Текст книги "От динозавра до компота. Ученые отвечают на 100 (и еще 8) вопросов обо всем"

№ 14. Откуда берется ветер?

Примерно оттуда же, откуда движение воздуха в велосипедном насосе. Когда вы накачиваете шину, воздух сжимается поршнем. На поршень давит внешняя сила мышц или электрического моторчика. Дальше понятно: в трубе давление растет, воздух стремится выйти туда, где оно ниже. Осталось выяснить, почему в одних частях атмосферы давление бывает выше, а в других – ниже, что и приводит к перетеканию воздушных масс, которое мы воспринимаем как ветер.

Перепад (градиент) атмосферного давления может быть резким, тогда на контакте воздушных масс воздух закручивается в тугие воронки, ветер разгоняется до свиста и получается буря, тайфун или ураган. А может быть постепенным – тогда мы ощущаем ласковый ветерок.

Про перепады атмосферного давления и его причины люди узнали, когда овладели инструментальными методами наблюдения. Вот прибрежный бриз – ветер, меняющий направление дважды в сутки уже многие тысячи лет. Рано утром он тянет с суши в сторону моря, а вечером, наоборот, с моря в сторону суши. Но связь между бризом, давлением воздуха и температурным режимом стала понятна только 200-250 лет назад, с появлением термометра и барометра. Море греется и охлаждается медленно; суша быстрее; воздух еще быстрее суши. Ночью и под утро, когда солнца нет, земля остывает на несколько градусов и охлаждает лежащие на ней воздушные слои. А море остается теплым – и воздух над ним тоже. Холодный воздух чуть-чуть плотнее и тяжелее теплого – давление немного выше. Этого достаточно, чтобы утренний бриз стекал с суши в сторону моря, вытесняя вверх более теплые, легкие и разжиженные морские воздушные массы.

К вечеру все наоборот: солнце быстро нагрело сушу и воздух над ней. А морская вода осталась прохладной. Теперь уже морской воздух тяжелей и плотней сухопутного – и вечерний ветер дует в противоположную сторону, с моря на сушу.

Разница в температуре и плотности воздушных масс – основная причина всех ветров на Земле. Но проявляется она очень по-разному в зависимости от сочетания местных условий – географической широты, морских течений, наличия гор, ледников и масштабов погодных явлений: мощный циклон, пришедший в прибрежную зону, легко сотрет картину чередования бризов.

В Антарктиде и Гренландии над огромными ледниковыми щитами толщиной в 2 километра воздух, бывает, выстуживается до нескольких десятков градусов, а неподалеку находится открытая вода океана, температура которой не опускается ниже нуля. Из-за резкого перепада температуры и давления с ледникового панциря к океану стекают очень холодные и тяжелые воздушные массы, которые на выходе к морю разгоняются до ста и более километров в час: человек на ногах не устоит. Это так называемые «стоковые», или катабатические, ветра.

В России такого нет. Но зимой, когда на материк заходит выстуженный над Арктикой плотный воздух, при столкновении с умеренными воздушными массами тоже бывают атмосферные приключения. «Мороз и солнце, день чудесный!.. Вечор, ты помнишь, вьюга злилась, на мутном небе мгла носилась… а нынче посмотри в окно.» Пушкин дает точное до деталей описание природного явления, которое позже стало называться «холодный фронт второго рода». Быстрое наступление тяжелого арктического воздуха, атмосферные завихрения на контакте с прежней сравнительно теплой и пасмурной воздушной массой («мгла носилась.»), ее вытеснение – и наутро уже высокое давление, мороз, ясное небо, ковры свежего снега. и тишина: атмосферный фронт и связанная с ним буря ушли куда-то дальше.

Самое время растопить дома печку и прокатиться на санках по морозцу.

Дмитрий Орешкин, географ

№ 15. Почему морская вода соленая?

