Чтение онлайн

Кроме того, возросшая сила тяжести увеличила бы давление на атмосферу и океаны планеты. Самый простой способ убедиться в этом — вернуться к примеру, который мы использовали в главе 8, где мы говорили о колонне с основанием в виде квадрата со стороной в 1 дюйм (около 2,5 см), которая поднимается от вашей руки до космоса. Давление на этот 1 квадратный дюйм вашей руки будет равно весу воды и воздуха в колонке. Это означает, что если бы в атмосфере суперземли находилась та же масса воздуха и воды, что и на Земле, где давление в колонне составляет 14,7 фунтов (6,5 кг), то давление на 1 квадратный дюйм вашей руки составляло бы около 30 фунтов (14 кг). Это, в свою очередь, означает, что явление, которое мы назвали пределом льда X в главе 8, на суперземлях будет наблюдаться в более мелких океанах, чем на планете вроде той, что мы назвали Нептунией.

Жизнь и выход на сушу

Давайте чисто теоретически рассмотрим суперземлю в восемь раз массивнее, чем Земля, но с той же плотностью — планету того типа, о котором мы говорили в предыдущем разделе. Давайте предположим, что она находится в центре ЗООЗ своей звезды, и на её поверхности есть океаны жидкой воды. Мы назовём эту планету Здоровяком.

Нет никаких причин, по которым на Здоровяке не повторились бы те же самые процессы, которые привели к появлению жизни на Земле. Возможно, там жизнь зародилась бы в первичном бульоне или вокруг гидротермальных источников срединно-океанических хребтов, а затем переселилась бы на поверхность. Возможно, фотосинтез насытил бы атмосферу кислородом, и в океанах распространилась бы многоклеточная жизнь. Увеличенная сила тяжести Здоровяка не оказала бы значительного влияния ни на один из этих процессов.

Однако она имела бы большое значение во время расселения жизни на сушу. Чтобы понять, почему это происходит, нам нужно вернуться к древним грекам. Архимед Сиракузский (ум. 212 г. до н.э.) — первый человек, о котором известно, что он открыл закон плавучести. Представьте себе, если хотите, куб, который ограничивает блок воды на поверхности океана. Вода в кубе имеет определённый вес, и давление, оказываемое снизу вверх на дно куба океаном, находящимся под ним, просто поддерживает этот вес. Это называется выталкивающей силой.

Если мы заменим куб воды кубом, содержащим какой-либо другой материал, существуют два возможных последствия: новый куб весит либо больше, чем старый, либо меньше. Если он весит больше, выталкивающая сила не сможет уравновесить силу тяжести, воздействующую на материал, и объект утонет. С другой стороны, если новый материал весит меньше, чем вытесненная вода, выталкивающая сила будет больше, чем сила тяжести, воздействующая на новый материал, и он будет продолжать плавать на поверхности океана.

Обратите внимание, что здесь имеет значение количество вытесненной воды — в нашем примере это объём куба. Вот почему стальной корабль будет плавать, даже если стальной стержень без воздуха внутри утонет: корабль вытесняет объём воды, равный объёму как самого корпуса, так и воздуха внутри корпуса, который весит значительно меньше, чем вода.

Когда жизнь, будь то микробная или многоклеточная, ограничивается океаном, выталкивающая сила всегда будет поддерживать её, потому что физические объекты всегда будут вытеснять определённое количество воды. Однако когда жизнь выходит на сушу, всё меняется: лишенные поддержки выталкивающей силы воды, живые существа должны найти способ поддерживать себя в условиях действия силы тяжести.

Мы можем получить некоторое представление о том, как происходит этот переход, взглянув, как процесс выхода на сушу происходил на Земле. Точная дата его по-прежнему является предметом дискуссий. Генетический анализ показывает, что зелёные водоросли образовали слизистый слой на прибрежных скалах ещё 610 миллионов лет назад, и существуют ископаемые свидетельства наличия спор (присутствие которых указывает на процветание наземной растительной жизни) около 450 миллионов лет назад. Однако мы знаем, что растения (а позже и животные) выработали в процессе эволюции стратегии борьбы с утратой опоры в виде выталкивающей силы. По нашим представлениям, они подразделяются на два противоположных друг другу класса, которые мы схематично представим как омар против скелета или, для тех, кого больше интересует архитектура, как романская церковь против современного небоскрёба.

