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

В небе, как в лесу, происходит постоянный круговорот веществ. Во Вселенной столько звезд, постоянно производящих и выделяющих химические элементы, из которых могут формироваться новые звезды, что все атомы, достигшие нашей планеты, раньше уже были частью множества разных солнц. Каждая галактика, звезда или живое существо является временным владельцем частиц, прошедших через рождение и смерть множества существ и объектов. Частицы внутри нас миллиарды лет путешествовали по Вселенной и еще долго после нашей смерти и исчезновения Земли будут частицами других миров.

Глава 3
Под счастливой звездой

4,6 миллиарда лет

С момента Большого взрыва возникло и исчезло множество звезд и галактик. Мы – я имею в виду Солнечную систему – появились сравнительно недавно. Для объяснения происхождения нашего уголка Вселенной требуются неординарные идеи и сложная наука. Шведский философ Эммануил Сведенборг обдумывал этот вопрос всю жизнь. Он родился в 1688 году и большую часть прожитых им восьмидесяти лет считал необходимым обдумывать по одной важной проблеме каждый день. В молодости он был натурфилософом, пытавшимся интуитивно проникнуть в суть вещей. Он, например, логически пришел к заключению о существовании нервов и нервной системы. Обратив свой взор к космосу, Сведенборг предложил теорию происхождения Солнечной системы. Он считал, что Солнце образовалось из облака газа и пыли, сконденсировавшегося в результате коллапса. Когда Солнце обрело форму, часть первичной пыли осталась вращаться вокруг молодой звезды в виде диска из мельчайших частиц. Со временем часть этого облака образовала планеты Солнечной системы. Эта идея не получила развития до тех пор, пока двадцать лет спустя, в 1755 году, философ Иммануил Кант тоже не занялся изучением происхождения Солнечной системы. Созданная им теория очень походила на теорию Сведенборга.

Пьер Симон Лаплас (1749–1827) был одним из величайших математиков всех времен. Некоторые называют его “французским Ньютоном”. Именем Лапласа названы математические и статистические законы: существуют, например, уравнение Лапласа, оператор Лапласа и преобразование Лапласа, которые служат для описания законов электричества, магнетизма и движения тел в пространстве. Его настоящей страстью было изучение порядка во Вселенной – формы планет и орбиты небесных тел. Для описания небесных процессов он преобразовал философские идеи Сведенборга и Канта в математические формулы.

Лаплас предположил, что если облако пыли достигает определенного размера, частицы внутри него начинают взаимодействовать таким образом, что силы гравитации сближают их, а другие силы расталкивают. Если при определенных условиях силы гравитации побеждают, бесформенное облако пыли может превратиться в крутящийся диск. Со временем силы притяжения между частицами пыли расщепляют диск на несколько концентрических кругов (представьте себе полосатую летающую тарелку). Если масса пыли в этих кругах достаточно велика, частицы могут слипнуться, образуя планеты. Однако столь значительные события, конечно же, происходят не за одну ночь, а за миллионы лет.

Математические расчеты Лапласа способствовали тому, что идеи Сведенборга и Канта из интересных концепций превратились в проверяемые гипотезы. Однако в конце XVIII и в начале XIX века не существовало технических возможностей для создания необходимых измерительных инструментов. По этой причине наши представления о процессе образования Солнечной системы оставалось смутными еще более ста лет.

Но, наконец, пришло время большой науки. В 1983 году ученые из Голландии, Англии и США создали спутник, способный двигаться по орбите вокруг Земли и следить за звездами. Этот предшественник космического телескопа “Хаббл” особенно успешно выполнял одну функцию: он измерял инфракрасный спектр всего неба и определял, сколько тепла излучает каждая звезда. За всю свою жизнь звезды излучают самые разные лучи: от видимых, до инфракрасных, ультрафиолетовых и гамма-лучей. Наши глаза способны воспринимать лишь узкий участок спектра из всего диапазона волн, посылаемых звездами, так что для получения максимума информации астрономы вынуждены использовать разные телескопы, каждый из которых настроен на восприятие света с определенной длиной волны.

