Вселенная внутри вас Клегг Брайан

Встаньте перед зеркалом, желательно таким, в котором отражаетесь в полный рост, и хорошенько рассмотрите себя. Не мимоходом, как обычно, а пристально. Возможно, при этом у вас могут появиться не вполне приятные мысли, так как мы склонны обращать внимание на всяческие несовершенства типа лишних сантиметров на талии. Но речь совсем не об этом. Я хочу, чтобы вы рассмотрели себя как человеческое существо.

Читая эту книгу, вы будете пользоваться своим телом как инструментом для изучения самых разных научных аспектов. Все они присутствуют в вашем теле, начиная от химических реакций, происходящих в процессе пищеварения, до теории Большого взрыва и других непостижимых загадок Вселенной. Тело станет вашей лабораторией и обсерваторией.

Вы можете посмотреть на него в целом как на единый объект, как на живое существо. Но можно также углубиться в детали, обращая внимание на то, как тело взаимодействует с окружающей средой и использует содержащуюся в пище энергию. Мы сможем рассмотреть в нем от 10 до 100 триллионов клеток. Каждая клетка представляет собой сложнейшую единицу жизни, но если взять каждую из них по отдельности, то это будете уже не вы. Если пойти еще дальше, то в большинстве клеток тела можно обнаружить сложное химическое соединение, представляющее собой крупнейшую из известных молекул. Это ДНК, содержащаяся в хромосомах.

Продолжая всматриваться в детали, вы в конце концов дойдете до атомов, из которых состоит вся материя. Здесь уже становится трудно оперировать привычными цифрами, так как организм взрослого человека состоит примерно из 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 атомов. Обычно в этом случае пользуются выражением 7  1027, которое означает, что за семеркой следует 27 нолей. Это число в миллиард раз больше, чем количество секунд, прошедших с момента возникновения Вселенной.

Стоя перед зеркалом, вы можете увидеть еще множество самых невероятных вещей.

Что мы видим в отражении

Через несколько минут мы углубимся с вами в исследование миниатюрной вселенной, заключенной в вашем теле, но пока давайте еще немного побудем снаружи и посмотрим на свое отражение. У вас есть шанс исследовать одну загадку, которая не дает покоя людям на протяжении многих столетий.

Стоя перед зеркалом, поднимите правую руку. Какую руку поднимает ваше отражение?

Из собственного опыта вам хорошо известно, что левую.

Вот вам и загадка. Зеркало всегда делает правую сторону левой, и наоборот. Мы настолько к этому привыкли, что даже не задумываемся, почему так получается. Левая рука в отражении становится правой. Если вы закроете правый глаз, отражение закроет левый. Если волосы у вас зачесаны на левую сторону, у отражения они будут зачесаны на правую. Однако голова у отражения будет, как и у вас, находиться сверху, а ноги – снизу (если зеркало позволяет вам разглядеть себя в полный рост). Почему же зеркало меняет правую и левую стороны, но не меняет верх и низ? Почему оно так по-разному подходит к этим двум измерениям?

У вас есть возможность подойти к этой проблеме с научных позиций. На возникновение отражения в зеркале влияют три вещи: путь, который световые лучи проходят между вашим телом и зеркалом, способ восприятия этих лучей (с помощью глаз) и, наконец, способ интерпретации полученных сигналов мозгом. Все эти аспекты мы подробно рассмотрим ниже, но один момент привлекает внимание сразу же. Ваши глаза расположены горизонтально. У вас есть правый и левый глаза, но нет верхнего и нижнего. Может быть, смена сторон объясняется как раз этим?

К сожалению, нет. Это хорошая гипотеза, но в данном случае она неверна. И в этом нет ничего страшного. Многие открытия в науке совершаются, когда ученый понимает, что его идея не соответствует действительности. Давайте проведем небольшой эксперимент, который позволит понять, что же происходит на самом деле.

Возьмите закрытую книгу (или журнал) и держите ее перед собой лицевой стороной обложки к себе. Посмотрите на ее отражение в зеркале. Что вы видите? Постарайтесь описать увиденное как можно точнее. Перечислите все моменты, которые заметили в отражении. Вероятно, это поможет вам понять загадку зеркала.

Сначала проведите этот опыт самостоятельно, а потом послушайте, что в нем заметил я:

• Все надписи на книге перевернуты слева направо, и буквы имеют зеркальное написание.

• Отражение находится на таком же расстоянии от поверхности зеркала, что и сама книга.

• Все цвета отражения в точности соответствуют цветам оригинала.

