Могла ли жизнь зародиться, когда Вселенная была комнатной температуры?

Вселенная родилась невероятно горячей, и с тех пор она постоянно расширялась и остывала. Могла ли жизнь зародиться в те времена, когда космос был «комнатной температуры»?

Наша Вселенная, какой мы её наблюдаем сегодня, огромна и пустынна, с колоссальными пространствами между звёздами, которые, в свою очередь, сгруппированы в триллионы галактик, разбросанных на десятки миллиардов световых лет. Она также необычайно холодна; если не считать света звёзд, локально нагревающего материю, из самого космоса исходит лишь очень низкоэнергетическое фоновое излучение: тепловая ванна абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К — менее чем на три градуса выше абсолютного нуля. Но наше нынешнее положение сложилось лишь потому, что последние 13,8 миллиарда лет Вселенная расширялась, гравитировала и остывала.

На ранних этапах она была меньше, плотнее, однороднее и, конечно, горячее. Всё это уходит корнями в самые ранние моменты горячего Большого взрыва, к температурам, которые намного превосходили даже колоссальные энергии, достигаемые на Большом адронном коллайдере. В какой-то момент космической истории — между «тогда» и «сейчас» — сама Вселенная должна была быть весьма умеренным местом: с температурой примерно той, что мы сегодня считаем «комнатной». Могло ли это создать идеальные условия для существования жидкой воды и, возможно, жизни даже в глубинах космоса?

Обычно, говоря о происхождении жизни, мы предполагаем условия, схожие с теми, что были на ранней Земле. Но это не единственная возможность. Что мы можем сказать об этом раннем, даже допланетном сценарии происхождения жизни в космосе?

Когда речь заходит о зарождении жизни, мы должны помнить, что очень многое нам остаётся совершенно неведомо. Мы знаем, что Земля обитаема и что жизнь существует здесь относительно успешно уже более 3,5 миллиардов лет, а возможно, и дольше. Мы знаем, что жизнь могла возникнуть на нашей планете естественным путём из неживых «сырых» ингредиентов, но также правдоподобно и то, что она зародилась где-то ещё во Вселенной и попала на Землю в процессе, известном как панспермия, прежде чем закрепиться здесь и дать начало всем организмам, которые появились с тех пор.

Мы знаем, что все живые существа на Земле обладают общими чертами:

у них есть метаболизм,
у них есть оболочка или мембрана, отделяющая их внутреннюю среду от внешней,
они используют энергию и реагируют на раздражители из окружающей среды,
и у них есть внутренний информационный «код» в виде нуклеиновых кислот, который кодирует производство белков и других молекул, необходимых для выполнения их биологических функций.

Однако мы не знаем, является ли клеточная структура обязательным требованием для жизни или это просто то, что выжило и преуспело здесь, на Земле. Мы не знаем, где и как зародилась жизнь на Земле, и даже зародилась ли «жизнь на Земле» именно на Земле.

Очень опасно делать серьезные выводы о жизни в других частях Вселенной на основе выборки из одного-единственного примера, ведь Земля — единственный мир, о котором мы точно знаем, что он обитаем. Многие из наших знаний о земной жизни часто принимаются за условия и для жизни в других местах, но у нас нет доказательств универсальности этих свойств. Например:

вся жизнь на Земле зависит от наличия жидкой воды,
вся жизнь на Земле использует 20–22 аминокислоты, и все они являются левовращающими (L-хиральными),
вся жизнь на Земле использует РНК и/или ДНК для кодирования генетической информации,
и вся жизнь на Земле генетически прослеживается до так называемого LUCA, или Последнего универсального общего предка, что указывает на единое происхождение жизни, а не на несколько независимых.

Мы находим жизнь даже в экстремальных условиях здесь, на Земле: у гидротермальных источников на дне океана, в кратерах действующих вулканов, глубоко под землёй, высоко над облаками в нашей атмосфере и во льдах, которые были заморожены как минимум сотни тысяч лет. Есть веские основания полагать, что другие среды, даже сильно отличающиеся от земных, также могут дать начало жизни — возможно, основанной на других жидкостях, кроме воды, на других аминокислотах, с пептидными нуклеиновыми кислотами вместо ДНК или РНК и с множеством возможных историй происхождения.

Однако в одном мы можем быть уверены: хотя, судя по нашим знаниям об эволюции Вселенной, появление жизни было возможно задолго до формирования планеты Земля, это было невозможно с самого начала. Жизнь, по крайней мере та, что нам известна, основана на химии и зависит от взаимодействия атомов и молекул. Это требует наличия разнообразных атомов, способных связываться друг с другом, образуя различные структуры. И хотя мы можем представить себе совершенно иной набор молекул, дающих начало жизни, нам всё равно нужен определённый набор сырья — атомов, — чтобы в принципе рассматривать возможность её появления.