Инфракрасный сигнал, идущий от далеких объектов, нередко очень слаб, поэтому для его регистрации требуется ликвидировать все источники помех, включая те, что создаются в результате вибрации атомов. Чтобы остановить движение атомов, детекторные устройства телескопа охлаждали жидким гелием до –270 °C. Запаса жидкого гелия на спутнике хватало только на один год, поэтому проект представлял собой своеобразные гонки со временем. Работа была сделана, и ненужный больше спутник просто остался на орбите. Годы спустя группа ученых предложила вновь зарядить спутник гелием, чтобы привести сенсорные устройства в рабочее состояние. Однако из-за недостатка средств и разработки новых технологий спутник так и остался выключенным.

Несмотря на краткосрочность службы детекторов спутника, проект оказался весьма успешным: менее чем за год были составлены карты 96 % неба. Спутник заносил на карту новые астероиды и кометы и вдруг, в начале 1984 года, он зафиксировал вспышку на одной из звезд, сопровождавшуюся таким невероятно мощным выделением тепла, которое никак не соответствовало размеру и типу звезды. Это было неожиданно. Ученые имеют представление о том, сколько тепла выделяют разные звезды, и с этой звездой явно было что-то не так. Источник дополнительного излучения был идентифицирован при детальном изучении фотографий. Звезда была окружена большим облаком пыли, удерживавшим тепло. Эта система, Бета Живописца, стала первым примером солнечной системы, застигнутой в период зарождения. Интуитивное предсказание, облаченное в математические формулы, через двести лет нашло наглядное подтверждение.

Вскоре после своего появления наша Солнечная система напоминала Бету Живописца. В системе царил хаос: вращавшиеся вокруг Солнца фрагменты разного размера сталкивались между собой. Притяжение Солнца способствовало тому, что более тяжелые объекты обосновались на более близких к нему орбитах, более легкие частицы и газ кружились в отдалении. В определенной степени это положение вещей сохраняется до сих пор: Солнечная система состоит из более плотных внутренних планет (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и газообразных внешних (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).

Бета Живописца. Одно из первых изображений рождающейся солнечной системы.

Что бы мы ни искали – пасхальные яйца, окаменелые кости или новый тип солнечной системы, – часто за одним открытием следуют другие. То, что раньше казалось редкостью, теперь обнаруживается повсеместно, часто прямо у нас перед глазами. За годы, прошедшие после обнаружения пыли в системе Бета Живописца, были запущены новые спутники, построены еще более сильные телескопы и разработаны более мощные компьютеры для обработки поступающей из космоса информации. Эти технические достижения изменили наше представление о мироздании. Солнечная система – далеко не единственная во Вселенной, а лишь одна из многих в нашей галактике. В небе множество других звезд, находящихся на разных стадиях развития и окруженных самыми разнообразными планетами.

Мощные технологии и великие идеи трансформировали наше представление о небесах. Однако определенную роль в этом сыграл случай. В предрассветные часы 8 февраля 1969 года гигантский огненный шар разбудил жителей мексиканского штата Чиуауа. Это был большой метеорит, развалившийся на куски в атмосфере Земли. На место происшествия прибыло множество ученых и коллекционеров. Учитывая масштаб взрыва, коллекционеры рассчитывали на богатый урожай, но они не могли себе даже представить ценности упавшего объекта, пока не пригляделись к нему. Серое тело камня было испещрено мельчайшими белыми точками. Метеориты с такими крапинками были известны и раньше, хотя встречались чрезвычайно редко. Лабораторные исследования нескольких ранее обнаруженных метеоритов с подобными крапинками позволили определить химический состав первичных камней, составлявших Солнечную систему.

Метеорит развалился. Его фрагменты разлетелись по пустыне на расстояние до сорока километров. В последующие годы было собрано от двадцати до тридцати тонн обломков. Даже сегодня, спустя почти сорок пять лет, иногда находят кусочки метеорита.

Метеорит выбрал удачное время для падения. В 1969 году активно разрабатывался космический проект “Аполлон”. Полет “Аполлона-8”, облетевшего Луну, состоялся за два месяца до падения метеорита. Уже планировался старт следующего “Аполлона”, и лаборатории по всей Америке собирались заняться анализом лунных камней. Теперь, без дополнительных трат для налогоплательщиков, небесные камни шли буквально в руки. Мексиканский метеорит был настолько огромным, что его хватило множеству лабораторий.

