Новая переменная в уравнении Дрейка: без топлива разумные миры не могут выйти на связь

Есть допущение, что любой биологический вид, достигший высокого уровня интеллекта, со временем неизбежно создаст технологии для межзвездной связи. Однако расчеты показывают, что между появлением абстрактного мышления и постройкой радиотелескопа лежит препятствие, которое невозможно преодолеть одним лишь интеллектом. Это препятствие — наличие доступных источников энергии с высокой плотностью.

Фото: Александр Рощин is licensed under Pravda.Ru

Поиск разумных цивилизаций с помощью топлива

В новой научной работе, опубликованной в журнале International Journal of Astrobiology, исследователи Линкольн Таиз, Джоэл Примак, Даг Хеллингер и Питер Уорд обосновывают необходимость пересмотра уравнения Дрейка. Они утверждают, что в формулу, определяющую число технологически развитых цивилизаций в Галактике, должен быть включен новый параметр: вероятность формирования на планете крупных месторождений угля.

Энергетическая плотность и пределы роста

Главная проблема доиндустриальных обществ заключается в низкой энергетической эффективности доступного им топлива. Древесина и любая другая биомасса — это продукты фотосинтеза, который имеет крайне низкий коэффициент полезного действия.

Растения преобразуют менее 0,5% солнечной энергии в массу. В результате плотность мощности, которую можно получить из древесины, составляет около 0,5 Ватт на квадратный метр площади леса.

При этом потребности даже небольшого города доиндустриальной эпохи (для отопления, приготовления пищи и примитивных ремесел) составляют от 20 до 30 Ватт на квадратный метр городской застройки. Это означает, что для обеспечения жизнедеятельности города требуется территория леса, в 50 раз превышающая площадь самого города.

В XVIII веке производство железа в Великобритании требовало ежегодной вырубки более 180 тысяч квадратных километров леса. Это предел, за которым наступает полное уничтожение экосистемы и остановка экономического развития.

Уголь кардинально изменил это уравнение. Места добычи угля обеспечивают плотность мощности от 1 000 до 10 000 Ватт на квадратный метр. Это в тысячи раз эффективнее древесины. Именно высокая концентрация энергии в ископаемом топливе позволила человечеству создать металлургию высокого уровня и стальные инструменты.

Без угля было бы невозможно создать оборудование для бурения глубоких скважин, через которые в XX веке начали добывать нефть и газ. Большинство месторождений жидких углеводородов находятся на глубине более километра и технически недоступны для цивилизации, использующей только мускульную силу и дерево.

Биологическое условие: редкость кислородного фотосинтеза

Уголь — это не просто ископаемый углерод, а результат работы конкретного биологического механизма — оксигенного (кислородного) фотосинтеза. Этот процесс обеспечивается ферментом фотосистемы II (PSII), который расщепляет воду на кислород, протоны и электроны.

С точки зрения биохимии, PSII является крайне сложным и уникальным объектом. Он содержит специфический кластер из атомов марганца и кальция, который не имеет аналогов в живой природе и не был воспроизведен в лабораторных условиях с той же эффективностью.

Весь кислород в атмосфере Земли и вся масса ископаемого топлива — результат работы этого единственного механизма, возникшего за миллиарды лет эволюции лишь однажды.

Если на другой планете жизнь пойдет по пути более простого аноксигенного (безкислородного) фотосинтеза, там никогда не накопится достаточно кислорода для существования крупных многоклеточных организмов. Соответственно, там не возникнет древесная растительность, способная формировать угольные пласты. Без этого первого биологического звена энергетическая база для индустриализации будет отсутствовать.

Геологическое условие: механизм углефикации

Даже наличие лесов не гарантирует появление угля. Превращение биомассы в энергетически плотное ископаемое топливо (углефикация) — это многоступенчатый процесс, требующий специфических геологических условий.

Первый этап — образование торфа. Для этого необходимо, чтобы отмершие растения накапливались в условиях отсутствия кислорода (например, в болотах), иначе бактерии полностью разложат их, превратив обратно в углекислый газ. На Земле около 90% промышленного угля сформировалось в период между 330 и 260 миллионами лет назад (Каменноугольный период).

Это произошло благодаря совпадению трех факторов:

Тектоника плит: движение земной коры привело к формированию суперконтинента Пангея. Вдоль растущих горных хребтов образовывались огромные низменности — предгорные бассейны. Земная кора в этих местах постоянно опускалась, позволяя слоям растительности быстро уходить под землю и перекрываться осадочными породами (песком и илом).

Климатические циклы: регулярные изменения уровня мирового океана приводили к тому, что прибрежные леса затапливались, а затем снова вырастали на слое осадков. Это создало многослойную структуру угольных пластов.

Химическая трансформация: под давлением вышележащих пород и воздействием температуры на глубине из биомассы удаляются вода, кислород и водород. Остается чистый углерод. Чтобы торф превратился в антрацит (самый калорийный уголь), он должен провести миллионы лет на глубине около 6 километров при температуре более 200 градусов Цельсия.

На планетах, где нет тектоники плит, процесс захоронения углерода будет невозможен. Органическая масса будет оставаться на поверхности и окисляться, не превращаясь в топливо.

Проблема синхронизации интеллекта и ресурсов

Исследователи выделяют еще один критический фактор — время. Уголь должен не просто сформироваться, он должен стать доступным для добычи в тот момент, когда вид достигнет достаточного интеллектуального развития.

Процесс созревания угля занимает от 100 до 300 миллионов лет. На Земле эволюция человека произошла значительно позже завершения основных процессов углефикации. Это позволило людям использовать уже готовый, энергетически плотный ресурс.

Если разумный вид возникнет слишком рано в истории своей планеты, он обнаружит только торф или лигнит (бурый уголь). Эти материалы содержат много воды и мало углерода. Они непригодны для создания температур, необходимых для выплавки высококачественной стали. Если же вид появится слишком поздно, процессы эрозии коры или движения плит могут уничтожить доступные месторождения или переместить их на глубину, недоступную для начальных стадий развития техники.

Таким образом, для создания технологической цивилизации необходимо точное совпадение моментов биологической зрелости вида и геологической готовности ресурсов.

Последствия для поиска внеземных цивилизаций

Если гипотеза о "угольном фильтре" верна, это радикально меняет наше представление о распространенности разумной жизни в космосе. Традиционные поиски сосредоточены на планетах в "зоне обитаемости", где может существовать жидкая вода. Однако исследование показывает, что наличие воды и жизни — это лишь базовый уровень.

Возможно, во Вселенной существует множество обитаемых миров с разумными существами, которые навсегда остались в рамках аграрного строя. Они могут владеть математикой и астрономией, но отсутствие концентрированного ископаемого топлива не позволяет им перейти к промышленному производству металлов, созданию мощных генераторов и передатчиков радиосигналов.

Добавление параметра ископаемого топлива в уравнение Дрейка делает вероятность обнаружения внеземного сигнала значительно ниже. Это дает одно из возможных объяснений парадокса Ферми: мы не слышим другие цивилизации не потому, что их нет, а потому, что большинство из них не имело энергетической возможности развить обнаруживаемые технологии.

Наш пример технологического развития может оказаться результатом крайне редкого совпадения биологических, тектонических и временных факторов, которые обеспечили нас топливным фундаментом для выхода в космос.