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

В поиске доказательств

В работе над “Манхэттенским проектом” уникальным образом соединились усилия ученых нескольких стран. После Второй мировой войны правительство США столкнулось с проблемой из разряда тех, которые решать приятно. От Нью-Мексико до Нью-Йорка действовало несколько чрезвычайно сильных научных групп, не имевших общей инфраструктуры. Более того, теперь у них больше не было общей цели (вроде создания атомной бомбы), зато имелось много разных. Не желая упускать таланты и желая сохранить высочайший уровень развития физики в стране, американское правительство поддержало организацию нескольких новых лабораторий, включая лабораторию

в Чикагском университете. Там работала группа ученых под руководством Энрико Ферми, осуществивших первую управляемую цепную ядерную реакцию (сейчас на месте, где находился первый ядерный реактор, установлена скульптура Генри Мура “Ядерная энергия”). После войны правительство помогло университету организовать несколько институтов для изучения важнейших химических и физических проблем. Одна из таких проблем – история нашей планеты.

Уиллард Франк Либби и Гарольд Клейтон Юри – двое из тех, кто воспользовался переходом от военных исследований к мирной науке в Чикаго – разделяли одну страсть и одну веру. Они стремились к знаниям. А верили они в то, что ключ к разгадке истории планеты (и даже Солнечной системы) можно отыскать в строении отдельных атомов: в электронах, протонах и нейтронах.

Изучение структуры атома привело к созданию новых инструментов, позволяющих определять концентрацию частиц с точностью до нескольких частей на миллиард. При таком разрешении можно было попытаться получить новые ответы на старые вопросы.

Либби заплатил двум молодым ученым пять тысяч долларов и предложил им заняться изучением форм углерода. Подобно большинству атомов, углерод встречается в природе в виде нескольких разных изотопов. Все атомы углерода имеют в ядре одинаковое число протонов. Разница в том, сколько в ядре нейтронов. Либби догадался, что все живые существа должны иметь такую же долю атомов углерода-14, как и в атмосфере. Живые существа дышат, едят и пьют, захватывая при этом атомы углерода, и поэтому в их организмах должен соблюдаться такой же баланс изотопов углерода, как и в воздухе. Когда организм умирает, равновесие с атмосферой нарушается: новые атомы углерода больше не поступают в организм, а те, что остались, начинают превращаться в другие формы.

Как и в случае других атомов, эта реакция происходит с постоянной скоростью, определенной физико-химическими законами. Зная это, Либби предположил, что измерение содержания углерода-14 в древних костях позволит определить приблизительное время смерти животного. Это было серьезным прорывом: как будто в древних костях, зубах, раковинах или древесине были обнаружены идущие часы.

Гарольд Юри из соседней лаборатории считал, что атомы могут явиться ключом к пониманию истории планеты, Солнечной системы и всей Вселенной. Одним из главных объектов восхищения Юри был кислород. Этот крошечный атом, являющийся очень важным элементом воздуха, воды и костей, имеет несколько свойств, которые открывают окно в прошлое и в бесконечный мир вокруг нас.

Юри знал, что кислород, как и углерод, встречается в виде более тяжелых изотопов с большим содержанием нейтронов и в виде легких изотопов, в которых нейтронов меньше. Исключительно из теоретических соображений он предположил, что соотношение этих форм в любом веществе зависит от температуры. Идея эта родилась вовремя, поскольку уже существовали инструменты, позволявшие проверить ее экспериментальным путем.

И все получилось: соотношение тяжелых и легких изотопов кислорода в веществе действительно зависит от температуры. Для Юри и его группы этот успех означал, что путем измерения содержания разных форм кислорода в веществе (например, в воде или костях) можно определить температуру среды в процессе образования этого вещества. Проблема заключалась лишь в том, чтобы найти в геологической летописи правильные данные, с точностью указывающие на климатическое состояние Земли в разные эпохи. Только тогда инструменты, предложенные Либби, Юри и их коллегами, смогли бы свести причину со следствием.

