Текст книги "Вселенная внутри вас"

Брайан Клегг
Вселенная внутри вас

© 2012 by Brian Clegg

© Перевод. ООО «Попурри», 2014

* * *

Слова благодарности

Большое спасибо Джиллиан, Челси и Ребекке.

Я очень признателен Саймону Флинну, Дункану Хиту, Эндрю Фэрлоу, Гарри Скобблу и всем сотрудникам издательства «Icon» за помощь и поддержку.

Мне также хотелось бы поблагодарить ученых, которые не ленились отвечать на мои идиотские вопросы: доктора Генри Джи, профессора Стивена Карри, профессора Дана Саймонса, профессора Арнта Маасе, доктора Майка Данлейви, профессора Гюнтера Нимца, профессора Фридриха Вильгельма Хеля и доктора Дженнифер Рон.

Введение

Мы привыкли считать, что наука – это что-то далекое от нас, что ею занимаются ученые в лабораториях, заставленных приборами странного вида, и что для нее необходимы огромные и невероятно сложные устройства типа Большого адронного коллайдера. Но у каждого из нас есть своя научная лаборатория – собственное тело, представляющее собой сверхсложную структуру, в функциях которой находят отражение самые различные явления науки и природы.

В этой книге вы будете использовать свое тело как научный инструмент, позволяющий раскрыть тайны Вселенной. Некоторые опыты можно проводить прямо у себя дома, а для некоторых вам придется покинуть свое тело и отправиться в путешествие к звездам и даже дальше. Это необходимо для того, чтобы проиллюстрировать фундаментальные аспекты науки, лежащие в основе реальности, но в конечном итоге мы все равно вернемся к самому загадочному и сложному произведению природы – человеческому телу.

Брайан Клегг, 2012 год

1. Стоя перед зеркалом

Встаньте перед зеркалом, желательно таким, в котором отражаетесь в полный рост, и хорошенько рассмотрите себя. Не мимоходом, как обычно, а пристально. Возможно, при этом у вас могут появиться не вполне приятные мысли, так как мы склонны обращать внимание на всяческие несовершенства типа лишних сантиметров на талии. Но речь совсем не об этом. Я хочу, чтобы вы рассмотрели себя как человеческое существо.

Читая эту книгу, вы будете пользоваться своим телом как инструментом для изучения самых разных научных аспектов. Все они присутствуют в вашем теле, начиная от химических реакций, происходящих в процессе пищеварения, до теории Большого взрыва и других непостижимых загадок Вселенной. Тело станет вашей лабораторией и обсерваторией.

Вы можете посмотреть на него в целом как на единый объект, как на живое существо. Но можно также углубиться в детали, обращая внимание на то, как тело взаимодействует с окружающей средой и использует содержащуюся в пище энергию. Мы сможем рассмотреть в нем от 10 до 100 триллионов клеток. Каждая клетка представляет собой сложнейшую единицу жизни, но если взять каждую из них по отдельности, то это будете уже не вы. Если пойти еще дальше, то в большинстве клеток тела можно обнаружить сложное химическое соединение, представляющее собой крупнейшую из известных молекул. Это ДНК, содержащаяся в хромосомах.

Продолжая всматриваться в детали, вы в конце концов дойдете до атомов, из которых состоит вся материя. Здесь уже становится трудно оперировать привычными цифрами, так как организм взрослого человека состоит примерно из 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 атомов. Обычно в этом случае пользуются выражением 7 × 1027, которое означает, что за семеркой следует 27 нолей. Это число в миллиард раз больше, чем количество секунд, прошедших с момента возникновения Вселенной.

Стоя перед зеркалом, вы можете увидеть еще множество самых невероятных вещей.

Что мы видим в отражении

Через несколько минут мы углубимся с вами в исследование миниатюрной вселенной, заключенной в вашем теле, но пока давайте еще немного побудем снаружи и посмотрим на свое отражение. У вас есть шанс исследовать одну загадку, которая не дает покоя людям на протяжении многих столетий.

Стоя перед зеркалом, поднимите правую руку. Какую руку поднимает ваше отражение?

Из собственного опыта вам хорошо известно, что левую.

Вот вам и загадка. Зеркало всегда делает правую сторону левой, и наоборот. Мы настолько к этому привыкли, что даже не задумываемся, почему так получается. Левая рука в отражении становится правой. Если вы закроете правый глаз, отражение закроет левый. Если волосы у вас зачесаны на левую сторону, у отражения они будут зачесаны на правую. Однако голова у отражения будет, как и у вас, находиться сверху, а ноги – снизу (если зеркало позволяет вам разглядеть себя в полный рост). Почему же зеркало меняет правую и левую стороны, но не меняет верх и низ? Почему оно так по-разному подходит к этим двум измерениям?