• Если в книге, которую я держу перед собой, мне видна лицевая сторона обложки, то в отражении – оборотная.

Обратите особое внимание на последний пункт. Книга остается той же самой, но лицевая сторона обложки в отражении вдруг заменяется оборотной. Вот здесь-то и кроется разгадка. Зеркало меняет местами не левую и правую стороны, а переднюю и заднюю.

Фактически оно выворачивает изображение наизнанку. Тыльная сторона моей книги в отражении становится лицевой. Отложите книгу в сторону и снова обратите внимание на себя. Представьте, что ваша кожа сделана из резины и может растягиваться как угодно. Снимите с себя эту воображаемую кожу, пронесите ее сквозь зеркало и, не поворачивая, выверните наизнанку. Кончик вашего носа, который до этого указывал вперед, в сторону зеркала, теперь смотрит в обратном направлении. Те части тела, которые располагались ближе к зеркалу, так же располагаются по отношению к нему и в отражении. Просто все ваше изображение вывернуто наизнанку.

Так что на самом деле левая и правая половины не меняются местами и вам не надо ломать голову над тем, почему зеркало не меняет местами верх и низ. Причина того, что у вас возникла иллюзия смены сторон, кроется в вашем мозге. Когда вы смотрите на свое отражение в зеркале, мозг пытается отождествить его с вами. Это ему легче всего сделать, мысленно развернув отражение на 180 градусов. При этом левая и правая стороны меняются местами. Однако вы должны понимать, что смену сторон осуществляет не зеркало, а ваш мозг, который пытается по-своему интерпретировать полученные сигналы.

Решив загадку зеркала, давайте теперь займемся исследованием Вселенной, взяв за основу пусть и не смую примечательную, но крайне необычную часть своего тела – человеческий волос.

Крепко возьмитесь за один из волос на голове и вырвите его. Никто не обещал, что познание научных истин будет проходить безболезненно. Если вы не настроены терпеть боль, можете снять волосок с расчески. Если вы уже облысели, возьмите чужой волос – предварительно спросив разрешения, разумеется! А теперь взгляните, что у вас в руке. Это длинный, чрезвычайно тонкий и гибкий, но на удивление прочный цилиндр.

Рассмотрите его во всех подробностях, насколько позволяет зрение. Если у вас под рукой есть микроскоп, можете воспользоваться им, но в принципе будет достаточно и увеличительного стекла.

С этого волоса начинается наш путь к открытиям в любой области науки – от философии до физики. Вы сомневаетесь, что в обычном волосе можно найти что-то философское? Подумайте сами: вы живы, а этот волос является вашей неотъемлемой составной частью (во всяком случае, был таковым, пока вы его не вырвали). Тем не менее волосы, покрывающие ваше тело, мертвы. Они не состоят из живых клеток. То же самое можно сказать о ногтях на руках и ногах. Итак, вы живы, а некоторые части вашего тела мертвы.

Вспомните об этом, когда телевизионная реклама будет в очередной раз соблазнять вас продуктами, которые вдохнут в ваши волосы «жизнь и здоровье». Волосы не могут быть ни живыми, ни здоровыми. Они мертвы. Абсолютно мертвы. Вас это беспокоит? Не стоит тревожиться. Такими они и должны быть. После этого остается только удивляться тому, что в продаже имеется множество средств, которые якобы питают волосы.

Мы ведем разговор об одном-единственном волосе, но у вас их очень много (надеюсь), причем по всему телу. На голове человека растет в среднем 100 тысяч волос, хотя у блондинов эта величина обычно отклоняется в б ольшую сторону, а у рыжих – в меньшую. Когда мы смотрим на отдельный волос, его цвет не так заметен, как в составе шевелюры, тем не менее он есть.

Натуральный цвет

Цвет волос зависит от двух вариантов пигмента под названием «меланин». Один из них – феомеланин – придает волосам рыжий цвет. Прочие оттенки цветов, от самого светлого до самого темного, зависят от количества другой разновидности этого пигмента – эумеланина, представляющего собой исходную форму пигмента волос. Рыжие волосы появились в результате мутации на каком-то этапе человеческого развития.

По мере старения количество пигмента в волосах уменьшается вплоть до полного исчезновения. В седых волосах пигменты на основе меланина полностью отсутствуют. На самом деле седые волосы бесцветны, но их форма и внутренняя структура при прохождении сквозь них света создают эффект белого или сероватого цвета.