Начнем с того, что не только морская. В иных озерах засушливой зоны концентрация солей выше, чем в Мировом океане. Самый известный пример – Мертвое море (на самом деле озеро), в которое впадает река Иордан. Его вода содержит до 300 граммов соли на литр – это уже крутой рассол. У нас в стране известны соленые озера Баскунчак и Эльтон в Прикаспийской низменности. Очень соленая вода в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря (которое на самом деле тоже озеро).

Соленые озера подсказывают ответ и про морскую воду. Во-первых, они расположены в жарком климате; во-вторых, не имеют стока – вся стекающая в них вода испаряется; в-третьих, этот процесс продолжается десятки и сотни тысяч лет. А Мировой океан существует гораздо дольше – сотни миллионов лет – и тоже не имеет стока: ему просто некуда течь. Впадающие реки приносят ему до 50 тысяч кубических километров воды в год. Она считается пресной, потому что содержит совсем немного растворенных солей. Но все-таки содержит! Объем океана почти стабилен, значит, он испаряет примерно столько же кубокилометров воды, сколько получает с суши – около 50 тысяч в год. Вода испаряется, а соль остается. И так ежегодно миллионы лет подряд. Если подумать, то вода морей и океанов просто не может не быть соленой.

Тогда вопрос выворачивается наизнанку: как так выходит, что соленость морей со временем не растет, а остается примерно одинаковой? Океан умеет избавляться от лишней соли тремя способами. Значительную часть солей кальция, магния и кремния из морской воды изымают живые микроорганизмы: они строят из них свои маленькие скелеты и панцири, а после гибели оседают на дно и превращаются в слои осадочных пород – известняки, доломиты, диатомиты. Кроме того, от других солей океан избавляется, химически осаждая их или выпаривая в мелководных лагунах. Так работает окруженный пустыней залив Кара-Богаз-Гол – большая горячая сковородка, с которой ежегодно испаряется около 10 кубокилометров каспийской воды и остается до 150 миллионов тонн соли.

И, наконец, избавиться от лишней соли Мировому океану помогает тектоника, которая местами поднимает морское дно, превращая его в сушу. Море отступает туда, где земная кора опускается, а на материке остаются слои морских отложений. Среди них встречаются залежи каменной соли, наследие пересохших древних морей – эвапориты. Атмосферные осадки и связанные с ними грунтовые воды принимаются размывать и понемногу растворять новую земную твердь, перенося продукты разрушения под горку – в бессточные континентальные впадины или в Мировой океан.

Морская вода не только соленая, но и горькая, потому что природные воды по пути к морю растворяют самые разные минералы. Их накопление и выпадение в осадок зависят от концентрации и температуры воды. Когда в начале XVIII века Петр I направил экспедицию князя Бековича-Черкасского исследовать восточные берега Каспия и она впервые вошла в Кара-Богаз-Гол, моряки были удивлены тяжестью вод, которые били в борта с необычной силой. На судне был странноватый кок, который решил искупаться и обнаружил, что его буквально «выталкивает» из воды. Кок, в котором открылась тяга к экспериментам, также заметил, что из воды в изобилии выпаривается соль, и вздумал посолить ею пищу для всей команды. Результат был плачевен – в заливе преобладают растворы сульфатов натрия и магния, известные под названием «английская соль», а также «мирабилит», или «глауберова соль». Все эти соединения обладают выраженным слабительным действием.

Дмитрий Орешкин, географ

№ 16. Как растет кристалл?

С кристаллизацией мы сталкиваемся постоянно. Это и замерзание воды в речке или морозильнике, и образование града и снежинок в облаках, и засахаривание варенья, меда и сгущенки, и появление накипи, и затвердевание паяльного сплава.

Кристалл – это огромная совокупность одинаковых атомов, ионов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строго определенном порядке. Обычно кристаллами называют твердые тела, образующиеся в природных или лабораторных условиях в виде многогранников (например, широко известные кварц, кальцит и его прозрачная разновидность исландский шпат, корунд, изумруд, топаз и многие другие).

