Текст книги "Вкус Солнца. Маленькие чудеса необъятной Вселенной"

Митохондриальная Ева

Мы жаждем знать, кто мы и как мы появились. Наверняка мы люди, которыми сами себя считаем. Но они – это совсем не обязательно мы.

Рассуждая с позиции генетики, все мы, люди, очень похожи: 99,9 % нашей ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) совпадают с ДНК любого другого человека. И если это кажется удивительным, просто представьте: наша ДНК лишь на 1,3 % отличается от ДНК шимпанзе. А еще наши гены на 90 % совпадают с генами кошки, на 80 % – с генами коровы, примерно на 60 % – с генами цыплят и плодовых мушек и даже на 50 % – с бананом. Это одновременно впечатляюще и бессмысленно, поскольку у всего сущего на Земле имеется определенный процент генетического совпадения.

Термином «геном» обозначается полный набор ДНК, и ваш геном содержит инструкции для развития и формирования всего, чем вы были, чем являетесь сейчас и чем когда-либо будете. Каждая молекула ДНК состоит из двух закрученных в спираль нитей – кажется, что они замерли в неловком танце, когда обе стороны боятся, что окажутся непозволительно близко друг к другу. Каждая нить состоит из пар оснований. Человеческий геном содержит около 3 миллиардов пар оснований, при этом только 0,1 % из них отличаются у разных людей. Сложно поверить, но этой крошечной разницы хватает, чтобы отразить все различия у всех людей, которые когда-либо жили на планете.

Изучая прошлое с точки зрения генетики, мы можем определить «ближайшего общего предка» (англ. MRCA – most recent common ancestor) – ближайшего по времени представителя вида, от которого произошли напрямую все другие организмы. Если проанализировать людей в одной только Европе, то их общий предок жил от 400 до 600 лет назад. Общий предок всех людей, кто сейчас живет на Земле, по некоторым подсчетам, жил около 3000 лет назад.

Можно заглянуть еще дальше в прошлое и приблизительно определить матрилинейного (по женской линии) и патрилинейного (по мужской линии) общего предка. Предка женского пола называют «митохондриальной Евой», и она была определена по данным митохондриальной ДНК. Этот тип ДНК почти исключительно характерен для стороны матери и практически не меняется в ходе появления новых поколений. Считается, что митохондриальная Ева жила около 200 тысяч лет назад. Мужской предок известен как «Y-хромосомный Адам». Его след был определен по Y-хромосоме, которая передается между мужчинами и не подвержена рекомбинации. Считается, что Y-хромосомный Адам жил в период от 237 тысяч до 581 тысячи лет назад.

Пока неясно, какой смысл черпают в этом генеалоги. До сих пор существуют противоречивые теории о распространении человеческого вида на планете: то ли митохондриальная Ева и ее потомки произошли из Африки и вытеснили все другие типы людей («африканская» теория), то ли мы заселяли земной шар параллельно, распространяясь по разным регионам. Это непростой вопрос, поскольку создание карты человечества с опорой на понятие митохондриальной ДНК еще не завершено, а методы датирования окаменелостей, которые используют для установления временных рамок человека, не отличаются системностью. Похоже, точнее всего это сформулировал генетический антрополог Джон Хокс, который сказал, что «нас ждет масштабная реорганизация науки о происхождении человека».

Если наши незаметные различия – это большое откровение, то наше сходство – тем более: вашей ДНК все равно, что написано у вас в паспорте. Ее интересует лишь медленное и упорядоченное биологическое развитие. Мы до сих пор делим территории, устанавливаем границы и горячимся на тему культурных различий – все это с позиции генетики кажется странным, устаревшим и решительно нецивилизованным.

Ясно, что мы еще не до конца разобрались, как нам жить.

Я буду там, где синева

Трудно найти человека, который равнодушен к голубому цвету, и, конечно, ему пришлось бы непросто: 71 % поверхности Земли покрыт сверкающей соленой водой, а небо нередко имеет чудесный лазурный оттенок. Учитывая, как широко распространен этот цвет, странно понимать, что на протяжении большей части истории человечества (за исключением египтян) у нас даже не было слова для его обозначения.

На самом деле в природе голубой цвет на удивление неуловим: растения с большим количеством антоцианов в составе и правда окрашены в голубой (хороший пример – черника), а вот подавляющее большинство живых существ этот пигмент не производят. По этой причине синяя окраска животных чаще всего обусловлена не наличием голубого пигмента, а иризацией – избирательным отражением (подробнее о свете в разделе «Ужасно прояснительно»).

Явление, известное как «рассеяние Рэлея», лежит в основе и окраски североамериканской птицы Cyanocitta cristata (она же – голубая сойка), и небесной синевы. Перья голубой сойки содержат меланин и казались бы черными, если бы не крошечные воздухоносные мешочки, которые рассеивают свет, – поэтому нам кажется, будто оперение этой птицы переливается бесконечными оттенками синего. А когда мы пристально смотрим на небо, то наблюдаем, как солнечный свет входит в атмосферу Земли и сталкивается с частицами в воздухе. По сравнению с другими цветами, содержащимися в свете, синий имеет меньшую длину волны и, следовательно, рассеивается больше. Результат этого рассеяния? Голубые небеса!