Морские раковины прочны и очень долго сохраняются, поскольку в их составе имеется кристаллическое вещество карбонат кальция. Это соединение, столь важное для обеспечения твердости раковин, содержит кислород. Юри и другие ученые понимали, что раковины морских животных формируются из атомов и молекул, находящихся в морской воде во время жизни животного. Таким образом, относительное содержание различных форм кислорода в раковинах может отражать температуру воды в то время, когда жили их обитатели. Поскольку раковины очень хорошо сохраняются, они могут содержать подробную летопись событий далекого прошлого.

Воспользовавшись изотопами кислорода как термометром, а изотопами углерода в качестве хронометра, а также руководствуясь регулярным расположением геологических слоев, ученые принялись изучать климатические изменения во время ледниковых периодов.

Стотысячелетний цикл изменений формы земной орбиты: ледниковые периоды обычно наступают при эксцентрическом положении Земли.

Одна группа исследователей проследила за изменениями температуры по весьма представительному собранию раковин. Морское дно – идеальная среда: здесь слой за слоем оседают из толщи воды частицы вещества. Анализируя состав кислорода в раковинах внутри слоев, ученые смогли в общих чертах описать изменения климата. Оказалось, что температура на планете то повышалась, то понижалась: пики высоких температур чередовались с долинами низких. Но эти изменения не были хаотическими. Если внимательно изучить графики, можно обнаружить, что пики и провалы повторяются каждые сто тысяч лет. Именно это число прежде называл Милутин Миланкович. В результатах работ других групп также стало появляться число 100 000. Может быть, события на Земле и в самом деле зависят от космических процессов?

Проблема заключалась в запутанности данных. На графиках зависимости температуры от времени было множество пиков, а не только те, что повторялись с периодичностью сто тысяч лет. Тогда один английский и два американских ученых решили применить метод анализа, разработанный одним из советников Наполеона в Египте. Этот чиновник от скуки решил заняться изучением теплоты и законов ее передачи между различными материалами. Эта работа чрезвычайно помогла ученым спустя сто лет. Однако помог им не анализ свойств теплоты, а математический метод, разработанный наполеоновским чиновником. Если у вас есть некий очень сложный график, то, возможно, эта сложность является результатом наложения нескольких независимых колебательных процессов. Математический метод, известный теперь (по имени автора) как преобразование Фурье, позволяет разделить сложную зависимость на несколько регулярных и более простых.

Благодаря этому несложному аналитическому аппарату набор данных перестал выглядеть хаотично, а приобрел глубокий смысл. Это было наложение ритмических процессов с цикличностью в сто тысяч, сорок тысяч и девятнадцать тысяч лет. Миланкович и Кролл оказались правы: ледниковые периоды во многом связаны с орбитой, углом наклона оси и вращением Земли.

Графики изменений климата с пиками и провалами, отражающими подъемы и падения температуры за миллионы лет, напоминают электрокардиограмму человека. Сердце Земли стучит уже много лет, соответствуя ритму изменения земной орбиты, а также действию воды и воздуха. До глобального похолодания сорок пять миллионов лет назад, которое так заинтересовало многих ученых, включая Морин Раймо, эти изменения орбиты редко приводили к ледниковым периодам. Но позднее колебания орбиты стали вызывать наступление и отступление полярных льдов. И эти полярные льды преподнесли сюрпризы.

В 1964 году, на пике активности в Кэмп-Сенчури, датский геолог Вилли Дансгор посетил Туле (самую крупную авиационную базу региона, снабжавшую лагерь), чтобы изучить местный снег. До этого Дансгор провел некоторое время в Чикаго и даже поработал в лаборатории Юри. Тамошние студенты запомнили его тягу к холоду: долгими чикагскими зимами он оставлял окна открытыми.

Прибыв на базу, он услышал о военном городке в сотне километров к востоку. Он попросил разрешения посетить КэмпСенчури, но ему отказали ввиду чрезвычайной секретности операции. И все же в качестве руководителя лаборатории армии США по изучению холодных регионов ему удалось получить доступ к глыбам древнего льда, которые вынимали, чтобы освободить пространство для города. Может быть, именно в этом льде найдутся ответы на вопросы об изменениях земного климата?

