Как геология разрешает парадокс Ферми
Автор: Марсия Бьорнеруд
Вопрос о том, одиноко ли человечество в космосе, привлекает странных собеседников. Он интересует астрономов и теоретиков заговора, любителей псевдоархеологии и физиков. И, конечно же, множество писателей-фантастов, которые придумывают инопланетян от Клаату до Доктора Кто. Дуглас Адамс представил себе галактику, настолько полную жизни, что ее межзвездным путешественникам понадобился «Путеводитель автостопщика».
Учитывая разнообразие мнений о возможности существования других цивилизаций, удивительно, что лишь немногие геологи — люди, изучающие единственную планету, на которой, как известно, есть жизнь, — высказались по поводу этой космической загадки. Знаменитый вопрос физика Энрико Ферми «Где все?» уже давно не имеет геологической перспективы.
Основные удобства, которые мы считаем само собой разумеющимися на Земле, — континенты, океаны и тектонические плиты — в космическом масштабе встречаются редко.
Вот что предлагают ученые-землеведы Роберт Стерн и Тарас Герья в своей недавней работе, опубликованной в журнале Scientific Reports. Ранее предположения о внеземных цивилизациях основывались в основном на астрономических и технологических соображениях, таких как количество планетарных систем в галактике и время, которое может потребоваться разумному виду, чтобы обнаружить и начать использовать радиоволны. При этом мало внимания уделялось специфическим характеристикам потенциальных планет-хозяев — кроме наличия или отсутствия воды.
Стерн — геолог из Техасского университета в Далласе, изучающий эволюцию континентальной коры, а Герья — геофизик из Швейцарского федерального технологического института, моделирующий внутренние процессы Земли. Их вывод может разочаровать энтузиастов внеземной жизни: Вероятность существования других технологически развитых обществ меньше, чем считалось ранее, потому что основные удобства, которые мы считаем само собой разумеющимися на Земле, — континенты, океаны и тектонические плиты — встречаются в космическом масштабе редко.
Как мы можем оценить количество инопланетных цивилизаций, которые могут существовать? В начале 1960-х годов радиоастроном Фрэнк Дрейк придумал уравнение, которое многие исследователи до сих пор используют для оценки того, насколько развитыми могут быть внеземные общества. Хотя термин «уравнение» предполагает определенный уровень точности, на самом деле формула Дрейка — это не более чем грубое предположение о том, на скольких планетах может существовать сложная жизнь и есть ли у них возможность общаться с нами. Дрейк с оптимизмом смотрел на возможность межзвездной связи: позже он вместе с Карлом Саганом разработал «Золотую запись» — позолоченный диск с информацией о Земле и человеческих культурах, который был запущен в 1977 году в дальний космос на космических аппаратах «Вояджер I и II».
В оригинальном уравнении предполагаемое количество цивилизаций — это простое произведение семи факторов, или вероятностей, перемноженных вместе. Ученые достаточно хорошо знают первые три из них для Млечного Пути. Это скорость образования звезд в нашей галактике; доля тех, у которых есть планеты (вероятно, большинство, учитывая растущую перепись известных экзопланет); и среднее количество потенциально пригодных для жизни планет вокруг таких звезд (исходя из того, сколько из них будет находиться в «зоне обитаемости» звезды, где вода может оставаться жидкой).
Остальные четыре фактора в уравнении Дрейка последовательно становятся все более спекулятивными. Это: доля потенциально пригодных для жизни планет, на которых, вероятно, возникла жизнь (переменная, которая совершенно не ограничена, поскольку известен только один случай — наш); доля планет, на которых возникла разумная жизнь (критерий, который часто вызывает мрачный юмор по поводу того, подходит ли под него человеческая жизнь); доля этой доли, которая посылала сигналы в дальний космос (опять же, только один известный пример, только исходящие вызовы); и продолжительность времени, в течение которого эти цивилизации посылали такие сигналы (предстоит определить).
Тектоника плит должна быть включена в качестве критерия обитаемости планет.
Значения плюс-минус в конечном продукте, полученном по этой формуле, гигантские, и «решение» уравнения Дрейка было определено в диапазоне от 1 000 до 100 000 000 развитых цивилизаций в нашей галактике (а не 42, как могли бы ожидать поклонники Дугласа Адамса). Хотя размер этого диапазона довольно абсурден, даже нижняя оценка в 1 000 предполагает, что мы уже должны были о ком-то услышать. Тот факт, что мы ни с кем не сталкивались, известен как «парадокс Ферми».
Подходя к проблеме с геологической точки зрения, Стерн и Герья предлагают разрешить парадокс, добавив к и без того громоздкому уравнению Дрейка еще два фактора: долю пригодных для жизни планет с выраженными континентами и океанами и долю планет с тектонической системой плит, которая функционирует не менее 500 миллионов лет. По их мнению, значения этих коэффициентов очень малы, поскольку развитие выраженных континентов и водоемов, а также тектоническая привычка к переработке коры — характеристики Земли, которые мы считаем само собой разумеющимися, — маловероятны в эволюции каменистых планет.
С учетом этих новых факторов число развитых цивилизаций в нашей галактике, которые могли бы общаться с нами, падает до… почти нуля.
