Текст книги "Теории всего на свете"

Законы матери-природы

Стюарт Пимм

Профессор консервационной экологии Николасовской школы экологии Университета Дьюка; автор книги The Scientist Audits the Earth («Ученый устраивает аудит Земле»)

Альфред Рассел Уоллес в научной работе, присланной из малайского Саравака, сжато и ярко выразил самый важный закон живого в 14 словах: «Каждый вид начал существовать, совпадая во времени и пространстве с существовавшим прежде дружественным видом».

После тщательного редактирования Уоллес мог бы довести свою статью 1855 года о «законах эволюции» до размеров, которые позволили бы втиснуть ее в журналы PNAS или Nature, известные своими жесткими критериями относительно объема публикуемых текстов. Не бывает так, чтобы мы находили окаменелые останки трилобитов из девона, юры и эоцена, не обнаруживая при этом никаких промежуточных форм. Статья Уоллеса громко требовала объяснения того факта, что и в палеонтологии, и в биогеографии мы находим сплоченные группы сходных объектов. Но научное сообщество дремало у штурвала и почти не обратило внимания на этот вопль. Через несколько лет, возмущенный таким невниманием, Уоллес отправил свое глубокое, изящное и красивое объяснение Дарвину, ища моральной поддержки. Дарвин, конечно, согласился с его гипотезой.

Какие еще законы Мать-Природа подарила нам, дабы обеспечить биологическое разнообразие?

Средний ареал географического распространения группы видов значительно больше ареала медианного, т. е. ареала для половины видов данной группы.

Среднее по географическим ареалам 1684 видов млекопитающих Нового Света составляет 1,8 млн км², однако у половины из этих видов ареал меньше 250 тысяч км²: отношение 7:1. Для трех основных групп птиц в данном регионе отношение составляет 5,8:1, для земноводных – 40:1. Попросту говоря, есть много видов с узким ареалом обитания и немного видов с ареалом широким.

В тропиках больше видов, чем в регионах с умеренным климатом.

Этот закон открыли первые исследователи, попавшие в тропики. Рембрандт рисовал райских птиц и конические морские раковины еще в начале XVII века. Уоллес первым делом отправился в Амазонию, поскольку зарабатывал на жизнь сбором образцов неизвестных науке видов.

Виды с узким ареалом обитания сосредоточены в тех местах, где обычно не живет самое большое количество видов.

На первый взгляд какая-то бессмыслица. Конечно же, с ростом числа видов у вас должно быть больше видов с широким ареалом обитания, с узким ареалом обитания и со всевозможными ареалами промежуточных размеров. Но это не так. Виды с узким ареалом обитания концентрируются в весьма специфических местах. Примерно половина всех видов живет всего в паре дюжин мест, которые в совокупности составляют примерно 10 % всей площади свободных ото льда зон нашей планеты.

Виды с узким ареалом обитания являются редкими в этих ареалах, тогда как виды с широким ареалом обитания являются в своих ареалах распространенными.

Извините за резкость, но Мать-Природа – сущая гадина. Думаете, она пощадит виды с узким ареалом и сделает их распространенными на местном уровне? Как бы не так. Широко распространенные виды имеют тенденцию попадаться повсюду, а виды локальные редки даже там, где вам посчастливится их найти.

На эти мысли Дарвина и Уоллеса натолкнули путешествия в места, где живет множество птиц и млекопитающих, не встречающихся больше нигде: речь идет о Галапагосских островах и некоторых островах Юго-Восточной Азии. Таких местечек в Европе нет. Дарвин провел основную часть своего плавания на корабле «Бигль» далеко-далеко на юге, в районе Южной Америки, тогда как первая научная поездка Уоллеса, как мы уже знаем, привела его в Амазонию. Этот регион весьма богат разнообразными видами, но при этом служит ярчайшим примером выполнения закона, согласно которому в подобных местах редко встречается много видов с узким ареалом обитания. (Подозреваю, что Уоллесу недешево обошлось это плавание: его спонсоры жаждали новизны. Он нашел эту новизну в своем следующем путешествии – на Восток.)