У вас есть возможность подойти к этой проблеме с научных позиций. На возникновение отражения в зеркале влияют три вещи: путь, который световые лучи проходят между вашим телом и зеркалом, способ восприятия этих лучей (с помощью глаз) и, наконец, способ интерпретации полученных сигналов мозгом. Все эти аспекты мы подробно рассмотрим ниже, но один момент привлекает внимание сразу же. Ваши глаза расположены горизонтально. У вас есть правый и левый глаза, но нет верхнего и нижнего. Может быть, смена сторон объясняется как раз этим?

К сожалению, нет. Это хорошая гипотеза, но в данном случае она неверна. И в этом нет ничего страшного. Многие открытия в науке совершаются, когда ученый понимает, что его идея не соответствует действительности. Давайте проведем небольшой эксперимент, который позволит понять, что же происходит на самом деле.

Эксперимент с зеркалом

Возьмите закрытую книгу (или журнал) и держите ее перед собой лицевой стороной обложки к себе. Посмотрите на ее отражение в зеркале. Что вы видите? Постарайтесь описать увиденное как можно точнее. Перечислите все моменты, которые заметили в отражении. Вероятно, это поможет вам понять загадку зеркала.

Сначала проведите этот опыт самостоятельно, а потом послушайте, что в нем заметил я:

• Все надписи на книге перевернуты слева направо, и буквы имеют зеркальное написание.

• Отражение находится на таком же расстоянии от поверхности зеркала, что и сама книга.

• Все цвета отражения в точности соответствуют цветам оригинала.

• Если в книге, которую я держу перед собой, мне видна лицевая сторона обложки, то в отражении – оборотная.

Обратите особое внимание на последний пункт. Книга остается той же самой, но лицевая сторона обложки в отражении вдруг заменяется оборотной. Вот здесь-то и кроется разгадка. Зеркало меняет местами не левую и правую стороны, а переднюю и заднюю.

Фактически оно выворачивает изображение наизнанку. Тыльная сторона моей книги в отражении становится лицевой. Отложите книгу в сторону и снова обратите внимание на себя. Представьте, что ваша кожа сделана из резины и может растягиваться как угодно. Снимите с себя эту воображаемую кожу, пронесите ее сквозь зеркало и, не поворачивая, выверните наизнанку. Кончик вашего носа, который до этого указывал вперед, в сторону зеркала, теперь смотрит в обратном направлении. Те части тела, которые располагались ближе к зеркалу, так же располагаются по отношению к нему и в отражении. Просто все ваше изображение вывернуто наизнанку.

Так что на самом деле левая и правая половины не меняются местами и вам не надо ломать голову над тем, почему зеркало не меняет местами верх и низ. Причина того, что у вас возникла иллюзия смены сторон, кроется в вашем мозге. Когда вы смотрите на свое отражение в зеркале, мозг пытается отождествить его с вами. Это ему легче всего сделать, мысленно развернув отражение на 180 градусов. При этом левая и правая стороны меняются местами. Однако вы должны понимать, что смену сторон осуществляет не зеркало, а ваш мозг, который пытается по-своему интерпретировать полученные сигналы.

Решив загадку зеркала, давайте теперь займемся исследованием Вселенной, взяв за основу пусть и не самую примечательную, но крайне необычную часть своего тела – человеческий волос.

2. Один волосок

Крепко возьмитесь за один из волос на голове и вырвите его. Никто не обещал, что познание научных истин будет проходить безболезненно. Если вы не настроены терпеть боль, можете снять волосок с расчески. Если вы уже облысели, возьмите чужой волос – предварительно спросив разрешения, разумеется! А теперь взгляните, что у вас в руке. Это длинный, чрезвычайно тонкий и гибкий, но на удивление прочный цилиндр.

Рассмотрите его во всех подробностях, насколько позволяет зрение. Если у вас под рукой есть микроскоп, можете воспользоваться им, но в принципе будет достаточно и увеличительного стекла.

С этого волоса начинается наш путь к открытиям в любой области науки – от философии до физики. Вы сомневаетесь, что в обычном волосе можно найти что-то философское? Подумайте сами: вы живы, а этот волос является вашей неотъемлемой составной частью (во всяком случае, был таковым, пока вы его не вырвали). Тем не менее волосы, покрывающие ваше тело, мертвы. Они не состоят из живых клеток. То же самое можно сказать о ногтях на руках и ногах. Итак, вы живы, а некоторые части вашего тела мертвы.