Ученые провели стандартный анализ химического состава метеорита. Некоторые минералы были точно такими же, как на Земле, и это говорит об общности истории многих тел в Солнечной системе, как предсказывали Сведенборг, Кант и Лаплас. Возраст минералов можно определять как по часам, ориентируясь на скорость распада атомов. Когда зарождается минерал, его атомы образуют кристаллическую решетку. Однако некоторые атомы, такие как уран или свинец, изменяются с постоянной скоростью согласно физическим и химическим законам. Если известно относительное содержание различных форм атомов в минерале и скорость их превращений, можно рассчитать время формирования минерала (подробнее об этом говорится в разделе “Примечания и дополнительная литература”). Уран-238 очень медленно превращается в свинец-206. Половина исходного вещества претерпевает это превращение лишь за 4,47 миллиарда лет. Благодаря низкой скорости атомных превращений уран и свинец являются идеальными атомами для анализа возраста очень древних минералов. Концентрация урана и свинца в мексиканском метеорите позволила определить время образования Солнечной системы: это случилось 4,67 миллиарда лет назад.

Что происходило тогда на Земле? Непосредственные свидетельства вряд ли удастся обнаружить: для это требуется найти камни, образовавшиеся в процессе охлаждения земной коры и оставшиеся за миллиарды лет в неизменными. Проще всего изучать геологические процессы в местах, где горные породы наслоились друг на друга, как в торте. Наибольший интерес представляют нижние, самые древние, слои. Но чтобы добраться до них, нужно пробурить очень глубокую скважину, а это слишком дорого для обычного геологического исследования. Кроме того, бурение – в определенном смысле выстрел наугад, поскольку невозможно точно сказать, на какой глубине следует проводить анализ. Более простой способ заключается в поиске мест, где древние породы выступают на поверхность. Но проблема в том, что земная кора находится в постоянном движении. В таких динамических условиях слои уходят вглубь, нагреваются и размываются под действием воды и ветра. В идеальных геологических условиях пласты пород сохранялись бы, как слои торта, но в реальности земная кора напоминает торт, который разделили на части, раздавили, а потом сильно нагрели. Теперь представьте себе, что 99,99999 % этого торта выбросили. Так вот, ваше ощущение от поедания оставшегося можно сравнить с тем, что чувствуют геологи, пытающиеся разыскать свидетельства, относящиеся к временам, когда образовалась наша планета.

В некоторых местах на планете возникает ощущение первозданности природы – как будто древний ландшафт был законсервирован. В засушливых, пустынных областях запада Австралии есть хребет Джек-Хиллс с отвесными скалами желтого и оранжевого цвета, поросшими кустарником. На камнях сохранились рисунки аборигенов, живших здесь десятки тысяч лет назад. Здесь так сухо и жарко, что мелководные заливы расположенной поблизости Акульей бухты стали домом для странных микробных построек, имеющих форму дверной ручки. Эти микробные сообщества одни из самых древних жителей Земли: возраст их ближайших окаменелых родственников составляет свыше двух миллиардов лет. Скальные выступы на суше дополняют эту древнюю картину. Это тоже древние камни. Время сильно изменило их, и эти изменения запечатлелись на их поверхности, как морщины на лице. Эти горные породы являются свидетелями большей части истории нашей планеты.

Они претерпели множество изменений. Им пришлось пережить все мыслимые и немыслимые мучения – образование внутри горячей магмы, сильнейшее давление при погружении в глубины Земли и, наконец, огромное напряжение при выходе на поверхность. Каждый момент истории запечатлен в этих камнях. Задача в том, чтобы научиться правильно их читать.

Любой камень на Земле является свидетелем истории, и если его “прочитать”, он становится летописью и своеобразным термостатом или барометром, отражающим состояние нашей планеты. Чтобы вырвать эту историю у камней, мы должны рассмотреть их в самом разном приближении – и с высоты птичьего полета, и под микроскопом. Мельчайшие частички камней – отдельные крупинки песка или минералов – рассказывают интереснейшие истории. Одна из таких крупинок, циркон, обладает уникальными свойствами. Циркон практически невозможно разрушить, он может пережить сильнейшее нагревание, высокое давление, эрозию и буквально любую другую возможную муку.

Из крупных, чистых кристаллов циркона получаются отличные поддельные бриллианты. Но для тех, кого интересует происхождение нашей планеты, циркон намного ценнее драгоценных камней, поскольку благодаря своей прочности он служит замечательным окошком в прошлое. Горы, в которых есть циркон, появляются и исчезают, но сам циркон не изменяется (почти) никогда. Судя по содержанию урана и свинца, возраст циркона в камнях с хребта Джек-Хиллс составляет 4–4,4 миллиарда лет.

