В поисках окаменелостей мы следовали вдоль «правильных» горных пород (выделены черным цветом). Успешные поиски в Коннектикуте и Новой Шотландии привели нас в Гренландию.
С самого начала наш план состоял в том, чтобы вести поиски вдоль этих трещин. Знание того, что в скалах на востоке Северной Америки можно найти остатки динозавров и мелких существ, близких к млекопитающим, позволило нам оценить значение того обнаруженного Чаком оттиска геологической статьи. Это, в свою очередь, привело нас на север Гренландии. Затем, уже в Гренландии, мы продолжали идти вдоль той же нити за находками, подобно голубям, семенящим за крошками хлеба. Эта работа заняла три года, но подсказки, найденные нами в красноцветах, в конце концов привели нас с Фаришем на тот обледеневший хребет.
С вершины гребня наши палатки казались малюсенькими. Наверху шумел ветер, но выступ розового известняка, на котором сидели мы с Фаришем, образовывал укрытие, так что мы спокойно смогли разглядеть находку. Ликование Фариша подтвердило мое подозрение, что белое пятнышко на камне — это действительно зуб млекопитающего. Три бугорка и два корня: именно так он и должен выглядеть.
Ободренные находкой, мы расширили круг поисков в Восточной Гренландии и в последующие годы нашли другие остатки млекопитающих. Это было небольшое, похожее на землеройку животное вдвое меньше домовой мыши. Возможно, это и не был изумительный скелет, заслуживавший особого места в музее, однако же его ценность заключалась в другом.
Это был скелет одного из самых ранних ископаемых существ с нашим типом зубов: их режущая поверхность образована бугорками, смыкающимися при соединении верхних и нижних зубов, а ряд разделен на резцы, клыки и моляры. Ухо животного также напоминает наше и содержит мелкие кости, соединяющие барабанную перепонку с внутренним ухом.
Форма его черепа, плеч и конечностей тоже как у млекопитающих. Вполне вероятно, животное имело шерсть и другие признаки млекопитающих, такие как молочные железы. Когда мы жуем, слышим высокие звуки или поворачиваем кисти рук, мы используем те части скелета, развитие которых можно проследить от приматов и других млекопитающих до исходных структур у этих небольших существ, живших двести миллионов лет назад.
Камни тоже связывают нас с прошлым. Разломы в земле — вроде тех, что привели нас к окаменелым остаткам млекопитающих в Гренландии — оставили свой след и в наших телах. Гренландские горные породы — одна из страниц в громадной библиотеке, в которой хранится история нашего мира. До появления этого маленького зуба мир существовал уже миллиарды лет, и с момента его появления минуло двести миллионов лет. За это время на Земле возникали и исчезали океаны, вздымались и разрушались горы, а на Землю, совершавшую свой путь в Солнечной системе, падали астероиды. В слоях горных пород запечатлены изменения климата, атмосферы и земной коры, происходившие на протяжении миллионов лет. Изменение — это обычный порядок вещей: тела растут и умирают, виды появляются и исчезают, любой элемент и признак нашей планеты и Галактики подвержен как внезапным превращениям, так и постепенным изменениям.
Камни и тела — это «капсулы времени», несущие в себе отпечаток тех великих событий, которые их сформировали. Молекулы, составляющие наши тела, возникли в результате космических событий на заре Солнечной системы. Изменения атмосферы Земли сформировали наши клетки и весь метаболизм в целом. Изменения орбиты планеты, появление гор и другие революционные сдвиги на самой Земле — все это отразилось в наших телах, в мозге и в нашем восприятии окружающего мира.
Как и жизнь и история наших тел, эта книга строится вдоль временной шкалы. Наш рассказ начинается примерно 13,7 миллиарда лет назад, когда в результате Большого взрыва возникла Вселенная. Затем мы познакомимся с историей нашего скромного уголка Вселенной и увидим, какие последствия образование Солнечной системы, Земли и Луны имело для наших органов, клеток и содержащихся в них генов.
Глава 2 Эхо далеких взрывов
13,7 миллиарда летВ этой формуле:
H375 000 000 O132 000 000 C85 700 000 N6 430 000 Ca1 500 000 P1 020 000 S206 000 Na183 000 K177 000 Cl127 000 Mg40 000 Si38 600 Fe2680 Zn2110 Cu76 I14 Mn13 F13 Cr7 Se4 Mo3 Co1
перечислены элементы, имеющиеся в теле человека. В химическом смысле мы представляем собой весьма специфический набор атомов. В основном тело состоит из водорода: на каждый атом кобальта, например, приходится почти четыреста миллионов атомов водорода. А по массе в нас содержится так много кислорода и углерода, как ни в одном другом объекте в известной нам Вселенной.