Вспомните об этом, когда телевизионная реклама будет в очередной раз соблазнять вас продуктами, которые вдохнут в ваши волосы «жизнь и здоровье». Волосы не могут быть ни живыми, ни здоровыми. Они мертвы. Абсолютно мертвы. Вас это беспокоит? Не стоит тревожиться. Такими они и должны быть. После этого остается только удивляться тому, что в продаже имеется множество средств, которые якобы питают волосы.

Мы ведем разговор об одном-единственном волосе, но у вас их очень много (надеюсь), причем по всему телу. На голове человека растет в среднем 100 тысяч волос, хотя у блондинов эта величина обычно отклоняется в б ольшую сторону, а у рыжих – в меньшую. Когда мы смотрим на отдельный волос, его цвет не так заметен, как в составе шевелюры, тем не менее он есть.

Натуральный цвет

Цвет волос зависит от двух вариантов пигмента под названием «меланин». Один из них – феомеланин – придает волосам рыжий цвет. Прочие оттенки цветов, от самого светлого до самого темного, зависят от количества другой разновидности этого пигмента – эумеланина, представляющего собой исходную форму пигмента волос. Рыжие волосы появились в результате мутации на каком-то этапе человеческого развития.

По мере старения количество пигмента в волосах уменьшается вплоть до полного исчезновения. В седых волосах пигменты на основе меланина полностью отсутствуют. На самом деле седые волосы бесцветны, но их форма и внутренняя структура при прохождении сквозь них света создают эффект белого или сероватого цвета.

Разглядеть внутреннюю структуру волоса невооруженным глазом не удастся, но под микроскопом становится очевидно, что это не просто некое однородное волокно. На самом деле в волосе имеется три слоя: внутренний (почти пустой); средний (кортекс), имеющий сложное строение, содержащий пигменты и способный впитывать воду и набухать; и внешний (кутикула), покрытый крошечными чешуйками и обладающий водоотталкивающими свойствами.

Человеческий волос в разрезе

На одном конце волоса (на том, который вы выдернули из кожи) можно разглядеть остатки фолликула, который обычно скрывается под кожей. Фолликул отвечает за формирование и рост волоса и является его единственной живой частью.

Искусственное окрашивание волос

Когда мы говорим, что цвет волос зависит от количества содержащегося в них меланина, то имеется в виду натуральная окраска. Однако многие люди время от времени меняют цвет волос, используя для этого обесцвечивающие составы и красители. Обесцвечивание представляет собой на удивление сложный механизм. Это не просто нанесение краски на волосы. Процесс стойкого обесцвечивания волос был бы более уместным для химической лаборатории, чем для салона красоты.

Вначале вещество типа аммиака раскрывает стержень волоса, обеспечивая доступ к кортексу, а затем обесцвечивающий состав окисляет и разлагает натуральные пигменты.

После этого при необходимости может быть добавлен другой краситель, который также проникает в кортекс. Для менее стойкого окрашивания применяются красители, которые покрывают только кутикулу и достаточно легко смываются.

Опасения по поводу потери волос

Волосы есть практически у каждого человека, но по сравнению с большинством других млекопитающих они не столь густы и обильны. Дело, в общем-то, даже не в количестве. У нас приблизительно такое же количество волос, как и у сопоставимого по размеру шимпанзе, но большинство наших волос настолько малы, что почти не видны.

В следующий раз, когда вы замерзнете или испытаете внезапный испуг, взгляните на кожу своих рук. Вероятнее всего, вы увидите мурашки, или гусиную кожу. Этот феномен имеет прямое отношение к волосам (волосы буквально встают дыбом) и говорит о том, что наши предки, как и большинство млекопитающих, были покрыты густыми волосами.

Появление мурашек связано с тем, что крохотные мышцы, расположенные у корней волос, напрягаются и поднимают волосы перпендикулярно поверхности кожи. Если бы у вас была густая шерсть, она от этого стала бы более объемной и приобрела бы лучшие теплозащитные свойства за счет увеличения в ней количества воздуха. В холодное время года это могло бы сослужить вам неплохую службу, но мы растеряли почти все волосы на теле, и теперь этот эффект нас ничуть не согревает, а только придает коже странный вид.

Точно так же волосы встают дыбом, когда мы чем-то напуганы. Это тоже проявление древней защитной реакции, которая в настоящее время утратила всякий смысл. Многие млекопитающие, чувствуя угрозу, расправляют таким образом шерсть, чтобы выглядеть больше и сильнее. (Попробуйте поднести кошку к собаке. Кошка не только «ощетинится», но и выгнет спину, чтобы казаться больше.) Очевидно, в древние времена мы вели себя так же, но в настоящее время этот эффект не срабатывает, так как шерсти на теле у нас не осталось. Волосы, как и прежде, встают, но размеров нам не прибавляют.

