Текст книги "Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей"

Мы это видим

Люди – зрячие существа, способные различать закономерности в этом запутанном мире. Полярные летчики вроде Пола Таджа научились различать объекты с воздуха. Дети умеют находить рисунок в замысловатой ряби пазла, рыбаки умудряются видеть тени рыб, а врачи-рентгенологи спасают жизни, дешифруя тени на рентгеновских снимках. Наш вид смог выжить благодаря способности находить порядок в окружающем нас хаосе. Эта способность обеспечивается слаженным действием наших глаз и мозга: вместе они помогли нам научиться видеть, выживать и процветать.

Мы живем в невероятно пестром мире и при этом часто забываем, что различаем лишь малую часть цветовой палитры. До нас доходит свет в широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до инфракрасного. Но даже такие приспособления, как очки ночного видения, позволяют лишь в малой степени уловить скрытые от нас части спектра. Другие животные различают свет в более широком диапазоне. Птицы и некоторые виды рыб различают гораздо больше оттенков синего цвета. Каждый вид, будь то орел, форель или человек, настроен на восприятие мира особым образом. Наша способность восприятия сформировалась под влиянием тех сил, что заморозили полюса Земли.

В глубине глаза человека и других млекопитающих расположена сетчатка размером с почтовую марку, которая воспринимает свет через хрусталик. В сетчатке около пяти миллионов специализированных клеток – маленьких приемников, способных воспринимать красный, желтый и синий: три основных составляющих видимого света. Этой способностью клетки обязаны особым белкам, которые меняют форму под действием света с соответствующей длиной волны. Клетки сетчатки могут распознавать около сотни цветов. В головном мозге эти сигналы соединяются, что позволяет нам различать палитру примерно из 2,3 миллиона оттенков.

Наши ближайшие родственники в Старом Свете – шимпанзе, гориллы, орангутаны и другие обезьяны – распознают те же цвета, что и мы. Наши глаза имеют очень похожее строение, и воспринимать цвет нам помогают одни и те же белки сетчатки. Наши более дальние родственники среди приматов, как те, что живут в Южной Америке, имеют другое зрение: самцы некоторых видов цвета не различают. Уже в XIX веке ученые знали о расщеплении ветви приматов: все обезьяны Старого Света обладают полноценным цветовым зрением, а их родственники из Нового Света этой способности лишены. Есть ли какие-либо особенности в образе жизни обезьян, объясняющие это различие?

Первая подсказка была получена благодаря удивительному открытию. Южноамериканские обезьяны-ревуны, как следует из их названия, прославились особой манерой общения. Великий натуралист Александр фон Гумбольдт, описавший их в XIX веке, отмечал, что ревуны отличаются от прочих приматов “глазами, голосом и печальным видом”. Ученые, изучавшие поведение этих обезьян в 90-х годах XX века, обнаружили, что, в отличие от других южноамериканских обезьян, они обладают таким же полноценным цветовым зрением, как и люди. С этим связано принципиальное различие в характере питания ревунов и их южноамериканских родственников. Все другие обезьяны едят в основном фрукты, а ревуны питаются листьями.

Это наблюдение подтолкнуло студента Натаниэля Домини, бывшего футболиста из Университета им. Джона Хопкинса, к размышлениям о происхождении цветового зрения. Может быть, история с ревунами отражает общее правило, и принципиальное различие в рационе объясняет различия в цветовом восприятии у разных ветвей приматов?

Национальный парк Кибале на западе Уганды располагается в зоне богатых вечнозеленых и листопадных лесов. Здесь живут леопарды, птицы-носороги и лесные слоны (необычно маленькие и волосатые). Еще здесь обитает множество приматов – целых тринадцать видов, в том числе шимпанзе. Кибале служит домом и четырнадцатому виду приматов – человеку, причем многие представители этого вида живут на биостанции Университета Макерере и изучают своих диких родственниковприматов. В 1999 году здесь работал и Домини. Его единственной задачей было наблюдать за тем, как едят обезьяны.

У Домини и его научного руководителя Питера Лукаса имелся план: они собирались пронаблюдать за каждым видом приматов и в точности зафиксировать, сколько, чего и когда они едят. Если у обезьян были какие-либо закономерности в способах питания, ученые должны были это заметить. У научной группы имелась и переносная лаборатория, которую они описали позднее в статье “Полевой набор для анализа физических, химических и пространственных характеристик пищи приматов”. В этот набор, умещавшийся в рюкзак, входило устройство для определения жесткости пищи, спектрометр для измерения цвета и основных питательных свойств пищи, а также ряд других приспособлений для описания внешнего вида и веса всего, что ели обезьяны.