Это кажется правдоподобным, учитывая грандиозные масштабы истории Земли: хотя жизнь возникла и диверсифицировалась по меньшей мере 3,5 миллиарда лет назад, она оставалась в основном одноклеточной примерно до 560 миллионов лет назад, когда впервые появились макроскопические морские организмы. Потребовалось еще 100 миллионов лет, чтобы растения и животные начали выходить на сушу, и еще 450 миллионов, чтобы появился человек с орудиями труда. А мы передаем сигналы всего около 50 лет.
Стерн и Герья утверждают, что «в то время как жизнь должна развиваться в море, развитые коммуникативные цивилизации должны развиваться на суше». Это объясняется тем, что ландшафты более разнообразны, чем морские пейзажи, и поэтому способствуют большему количеству эволюционных инноваций, порождая существ с более совершенными органами чувств. Это обобщение может быть верным, но, как и многие другие астробиологические гипотезы, оно ограничено тем фактом, что у нас есть только один планетарный пример.
Могут существовать и другие пути к технологически развитой жизни. Огромное разнообразие морских организмов на Земле, как в ископаемых, так и в современных океанах, напоминает о том, что в морях с течением времени происходило множество эволюционных экспериментов. Кроме того, некоторые последние теории происхождения жизни предполагают, что первые живые клетки появились в наземных горячих источниках, а не в морской среде. Тем не менее, мы сталкиваемся с фактами: существование на Земле разных континентов и океанов привело к огромному биоразнообразию, а единственным видом, разработавшим передовые технологии, являются обитатели суши.
Потенциальное число развитых цивилизаций в нашей галактике падает до… почти нуля.
Большинство геологов согласятся с мнением Стерна и Герье о том, что тектоника плит должна быть включена в число критериев пригодности планет для жизни в долгосрочной перспективе. Тектоническая система Земли позволяет атмосфере и гидросфере планеты поддерживать связь с ее недрами в удивительном, самовоспроизводящемся цикле. Субдуцированная океаническая кора — морское дно, опускающееся в недра Земли, — переносит воду обратно в мантию, и на небольшой глубине эта вода понижает температуру плавления мантийных пород, порождая необычные магмы, из которых образуется континентальная кора — то, на чем мы, поверхностные обитатели, живем, — богатая редкими элементами, такими как фосфор, критически необходимыми для жизни.
На больших глубинах субдуцированная вода уменьшает вязкость мантии, позволяя ей вращаться, или конвектировать, более энергично, что, в свою очередь, приводит к движению плит. Когда мантия Земли отдает тепло посредством конвекции, это побуждает жидкое железное внешнее ядро также конвектировать, и это создает защитное магнитное поле Земли, которое защищает поверхность от вредного космического излучения. Без тектоники плит континенты быстро бы сошли на нет. Но тектонические столкновения постоянно омолаживают земной рельеф, давая рекам больше энергии для переноса богатых питательными веществами отложений в мелководную морскую среду. Другими словами, тектоника плит связана со всеми явлениями, поддерживающими жизнь на Земле.
Тектоническая система плит, подобная земной, требует очень специфического теплового сочетания холодной, хрустящей внешней оболочки, разбитой на подвижные куски, и теплой, липкой мантии, способной течь в твердом состоянии. Когда именно Земля достигла такого баланса, неизвестно. Поскольку Венера и Марс не обнаруживают признаков субдукции, маловероятно, что ранняя Земля с самого начала имела полноценную тектоническую систему плит.
Стерн и Герья хорошо известны в геологическом сообществе как сторонники сравнительно позднего начала тектоники земных плит — в конце протерозойского эона, около 550 миллионов лет назад. По их мнению, диагностические «индикаторы тектоники плит», такие как свидетельства спрединга морского дна и субдукции, не появляются в геологической летописи до этого времени, и они утверждают, что до этого времени Земля имела «однолидовую» тектоническую систему, подобную Марсу. В своей новой работе они продвигают эту менее распространенную точку зрения, утверждая, что появление многоклеточной жизни в то время было спровоцировано началом тектоники современного типа, которая ускорила бы доставку в океаны критически важных питательных веществ, таких как фосфор, что привело бы к цветению фитопланктона, который связывал углерод и повышал уровень кислорода в атмосфере.
Однако геологи сходятся во мнении, что Земля приняла свои современные тектонические привычки по меньшей мере 2,5 миллиарда лет назад — гораздо раньше, чем утверждают Стерн и Герья. Примерно с этого времени древние горные пояса (сохранившиеся в виде эродированных остатков) стали иметь ту же внутреннюю «архитектуру», что и более современные хребты, такие как Скалистые горы и Альпы, а некоторые из этих поясов сохранили метаморфические породы высокого давления, свидетельствующие о субдукции.
Независимо от того, когда плиты нашей планеты раскололись и начали двигаться, работа Стерна и Герье убедительно доказывает, что планет, похожих на Землю, в космосе крайне мало. Этот тезис должен заставить задуматься каждого, кто воображает, что мы сможем «терраформировать» другую планету за несколько человеческих поколений.
Действительно ли важно, что вероятность получения сообщения из дальнего космоса стала немного меньше? Может, это и к лучшему, если заставит нас с новым благоговением взглянуть на прекрасную, щедрую, загадочную планету прямо у нас под ногами.
Оригинал: Nautilus