Разглядеть внутреннюю структуру волоса невооруженным глазом не удастся, но под микроскопом становится очевидно, что это не просто некое однородное волокно. На самом деле в волосе имеется три слоя: внутренний (почти пустой); средний (кортекс), имеющий сложное строение, содержащий пигменты и способный впитывать воду и набухать; и внешний (кутикула), покрытый крошечными чешуйками и обладающий водоотталкивающими свойствами.

Человеческий волос в разрезе

На одном конце волоса (на том, который вы выдернули из кожи) можно разглядеть остатки фолликула, который обычно скрывается под кожей. Фолликул отвечает за формирование и рост волоса и является его единственной живой частью.

Искусственное окрашивание волос

Когда мы говорим, что цвет волос зависит от количества содержащегося в них меланина, то имеется в виду натуральная окраска. Однако многие люди время от времени меняют цвет волос, используя для этого обесцвечивающие составы и красители. Обесцвечивание представляет собой на удивление сложный механизм. Это не просто нанесение краски на волосы. Процесс стойкого обесцвечивания волос был бы более уместным для химической лаборатории, чем для салона красоты.

Вначале вещество типа аммиака раскрывает стержень волоса, обеспечивая доступ к кортексу, а затем обесцвечивающий состав окисляет и разлагает натуральные пигменты.

После этого при необходимости может быть добавлен другой краситель, который также проникает в кортекс. Для менее стойкого окрашивания применяются красители, которые покрывают только кутикулу и достаточно легко смываются.

Опасения по поводу потери волос

Волосы есть практически у каждого человека, но по сравнению с большинством других млекопитающих они не столь густы и обильны. Дело, в общем-то, даже не в количестве. У нас приблизительно такое же количество волос, как и у сопоставимого по размеру шимпанзе, но большинство наших волос настолько малы, что почти не видны.

В следующий раз, когда вы замерзнете или испытаете внезапный испуг, взгляните на кожу своих рук. Вероятнее всего, вы увидите мурашки, или гусиную кожу. Этот феномен имеет прямое отношение к волосам (волосы буквально встают дыбом) и говорит о том, что наши предки, как и большинство млекопитающих, были покрыты густыми волосами.

Появление мурашек связано с тем, что крохотные мышцы, расположенные у корней волос, напрягаются и поднимают волосы перпендикулярно поверхности кожи. Если бы у вас была густая шерсть, она от этого стала бы более объемной и приобрела бы лучшие теплозащитные свойства за счет увеличения в ней количества воздуха. В холодное время года это могло бы сослужить вам неплохую службу, но мы растеряли почти все волосы на теле, и теперь этот эффект нас ничуть не согревает, а только придает коже странный вид.

Точно так же волосы встают дыбом, когда мы чем-то напуганы. Это тоже проявление древней защитной реакции, которая в настоящее время утратила всякий смысл. Многие млекопитающие, чувствуя угрозу, расправляют таким образом шерсть, чтобы выглядеть больше и сильнее. (Попробуйте поднести кошку к собаке. Кошка не только «ощетинится», но и выгнет спину, чтобы казаться больше.) Очевидно, в древние времена мы вели себя так же, но в настоящее время этот эффект не срабатывает, так как шерсти на теле у нас не осталось. Волосы, как и прежде, встают, но размеров нам не прибавляют.

Отсутствие естественного шерстяного покрова сильно огорчило меня, когда недавно я вышел выгуливать свою собаку. Было холодно, а я оделся явно не по погоде. На мне была только майка с короткими рукавами. Моросил мелкий дождь, мои кроссовки промокли в траве и хлюпали при каждом шаге. К тому же, проходя мимо какого-то забора, я умудрился влезть голой рукой в густые заросли крапивы.

А вот собаке, покрытой густой шерстью, было наплевать и на погоду, и на крапиву. Природа снабдила ее намного лучшими средствами выживания, чем меня.

Меня всегда удивляло, почему люди так плохо приспособлены к непогоде и различным опасностям. Мы знаем, что у наших далеких предков была густая длинная шерсть, как и у современных человекообразных обезьян. (Кстати, шимпанзе и гориллы не являются нашими предками, хотя многие по ошибке до сих пор считают их таковыми.) Кажется совершенно нелогичным, что человеческая раса уже на раннем этапе своего развития лишилась защитной шерсти.

Разумеется, было бы наивным считать, что эволюция действует в наших интересах. Она не преследует вообще ничьих интересов. Обычно эволюция лишь отбирает мелкие варианты развития, которые способствуют выживанию и размножению какой-то конкретной особи. Она не анализирует и не рассуждает: «Вот это хорошо. Это мы сохраним». Но даже в таком случае представляется маловероятным, что потеря теплого и обладающего другими защитными свойствами естественного меха дала человеку какие-то эволюционные преимущества.