Отсутствие естественного шерстяного покрова сильно огорчило меня, когда недавно я вышел выгуливать свою собаку. Было холодно, а я оделся явно не по погоде. На мне была только майка с короткими рукавами. Моросил мелкий дождь, мои кроссовки промокли в траве и хлюпали при каждом шаге. К тому же, проходя мимо какого-то забора, я умудрился влезть голой рукой в густые заросли крапивы.

А вот собаке, покрытой густой шерстью, было наплевать и на погоду, и на крапиву. Природа снабдила ее намного лучшими средствами выживания, чем меня.

Меня всегда удивляло, почему люди так плохо приспособлены к непогоде и различным опасностям. Мы знаем, что у наших далеких предков была густая длинная шерсть, как и у современных человекообразных обезьян. (Кстати, шимпанзе и гориллы не являются нашими предками, хотя многие по ошибке до сих пор считают их таковыми.) Кажется совершенно нелогичным, что человеческая раса уже на раннем этапе своего развития лишилась защитной шерсти.

Разумеется, было бы наивным считать, что эволюция действует в наших интересах. Она не преследует вообще ничьих интересов. Обычно эволюция лишь отбирает мелкие варианты развития, которые способствуют выживанию и размножению какой-то конкретной особи. Она не анализирует и не рассуждает: «Вот это хорошо. Это мы сохраним». Но даже в таком случае представляется маловероятным, что потеря теплого и обладающего другими защитными свойствами естественного меха дала человеку какие-то эволюционные преимущества.

Эволюция тасует колоду, но это вовсе не значит, что все генетические карты, оказавшиеся у нас на руках после раздачи, обязательно будут выигрышными. Если у нас в ходе эволюции выработалась какая-то определенная черта, это не значит, что она даст нам преимущество. С таким же успехом эта черта может оказаться побочным эффектом какого-то другого эволюционного процесса. Например, у многих птиц крылья легко ломаются, потому что состоят из тонких полых костей. В слабых костях как таковых нет ничего хорошего. Они отнюдь не способствуют выживанию, но зато помогают уменьшить вес тела, что необходимо для полета.

Потеря человеком волос на теле может объясняться разными причинами. Возможно, когда наши предки переселились из лесов в саванны, им приходилось больше потеть, а при отсутствии шерсти потоотделение облегчается. Возможно также, что менее густая шерсть позволяла им лучше справляться с паразитами (хотя с этой проблемой до сих пор сталкиваются все крупные человекообразные обезьяны). Существуют и более экзотические объяснения. Например, кое-кто предполагает, что древние люди вели полуводный образ жизни и отсутствие волос на теле позволяло им лучше плавать (хотя многие млекопитающие, ведущие полуводное существование, обладают густой шерстью). Лично мне кажется, что потеря волос была случайным побочным эффектом, как и чрезвычайно хрупкие кости птиц.

Чтобы приобрести союзников, избавляйтесь от волос

Примерно 100 тысяч лет назад наши далекие предки окончательно приобрели вид современного человека. На этом пока завершилась наша эволюция. С биологической точки зрения мы ничем не отличаемся от них. После этого происходило еще множество мелких изменений на генетическом уровне, но как биологический вид мы остаемся все теми же. У нас такой же потенциал физической силы, долголетия, привлечения особей противоположного пола, мышления и т. д.

Много тысяч лет назад наш далекий предок (который был у нас общим с шимпанзе и другими крупными человекообразными обезьянами) претерпел значительные эволюционные изменения. Он потерял большую часть волосяного покрова, и у него осталась лишь тонкая чувствительная кожа. Наш предок перешел от передвижения на четвереньках к прямохождению. Размер его мозга сильно увеличился, и голова стала непропорционально большой по сравнению с телом (в то время это, вероятно, воспринималось как не самая привлекательная черта внешности). Рот уменьшился, в результате чего зубы стало труднее использовать в качестве оружия. Исчезло противопоставление больших пальцев на ногах, дававшее ранее возможность обхватывать стопами ветки деревьев.

В целом все эти изменения сделали древнего человека более уязвимым перед хищниками. Голая кожа плохо защищала от когтей и клыков. Ходьба на двух ногах была неустойчивой и неуклюжей. Любой кролик мог обогнать это существо, с трудом удерживавшее равновесие. Похоже, что единственным разумным объяснением всем этим изменениям могло быть то, что они являлись побочными эффектами. Если рассматривать их в сочетании с изменениями поведения, то оказывается, что это приемлемая цена, которую пришлось заплатить за прогресс.