Суть такова: у каждого живого существа на суше должна быть какая-то граница, которая отделяет его от окружающей среды, и оно должно каким-то образом поддерживать себя и противостоять силе тяжести. Вопрос здесь в том, выполняет ли эти две функции один и тот же структурный элемент, или же разные.

Экзоскелет омара (и других организмов, например, насекомых) и стены романской церкви выполняют обе эти функции одновременно: они отделяют внутреннюю среду от внешней и поддерживают вес тела. В противоположность им, человеческий скелет и стальной каркас современного небоскрёба держат на себе вес, но оставляют функцию разграничения другим структурам. В случае с людьми кожа отделяет нас от окружающей среды, но не играет никакой роли в противодействии силе тяжести. То же самое можно сказать и о стеклянных ненесущих стенах, которые так часто используются в современных небоскребах. Мы не видим причин, по которым живые системы на Здоровяке не могли бы использовать стратегии обоих типов: мы ожидаем, что скелеты живых существ там будут более мощными, чем у их земных собратьев, а «кожа» обладающих скелетом существ планеты, вероятно, должна быть толще нашей, чтобы выдерживать свой собственный вес.

Чтобы получить некоторое представление о том, как могли бы эволюционировать живые организмы на Здоровяке, мы можем вернуться к 17 веку и работе Галилео Галилея. Хотите верьте, хотите нет, но последняя из написанных им книг, «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (1638), очень важна для обсуждения жизни на суперземлях. «Две новых отрасли науки», упомянутые в названии, — это то, что мы сегодня назвали бы наукой о материалах, и наукой о движении брошенного тела. Нас интересует первая из них.

Одну из проблем, к которым обращался в этой книге Галилей, подсказало его давнее сотрудничество с Венецианским Арсеналом, Пентагоном тех времён. Её можно сформулировать просто: когда инженеры хотели построить судно большего размера, они брали конструкцию судна меньшего размера, которая идеально соответствовала требуемым характеристикам, и просто удваивали все размеры. К их удивлению, судно большего размера показывало себя уже не так хорошо. Объяснение этого факта было, по сути, одной из «новых наук», которые изучал Галилей. Его результаты играют решающую роль в определении того, как будут развиваться организмы на суперземле вроде Здоровяка.

Чтобы понять его доводы, начните с того, что представьте себе куб из какого-то материала с длиной стороны 1 фут (около 30 см). На нижнюю поверхность этого блока должен приходиться вес только одного этого блока. Теперь удвойте все размеры, сложив другие блоки со сторонй в 1 фут, чтобы у нас получился куб из восьми блоков с длиной стороны 2 фута (около 60 см). Теперь вес, приходящийся на нижнюю поверхность исходного блока, будет вдвое больше, чем был раньше — он должен выдерживать и собственный вес, и вес блока сверху. Ещё раз удвойте размеры, сложив в куб 64 блока (длина стороны 4 фута, или 1,2 метра), и нижняя грань исходного 1-футового блока должна будет выдерживать вес уже четырёх таких блоков. Продолжайте увеличивать размер штабеля по вертикали, и вес, приходящийся на нижнюю поверхность исходного блока, будет продолжать увелчиваться.

В итоге мы достигнем точки, где прочность материала исходного блока уже не сможет выдерживать накопившийся на нём вес, и исходный блок рассыплется. Это означает, что существует максимальная высота, до которой может увеличиться куб, прежде чем начнёт разрушаться. Это, кстати, объясняет, почему на Земле нет гор высотой более 5 миль (7,5 км) — высота горы Эверест. Нагромождение ещё большего количества материала на высокую гору привело бы к растрескиванию и разрушению нижележащих скальных пород, поэтому высота гора не могла бы увеличиваться дальше. К тому же это говорит ещё и о том, что самые высокие горы на Здоровяке будут достигать высоты примерно 13 000 футов (4 км) или около того — где-то вдвое меньше высоты Эвереста. (Для читателей с математическим складом мышления отметим, что довод Галилея основывается на том факте, что объём и, следовательно, масса конструкции зависят от куба, тогда как размер площади опоры — от квадрата её размеров.)[11]