Эволюция тасует колоду, но это вовсе не значит, что все генетические карты, оказавшиеся у нас на руках после раздачи, обязательно будут выигрышными. Если у нас в ходе эволюции выработалась какая-то определенная черта, это не значит, что она даст нам преимущество. С таким же успехом эта черта может оказаться побочным эффектом какого-то другого эволюционного процесса. Например, у многих птиц крылья легко ломаются, потому что состоят из тонких полых костей. В слабых костях как таковых нет ничего хорошего. Они отнюдь не способствуют выживанию, но зато помогают уменьшить вес тела, что необходимо для полета.

Потеря человеком волос на теле может объясняться разными причинами. Возможно, когда наши предки переселились из лесов в саванны, им приходилось больше потеть, а при отсутствии шерсти потоотделение облегчается. Возможно также, что менее густая шерсть позволяла им лучше справляться с паразитами (хотя с этой проблемой до сих пор сталкиваются все крупные человекообразные обезьяны). Существуют и более экзотические объяснения. Например, кое-кто предполагает, что древние люди вели полуводный образ жизни и отсутствие волос на теле позволяло им лучше плавать (хотя многие млекопитающие, ведущие полуводное существование, обладают густой шерстью). Лично мне кажется, что потеря волос была случайным побочным эффектом, как и чрезвычайно хрупкие кости птиц.

Чтобы приобрести союзников, избавляйтесь от волос

Примерно 100 тысяч лет назад наши далекие предки окончательно приобрели вид современного человека. На этом пока завершилась наша эволюция. С биологической точки зрения мы ничем не отличаемся от них. После этого происходило еще множество мелких изменений на генетическом уровне, но как биологический вид мы остаемся все теми же. У нас такой же потенциал физической силы, долголетия, привлечения особей противоположного пола, мышления и т. д.

Много тысяч лет назад наш далекий предок (который был у нас общим с шимпанзе и другими крупными человекообразными обезьянами) претерпел значительные эволюционные изменения. Он потерял большую часть волосяного покрова, и у него осталась лишь тонкая чувствительная кожа. Наш предок перешел от передвижения на четвереньках к прямохождению. Размер его мозга сильно увеличился, и голова стала непропорционально большой по сравнению с телом (в то время это, вероятно, воспринималось как не самая привлекательная черта внешности). Рот уменьшился, в результате чего зубы стало труднее использовать в качестве оружия. Исчезло противопоставление больших пальцев на ногах, дававшее ранее возможность обхватывать стопами ветки деревьев.

В целом все эти изменения сделали древнего человека более уязвимым перед хищниками. Голая кожа плохо защищала от когтей и клыков. Ходьба на двух ногах была неустойчивой и неуклюжей. Любой кролик мог обогнать это существо, с трудом удерживавшее равновесие. Похоже, что единственным разумным объяснением всем этим изменениям могло быть то, что они являлись побочными эффектами. Если рассматривать их в сочетании с изменениями поведения, то оказывается, что это приемлемая цена, которую пришлось заплатить за прогресс.

Физические модификации в теле древнего человека являлись, скорее всего, косвенным результатом кардинальных изменений окружающей среды. Резкая смена глобального климата вынудила древнего человека выйти из леса, обеспечивавшего ему хорошую защиту, на открытое пространство саванны. Столкнувшись там с сильными хищниками, он вынужден был в целях выживания изменить свое поведение. В те времена древние люди еще не умели взаимодействовать в составе больших групп. Это мы до сих пор наблюдаем у наших ближайших родственников. Шимпанзе, к примеру, не способны формировать крупные группы и сотрудничать. Если вы сведете вместе несколько самцов, результатом станет кровавое побоище, так как каждый будет стремиться к доминированию.

Древние люди, бродившие по просторам саванн пять миллионов лет назад, видимо, мало чем отличались от самцов шимпанзе. Однако свирепые хищники тех времен, начиная от саблезубых динофелисов и махайродов, достигавших размеров льва, и заканчивая более знакомыми нам гиенами, вынудили их поменять свое поведение. Выжить могли лишь те, кто обладал природными способностями к сотрудничеству. Наши предки начали жить большими группами, что обеспечивало им преимущество перед хищниками. Такие изменения в поведении, возможно, и привели к появлению побочных физических эффектов, которые мы наблюдаем у современного человека.