Домини, Лукас и их помощники десять месяцев наблюдали за приматами. Когда им не мешали бандиты или террористы (один раз ученые вынуждены были скрываться в американском посольстве в Уганде), исследователи работали круглосуточно (в общем счете проведя за наблюдениями 1170 часов). Они обнаружили, что обезьяны употребляли в пищу 118 видов растений.

Обработав результаты, ученые нашли закономерность. Животные, обладающие цветовым зрением, питаются преимущественно листьями, цвет которых варьирует от красноватого до зеленого. Причем оказалось, что обезьяны успешно отбирают листья, отличающиеся наибольшим содержанием белка при наименьшей жесткости. Их мамочки, должно быть, довольны: дети едят полезную и легко перевариваемую пищу. Ну а главный признак, по которому такие листья можно отличить от остальных – красный цвет – заметен только животным с полноценным цветным зрением.

Домини и его коллеги выдвинули гипотезу: цветовое зрение позволяет животным выбирать из многих видов листьев самые питательные. Эта способность развилась тогда, когда изменение климата повлекло за собой изменение растительности.

Дополнительную информацию о появлении цветового зрения можно получить исходя из анализа ДНК. У млекопитающих, не обладающих цветовым зрением, всего два белка, воспринимающих цвет, а у нас и у человекообразных обезьян Старого Света таких белков три. В 1999 году, когда уже были достигнуты значительные успехи в технологиях изучения ДНК, был проведен сравнительный анализ последовательности и структуры этих белков. Внутри белковых последовательностей оказался спрятан главный ключ к разгадке происхождения цветового зрения. Три белка, позволяющие нам видеть мир в цвете, являются дубликатами двух белков других млекопитающих. Сравнивая последовательности старых и новых копий, можно определить, когда произошло удвоение. Все виды с тремя генами происходят от общего предка, жившего 30–40 миллионов лет назад. Именно тогда у наших ближайших предшественников, человекообразных обезьян, появилось цветовое зрение.

А на Земле в это время стало холоднее. В Арктике и Антарктике леса стали исчезать, а на смену им пришли льды. Широко распространились травы. Плодовые пальмы и фиговые деревья, распространенные в Вайоминге и других теплых районах, постепенно исчезли, уступив место лиственным деревьям с жесткой или мягкой, питательной или несъедобной листвой. Столь необходимое теперь приматам Уганды цветовое зрение обеспечило их предкам успешное развитие в период глобального похолодания. С холодами появилась новая флора, что сделало способность различать цвета более ценной.

Пол Тадж разглядел стволы деревьев на необъятных просторах, палеонтологи находят малюсенькие окаменелости среди груд камней, а наши предки-приматы пережили глобальное изменение климата благодаря своей способности находить съедобные листья. Каждый раз, когда вы любуетесь каким-либо цветным изображением, вы должны благодарить Индию, въехавшую в Азию, континенты, отделившиеся от Антарктиды, и обледенение полюсов. Все эти события оказались взаимосвязанными благодаря круговороту углерода.

Глава 9
Голые факты

10 000 лет

Мне казалось, что наш самолет вот-вот рухнет. При таком сильном встречном ветре восьмисоткилометровый путь из Рейкьявика, столицы Исландии, к месту назначения в отдаленной восточной части Гренландии мог занять целый день. “Де-Хэвиленд Твин Оттер”, на котором мы летели – рабочая лошадка Арктики. Самолет развивает скорость до 80 км/ч и может приземлиться даже на малюсеньком участке каменистой тундры или льда в самых отдаленных уголках Арктики. Скрючившись в пространстве, едва способном вместить четырех членов экспедиции, пилотов и багаж, я пытался вообразить, как первые исследователи Арктики – те самые, кто в XIX веке пришел сюда в шерстяной одежде, кожаных ботинках и с одной только солониной, – чувствовали себя, впервые попав на Север. При небыстром полете, сидя у окна, я мог все как следует рассмотреть.

По мере продвижения к северу ландшафт меняется: растительность исчезает, льда становится больше. В море попадаются айсберги, а дальше лед закрывает воду сплошным панцирем. С высоты трех тысяч метров лед кажется то ослепительно белым, то голубым, то синим, то зеленым. И таких форм он не образует больше нигде на Земле: иногда это ровные кубы, иногда – длинные бруски или кристаллы, похожие на алмазы.