И это накладывает на нас очень сильное ограничение. Сам по себе Большой взрыв не предоставил нам широкого разнообразия атомов в качестве сырья. Хотя на ранних этапах протоны, нейтроны и электроны были в изобилии, и был период ядерного синтеза (известный как нуклеосинтез Большого взрыва), единственными исходными элементами до формирования звёзд были атомы, чьи ядра состояли из:

голых протонов, или «обычного» водорода, составлявшего 92% всех атомов по числу (и ~75% по массе),
альфа-частиц, или ядер гелия-4, составлявших ~8% атомов,
дейтерия, или водорода-2 (один протон и один нейтрон), составлявшего ~0,001% атомов,
гелия-3, лёгкого изотопа гелия, составлявшего ~0,0003% атомов,
атомов лития (как Li-6, так и Li-7), составлявших ~0,0000001% атомов,
атомов бериллия (например, Be-9, а не Be-7, который нестабилен и распадается на литий), составлявших 1 атом на 10¹² атомов,
и, наконец, ничтожных следов углерода, азота и кислорода, составлявших 1 атом на 10¹⁴, 10¹⁷ и 10¹⁸ атомов соответственно.

Принято считать, что углерод, азот, кислород и водород — незаменимые элементы для жизни, а фосфор, сера, натрий, кальций, калий, хлор, магний и другие также обычно рассматриваются как обязательные. Это потому, что если у вас есть только простейшие ингредиенты — а до появления первых звёзд в сколько-нибудь значительном количестве это были исключительно водород и гелий — то и молекулы, которые вы можете создать, будут очень простыми. Фактически, водород и гелий могут соединяться лишь в несколько комбинаций:

одноатомный водород,
одноатомный гелий,
нейтральный газообразный водород (H₂),
гидрид гелия (HeH+),
и почти ничего больше.

Это важно, потому что для запуска химических реакций, способных привести к метаболизму, извлечению энергии из окружающей среды, созданию сложных, дифференцированных структур (даже простых молекулярных), которые могут поддерживать жизненные процессы, а также для кодирования информации, ведущей к размножению или самовоспроизведению, требуется гораздо большее разнообразие молекул. Это означает, что нам нужны более тяжёлые элементы, способные к более сложным химическим связям, чем водород и гелий. А это, в свою очередь, означает, что нам нужен способ эти элементы создать.

Другими словами, чтобы получить молекулы, необходимые для жизни, нам нужны звёзды, которые произведут эти атомы. Если мы предположим, что нам нужна вода, а вода состоит из водорода (которого всегда в избытке) и кислорода (который появляется в изобилии только после зажигания первых звёзд), то нам снова нужны звёзды. Это ставит перед нами два больших научных вопроса, если мы хотим рассмотреть возможность зарождения жизни на заре космической истории — когда Вселенная была комнатной температуры.

В какую эпоху космической истории были достигнуты эти условия комнатной температуры?
И как эта эпоха соотносится с самой ранней возможной эпохой, когда звёзды могли сформироваться, прожить, умереть и обогатить окружающее пространство первыми тяжёлыми элементами?

Прелесть этих вопросов в том, что они дают нам метод для сравнения. Если звёзды формировались, жили и умирали до того, как Вселенная достигла комнатной температуры, то могли существовать не только запасы воды, но и, возможно, сложные молекулы рядом с этой водой при температурах, благоприятных для её существования в жидкой фазе. Можно возразить, что для поддержания воды в жидком состоянии нужна планета с достаточным давлением, но быстрый взгляд на любую фазовую диаграмму воды показывает, что давление требуется совсем небольшое: достаточно примерно 1% от атмосферного давления Земли. При этом температура может быть даже ниже 300 К — вплоть до 273 К при таком низком давлении (и до ~251 К при сверхвысоких давлениях), и вода всё равно останется жидкой.

Вселенная остывает по мере расширения по определённой причине: длина волны любого фотона, путешествующего в пространстве, растягивается вместе с расширением Вселенной. Для фотонов — частиц света — энергия определяется длиной волны, поэтому, когда длина волны растягивается, они теряют энергию. Большая система частиц с энергией, даже если это фотоны, имеет определённую температуру, так что увеличение длины волны соответствует более низким, холодным температурам.

Но верно и обратное: если представить, что часы Вселенной можно запустить вспять, то остаточное излучение Большого взрыва, которое сегодня имеет температуру 2,725 К, в прошлом имело бы более короткие волны и, следовательно, более высокие температуры. Поскольку это соответствует эпохе, когда Вселенная была моложе, меньше, однороднее и горячее, мы можем просто использовать наши знания о расширяющейся Вселенной, чтобы экстраполировать назад и спросить: «Когда Вселенная имела ту или иную температуру?» Вот несколько интересных значений для температуры (T), красного смещения (z), расстояния до этой эпохи (d) и времени с момента Большого взрыва (t):