Ученые обнаружили широко распространенные виды прежде всех прочих видов. Дарвин и Уоллес оказались в числе первых натуралистов, которые встретились с основной частью видов – теми, чьи узкие географические ареалы сосредоточены в немногочисленных местах. Даже для хорошо известных групп видов виды, имеющие самые узкие ареалы обитания, были открыты лишь в последние несколько десятилетий.

Какое же глубокое, изящное и красивое объяснение лежит в основе этих неизбежно связанных между собой законов? Такого объяснения нет.

С учетом наблюдаемого распределения ареалов по размерам в тропиках должно быть больше видов просто потому, что тропики расположены «посередине» земного шара. Достаточно крупные ареалы обязаны занимать средние широты глобуса, иначе их просто не удалось бы на нем разместить. При этом они не должны располагаться «на концах» – в умеренных или арктических широтах. Однако в срединных широтах больше видов, чем на «концах» планеты, даже если срединный регион не является тропическим. Скажем, в срединной части мадагаскарских влажных лесов больше видов, чем на северном конце острова, хотя он ближе к экватору.

Более того, в теплых и влажных средних широтах (влажные тропические леса) живет больше видов, чем в более жарких и сухих средних широтах. Корреляция между числом видов и теплотой-влажностью поражает, но поразительные механизмы иной раз оказываются иллюзией.

Виды с узким ареалом могли бы обнаруживаться везде – и близ средних широт, и в приполярных областях. Но такого не наблюдается. Они склонны жить на островах (Галапагосы, Малайский архипелаг) и в «местах обитания островного типа» – скажем, на вершинах гор (к примеру, в андских высокогорьях). Это вполне укладывается в наши представления о том, как возникают виды. Увы, на островах и в горах умеренной зоны не так-то много видов, так что Дарвину и Уоллесу приходится уезжать из дому, чтобы напитаться научным вдохновением. Исключение – саламандры. В Аппалачах, на востоке США, похоже, под каждым камнем таится свой вид саламандр: получается, что здесь (рассуждая теоретически) находится устойчивый центр эндемизма, уникальный для умеренного климата. Причем на птиц, млекопитающих, растения и даже на других амфибий эта особенность здесь не распространяется.

Всё это как будто заставляет предположить, что мы знаем, почему некоторые виды обладают широким ареалом обитания, а некоторые – узким. Нет, на самом деле мы этого не знаем. У нас (если говорить коротко) есть корреляции, особые случаи и некоторые специфические дерзкие гипотезы, но научное изящество здесь, прямо скажем, отсутствует. Разумеется, тут совсем не обязательно должно иметься какое-то глубокое объяснение.

Наше невежество удручает. Локальные, редкие виды сосредоточены там, где бурная деятельность человека заставляет виды вымирать в 100–1000 раз быстрее, чем это произошло бы под действием лишь естественных факторов. Ну да, мы можем нанести на карту ареалы распространения птиц и млекопитающих и понять, где нам необходимо предпринять решительные действия, чтобы попытаться спасти их от исчезновения. Но для обожаемых людьми бабочек такое невозможно, не говоря уж о нематодах. Без соответствующих объяснений нам не удастся определить, будут ли те места, где мы защищаем птиц, также служить защитой и для бабочек. Пока мы не поймем законы Матери-Природы и не сумеем распространить их на подавляющее большинство существующих на Земле видов, которое пока еще неведомо науке, мы можем даже не узнать, что же мы уничтожили.