При медленном приближении к Гренландии на небольшой высоте кажется, что лобовое стекло все время затянуто дымкой. Когда вы подлетаете ближе, дымка оказывается гигантским ледяным пространством, развернувшимся настолько широко, насколько хватает глаза. Центр острова занят одним из самых крупных на планете ледников. Этот ледяной щит поднимается в высоту почти на два километра и уходит на несколько километров в глубину, а по площади он сопоставим с Техасом. Коренная порода выходит на поверхность лишь на прибрежных скалах. Вся остальная поверхность острова погребена под толстым слоем льда. Этот ледяной щит – безжизненная пустыня, которую лишь изредка беспокоят люди.

В 50-х годах в этом царстве льда была отмечена необычная активность. Гренландия в годы холодной войны приобрела стратегическое значение. В северной части острова американские военные начали реализацию секретного проекта Iceworm (название вполне в духе “Доктора Стрейнджлава”)[4]4
  “Доктор Стрейнджлав, или Как я перестал бояться и полюбил бомбу” – фильм Стэнли Кубрика, созданный в разгар холодной войны (1964) как антимилитаристская сатира. Нил Шубин подчеркивает комичность названия Iceworm (“ледяной червь”). Ледяной червь – единственный вид кольчатых червей, живущий исключительно во льду.


[Закрыть].

План, состряпанный где-то в тридцатикилометровых коридорах Пентагона, предусматривал размещение в Северной Гренландии, в толще льда, шестисот ядерных боеголовок. Эти бункеры должны были соединяться туннелями, образующими подземный город – Кэмп-Сенчури (Camp Century).

Работы по реализации секретного проекта начались в 1959 году. С помощью тяжелой техники, привезенной по воздуху с южных баз, прорыли двадцать один туннель. В лучшие времена подледный город населяли двести человек. Там имелись магазин, госпиталь, театр, даже церковь. Электричеством Кэмп-Сенчури обеспечивал первый в мире переносной ядерный реактор Alco PM-2А. Тепло реактора расплавляло лед, и вода шла в дело. Это самодостаточное и почти исключительно подледное поселение напоминало муравейник.

На пике активности главная “улица” Кэмп-Сенчури тянулась на триста метров. К 1969 году эта зона была раздавлена льдом.

Кэмп-Сенчури находился на достаточно близком расстоянии для нанесения удара по СССР и представлял собой идеальную военную базу. План работал отлично, за одним исключением: лед двигался. К 1966 году стало ясно, что двигался он настолько активно, что разрушал туннели и уничтожал дорогостоящее оборудование. На современных фотографиях видны изуродованные машины и брошенные жилища – все, что осталось в древних льдах от больших человеческих планов.

Работа в лагере все-таки имела определенную ценность, хотя и совсем не такую, на которую рассчитывал Пентагон.

Летние каникулы, изменившие мир

Жан Луи Родольф Агассис родился в 1807 году. Природа наградила его обаянием, умом и безудержным стремлением к познанию природы. В детстве он собирал коллекцию животных и растений, тщательно зарисовывая все их части и органы. Он верил: чтобы понять, нужно смотреть, и этот принцип стал основой его научной деятельности. Заметив склонности сына, проявившиеся в самом раннем возрасте, родители решили отдать его в обучение к дяде, у которого было свое дело. Родители хотели, чтобы Луи вырос “деловым человеком”, а не коллекционером жуков и камней. Но они недооценили обаяние своего ребенка. Юный Агассис не смог реализовать родительские планы. Он уговорил одного из учителей упросить родителей оставить его в школе, чтобы, как он высказался позже, он мог стать “литератором”.

Когда Луису не было еще двадцати, он и его брат учились в Цюрихе, за сто пятьдесят километров от дома. Однажды они вынуждены были идти домой пешком, пока один состоятельный швейцарец не подвез их. Этот человек был настолько поражен сообразительностью Агассиса, что позднее написал письмо его родителям с предложением оплатить дальнейшее обучение юноши. Так начался путь Агассиса в науке, который в итоге привел его в США, где он принял участие в организации двух главных научных центров страны – Музея сравнительной зоологии в Гарварде и Национальной академии наук.

В 1837 году у Агассиса уже была семья. На летние каникулы они отправились в живописный городок Бекс. Городок расположен на берегах одного из притоков Роны и с востока и запада ограничен Альпийскими горами. Здесь действует последняя в Швейцарии соляная шахта. Узенький поезд спускает туристов на десятки метров под землю. Туннель был проложен в 20-х годах XIX века для добычи соли, которая в те времена ценилась буквально на вес золота. Когда Агассис посетил шахту, она была совсем новой, и директору доставляло большое удовольствие показывать отдыхающим местные геологические достопримечательности, которых в этой части Альп великое множество.