В отличие от живых организмов и растений, которые растут за счет деления клеток, кристаллизация происходит на поверхности: частицы присоединяются к плоской грани кристалла подобно кирпичам, которые кладет каменщик на строящуюся стену, вплотную подгоняя один к другому и заполняя поочередно ряд за рядом и слой за слоем. Точнее, так растет модельный, то есть идеализированный, не существующий в природе кристалл. Его называют «идеальным», поскольку он лишен каких-либо несовершенств или дефектов, обязательно присутствующих во всех природных или полученных в лабораториях реальных кристаллах. А ведь именно эти несовершенства зачастую облегчают присоединение новых частиц, воздействуя тем самым на скорость роста кристаллов. В 1948 году английский кристаллограф Ф. Франк предположил, что реальные кристаллы, в отличие от идеальных, не всегда растут параллельными слоями с последовательным заполнением частицами каждого такого слоя – иногда они растут винтовой лестницей, или спиралью. При росте такой кристалл «накручивается» как бы сам на себя, продвигая вперед одну и ту же ступеньку – незарастающий ряд/слой, торец которого получил название «излом». В этом случае всегда присутствует удобная «посадочная площадка» для каждой новой частицы, и со временем эта ступенька с открытым изломом не исчезает. Именно так в настоящее время объясняется и экспериментально подтверждается механизм роста большинства реальных кристаллов с привычной нам многогранной формой.

Что же происходит в случае избыточного содержания кристаллообразующих частиц в среде – растворе, расплаве, паре? Такая среда не в состоянии удерживать все частицы, и их избыток начинает осаждаться в произвольном месте растущего кристалла. Оказывается, дело здесь не только в каких-то особых свойствах его поверхности, но и в пересыщенном состоянии кристаллизационной среды. Это наиболее ярко проявляется в случаях, когда концентрация кристаллизуемого вещества в ней достаточно велика. В итоге кристалл приобретает не привычную нам (ограненную), а так называемую вынужденную форму роста, которая образуется главным образом под влиянием внешних факторов.

Такие известные минералы, как оливин, топаз, кварц, полевые шпаты, апатит, формируются по тому же принципу, осаждаясь из кристаллообразующей среды, только уже в условиях геологических процессов, например при остывании магмы. Если магматический очаг располагается на большой глубине и она остывает очень медленно, то кристаллы вырастают достаточно крупными и четко ограненными. Если же это происходит быстро, например при вулканических извержениях лавы на поверхность Земли, то она затвердевает с образованием мельчайших кристалликов минералов и даже стекол.

Николай Леонюк и Елизавета Копорулина, кристаллографы

Часть II
Природа: Животные и растения

№ 17. Откуда взялся первый динозавр?

Ученые считают, что динозавры произошли от так называемых текодонтов (ячеистозубых). Название этих рептилий объясняется особым расположением зубов, находившихся в челюсти в специальных углублениях. Эти существа, внешне больше всего похожие на современных крокодилов, успешно пережили великое пермское вымирание, когда катастрофы смели с лица Земли 90 % всей жизни. При этом исчезли и гигантские ящеры, которые в то время населяли планету. Предки же динозавров в те времена были мелкие и лучше пережили эту катастрофу. Они смогли воспользоваться ситуацией и заняли освободившееся место. Динозавры быстро стали очень разнообразными, освоили все экологические ниши и скоро оказались весьма многочисленной группой живых существ. Это произошло примерно 240 миллионов лет назад, в начале мезозойской эры. Судя по всему, первые динозавры были мелкими двуногими хищниками.

При переходе от текодонтов к динозаврам эта очень успешная группа рептилий получила два приобретения: во-первых, колени, которые смотрели вперед, а не в стороны, благодаря чему динозавры быстро смогли встать на задние ноги и научились бегать. А во-вторых, вертикализированные челюсти, в которых мышца тянет нижнюю челюсть строго вверх (а не наискосок, как было раньше). Укус этой усовершенствованной челюсти стал намного мощнее и позволил динозаврам стать чемпионами по захвату и переработке пищи.

Илья Колмановский, зоолог

№ 18. Почему динозавры вымерли?