Всю жизнь Дансгор мечтал увидеть большой непотревоженный столб льда, и теперь у него перед глазами лежали самые полные из когда-либо виденных им ледяных колонн. Дансгор сразу же отметил две особенности. Во-первых, лед переливался разными цветами, от зеленого до голубого. Во-вторых, колонны льда состояли из толстых, тонких и средних слоев. Практически все компоненты воды и воздуха попадают в лед. В лед вмерзают частицы всех размеров и видов – не только семена, растения, зола, но и обломки самолетов времен Второй мировой. Атмосферный воздух остается во льду в виде пузырьков. А сами слои льда могут отражать смену времен года. Арктическая зима темная и холодная, а лето яркое и сравнительно теплое. Солнце топит лед, вода приносит с собой осадки, поэтому летние слои льда темнее и грязнее зимних. Одни слои могут быть темнее других из-за принесенной ветром пыли. Лед захватывает много всего и является очень ценным источником информации об изменениях климата.

Дансгор применил к ледяным глыбам Гренландии метод Гарольда Юри. Поскольку объектом исследования были не раковины, а лед, методика требовала некоторой коррекции, но Дансгору удалось понять заключенную во льде информацию об изменениях климата. Дансгор измерил содержание кислорода вдоль столба льда с глубины более восьмисот метров – примерно сто тысяч лет истории. Он обнаружил заметное похолодание семнадцать тысяч лет назад – это был ледниковый период, впервые замеченный Агассисом. Кроме того, он увидел потепление около полутысячи лет назад. А еще он обратил внимание на холодный период, продолжавшийся с 1700 по 1850 год, когда в большей части Европы установились холода, а Ханс Бринкер[5]5
  Герой романа Мэри Элизабет Мейпс Додж “Серебряные коньки”.


[Закрыть] катался на коньках по каналам Амстердама.

Исследование Дансгора не позволило получить более подробную информацию, поскольку лед, который он изучал, был извлечен для размещения ракет и строительства церквей. Лед для научных исследований нужно извлекать, разделять и хранить так, чтобы сохранялись длинные неповрежденные участки. Таким образом, для более полной картины нужны были новые керны. И если обнаруженные Дансгором закономерности были справедливы, их следовало проверить на льде из других мест – с обоих полюсов и с горных вершин на различных континентах.

Для получения “правильных” кернов требуется согласованная работа инженеров и ученых, а также поддержка правительств тех стран, на территории которых располагаются ледники. А это недешево: нужно наладить оборудование и поселить людей в самых отдаленных уголках Земли. Начиная с 70-х годов, было извлечено несколько кернов льда, самые полные из которых получены в Гренландии, Антарктиде и нескольких крупных горных ледниках в разных точках мира.

Подробный анализ льда и климата преподнес сюрпризы. Климат на Земле в последние сто тысяч лет менялся чаще, чем думали до сих пор. Ледниковые периоды не были просто затяжными холодами: они прерывались потеплениями. А в теплые периоды случались похолодания. Это свидетельствует о том, что климат на Земле зависит от теплового баланса планеты – от количества солнечного тепла, попадающего на Землю, количества отдаваемого Землей тепла, а также от перераспределения тепла между океанами, сушей, воздухом и льдом. Как в музыке: музыкальную композицию можно воспринимать как нечто единое, но можно и разложить на ритмы и мелодии, исполняемые инструментами в соответствии с их собственными партиями. Основную роль в формировании климата играют изменения орбиты, обнаруженные Миланковичем. Другие факторы – перемещение тепла океаническими течениями, ветрами и льдом. В результате образуется система с долгосрочным общим ритмом и короткими ритмическими фигурами.