Пирамида Окло

Карл Саббах

Писатель, телепродюсер; автор книги Remembering Our Childhood: How Memory Betrays Us («Вспоминая детство: как нас предает память»)

Новые объяснения в науке требуются, когда наблюдение не укладывается в рамки существующей теории. Сущность настоящего научного объяснения можно представить в виде пирамиды, стоящей вверх ногами, причем первое объяснение (зачастую просто какого-то отклонения от нормы) соответствует вершине пирамиды, а затем идут расширяющиеся слои следствий, причем каждый слой зависит от расположенного непосредственно под ним: процесс строительства такой перевернутой пирамиды продолжается, пока не возникнет сооружение, которое сможет дать удовлетворительное, убедительное и цельное объяснение.

Одно из моих любимых объяснений такого типа датируется 1972 годом. Речь идет о наблюдении небольшой аномалии в самом обычном с виду образце урановой руды из Окло – региона провинции Высокий Огу центральноафриканского государства Габон. Образец в рамках вполне рутинной процедуры анализировали в одной французской лаборатории. Природные материалы, где присутствует уран, обычно содержат два типа изотопов урана – уран-238 и уран-235. Основная часть атомов – уран-238, но около 0,7 % – уран-235. Точнее, эта величина составляет 0,720 %, но в образце, доставленном во Францию, этот показатель равнялся «всего» 0,717 %, т. е. в нем, вопреки ожиданиям, «не хватало» 0,003 % атомов урана-235.

Подобные отклонения в распределении урановых изотопов, как считалось, могут возникать лишь в искусственной среде ядерного реактора, где уран-235 бомбардируется нейтронами в ходе цепной реакции, которая трансформирует атомы и приводит к изменению их естественной пропорции. Но этот образец прибыл из габонской шахты, а в ту пору в Африке вообще не было ни одного ядерного реактора. Так что объяснение найти было невозможно. Или все-таки возможно?

Лет за двадцать до этого ученые высказали предположение, что где-то на Земле некогда существовали условия, в которых урановая руда вела себя, словно в природном ядерном реакторе. Специалисты решили, что для этого необходимы три условия:

1. Размер месторождения урана должен превышать среднее расстояние, которое пролетают нейтроны, высвобождающиеся при такой ядерной реакции (около 70 см).

2. Доля атомов урана-235 должна превышать ту, что свойственна нынешним природным урановым рудам, составляя целых 3 % вместо сегодняшних 0,720 %.

3. Как и в рукотворных ядерных реакторах, здесь должен иметься так называемый модератор – вещество, которое «укутывает» испускаемые нейтроны, замедляя их и тем самым способствуя тому, чтобы они запускали процесс ядерного распада.

Эти условия как раз и применимы к месторождению Окло, каким оно было 2 миллиарда лет назад. Урановые залежи были гораздо больше минимального предсказанного размера. Более того, уран-235 имеет период полураспада 704 миллиона лет, распадаясь вшестеро быстрее, чем атомы урана-238, так что несколько периодов полураспада назад (как раз примерно за 2 миллиарда лет до наших дней) в этих рудах было гораздо больше урана-235 – достаточное количество, чтобы запустить устойчивую цепную реакцию. Если провести экстраполяцию в прошлое, можно прикинуть, что пропорции содержания изотопов составляли бы тогда приблизительно 97 к 3, а не сегодняшние 99,3 к 0,7. И наконец, слои породы, содержащие уран, первоначально соприкасались с грунтовыми водами, поэтому можно предположить, что происходило следующее:

Цепная реакция началась в породах, окруженных водой. Атомы урана стали расщепляться, отдавая тепло. Тепло заставило воду вскипеть, лишая ее способности служить модератором реакции. Нейтроны вырвались на свободу, остановив реакцию. Пар, остывая, сконденсировался в воду и начал сдерживать испускание нейтронов. В системе оставалось больше нейтронов, они помогали расщеплять атомы и заново запускали цепную реакцию.