Незадолго до визита Агассиса директор шахты и его знакомый обнаружили в горах кое-что загадочное и теперь страстно желали узнать мнение знаменитого гостя по поводу своих находок. Они нашли гигантские валуны, некоторые размером с фургон. Причем эти валуны состояли совсем не из той породы, из которой были сложены окрестные горы. Ближайшие горы, в которых можно было найти такие камни, отстояли на сотни километров. Валуны как-то переместились, но как? При внимательном изучении валунов обнаружились интересные детали.

Луи Агассис

Поверхность камней была покрыта отметинами, как будто сделанными киркой. И отметины эти шли не вкривь и вкось, а параллельно. Еще более загадочная картина открывалась на окрестные долины с высоты. Каждая долина была окружена грядами гальки, смятыми, как будто по ним прошлись плугом. Какая-то сила двигала эти камни. Но какая?

Потоки воды не могли этого сделать. Такой сильный разлив рек, который передвинул бы валуны, оставил бы в местном пейзаже и другие недвусмысленные следы. Версию о человеческом вмешательстве также следовало отбросить. Оставалась одна возможная причина: лед.

Во время визита Агассиса лед в этих местах имелся только в высокогорных ледниках. Но что если раньше все было иначе и когда-то лед покрывал и долины? Если лед поднимался и опускался, валуны могли двигаться вместе с ним, а галька могла собираться в груды и оставлять на валунах царапины.

Для Агассиса, чьим девизом было: “Учись, наблюдая”, та поездка стала настоящим откровением. Движение льда прекрасно объясняло загадки швейцарских гор: борозды на камнях рассказывали ту же историю, что и горы гравия, да и сама форма долин. Но Агассиса вдохновила идея еще более глобальная. Путешествуя, он обнаружил, что подобная картина наблюдается не только в Альпах, но и в других уголках Европы, даже на Средиземноморье. Движение льда не ограничивалось кантонами Швейцарии, а охватывало практически всю Европу.

Без ведома своих знакомых из Бекса Агассис решил проверить их догадку. В 1840 году он опубликовал книгу “Учение о ледниках”, которую посвятил им. В книге он утверждал, что в какой-то момент ледники распространились от Северного полюса до Средиземного моря, а затем отступили, но лишь для того, чтобы вернуться. Один из друзей предложил назвать периоды похолодания “ледниковыми”.

Личное обаяние Агассиса помогло ему убедить научные светила того времени в справедливости своей идеи. Он отвозил желающих посмотреть на камни, как когда-то его знакомые отвели его самого, побуждая увидеть ледниковое прошлое. Потребовалось множество поездок и еще больше аргументов, но Агассис не отступил. Постепенно теория ледниковых периодов завоевала широкое признание.

Красота этой теории в том, что, как и большинство значительных научных идей, она позволяет делать специфические предсказания. Идею Агассиса можно проверить путем изучения горных пород в разных точках планеты. Экзотические валуны, насыпи и борозды на камнях должны встречаться достаточно часто. Но задача не только в том, чтобы обнаружить закономерности, но и в том, чтобы их объяснить.

Проблема как раз и состояла в том, что никто из последователей Агассиса не мог объяснить механизм возникновения ледниковых периодов. Более того, эта идея не согласовывалась с догмой об охлаждении Земли с течением времени. Если Земля охлаждается, ледники должны не сокращаться, а расширяться. А слои гравия и валуны, обнаруженные Агассисом, указывали не на единичное событие, а на многократное повышение и понижение температуры на Земле. Почему же ледники то наступали, то отступали?

Танцы со звездами

Джеймс Кролл (1821–1890) родился и вырос на ферме в Шотландии. Он не получил формального образования. Подобно Агассису, он жил, чтобы мыслить. Его занимали великие идеи и загадки. Чтобы как-то существовать, он пытался продавать страховые полисы, но, поскольку он не умел ладить с людьми, с работой он не справлялся. Тогда он открыл чайный магазин. Хотя и здесь ему не удалось совершенно оградить себя от общения, теперь у него оставалось много времени для учебы. А учиться он любил.

Взгляните на известную фотографию: мысли этого человека очень далеко, голова занята решением сложнейшей математической задачи. Его рот, с характерным выражением шотландского упрямства, не способен улыбаться. Шуток от такого человека не дождаться. Зато Кролл умел сосредоточиться, и это умение вкупе со страстью к учению позволяло ему целый год читать одну книгу. Нередко он целый день просиживал над одной страницей, вникая в какую-нибудь проблему. Им двигало желание докопаться до самой сути. Он не мог просто разглядывать мир. Он должен был понять, как мир устроен.

Джеймс Кролл. Думает он явно не о чае.