Химический состав циркона указывает не только на возраст Земли. Обилие различных форм кислорода в этом кристалле можно объяснить исключительно контактом зарождавшейся горной породы с водой.

Солнечная система начала зарождаться более 4,6 миллиарда лет назад, а уже 4,1 миллиарда лет назад на нашей планете появилась вода.

Голубые брызги

Мы с вами живем на голубой планете – единственной известной пока планете с большим запасом жидкой воды. Внутри нас тоже есть океан. Тело взрослого человека примерно на 57 % состоит из воды. С годами мы высыхаем, поскольку тело новорожденного ребенка содержит около 75 % воды. Большая часть воды в организме сосредоточена не в крови, а заключена в клетках мышц, головного мозга и сердца. Метаболизм пищи и кислорода зависит от воды, как и рост и взаимодействие наших клеток. Даже воспроизводство, зависящее от подвижности яйцеклеток и сперматозоидов, требует наличия жидкой среды. Фактически любая реакция в организме в той или иной степени нуждается в участии воды.

Но не только это связывает нас с водой: в наших телах заключена история самой воды. Первые 2,7 миллиарда лет жизнь развивалась исключительно в воде, и это отразилось на всех системах нашего организма. Многие отделы нашей головы развиваются из серии вздутий, которые затем превращаются в костичелюстей, ушей и гортани, а также в обслуживающие их мышцы, нервы и артерии. Эквивалентные структуры обнаружены у всех существ, имеющих голову, включая рыб. У таких животных кости переходят в структуры, определяющие форму и функцию жабр. В определенном смысле мышцы, нервы и кости, с помощью которых мы говорим, жуем и слышим, соответствуют жаберным структурам наших предшественников – рыб. Эта глубокая связь отразилась и в окаменелостях, по которым можно проследить превращение жаберных костей в структуры нашей головы, включая кости уха.

Итак, большую часть своей истории мы провели под водой – вплоть до выхода на сушу около трехсот миллионов лет назад. Это обстоятельство способствовало появлению специфической функции почек, заключающейся в поддержании баланса воды и соли. Репродукция у наземных животных тоже меньше зависит от воды, чем у водных: оплодотворение происходит внутри тела, а развивающийся плод отделен от внешнего мира мембранами и сосудами, защищающими его и связывающими с организмом матери. Наши руки и ноги, адаптированные к жизни на суше, представляют собой модифицированные плавники рыб. Наше существование на суше обеспечивают те же органы, которые позволяют рыбам жить в воде.

Почки человека и других млекопитающих – великолепная адаптация для жизни на суше. Почки с особым строением помогают сумчатым крысам и антилопам жить в безводных пустынях, пользуясь только той водой, которая содержится в пище. Но даже в этом самом специализированном органе наземных животных прослеживается водное происхождение. Все бесчелюстные рыбы, с которыми мы разошлись от последнего общего предшественника около полумиллиарда лет назад, имеют очень примитивные почки. Эта специализированная ткань, тянущаяся вдоль всего тела, отделяет жидкие отходы метаболизма из кровотока прямо во внутреннюю полость, откуда они выводятся наружу через отверстие в задней части тела. Костные рыбы, с которыми мы разошлись от общего предка четыреста пятьдесят миллионов лет назад, имеют уже более оформленную структуру: этот сгусток ткани связан со специализированной системой, через которую выводятся жидкие отходы. В своем новейшем варианте, как в организме млекопитающих, система фильтрации расположена не вдоль всего тела, а только в нижней части спины.

В процессе внутриутробного развития наши почки последовательно проходят три стадии превращения. На первой стадии это специализированная ткань, протянувшаяся вдоль всего тела и открывающаяся в полость тела, практически как у бесчелюстных рыб. На второй стадии эта система приобретает такой же вид, как у костных рыб: локализуется вдоль спины и соединена со специальной выводящей системой. Взрослая форма, сменяющая две предыдущие, формируется в конце первого триместра беременности. Таким образом, в процессе внутриутробного развития мы повторяем историю наших древних предков, обитавших в воде.