Объяснение микроскопической аномалии в соотношении двух изотопов атома в маленьком обломке породы привело к описанию целой череды событий, которые произошли в не совсем обычном месте Земли миллиарды лет назад. На протяжении 150 миллионов лет происходило, вероятно, вот что: природный ядерный реактор вырабатывал тепло в течение примерно получаса, затем на два с половиной часа прекращал работу, после чего вновь раскочегаривался, производя в среднем около 100 кВт энергии (как средний автомобильный мотор). Это объяснение не только глубоко, элегантно и красиво: оно еще и неопровержимо. Оно не зависит от предвзятых мнений или желаний, чем выгодно отличается от множества других «объяснений» того, как устроен и функционирует мир. В этом – могущество истинной науки.

Китти Дженовезе и групповая апатия

Адам Алтер

Психолог, доцент маркетинга Стерновской школы бизнеса Нью-Йоркского университета

Самое изящное социопсихологическое объяснение, какое мне довелось встречать, даже заставило меня защитить диссертацию в соответствующей области. Каждые несколько лет какая-нибудь громкая трагедия, при которой никто даже не попытался ничем помочь жертве, привлекает большое внимание прессы. В 2010 году, апрельским утром, незадолго до рассвета, на тротуаре в нью-йоркском районе Квинс умирал человек. Этот мужчина, бездомный гватемалец Хьюго Альфредо Тейл-Якс, вмешался в уличный конфликт между незнакомыми ему людьми – какой-то женщиной и ее спутником, который, издавая истошные вопли, бешено ее тряс. Когда Тейл-Якс попытался помочь женщине, ее спутник несколько раз ударил его ножом в грудь. В течение полутора часов Тейл-Якс лежал, истекая кровью, а десятки прохожих не обращали на него внимания или же лишь бросали мимолетный взгляд и спешили дальше. К тому времени, как прибыла «скорая», солнце уже взошло, а Тейл-Якс был мертв.

Почти за полвека до этого Китти Дженовезе, также проживавшая в Нью-Йорке, подверглась нападению, которое закончилось ее убийством, причем десятки видевших это, судя по всему, предпочли не встревать в происходящее. Один из авторов New York Times с негодованием писал о черствости ньюйоркцев. Специалисты заявляли, что жизнь в Нью-Йорке как раз и вызывает у его обитателей такое бездушие. Как и в случае с гибелью Тейла-Якса, всевозможные мыслители недоумевали, почему десятки людей с нормально работающим нравственным компасом не помогли умирающему человеку.

Социопсихологов учат преодолевать наше естественное стремление обвинять других в явно дурном поведении: их учат поискать объяснения в окружении этих людей. После смерти Дженовезе социопсихологи Бибб Латане и Джон М. Дарли высказали элегантную гипотезу: человеческий отклик на события не является аддитивным, и в этом его отличие от аддитивности предметов. Четыре лампочки осветят комнату эффективнее, чем три, а три динамика эффективнее наполнят комнату звуком, чем два. Но два человека зачастую действуют менее эффективно, чем один. Люди снова и снова обдумывают ситуацию, делают паузу, чтобы разобраться в череде предшествующих событий перед тем, как начать действовать, а иногда гордость и страх выглядеть смешно мешают им начать действовать вообще.

В рамках одной из серий своих блистательных экспериментов Латане и Дарли зафиксировали на видео поведение студентов, сидевших в комнате, которая постепенно заполнялась дымом[69]69
  B. Latane & John M. Darley, «Group Inhibition of Bystander Inter vention in Emergencies», J. Pers. & Soc. Psych. 10:3, 215–221 (1968).


[Закрыть]. Экспериментаторы закачивали его в помещение при помощи специального насоса, спрятанного за вентиляционной решеткой. Возникал такой эффект, словно где-то рядом пожар. Когда испытуемый был один, он обычно вскоре выходил из комнаты и сообщал экспериментатору: что-то не в порядке. Но когда испытуемого окружали два или три других человека (некоторые из них – «подсадные утки», которым давалась инструкция нарочно вести себя пассивно), он зачастую продолжал сидеть, даже когда уже не видел других за пеленой дыма. При последующем опросе эти студенты сообщали, что решили ничего не предпринимать, ибо пришли к выводу, что этот дым безвреден (и являет собой, скажем, испарения системы кондиционирования или какой-то другой пар). Они заявляли, что не обратили никакого внимания на то, как реагировали на дым другие находящиеся в комнате (или же обратили на это мало внимания).