Ледниковые периоды Агассиса представляли собой прекрасную задачу. Подход Кролла к ее решению полностью отличался от подхода Агассиса. Кролл любил ставить фундаментальные вопросы, как то: “В чем причина?” И вот он взял блокнот и перо. В поисках причины ледниковых периодов он задумался о тех факторах, которые влияют на количество тепла на Земле. Источником большей части тепла является Солнце. Может быть, какие-то регулярные изменения солнечного света способствуют наступлению ледниковых периодов?

Вскоре Кролл прочел статью одного блестящего французского ученого, которая навела его на мысль. Регулярное изменение земной орбиты могло изменять количество поступающего на Землю тепла. Земля вращается вокруг Солнца, и от оси ее наклона зависит смена времен года. На орбиту Земли также влияет расположение других крупных небесных объектов, таких как Марс, Юпитер, Венера и Сатурн, которые вращаются вокруг Солнца. Когда они приближаются к Земле, изменяется орбита и наклон оси нашей планеты. За период в несколько тысячелетий орбита Земли изменяется, влияя на количество солнечного света, обогревающего планету. Кролл решил, что ледниковые периоды происходят периодически в те моменты, когда из-за изменения своей орбиты Земля получает меньше тепла от Солнца.

Так была выдвинута предсказательная гипотеза: ледниковые периоды наступают через определенные интервалы, зависящие от изменения орбиты планеты. К сожалению для Кролла, его гипотеза не получила развития. У него не было никакой возможности соотнести время наступления ледниковых периодов с изменением земной орбиты, и его гипотеза осталась лишь гипотезой.

Спустя несколько десятилетий после смерти Кролла молодой сербский инженер решил применить свои блестящие математические способности, которые очень помогали ему в строительстве, к устройству Вселенной. Свою цель он сформулировал в виде тоста, который произнес, попивая с другом-поэтом вино в белградском кафе. Когда поэт поднял бокал и заявил: “Я хочу описать наше общество, нашу страну и нашу душу”, инженер ответил: “Я хочу большего. Я хочу понять всю Вселенную и осветить ее самые отдаленные уголки”.

Вскоре после этого гордого заявления Милутин Миланкович сменил работу. Он оставил свою строительную фирму и начал преподавать в Белградском университете. Скромностью он не отличался и объявил во всеуслышание, что объяснит все загадки планеты исключительно с помощью математики. Его ближайшая задача заключалась в расчете глобального климата.

Милутин Миланкович

И не только климата Земли: он хотел создать математическую теорию, описывающую климат во всех точках на поверхности Земли и других планет Солнечной системы.

Такое заявление удивило некоторых его коллег: зачем рассчитывать температуру на Земле, если ее можно просто измерить с помощью метеорологических станций? Миланкович отвечал, что если с помощью карандаша, бумаги и математики ему удастся предсказать температуру, то станут полностью понятны причины, вызывающие ее изменение. И занялся изучением планетарных ритмов, так привлекавших Кролла.

Логично было начать с результатов Кролла. Но Миланкович добавил к ним принципиально новые идеи. Используя расчетные значения для орбит, аналогичные тем, что использовал Кролл, Миланкович попытался выяснить, как солнечный свет может изменять температуру на планете. Чтобы найти эту связь, он смоделировал несколько путей переноса тепла из океанов в атмосферу и обратно. Блестящий математик смог рассчитать амплитуду температурных изменений в разное время года и сделал удивительно точные предсказания.

Циклы Миланковича складываются из изменений наклона оси Земли, ее колебаний и формы орбиты при вращении вокруг Солнца.

Характер вращения Земли меняется тремя основными способами. За сто тысяч лет орбита превращается из овальной почти в круговую. За сорок одну тысячу лет наклон земной оси изменяется на два градуса (туда и обратно). Наконец, за девятнадцать тысяч лет совершается цикл прецессии Земли (направление земной оси описывает круг, как у вращающегося волчка).

Миланкович понял, что это не очень большие изменения, которые не могут серьезно повлиять на количество получаемого Землей тепла. Что может меняться (как прекрасно продемонстрировали его уравнения), так это длительность и выраженность времен года. Причина проста: если смена сезонов определяется наклоном земной оси и вращением Земли вокруг Солнца, то изменение формы орбиты и ориентации планеты влияет на тепло лета, холод зимы и то, что происходит меж ду ними.

Камни рассказали о существовании ледниковых периодов. Математические расчеты показали, что климат на Земле может меняться циклически, в зависимости от изменения ее орбиты. Но связаны ли между собой ледниковые периоды и изменение орбиты Земли? На этот вопрос наука ответила на новом этапе своего развития.