Интересную историю может рассказать элемент, которого в нашем организме нет: гелий — второй после водорода наиболее распространенный элемент во Вселенной. Структура его такова, что он не обменивается электронами с другими атомами. Поэтому гелий не может участвовать в химических реакциях, определяющих жизненно важные процессы в организме живых существ, такие как метаболизм, рост и воспроизводство. Напротив, кислород и углерод, которых во Вселенной примерно в двадцать раз меньше, чем гелия, легко вступают в реакции с другими элементами и образуют разнообразные химические связи, необходимые для существования живой материи. Способность вступать в реакции — обязательный признак элементов в составе тел. Лентяям здесь не место.
Соотношение атомов — лишь один из отличительных признаков нашего тела. Оно организовано подобно матрешкам: мельчайшие частицы составляют атомы, группы атомов образуют молекулы, а молекулы формируют клетки, ткани и органы. На каждом уровне организации возникают новые свойства, так что каждый элемент сложнее суммы составляющих его частей. Можно досконально изучить атомный состав печени, но это не поможет нам понять, как она функционирует. Иерархическое строение, при котором более мелкие элементы составляют более крупные структуры с новыми свойствами, является базовым принципом строения мира и отражает нашу глубочайшую связь со Вселенной, Солнечной системой и Землей.
Откройте современный научный биологический журнал — и с большой вероятностью вы найдете там дерево родственных связей. Любое создание — от человека до чистокровной лошади или элитной коровы герефордской породы — имеет родословную. Изучение родственного древа позволяет понять связь между живыми существами, обнаружить момент возникновения того или иного вида, даже выявить причину выраженной склонности к заболеваниям у некоторых индивидов. Именно по этой причине врачи интересуются семейной историей болезни своих пациентов.
Современной биологии известно, что наша семейная история простирается далеко за пределы нашего вида и включает в себя историю всех других живых существ. Для обнаружения подобных связей требуется сравнительный анализ различных видов.
Наши тела устроены как матрешки: мельчайшие частицы составляют атомы, группы атомов образуют молекулы, а молекулы формируют более сложные структуры.
Порядок возникновения видов отражен в признаках живых существ: близкие родственники имеют больше общих признаков, чем дальние. У коровы больше общих органов и генов с человеком, чем с мухой: волосяной покров, теплая кровь и молочные железы есть у всех млекопитающих и отсутствуют у насекомых. Пока кто-нибудь не обнаружит волосатую муху с молочными железами, будем считать мух дальними родственниками людей и коров. Внесите в этот список рыб — и вы обнаружите, что рыбы связаны с людьми и коровами теснее, чем с мухами. Мы можем утверждать это, поскольку рыбы, как и люди, имеют позвоночник, череп и другие части тела, отсутствующие у мух. Мы можем и дальше следовать этой логике, добавляя в список новые и новые виды и строя семейное древо, объединяющее людей, рыб, мух и миллионы других видов, обитающих на планете.
Но зачем ограничиваться лишь живыми организмами? Солнце сжигает водород. Другие звезды сжигают кислород и углерод. Основные атомы, из которых состоят наши руки, ноги и мозг, служат топливом для звезд. Но не только атомы наших тел распространяются по всей Вселенной: в космосе обнаружены и молекулы. Составляющие элементы белков и других биологических молекул — аминокислоты и нитраты — приносят на Землю метеориты, покрывают каменистую поверхность Марса и спутников Юпитера. Если наши химические родственники встречаются на звездах, метеоритах и других небесных телах, значит, ниточки наших древнейших связей с Вселенной уходят куда-то далеко в небо у нас над головой.
Научиться различать детали Вселенной — форму галактик, свойства планет, компоненты двойных звезд — непростая задача. Глаза привыкают к темноте постепенно, и так же постепенно приходит осмысление. Чтобы обнаружить в темноте какой-то рисунок, глаза нужно тренировать. Если вы разглядываете в телескоп или бинокль светящееся скопление звезд, ваше воображение и ожидание начинают создавать миражи. Чтобы их удалить и действительно обнаружить в космосе слабо светящиеся объекты, нужно научиться пользоваться периферическим (боковым) зрением, за которое отвечают наиболее восприимчивые светочувствительные элементы глаза. Это позволяет уловить слабый свет и выделить отдельные объекты. Если вы научитесь правильно смотреть на небо, над головой возникнут цвета, глубины и формы — точно так же, как окаменелости начинают бросаться в глаза на фоне песка.