Почему вымерли динозавры, никто не знает наверняка, но по этому поводу есть несколько точек зрения. Все они сходятся на том, что к концу мелового периода (последнего периода мезозойской эры) динозавры как группа уже довольно плохо себя чувствовали. С одной стороны, они были чрезвычайно крупными животными, а это значит, что им нужно было очень много еды; планета уже с трудом могла их прокормить. С другой стороны, им было трудно оберегать свое потомство: детеныши из-за естественных пределов размера яйца рождались очень мелкими и, вероятно, легко делались жертвами активных ночных млекопитающих. Большинство детенышей погибало, и динозавры очень медленно воспроизводились. Плюс ко всему в этот момент, видимо, произошло столкновение Земли с метеоритом, в атмосферу поднялось большое количество пыли, стало темнее, и в результате средняя температура на планете могла понизиться сразу на несколько градусов. Изменение температуры плохо отразилось на растительности, которой питались травоядные динозавры. Если бы они не были такими огромными, то смогли бы приспособиться и начать питаться другими растениями, но большой размер автоматически означает очень высокую специализацию, то есть негибкость в том, что можно есть. Уменьшение количества травоядных динозавров в свою очередь ударило и по хищным – им тоже стало не хватать еды.

Илья Колмановский, зоолог

№ 19. Как появилось первое дерево?

Существуют разные теории появления растений на Земле, но большинство из них сходится на том, что появились они из воды, от предков, общих с водорослями. Соответственно и сами были похожи на эти самые водоросли. Попав в воздушную среду, они очень долго адаптировались и в итоге начали занимать вертикальное пространство, то есть расти вверх. Первыми растениями были хвощи и плауны, среди которых встречались и 100-метровые гиганты – первые «деревья». Но они не были настоящими деревьями в нашем с вами понимании: у них не было древесины, вторичной ткани. Растения долго экспериментировали с древоподобными жизненными формами, из которых до нас дошли пальмовидные древовидные папоротники. Но ведь у них нет настоящей древесины! Весь ствол состоит из черешков листьев. Затем климат на планете поменялся, стало прохладнее, и растения поняли, что такой огромный ствол нуждается в большей защите от испарения влаги, от ветров и других внешних воздействий. Именно это и привело к появлению в стволе камбия, нового слоя постоянно делящихся клеток, которые внутрь откладывают древесину, а наружу луб – внутренний слой коры.

Ольга Яценко, ботаник

№ 20. Почему стволы деревьев круглые?

Если посмотреть на спил дерева, то мы увидим круги – годичные кольца. Ближе к краю спила мы обнаружим кору, а под ней – луб. Затем идет слой камбия, расположенный в стволах деревьев между лубом и древесиной. Клетки камбия делятся, равномерно откладывая наружу клетки, которые станут лубом, а внутрь – клетки, которые станут древесиной. Если по какой-то причине работа клеток нарушается, то ствол может приобрести самые разнообразные выпуклости, ребра и другие «дополнения» к его ровным очертаниям.

Но работа камбия – это только косвенная причина круглой формы ствола. Основная причина – законы физики, действующие на нашей планете. Они повлияли на растения таким образом, что цилиндр оказался самой удачной формой для расположения продолговатых объектов в трехмерном пространстве. Круглому стволу легче противостоять воздействию ветра – за счет более обтекаемой формы. Его сложнее сломать, и он более устойчив к изгибам и наклонам.

Ольга Яценко, ботаник

№ 21. Как из маленькой клетки появилась рыба?

Процесс, при котором из одной маленькой клетки появляется большой взрослый организм (ученые называют это онтогенез), – удивительный и очень сложный.

Начинается он с того, что рыба-самка мечет икру, а рыба-самец выпускает в воду сперматозоиды. Икринка – это одна клетка, она большая и содержит много питательных веществ, сперматозоид – это тоже всего одна клетка, совсем маленькая, с хвостиком, и она может плавать. И в той, и в другой клетке содержатся инструкции для построения новой особи. При встрече икринка и сперматозоид сливаются в одну новую клетку (этот процесс называется оплодотворением).