Наша связь с водой неслучайна. Молекула воды отличается особенными свойствами. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода и напоминает голову Микки Мауса: крупный атом кислорода – голова, а более мелкие атомы водорода сверху – уши. Отрицательный заряд сконцентрирован на атоме кислорода, а положительный – на стороне водорода. Такое строение воды объясняет хорошую растворимость в ней самых разных веществ. Соли, белки, аминокислоты – в воде растворяется такое множество соединений, что это обеспечивает возможность протекания жизненно важных реакций. Нам больше не требуется водная среда вокруг нас, но наша жизнедеятельность неизменно связана с наличием водной среды внутри организма.

Сравнительное содержание различных форм воды на планете.

Вода имеет еще одно свойство, которое легко обнаружить на кухне: она может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии, причем эти переходы осуществляются в достаточно узком интервале температур. Наша жизнь еще и потому так тесно связана с водой, что она присутствует на планете в твердом (лед), газообразном (водяной пар) и жидком состоянии, обеспечивающем протекание всех процессов в живых организмах. Более 97 % воды на планете содержится в океанах, а остальная вода распределена между облаками, льдом и источниками пресной воды, причем каждая форма в нашей жизни чрезвычайно важна.

Вода является незаменимой средой не только для химических процессов в нашем организме, но и для метаболизма всей планеты. Вода в виде дождя и вода от таяния льда и снега вызывает эрозию гор и почвы, в результате чего минералы возвращаются в море. Это постепенное выветривание уравновешивает процесс формирования новых гор. Находящиеся в воздухе молекулы, многие из которых оказывают значительное влияние на климат и состояние атмосферы, находятся в постоянном круговороте между горными породами и морем, и круговорот этот осуществляется водой. Вода поддерживает связи, необходимые для существования жизни на Земле.

Вода внутри наших тел и в океане многое может рассказать о своем происхождении. Поскольку вода состоит из двух частей водорода и одной части кислорода, можно считать, что две части атомных ядер в ее составе возникли в результате Большого взрыва, а одна часть – в результате термоядерных реакций внутри звезд. Но, хотя история атомов, составляющих молекулу воды, является общей для Вселенной, история молекул воды связана с Солнечной системой. Химическая структура молекул воды на Земле (в частности, содержание в ней различных изотопов водорода) отличается от структуры молекул воды в составе льда на кометах, астероидах, на других планетах. Анализ льда с кометы Хейла – Боппа, едва не столкнувшейся с Землей в 1997 году, показал, что состав этой воды отличается от состава земной воды. У многих это открытие вызвало сильное разочарование, поскольку в то время считалось, что источником воды на Земле были именно кометы. Сторонники этой гипотезы вновь восторжествовали в 2011 году, когда новые зонды, посланные на другие кометы, такие как Хартли-2, обнаружили явное сходство изотопного состава воды на кометах и в земных океанах. Но история воды не связана исключительно с кометами: чем пристальнее мы рассматриваем Солнечную систему, тем больше воды мы находим. Более мощные телескопы и новые спутники позволили обнаружить воду на Луне и на астероидах. Следы воды обнаружены и в еще более неожиданных местах. Ближайшая к Солнцу планета Солнечной системы – Меркурий. Температура здесь достигает 400 °C (этого достаточно, например, чтобы расплавить свинец). Искусственный спутник Меркурия “Мессенджер”, выведенный в 2004 году на орбиту планеты специалистами НАСА, прислал фотографии глубоких кратеров на полюсах Меркурия. Так вот, по своим отражающим свойствам структура вещества в этих кратерах соответствует структуре льда. Вода могла сохраниться здесь по той причине, что в кратерах, скрытых от солнечных лучей на планете без атмосферы, скорее всего, очень холодно. Такое обилие воды в Солнечной системе может говорить о том, что вода прибыла на Землю из космоса. Кроме того, определенное количество воды на Земле могло выделиться из минералов в процессе образования планеты. При очень сильном нагревании (а именно такие условия, скорее всего, были на Земле четыре с половиной миллиарда лет назад) минералы могут высвобождать связанные молекулы воды. В любом случае, принесли ли воду кометы или она выделилась из камней при формировании Солнечной системы, каждый стакан выпиваемой нами воды происходит из источника столь же древнего, как сама Солнечная система. И, как рассказывает нам циркон, жидкая вода на нашей планете существует уже не менее четырех миллиардов лет.

Наша история складывалась под влиянием воды, наше существование возможно благодаря воде, и наше будущее, с большой вероятностью, тоже будет зависеть от воды.