По мнению Латане и Дарли, мыслительные схемы, отличающие нас от животных более низкого уровня развития, способны подрывать наше стремление помочь ближнему в подобных ситуациях – когда мы находимся рядом с другими людьми, которые, по нашему мнению, способны действовать с той же эффективностью, что и мы сами.

Волшебник по имени Я

Джеральд Смолберг

Практикующий невролог, драматург

Сознание – по-прежнему неразрешимая загадка для ученых и философов. Это неудивительно. Каким бы ни оказался окончательный ответ, подозреваю, он окажется лишь иллюзией, которую выработало само же сознание, чтобы скрыть от нас работу механизмов своих модульных вычислений, идущих параллельно известным нам процессам.

Нейрофизиологи, слегка приоткрывая завесу, окутывающую этого «Волшебника по имени Я», обнаруживают, что незаменимый персональный компьютер, именуемый сознанием, во многом полагается на некий трюк, позволяющий обманывать наше восприятие. Скажем, наше субъективное чувство времени с реальностью не соотносится. Всплески электрических импульсов в коре мозга при обычной повседневной деятельности, как показали исследования, почти на треть секунды опережают осознание реального движения или отклика на сенсорную стимуляцию. Эти всплески импульсов показывают, что мозг инициирует реакцию или реагирует на происходящее гораздо быстрее, чем наше мгновенное восприятие. В физиологических масштабах это гигантское расхождение, несоответствие, которое наш мозг исправляет, «подделывая» момент времени, в который происходит действие или событие, тем самым позволяя нашему сознательному переживанию соответствовать тому, что мы воспринимаем.

Данные, наносящие еще больший ущерб нашей уверенности в надежности нашего восприятия, ученые получают благодаря исследованиям быстрых движений глаз (так называемых саккад), которые провоцируются новыми зрительными стимулами. В течение кратких мгновений этих «дерганий» глазами визуальный сигнал, идущий к мозгу, активно подавляется: в эти мгновения мы в буквальном смысле слепы. Без такой непроизвольной оптической цензуры мы бы постоянно испытывали состояния, когда зрительное восприятие весьма размыто: это неприятно, да и небезопасно. С точки зрения высшей математики выживания, этот эффект представлял бы собой огромный недостаток, поскольку он всегда бы возникал при появлении новых зрительных раздражителей, которые по самой своей природе требуют не худшей, а лучшей зрительной деятельности.

Волшебник-Я справляется с этой недопустимой ситуацией, исключая такие интервалы из нашего потока осознания реальности и заменяя их образами, экстраполированными на основе только что произошедшего и того, что ожидается в ближайшие мгновения. Сознание, подобно уходящему в отставку президенту, обязано выступить с отчетом за истекший период, в данном случае – за период как бы вычеркнутый. Эволюция предоставила нашему виду куда больше времени на то, чтобы устранить неполадки в этой необходимой иллюзии, чем те немногие минуты, которые имеются у президента под прицелом гособвинителя по особо важным преступлениям. Наше сознание не пытается скрыть существование компрометирующей кассеты. Оно выступает с более хитрым фокусом, прячущим сам факт уничтожения сведений о каком-то интервале времени. Оно проделывает это, фальсифицируя показания нашего внутреннего хронометра, датируя нужные моменты более ранним временем, так что нам кажется, будто разрыва никакого нет.

Иллюзия визуальной непрерывности, получаемая благодаря таким умозаключениям и такой экстраполяции, выявляет изначальную уязвимость мозгового софта, которой может воспользоваться любой знающий хакер. Фокусники и шулера всех мастей нажили немалые состояния, эксплуатируя эту «дырку» в восприятии. Лучше всего выразил сей феномен комик Ричард Прайор в сценке, где жена застает его героя с другой женщиной. Прайор в роли мужа-изменщика спрашивает: «Кому ты скорее поверишь – мне или своим лживым глазам?»