Но зачем ограничиваться лишь живыми организмами? Солнце сжигает водород. Другие звезды сжигают кислород и углерод. Основные атомы, из которых состоят наши руки, ноги и мозг, служат топливом для звезд. Но не только атомы наших тел распространяются по всей Вселенной: в космосе обнаружены и молекулы. Составляющие элементы белков и других биологических молекул — аминокислоты и нитраты — приносят на Землю метеориты, покрывают каменистую поверхность Марса и спутников Юпитера. Если наши химические родственники встречаются на звездах, метеоритах и других небесных телах, значит, ниточки наших древнейших связей с Вселенной уходят куда-то далеко в небо у нас над головой.
Научиться различать детали Вселенной — форму галактик, свойства планет, компоненты двойных звезд — непростая задача. Глаза привыкают к темноте постепенно, и так же постепенно приходит осмысление. Чтобы обнаружить в темноте какой-то рисунок, глаза нужно тренировать. Если вы разглядываете в телескоп или бинокль светящееся скопление звезд, ваше воображение и ожидание начинают создавать миражи. Чтобы их удалить и действительно обнаружить в космосе слабо светящиеся объекты, нужно научиться пользоваться периферическим (боковым) зрением, за которое отвечают наиболее восприимчивые светочувствительные элементы глаза. Это позволяет уловить слабый свет и выделить отдельные объекты. Если вы научитесь правильно смотреть на небо, над головой возникнут цвета, глубины и формы — точно так же, как окаменелости начинают бросаться в глаза на фоне песка.
Научиться различать небесные объекты — лишь первый шаг в усвоении законов неба. Наши отношения со звездами в значительной мере изменились в начале XX столетия благодаря «гарему Пикеринга» («живым компьютерам Гарварда»). Перед директором Гарвардской обсерватории Эдвардом Чарльзом Пикерингом стояла сложная задача, требовавшая серьезной вычислительной и аналитической работы. В обсерватории накапливались изображения звезд, созвездий и туманностей. Их было так много, что даже регистрация данных и нанесение их на карты были чрезвычайно трудоемкой задачей. Конечно, в те времена еще не существовало мощных вычислительных машин и все расчеты приходилось делать вручную. Пикеринг был чудовищно скуп. Однажды в порыве гнева он заявил сотрудникам, что за полцены наймет для выполнения этой работы свою служанку. Идея понравилась ему самому, и он в самом деле взял на работу в обсерваторию горничную Вильямину Флеминг.
Вильямине Флеминг был двадцать один год, и она воспитывала маленького сына. Муж бросил ее, и она осталась без работы и средств к существованию. Пикеринг сначала доверил ей уборку дома, а затем, после произнесенных во всеуслышание слов, привел в обсерваторию для регистрации новых данных. Получив щедрое пожертвование, Пикеринг смог нанять еще нескольких женщин. Конечно, тогда он не мог предположить, что в его группе вырастут величайшие астрономы того времени (да и любого времени, если уж на то пошло). Работавших у Пикеринга женщин называли «гаремом Пикеринга» или (уже в наши дни) «живыми компьютерами Гарварда»: они работали с сырыми астрономическими данными — фотографиями неба — и определяли их смысл.
Генриетта Ливитт, дочь священника, пришла в обсерваторию в 1895 году. Сначала она трудилась на добровольных началах, а потом стала получать жалование — тридцать центов в час. Она полюбила астрономию еще в школе, и эта любовь помогала ей долгие годы, пока она выполняла скучнейшую работу по составлению каталогов фотопластинок с изображениями звезд и туманностей.
Эдвард Чарльз Пикеринг (в верхнем ряду) и «живые компьютеры Гарварда». Вильямина Флеминг — третья слева в первом ряду, Генриетта Ливитт стоит справа от Пикеринга.
Ливитт знала, что звезды различаются по цвету и интенсивности свечения. Одни звезды маленькие и бледные, другие яркие и крупные. Тогда не было возможности узнать, как размер звезды связан с ее реальной яркостью, поскольку кажущиеся бледными звезды могут быть большими, но очень далекими, и наоборот.
Ливитт восхищали звезды, которые с регулярностью в несколько дней или месяцев превращались из ярких в тусклые и обратно. Она нанесла на карты семнадцать сотен звезд, указывая все характеристики, которые только смогла определить: яркость, расположение, периодичность изменений яркости. Она обнаружила удивительную закономерность: существовала прямая связь между длительностью циклического колебания яркости и реальной яркостью звезд.