Океан кажется синим по той же самой причине: молекулы воды поглощают красные, желтые и зеленые волны, а волны синего спектра отражают. При этом цвет может отклоняться в сторону зеленого или даже красного, когда свет отражается от частиц или осадка в воде. Но еще сильнее на цвет океана влияет фитопланктон – крошечные организмы, которые не только содержат хлорофилл и осуществляют фотосинтез, но и отражают зеленую часть спектра, а значит, вода в тех регионах, где они живут, выглядит намного зеленее, чем там, где их мало (как в чистых водах Карибского бассейна).

Берлинская лазурь, темно-синий, кобальтовая синь. Можно закрыть глаза, но синева останется в душе.

Отношения на расстоянии

Трудно вообразить, как велики расстояния между звездами. Измеряя эти космические дистанции, астрономы используют такие параметры, как расширение Вселенной, цвет звезд (видимый цвет позволяет судить об их температуре поверхности и возрасте) и различные степени яркости. Но чаще всего астрономы используют то, что называется параллаксом.

Параллакс – это просто воспринимаемое различие в положении объекта, когда кажется, что объект изменил свое местоположение только потому, что мы изменили свое. Например, если держать карандаш перед лицом и смотреть на него то левым, то правым глазом, нам покажется, что карандаш смещается.

Особое движение и изменение положения звезд по сравнению с их фоном и отдаленными объектами называется звездным параллаксом. Это один из самых старых способов измерить расстояние в космосе. Астрономы отмечают положение звезды, а через шесть месяцев возвращаются к ней, чтобы измерить ее смещение (этот метод включает в себя множество треугольников).

Термин «параллакс» зашифрован в слове «парсек» – единице измерения, эквивалентной 3,26 светового года (или 31 триллиону километров). Это один из оптимальных способов измерения расстояний в космосе, но из-за величины дистанций даже парсеки приходится использовать кратно, когда речь идет об объектах за пределами Млечного Пути. Для объектов, которые расположены относительно близко к нашей Галактике, можно использовать килопарсеки. Для большинства других галактик применяются мегапарсеки, а для совсем удаленных галактик и большинства квазаров (подробнее в разделе «Самые светлые объекты в наблюдаемой Вселенной») – гигапарсеки (1 миллиард парсеков). Край видимой Вселенной – так называемый «горизонт частиц» – находится на расстоянии более 14 гигапарсеков, или более 45 миллиардов световых лет.

Точность земных телескопов ограниченна: они позволяют наблюдать звезды на расстоянии до 100 парсеков, поскольку атмосфера Земли влияет на четкость изображения. Хорошо, что космические телескопы не имеют таких ограничений и измеряют расстояния до объектов и между ними гораздо точнее, чем мы со своими приземленными наблюдениями.

Точные (или «прямые») расстояния измеряются в астрономических единицах, или AU, которые равны расстоянию между Землей и нашим Солнцем. Этот метод можно применить только к объектам, которые находятся не далее чем 1000 парсеков от нас. Все остальные расстояния рассчитываются при помощи комплекса методов, поскольку все методы связаны между собой и влияют друг на друга, – в совокупности это называется лестницей космического расстояния (или внегалактической шкалой расстояний).

Короче говоря, это заставляет человека чувствовать себя точно, измеримо и неимоверно крошечным.

Облака разобьют ваше сердце

Практически в любой момент две трети нашей планеты с большой вероятностью покрыты облаками. Неудивительно, что облака, как неотъемлемая часть ритмов Земли, решают за нас многие вопросы – от выбора обуви и вида транспорта до готовности подождать на улице. Они принимают за вас эти решения с большим удовольствием: потемневшее небо может оставить вас дома на несколько дней, а голубые небеса позволят наконец-то высадить луковицы тюльпанов. Они говорят с нами, а мы их слушаем, сами того не осознавая.

Метеорологам сложно моделировать и прогнозировать поведение облаков, однако они постоянно присутствуют в нашей жизни и обнадеживают нас. Они сформированы из водяного пара или кристаллов льда, решительно прильнувших к микроскопическим частицам в атмосфере, которые называют ядрами конденсации, – дыму, пыли и соли. Это происходит потому, что воздух перенасыщен и не может больше удерживать всю воду. Когда водяной пар конденсируется вокруг таких ядер, образуются облачные капли: соберите миллионы миллионов этих капель, и вы получите облако весом в сто крупных слонов (хотя в это и трудно поверить).