Физические модификации в теле древнего человека являлись, скорее всего, косвенным результатом кардинальных изменений окружающей среды. Резкая смена глобального климата вынудила древнего человека выйти из леса, обеспечивавшего ему хорошую защиту, на открытое пространство саванны. Столкнувшись там с сильными хищниками, он вынужден был в целях выживания изменить свое поведение. В те времена древние люди еще не умели взаимодействовать в составе больших групп. Это мы до сих пор наблюдаем у наших ближайших родственников. Шимпанзе, к примеру, не способны формировать крупные группы и сотрудничать. Если вы сведете вместе несколько самцов, результатом станет кровавое побоище, так как каждый будет стремиться к доминированию.

Древние люди, бродившие по просторам саванн пять миллионов лет назад, видимо, мало чем отличались от самцов шимпанзе. Однако свирепые хищники тех времен, начиная от саблезубых динофелисов и махайродов, достигавших размеров льва, и заканчивая более знакомыми нам гиенами, вынудили их поменять свое поведение. Выжить могли лишь те, кто обладал природными способностями к сотрудничеству. Наши предки начали жить большими группами, что обеспечивало им преимущество перед хищниками. Такие изменения в поведении, возможно, и привели к появлению побочных физических эффектов, которые мы наблюдаем у современного человека.

Примеры подавления агрессии и демонстрацию способности к сотрудничеству мы можем наблюдать у человекообразных обезьян в детском возрасте. По достижении зрелости эта способность к взаимодействию в составе больших групп у наших родственников пропадает. Можно предположить, что среди наших предков б ольшие шансы на выживание в саванне имели те особи, которые не вызывали агрессии своих сородичей, так как выглядели незрелыми и физически недоразвитыми: имели безволосое тело, большую голову, маленький рот и часто стояли на двух ногах. Именно так выглядят детеныши приматов на определенном этапе развития, хотя с возрастом эти черты внешности и поведения исчезают.

Кстати сказать, подобный механизм отбора особей, обладавших чертами детенышей, использовался людьми для одомашнивания животных. Собака, например, имеет гораздо больше схожих черт с детенышем волка, чем со взрослым волком, от которого она произошла. И это не просто теория. В ходе замечательного долгосрочного эксперимента, проведенного в период с 1950‑х по 1990‑е годы, русский генетик Дмитрий Беляев вывел домашнюю породу серебристо-черных лис и тем самым показал, каким образом древние люди сумели превратить волка в собаку.

Спустя 40 лет (что очень долго для эксперимента, но является лишь мигом с точки зрения эволюции) потомки диких лис начали напоминать домашних собак. У них закруглились очертания морды, повисли заостренные прежде уши, увеличилась подвижность хвоста. Окраска шкуры перестала быть однородной, на ней появились цветовые вариации и узоры. Домашние лисы больше времени проводили в играх и охотно признавали лидерство взрослых особей. Чем большую склонность к сотрудничеству они демонстрировали, тем больше становились похожи по внешнему виду и повадкам не на взрослых особей, а на лисят-переростков.

Но вернемся к людям. В процессе налаживания сотрудничества в группе они приобретали все больше инфантильных черт, что выразилось в потере большей части волос на теле, как у современного человека. Исключением стала лишь голова. Волосы на голове растут очень обильно и, в отличие от волос на других частях тела (и от других млекопитающих), продолжают расти в течение всей жизни.

Как и в случае с общей потерей волос, это явление может иметь несколько объяснений. Вполне возможно, что первоначально волосы на голове имели фиксированную длину, но со временем в результате естественного отбора начали расти постоянно. Вероятно, эти мутации закрепились вследствие того, что длинные волосы лучше защищают мозг или рост волос стал побочным эффектом ношения одежды, так как голова оказалась единственной частью тела, не прикрытой одеждой. Возможно, длинные волосы лучше защищали от прямого воздействия солнечных лучей в полдень (а оно может быть весьма сильным, что подтвердит вам любой обладатель лысины). Могут быть и другие, самые разнообразные объяснения.

Вообще-то установление точных «причин» эволюционных изменений – крайне трудная задача, поскольку мы не можем непосредственно наблюдать, что происходило в тот период времени, или провести эксперимент, доказывающий ту или иную теорию. Это немного напоминает ситуацию, когда финансовые аналитики заявляют в новостях, что фондовый рынок рухнул «из-за недостаточного доверия населения к правительству» или по каким-то другим причинам. Никто в точности не знает, почему рынок демонстрирует такую тенденцию развития. Точно так же никто не в состоянии объяснить, почему человечество развивалось в том или ином направлении. Все это лишь предположения.