Примером такой ритмической фигуры может служить изменение климата в конце последнего ледникового периода (около двенадцати с половиной тысяч лет назад). Все факторы в то время располагали к теплой погоде, и вдруг за какие-то десятилетия резко похолодало. Как показывает анализ пыльцы, содержания кислорода и других параметров, во всем мире температура понизилась в среднем на пятнадцать градусов всего за десятилетие. Если долгосрочные графики изменения климата сравнивать с электрокардиограммой, такой скачок должен быть приравнен к всепланетному сердечному приступу. Если повышение или понижение температуры всего на два-три градуса приводит к изменению береговой линии и соотношения пахотных земель и пустынь, то какими же могут быть результаты скачка температуры на целых пятнадцать градусов!

Семена перемен

Земная орбита, климат и лед во все времена определяли расселение живых организмов по планете. Глобальные изменения климата разделяли популяции на группы, между которыми пролегали ледяные пустыни, или же открывали новые возможности для миграции, позволяя достичь прежде недоступных уголков. Анализ ДНК американских индейцев говорит о том, что все они являются потомками одного мужчины, который пересек Берингов пролив по льду, образовавшемуся во время последнего ледникового периода. На генеалогическом древе европейцев лед тоже оставил свои следы. ДНК многих европейцев происходит от популяций, прежде населявших территорию современной Украины, а после ухода льдов во время последнего ледникового периода расселившихся по другим местам. Следы этих событий сохранились в ДНК разных человеческих популяций.

Однако некоторые популяции не изменялись, а исчезали. Конец последнего ледникового периода для млекопитающих Северной Америки оказался вдвойне тяжелым. Им не только пришлось жить в неблагоприятных климатических условиях. У них появился новый конкурент и враг – человек. Изменение климата и приход людей из Азии положили конец существованию американских саблезубых тигров, мамонтов и гигантских ленивцев. Кроме того, образ жизни некоторых видов совершенно изменился.

Коллеги в Кембридже называли Дороти Гэррод “чудовищно робкой” и “непонятной”. Мне, однако, кажется, что эту женщину трудно назвать робкой. Вот выдержки из ее письма 1921 года, адресованного двоюродному брату: “Дорогой мой Джин! Последняя неделя во Франции была замечательной. Все было настолько волнующим, что не похоже на правду. Я часами ползала на животе… над зияющей бездной (освещенной лишь ацетиленовой лампой…) и стукалась головой о сталактиты, а ногами о сталагмиты, но в конце концов нашла множество всяких чудес”. Эта женщина изучала седую древность, попадала в переделки и получала от всего этого огромное удовольствие. “Робкая” Дороти Гэррод, обнаружившая в пещерах кости неандертальцев и неизвестные прежде места человеческих поселений в разных точках планеты, стала первой женщиной, получившей должность профессора и в Оксфорде, и в Кембридже.

Во время раскопок в пещере Шукбана и в других местах в окрестностях Иерусалима Гэррод обнаружила необычные каменные орудия в форме полумесяца. До тех пор ничего подобного археологам видеть не приходилось. Затем она отыскала несколько ступок, пестиков, зернотерок, фигурок различных существ. Жившие здесь когда-то люди мололи пшеницу и отправляли религиозные обряды.

Дороти Гэррод (справа) в экспедиции.

Продолжение раскопок привело к новым находкам: тщательно захороненные скелеты собак, остатки жилищ, человеческие захоронения с замысловатыми украшениями и даже сложные каменные скульптуры. У этих людей, которых Гэррод назвала натуфийцами, были первые одомашненные собаки, первые скульптуры людей, занимающихся сексом, и причудливые погребальные обряды. В группах было по несколько сотен человек, составлявших достаточно сложное сообщество, со временем менявшееся. Прежде человеческие популяции вели кочевой образ жизни, перемещаясь с места на место при изменении климата и недостатке пищи. Натуфийцы избрали иную стратегию. За несколько тысяч лет (от пятнадцати до одиннадцати тысяч лет назад) они перешли от обустройства передвижных лагерей к строительству практически постоянных жилищ.