Несмотря на неимоверную тяжесть, вода в облаке распространяется на многие километры, и воздействие гравитации на что-то столь же малое, как одна капля воды, едва ощутимо. Лишь когда капля достигает определенного размера, ее веса хватает, чтобы выпасть в виде дождя на нас с вами. Иначе облака остаются там, а мы их рисуем. Нам нужно, чтобы они отражали и рассеивали солнечное излучение, улавливали тепло Земли и выпускали его обратно (эффект, противоположный охлаждению). Частицы в облаке одинаково рассеивают солнечный свет с любой длиной волн, и это придает им классический белый цвет. А такие параметры, как толщина облака или положение солнца на небе (например, когда оно только поднимается из-за горизонта), порождают отличия в этой пасмурной теме и дарят облакам их лирические вариации цвета – бесконечные оттенки белого и серого.

Облака отличаются друг от друга, начиная с поэтических названий – слоисто-дождевые, серебристые, перистые и линзовидные – и заканчивая красивыми, но эфемерными физическими формами и разрушительным потенциалом (вспомните муссонные дожди, ураганы и торнадо в море). Как только вы начнете замечать, насколько разнообразны и удивительны облака, они неизбежно разобьют ваше сердце (и сделают это так, что заодно заболит и шея).

Хоть кто-то знает, который час?

Несмотря на то что наши представления о нем продолжают меняться и развиваться, время по-прежнему остается одним из самых сложных для определения свойств нашей Вселенной, поскольку оно может быть и относительным, и мнимым, и реальным. На некотором фундаментальном уровне его вообще нет – по крайней мере, в том виде, в котором его представляем мы с вами. В обычной жизни многое из того, что мы называем временем, на самом деле является воспоминаниями или ожиданием будущего.

Представители древних цивилизаций измеряли время при помощи таких явлений, как ежегодный выход Нила из берегов или тени разной длины, отбрасываемые солнечными часами. Современное понимание основано на общей теории относительности Эйнштейна, в которой время является лишь координатой и не всегда течет с одинаковой скоростью. Время – это не просто линия, оно существует в поле пространства-времени в четырех измерениях.

Время не симметрично – скорее, ему присущи асимметрия и одностороннее направление. В 1927 году британский астроном Артур Эддингтон придумал понятие «ось времени». Он осознал, что, если бы время было симметричным, мир стал бы совершенно бессмысленным. Такая бессмысленность не сразу очевидна. Например, если воспроизвести в обратном порядке видеозапись планет, вращающихся вокруг Солнца, нам будет сложно отличить ее от оригинального видео. На записи все будет соответствовать законам физики. Но если воспроизвести задом наперед видео, на котором книга падает на пол, будет казаться, что книга падает вверх, а это абсурд. Мы помним прошлое, но мы не можем помнить будущее.

Термин «ось времени» (в термодинамике ее также называют стрелой времени) имеет прямое отношение ко второму закону термодинамики – одному из четырех законов, открытых в XIX веке, определяющих отношения между теплом, работой, энергией и температурой. Этот закон гласит, что энтропия может только увеличиваться в замкнутой системе, где замкнутая система – это наша Вселенная, а энтропия – мера хаоса. С течением времени энтропия увеличивается, и, хотя мы не можем измерить время с помощью энтропии, мы знаем, что энергия во Вселенной медленно, но верно движется к окончательному хаосу. Вещи не становятся аккуратнее, и мы не можем вернуться ко вчерашнему дню. Так второй закон термодинамики случайным образом определяет направление во времени.

Есть другие оси времени, которые различаются по своей связанности друг с другом: космологическая, которая указывает направление расширения Вселенной; излучающая стрела времени, включающая расширяющиеся наружу волны источника; казуальная стрела, связанная с причиной, предшествующей следствию, и квантовая стрела, которая сообщает о симметрии времени и связана со знаменитым уравнением Шрёдингера (при этом никто не знает, как эта стрела связана с остальными). Есть и психологическая стрела: мы воспринимаем время как движение от известного прошлого к неизвестному будущему.

В культурном отношении организация времени бывает разной, и это прямо влияет на наш опыт. В одних языках прошлое «располагается» позади человека, а будущее – впереди, но в других языках, наоборот, прошлое располагается впереди, а будущее – позади. Возможно, причина в том, что прошлое можно увидеть, а чтобы мы видели объект, он должен быть перед нами. В некоторых языках время воспринимается как пройденное расстояние, в других – как растущий объем (длинный день, полный день). В английском мы размышляем о времени в линейных терминах, слева направо. Носители китайского языка используют слова «над» и «под», когда говорят о времени. В греческом языке время может быть большим и маленьким. Мы так легко ошибаемся и принимаем слово за объект или явление, которые оно обозначает.

Но это не страшно, потому что, когда мы восхищенно разглядываем ночное небо, мы смотрим прямо в прошлое. Свет перемещается со скоростью 299 792 458 метров в секунду, но расстояние так велико, что он прибудет в пункт назначения, только когда мы уже предадимся ностальгии. Верхняя часть вашего тела стареет быстрее, чем ноги, потому что с увеличением гравитации время замедляется. Гора стареет быстрее, чем дно океана. И будь вы внизу или слева, на северо-востоке или позади меня, и как бы вы ни называли день, который наступит после завтрашнего, – я уверена: когда мы договоримся встретиться между порядком и хаосом, вы придете вовремя.