вещества, как кальций, углерод и фосфор, играют второстепенную роль. Водород – элемент среднего значения, а гелий едва ли встретишь на Земле.

Второй процесс, благодаря которому образовалась Солнечная система, – это аккреция. На отдельных орбитах вокруг молодого Солнца крупицы вещества стали медленно скапливаться вместе. Вероятно, во внешних областях, главным образом содержащих газы, это происходило вполне спокойно. Гравитация собрала вещество в огромные газовые планеты, такие как Юпитер и Сатурн, состоящие в основном из водорода и гелия с небольшими вкраплениями пыли и льда. Но во внутренних областях аккреция протекала более ожесточенно и хаотично, потому что здесь было значительно больше твердого вещества. Частицы пыли и льда слипались, образуя каменные и ледяные комочки, которые в вихре иногда разносили друг друга на куски, а иногда склеивались в более крупные комки. Наконец, появились объекты еще большего размера – метеоры и астероиды, – и на всех орбитах они налетали друг на друга или сливались в такие крупные единицы, что их гравитацией смело б'oльшую часть оставшегося хлама. В конце концов в результате этих процессов образовались планеты, которые мы видим сегодня на некотором расстоянии друг от друга на отдельных орбитах вокруг Солнца.

Это описание не вполне отражает, насколько аккреция – хаотичный и ожесточенный процесс. Некоторые объекты двигались поперек орбит, выбивая молодые планеты и спутники с места или разбивая их на куски. Возможно, к центру сместилась гигантская протопланета Юпитера, причем ее гравитационное притяжение должно было развалить любую планету, которая могла бы формироваться в области нынешнего пояса астероидов. Не исключено, что странный наклон и вращение Урана получились в результате резкого удара о другое крупное тело. А зубцы на многих астероидах – это шрамы от жестоких столкновений в начале истории Солнечной системы.