Глубокое время

Алун Андерсон

Старший консультант, бывший главный редактор и издательский директор New Scientist; автор книги After the Ice: Life, Death, and Geopolitics in the New Arctics («После льда. Жизнь, смерть и геополитика в Новой Арктике»)

Есть одна простая и могущественная идея, которая поражает меня глубиной и красотой и сама по себе, и как праматерь целого ряда других элегантных теорий и объяснений. Это идея «глубокого времени», согласно которой Земля чрезвычайно стара, а жизнь нашего вида на ней чрезвычайно коротка. Когда эта идея возникла впервые, она противоречила всему, во что в ту пору верили. Но в конечном итоге она изменила взгляд людей на самих себя так же сильно, как это сделало более раннее открытие, показавшее, что Земля вращается вокруг Солнца.

Мы знаем, когда родилась идея глубокого времени – или, по крайней мере, когда она впервые была доказана. Некий Джон Плэйфэйр, профессор Эдинбургского университета, в 1788 году записал свою реакцию на нее: «Кружится голова, когда заглядываешь так далеко в бездну времени»[70]70
  Trans. Roy. Soc. Edinburgh, V, pt. III (1805).


[Закрыть]. Перед этим он совершил поездку на шотландское побережье с другом, геологом Джеймсом Геттоном, который позже изложил свои идеи в книге «Теория Земли». Геттон показал ему ряд своеобразных структур и узоров горных пород. Эти структуры и узоры проще всего было бы объяснить, предположив, что нынешние участки суши некогда лежали на дне моря, а позже поднялись, искривились, пережили эрозию и снова оказались покрыты осадочными материалами нового морского дна. Земле не 6 тысяч лет, как показывали библейские расчеты, признанные тогда (в западном мире) повсеместно; геологические напластования возникли не в ходе всемирного потопа (согласно преобладавшему тогда научному мнению, основанному на лучших химических методах эпохи).

Потребовался гигантский сдвиг в сознании, чтобы посмотреть на мир так, как это сделал Геттон. Оценить бескрайность космического пространства нетрудно. Когда мы поднимаем взгляд к звездам, необозримость Вселенной очевидна и внушает нам восторженный трепет. А вот необозримость времени недоступна непосредственному восприятию. Природа, если наблюдать ее в масштабах человеческой жизни, просто циклически проходит через смену времен года, и этот цикл лишь иногда прерывается катастрофическими землетрясениями, извержениями вулканов и наводнениями. Вот почему креационистская и катастрофистская теории происхождения Земли казались более убедительными, нежели теории, предполагавшие медленное и постепенное развитие. Но Геттон поверил тому, что он увидел в камнях, и заклинал всех «раскрыть книгу Природы, вчитаться в ее летопись».

Его размышления о времени создали благоприятную почву для других грандиозных теорий. За огромные периоды даже неощутимо-медленные процессы могли успеть сформировать мир и природу. После Геттона пришла новая геология, а затем – эволюционная теория, которая объяснила, как постепенно возникают новые виды; наконец явилась и теория постепенного движения самих континентов. И всё это основывалось на концепции глубокого времени.

Взгляды Геттона бросали дерзкий вызов и религиозным ортодоксам. Как он написал в финале своей книги, «мы не находим ни следа начала и никаких предвестий конца». Тем самым он нанес удар идее творения и Страшного Суда.

Его гипотеза по-прежнему поражает красотой. Сегодня, если мы заглянем в бездну времени, у нас не закружится голова, однако не исключено, что мы ощутим собственную незначительность перед лицом земной истории, насчитывающей 4,6 миллиарда лет, и лишний раз убедимся в важности краткого мига, подаренного нам для нашей собственной жизни.