Идея Ливитт выглядела абсолютно мистической, но оказалась очень глубокой. Зная, что свет движется с постоянной скоростью, и зная реальную и видимую яркость звезды, можно рассчитать расстояние от Земли до этой звезды. Таким образом, Генриетта Ливитт придумала способ измерения космических расстояний.
Нужно представлять себе астрономию того времени, чтобы оценить революционную мощь открытия Ливитт. Со времен Галилея и до времен Пикеринга люди смотрели на небо и все более и более отчетливо видели планеты, звезды и туманности. Но главный вопрос оставался без ответа: как велика Вселенная? Существует ли что-нибудь за пределами нашей Галактики — Млечного Пути?
Как только Ливитт обнародовала свою идею в 1912 году, другие астрономы принялись калибровать небо. Один голландский ученый использовал правило Ливитт для измерения расстояний между звездами. Он получил огромное число: размер галактики превосходит возможности воображения. Затем Эдвин Пауэлл Хаббл, вооружившись идеей Ливитт, с помощью самого мощного телескопа того времени буквально за одну ночь изменил наше представление о Вселенной.
В 1918 году Хаббл, бывший студент-юрист и обладатель стипендии Родса Оксфордского университета, ставший впоследствии астрономом, использовал новый огромный телескоп в обсерватории Маунт-Вильсон, чтобы найти одну из звезд, обнаруженных Ливитт. Это особая звезда: она окружена облаком газа, которое тогда называли туманностью Андромеды. Когда Хаббл применил к этой звезде расчеты Ливитт, у него получился странный результат: звезда и все окружавшее ее облако оказались гораздо дальше всех других известных на тогда объектов. Так стало понятно, что эта группа небесных тел находится гораздо дальше любой самой дальней звезды нашей галактики. Это не облако газа — это другая галактика, находящаяся на расстоянии многих световых лет. Так туманность Андромеды превратилась в галактику Андромеды, а небо над нашими головами сделалось еще шире и еще древнее.
С помощью самого мощного телескопа Хаббл исследовал все объекты, содержавшие переменные звезды Ливитт. Галактика Андромеды и Млечный путь были лишь вершиной айсберга: небо буквально кишело галактиками с миллиардами звезд. Многие светящиеся облака газа, за которыми астрономы следили уже более ста лет, оказались группами звезд, лежащими далеко за пределами нашей галактики. В нашу эпоху, когда люди начали интересоваться возрастом Земли (тогда считалось, что он составляет от десяти до сотни миллионов лет), определение возраста и размера Вселенной показало, что наша планета — лишь крохотная точка в необъятном пространстве, состоящем из бессчетного множества галактик. И все это потому, что люди научились смотреть на небо по-новому.
Хаббл применил еще один метод изучения небесных объектов. Свет от приближающегося к нам источника кажется скорее синим, а от удаляющегося источника — скорее красным. Этот сдвиг связан с тем, что свет обладает волновыми свойствами: волны, излучаемые приближающимся к нам источником, будут выглядеть более сжатыми (длина волны будет меньше), по сравнению с волнами, излучаемыми удаляющимся источником. Более длинные волны образуют красную часть спектра, более короткие — синюю. Если правило Ливитт позволяло измерять расстояния между небесными объектами, то анализ цветового сдвига позволил оценивать скорость их движения.
Так Хаббл обнаружил удивительную закономерность: галактики излучают свет, смещенный в красную часть спектра. Это могло означать лишь одно — небесные тела удаляются от нас, а Вселенная расширяется. И это расширение не хаотично: все тела рассеиваются из общего центра. Давным-давно вся материя Вселенной находилась в этой центральной точке.
Эта новая идея понравилась далеко не всем. Некоторые эксперты ее просто возненавидели. Появилось множество альтернативных теорий происхождения Вселенной. Сторонник одной из них подшучивал над теорией Хаббла, называя ее теорией «большого взрыва». Но тогда не существовало прямых доказательств ни у теории Хаббла, ни у альтернативных теорий.
Доказательства были получены случайно — как побочный результат внедрения новых средств связи. С прорывом в развитии беспроводной связи и с расширением международной торговли и сотрудничества в конце 50-х годов возникла настоятельная потребность научиться передавать через океан радиосигналы и телеизображение. С этой целью НАСА запустила специальный спутник «Эхо-1». Этот спутник, имевший вид большого блестящего металлического шара, был предназначен для передачи сигналов из одной части земного шара в другие. Проблема заключалась в том, что возвращавшиеся на Землю сигналы часто были слишком слабыми, чтобы их можно было интерпретировать.