Ни одна популяция не защищена от происходящих на планете изменений, особенно таких, как резкое изменение климата, запечатленное в полярных льдах. Натуфийцы пережили этот период резких климатических изменений (около тринадцати тысяч лет назад): на высоких широтах господствовали ледники, а на низких установился холодный и сухой климат. Скорее всего, в таких условиях обычной пищи – дикорастущих злаков – людям перестало хватать. Безусловно, натуфийцы и их современники сильно пострадали от этих глобальных перемен. Но как им и сменившим их культурам удалось выжить?

При раскопках поселений натуфийцев около одиннадцати тысяч лет были найдены спелые зерна, характерные для одомашненных растений. Но если в поселениях натуфийцев плодовые косточки и зерна находят редко, то в более поздних поселениях они встречаются регулярно. Находки таких семян указывают на земледельческий образ жизни, а ступки и пестики свидетельствуют о том, что люди употребляли зерно в пищу. Человек теперь не зависел от миграции животных. С развитием земледелия и возникновением постоянных поселений, как у представителей натуфийской культуры, начали складываться институты и культура, характерные для более развитого общества.

Дороти Гэррод искала в земле следы древних цивилизаций. А мой коллега из Чикаго Джонатан К. Притчард изучает ДНК, пытаясь отыскать закономерности в ее структуре и последовательности. Сравнивая ДНК современных людей, он может рассказать, являются ли различия между нами игрой случая или результатом естественного отбора. Если какой-либо ген обеспечивает хозяину преимущество в выживании и воспроизводстве, он должен оставить в ДНК определенный след. Джонатан умеет выделять такие сигналы с помощью разработанных им статистических методов. При прочих равных условиях, если ген находился под влиянием естественного отбора, то он должен чаще встречаться в человеческой популяции и отличаться меньшей вариабельностью, чем при случайной (нейтральной) эволюции.

Джонатан нашел в человеческой ДНК последовательности, несущие на себе следы естественного отбора. Это гены, которые тем или иным образом повлияли на выживание и воспроизводство наших далеких предков. Эти гены для биологов сродни Святому Граалю: они могут рассказать, какие признаки являются существенными для вида. Некоторые из этих генов связаны с пигментацией кожи. При расселении людей по планете некоторым популяциям пришлось переселяться в регионы с другим уровнем освещенности, и это перемещение сопровождалось изменением генов пигментации. В результате люди с более светлой кожей живут дальше от экватора, чем люди с более темной кожей.

Другие гены отражают изменение нашего рациона. В некоторых популяциях люди обзавелись генами, способствующими усваиванию молока, углеводов и спирта. Эта способность связана с наличием в организме ферментов, расщепляющих определенные химические связи в молекулах. В последние десять тысяч лет эти гены стали особенно важны. Способность переваривать молоко – следствие одомашнивания коров. Расщепление спирта связано с использованием продуктов брожения. Оба признака отражают переход людей к земледельческому, оседлому образу жизни.

Последствия вращения планеты и былых холодов можно найти повсеместно: в песчинках на берегу моря, в валунах на склонах холмов и даже в нашей собственной ДНК, которая, как и туннели Кэмп-Сенчури, остается свидетелем изменений климата и культуры.

Глава 10
Матери изобретений

Около восьми миллионов лет назад континенты, моря и океаны уже приобрели такие очертания, что и ученики младших классов смогли бы их узнать. Планета выглядела на современный лад, за одним исключением: на ней не было двуногих существ с крупным мозгом.

О том, что ситуация изменилась, можно судить по палеонтологическим находкам возрастом около семи миллионов лет, обнаруженным на территории Чада и Кении. Группа французских ученых, исследовавших прибрежную часть древних озерных отложений, отыскала большой фрагмент черепа, отличавшегося удивительным смешением черт. Тяжелыми надбровными дугами и маленьким объемом черепной коробки он напоминал череп шимпанзе, но размер лица был слишком мал для обезьяны: эти черты очень напоминали человеческие. Другие свидетельства были найдены в более молодых отложениях в Кении. Были обнаружены фрагменты бедренных костей и других костей ног, и они были прямыми, что означало, что их обладатель ходил на задних ногах. Что-то произошло – на планете жили и, может быть, даже передвигались на двух ногах высшие приматы совершенно нового типа.