T = 100 K, z = 35,7, d = 38,4 млрд световых лет, t = 76 млн лет
T = 251 K, z = 91, d = 41,5 млрд световых лет, t = 19 млн лет
T = 273 K, z = 99, d = 41,7 млрд световых лет, t = 17 млн лет
T = 300 K, z = 109, d = 42,0 млрд световых лет, t = 14 млн лет

Для сравнения, самый ранний и далёкий подтверждённый объект в истории космоса — это галактика MoM-z14. Её свет дошёл до нас из времён, когда Вселенная была уже намного, намного старше и более развитой, чем в любом из этих сценариев: её температура составляла T = 42 K, красное смещение z = 14,3, расстояние d = 33,8 млрд световых лет, а возраст — 286 миллионов лет. Самый далёкий кандидат в объекты, когда-либо замеченный телескопом «Джеймс Уэбб» (статус которого крайне спорен и не был ни подтверждён, ни изучен спектроскопически), если он реален, относится ко времени, когда температура Вселенной была T = 70 K, красное смещение z = 25, расстояние d = 36,8 млрд световых лет, а возраст космоса t = 128 миллионов лет.

Теоретически мы можем задаться вопросом, когда сформировались самые первые звёзды, и здесь оценки сильно разнятся: от столь позднего времени, как t = 98 миллионов лет (температура T = 84 K), до такого раннего, как t = 28 миллионов лет (температура T = 193 K). Вы можете спросить: «Хорошо, а могли ли звёзды образоваться ещё раньше, чем показывают самые ранние модели и симуляции?»

Возможно, но такой сценарий потребовал бы какой-то нестандартной физики, выходящей за рамки обычных процессов формирования структур, которые связаны с флуктуациями температуры, наблюдаемыми в реликтовом излучении. Эти флуктуации температуры соответствуют флуктуациям плотности, и именно области с повышенной плотностью начинают гравитационно коллапсировать первыми, потенциально формируя звёзды.

Однако первые звёзды, скорее всего, были:

массивнее,
ярче,
голубее,
горячее
и жили меньше,

чем даже самые короткоживущие и массивные звёзды, которые формируются сегодня. В то время как самая массивная звезда, когда-либо обнаруженная в нашей современной Вселенной, достигает предела примерно в 260 солнечных масс, звёзды, которые, по теориям, формировались очень рано, могли иметь массу в сотни, тысячу или даже несколько тысяч солнечных масс. С такой огромной массой эти звёзды могли прожить, умереть и обогатить Вселенную тяжёлыми элементами всего за миллион лет.

Но это всё равно требует, чтобы они сформировались невероятно рано. Чтобы эти самые первые звёзды успели умереть к тому времени, когда температура Вселенной всё ещё составляла 273 K или выше, нужно, чтобы они сформировались всего за ~16 миллионов лет. Это просто не представляется возможным, учитывая то, что мы знаем о физике ранней Вселенной и условиях, существовавших в эпоху, когда было испущено реликтовое излучение (CMB): в возрасте t = 380 000 лет.

Реликтовое излучение говорит нам, насколько плотными были самые плотные области пространства в то время, а законы общей теории относительности и физика расширяющейся Вселенной позволяют нам рассчитать, сколько времени потребуется этим уплотнениям, чтобы вырасти в регионы, способные формировать звёзды. Проще говоря, Вселенная не успеет стать достаточно плотной достаточно быстро, чтобы где-либо успели сформироваться звёзды, прежде чем она станет слишком холодной для существования воды в жидком состоянии.

Однако всё изменится, когда мы перестанем зависеть от остаточного свечения Большого взрыва — этой тепловой ванны фотонов, составляющей сегодня реликтовое излучение, — как от источника тепла, определяющего общую температуру. Переходным моментом станет коллапс газовых облаков и удержание тепла внутри них, что не только приводит к формированию звёзд, но и объясняет, откуда звёзды берут большую часть своего тепла. (Сюрприз: не из ядерного синтеза!) Как только мы перейдём от состояния, где остаточное свечение Большого взрыва доминирует в определении температуры, к состоянию, где локальную температуру определяет близость к звёздам и субзвёздным объектам, у нас наконец-то снова может появиться жидкая вода.

И вот тогда, как предполагается, если у нас может быть жидкая вода, возможно, у нас может быть и жизнь. Может оказаться, что жизнь, зародившаяся в каких-то экзотических условиях, предшествовала появлению землеподобных каменистых планет. Вполне вероятно, что для зарождения жизни планета и вовсе не нужна, и она могла возникнуть в другом месте в космосе при подходящих условиях.

Но «правильных условий» не существовало в те времена, когда Вселенная была комнатной температуры, то есть между 10 и 17 миллионами лет после Большого взрыва. Одним из необходимых условий для жизни является наличие сложных тяжёлых элементов, а для этого нужно, чтобы сформировались звёзды, что, в свою очередь, требует больше времени, чем было в нашей реальной Вселенной. Жизнь действительно могла зародиться раньше, чем предполагает большинство современных учёных, но не так рано, когда Вселенная была комнатной температуры.