После этого клетка, ставшая уже зародышем, начинает делиться: из одной клетки получаются две клетки поменьше. Потом каждая из новых клеток также делится на две и так далее. В самом начале при делении клетки не увеличиваются в размерах, чтобы делиться очень быстро: примерно каждые 15 минут. Когда клеток становится достаточно много, группы клеток начинают двигаться друг относительно друга: наползать, подворачиваться, вдавливаться внутрь. Так у зародыша появляются кишечник, мозг, сердце, мышцы. При этом одни клетки выделяют сигнальные химические вещества, как бы спрашивая: «Давай я буду позвоночником, а ты тогда спинным мозгом?» Другие клетки чувствуют эти вещества и в ответ действительно начинают превращаться в клетки спинного мозга.

Зародыш развивается внутри плотной оболочки икринки и не может питаться. Откуда же клетки берут еду и энергию? Из запасов питательных веществ, изначально имевшихся в икринке. Скопление этих веществ в клетке называют желтком, он занимает большую ее часть и постепенно расходуется в течение всего времени развития зародыша. Поскольку развивающаяся рыбка все-таки дышит и удаляет часть ненужных веществ, масса вышедшей из икринки рыбки будет меньше массы той одной клетки, из которой рыбка развилась.

У аквариумной рыбки данио рерио всего через 24 часа после оплодотворения уже есть голова, хвост и даже глаза. А на второй день она уже движется внутри оболочки икринки. Для сравнения: будущая мышка через 24 часа после оплодотворения состоит только из двух клеточек.

После выхода из икринки рыбка начинает самостоятельно питаться, расти, пока не вырастет в большую взрослую рыбу.

Евгения Зотова, молекулярный генетик

№ 22. Что возникло раньше: яйцо или курица?

Хотя этот вопрос кажется заковыристым, для биолога ответ на него очевиден. Конечно, яйцо. Первые яйца возникли намного раньше, чем первые курицы. Ведь, во-первых, курицы – это не самые первые птицы в истории, а во-вторых, не только птицы откладывают яйца. Сейчас уже хорошо известно, что современные птицы являются прямыми потомками динозавров, от которых они отделились не меньше 150 миллионов лет назад. И уже к этому моменту яйца современного птичьего типа существовали. А первые яйца, покрытые твердой кальциевой оболочкой, возникли еще раньше, около 300 миллионов лет назад. Курицы, понятное дело, появились сильно-сильно позже.

Но намного интереснее вопрос, зачем появились первые яйца. И здесь надо разобраться, что мы называем яйцом. Если понимать яйца в чисто биологическом смысле, то яйца с тонкой и мягкой оболочкой существовали в воде у самых древних многоклеточных животных. Такие яйца еще называют икринками. Икринки могут существовать только в воде. Но небиологи, говоря про яйца, все-таки обычно имеют в виду яйца типа куриных, с достаточно твердой оболочкой, зародыш внутри которых может развиваться на суше. Такие яйца в биологии называют амниотическими. Впервые в эволюции они возникли у пресмыкающихся, к которым относятся ящерицы, змеи, крокодилы и черепахи. У пресмыкающихся вокруг тонкой оболочки яйца морских животных появилась дополнительная оболочка из органического вещества, которая не пропускала воду. А значит, яйцо с такой оболочкой можно было оставить не только в воде, но и на суше, где в то время хищников, способных съесть яйца, практически не водилось. Это оказалось огромным преимуществом, и животные с такими новыми амниотическими яйцами смогли освоить всю сушу, а не только прибрежные районы, как амфибии до них. Постепенно животные научились покрывать яйца сверху твердыми веществами, содержащими кальций, и таким образом возникли те яйца, которые сегодня мы встречаем у куриц и других птиц. Динозавры, например, уже откладывали именно такие яйца задолго до птиц.

Но если вы читали внимательно, то у вас должен был возникнуть еще один вопрос: а когда же и почему появились яйца у морских животных? Перефразируя оригинальный вопрос, что было раньше, рыба или икринки? На этот вопрос ответ тоже существует, но это совсем другая история.

Антон Захаров, физиолог