Эти существа, безусловно, не отдавали себе отчета в том, что Земля у них под ногами менялась. Африканский континент начинал раскалываться. Сдвиги внутри Земли привели к расщеплению земной коры, открытию рифта и разделению континента в направлении с севера к югу. Этот разрыв сначала был небольшим, но постепенно удлинялся и протянулся от Египта до Мозамбика. По мере развития процесса эти рифты (как те, что мы исследовали в Гренландии) образовали выпуклости и впадины на поверхности Земли, ставшие горами и долинами.

Почти все окаменелости, рассказывающие о нашей истории в период от шести до двух миллионов лет назад, были найдены в той или иной части этой рифтовой системы. Находки свидетельствуют, что хождение на двух ногах (бипедализм) – один из древнейших человеческих признаков, зачатки которого были уже у наших далеких предков, чьи остатки найдены в Чаде и Кении. Было обнаружено несколько видов существ с небольшими лицами, сравнительно небольшими клыками и широкими задними коренными зубами, а также крупным мозгом. Все эти человеческие признаки появлялись постепенно. Около 1,9 миллиона лет назад родичи человека существовали уже и вне Африки. Судя по строению их костей, они могли ходить и даже бегать на большие расстояния. Примерно двести тысяч лет назад на Земле появились первые представители нашего вида – Homo sapiens.

О климате тех лет мы узнаем благодаря анализу пыли, ила и костей. Пыль в осадочных породах говорит об уровне влажности и направлении и скорости ветра. Ил со дна моря позволяет установить направление подводных течений и количество воды из Нила, вытекавшей в море (этот параметр отражает количество дождей). Осадки на дне крупных рифтовых озер характеризуют изменения уровня воды. По присутствию или отсутствию костей антилоп можно судить о том, была ли данная территория покрыта лесом или саванной. Присутствие костей бегемотов говорит о том, что здесь было влажно. Даже длина шей ископаемых жирафов может о многом рассказать: по ней можно судить о высоте местной растительности. Если вы умеете смотреть, чуть ли не любой объект может служить термометром, барометром или даже анемометром.

Содержание пыли в африканских осадочных породах то увеличивалось, то уменьшалось. Антилопы распространились повсюду, а вот бегемоты и жирафы жили только в определенных местах. При смене теплого и влажного климата на холодный и сухой густые леса уступили место редколесьям с большим количеством травы. Но, несмотря на эту основную тенденцию в изменении климата, в отдельные короткие промежутки времени в окружающей среде происходили резкие перемены и в одну, и в другую сторону.

Любой житель города, лежащего вблизи горного массива, знает, что горы сильно влияют на климат. Появление африканского рифта оказало дополнительное влияние на погоду: горы задерживали влагу и влияли на формирование дождевых облаков. В Африке появились регионы, где шли ливневые дожди, и регионы с более сухим, прохладным климатом.

Географические и климатические изменения в Африке связаны с глобальными переменами. От двух до трех миллионов лет назад началась череда ледниковых периодов. Расширение ледников способствовало снижению уровня моря, что, в свою очередь, привело к изменению океанических течений и воздушных потоков. Результатом было постепенное превращение Восточной Африки из страны лесов в гигантское пастбище.

Эта цепная реакция коснулась и наших древних предков. Способность передвигаться на двух ногах, появившаяся у них от семи до четырех миллионов лет назад в районах вроде Чада, Эфиопии и Кении, при жизни в открытых саваннах оказалась особенно важной: они смогли преодолевать большие расстояния, а их руки освободились для изготовления орудий.

Характерные для того времени быстрые климатические сдвиги, вызванные изменением орбиты планеты и другими, пока неизвестными причинами, требовали от животных быстрой адаптации. Отличительной особенностью существ с крупным мозгом как раз является способность к обучению и адаптации. В этом вихре (по геологической временной шкале) перемен реализовались такие функции, как изготовление все новых типов каменных орудий, сбор моллюсков, охота, наскальная живопись, захоронение умерших, использование огня, приготовление пищи и натуфийское земледельческое общество.