Примеры подавления агрессии и демонстрацию способности к сотрудничеству мы можем наблюдать у человекообразных обезьян в детском возрасте. По достижении зрелости эта способность к взаимодействию в составе больших групп у наших родственников пропадает. Можно предположить, что среди наших предков б ольшие шансы на выживание в саванне имели те особи, которые не вызывали агрессии своих сородичей, так как выглядели незрелыми и физически недоразвитыми: имели безволосое тело, большую голову, маленький рот и часто стояли на двух ногах. Именно так выглядят детеныши приматов на определенном этапе развития, хотя с возрастом эти черты внешности и поведения исчезают.

Кстати сказать, подобный механизм отбора особей, обладавших чертами детенышей, использовался людьми для одомашнивания животных. Собака, например, имеет гораздо больше схожих черт с детенышем волка, чем со взрослым волком, от которого она произошла. И это не просто теория. В ходе замечательного долгосрочного эксперимента, проведенного в период с 1950х по 1990е годы, русский генетик Дмитрий Беляев вывел домашнюю породу серебристо-черных лис и тем самым показал, каким образом древние люди сумели превратить волка в собаку.

Спустя 40 лет (что очень долго для эксперимента, но является лишь мигом с точки зрения эволюции) потомки диких лис начали напоминать домашних собак. У них закруглились очертания морды, повисли заостренные прежде уши, увеличилась подвижность хвоста. Окраска шкуры перестала быть однородной, на ней появились цветовые вариации и узоры. Домашние лисы больше времени проводили в играх и охотно признавали лидерство взрослых особей. Чем большую склонность к сотрудничеству они демонстрировали, тем больше становились похожи по внешнему виду и повадкам не на взрослых особей, а на лисят-переростков.

Но вернемся к людям. В процессе налаживания сотрудничества в группе они приобретали все больше инфантильных черт, что выразилось в потере большей части волос на теле, как у современного человека. Исключением стала лишь голова. Волосы на голове растут очень обильно и, в отличие от волос на других частях тела (и от других млекопитающих), продолжают расти в течение всей жизни.

Как и в случае с общей потерей волос, это явление может иметь несколько объяснений. Вполне возможно, что первоначально волосы на голове имели фиксированную длину, но со временем в результате естественного отбора начали расти постоянно. Вероятно, эти мутации закрепились вследствие того, что длинные волосы лучше защищают мозг или рост волос стал побочным эффектом ношения одежды, так как голова оказалась единственной частью тела, не прикрытой одеждой. Возможно, длинные волосы лучше защищали от прямого воздействия солнечных лучей в полдень (а оно может быть весьма сильным, что подтвердит вам любой обладатель лысины). Могут быть и другие, самые разнообразные объяснения.

Вообще-то установление точных «причин» эволюционных изменений – крайне трудная задача, поскольку мы не можем непосредственно наблюдать, что происходило в тот период времени, или провести эксперимент, доказывающий ту или иную теорию. Это немного напоминает ситуацию, когда финансовые аналитики заявляют в новостях, что фондовый рынок рухнул «из-за недостаточного доверия населения к правительству» или по каким-то другим причинам. Никто в точности не знает, почему рынок демонстрирует такую тенденцию развития. Точно так же никто не в состоянии объяснить, почему человечество развивалось в том или ином направлении. Все это лишь предположения.

Затерянные в космосе

Раз уж мы остались без волосяного покрова, важным фактором выживания стало наличие одежды. И под водой, и на Северном полюсе одежда является непременным атрибутом снаряжения. Пожалуй, самым очевидным примером ее защитных свойств может служить космический скафандр. Тело человека никогда не было приспособлено для выживания в космосе. Там царит невообразимый холод – до 270 °С. Та нет атмосферы. Условия в космосе не имеют абсолютно никакого сходства с земными. И все же астронавты в специальных скафандрах регулярно выходят в открытый космос.

Однако выжить в космосе в течение короткого времени можно и без специальной защиты. Голливуд любит показывать в своих фильмах, что может произойти с человеком в таких условиях. Все это красиво, но совершенно не соответствует действительности. Самым курьезным образцом может служить основанный на романе Филиппа Дика фильм 1990 года «Вспомнить все» с Арнольдом Шварценеггером в главной роли. В этом фильме люди, оказавшиеся на поверхности Марса без защитного снаряжения, неимоверно раздуваются, а затем лопаются, и их внутренности разлетаются во все стороны.

На самом деле у Марса есть атмосфера (хотя ее давление составляет всего одну сотую от земного). Но даже если бы речь шла о безвоздушном пространстве, человек не раздулся бы и не лопнул. Он, конечно, испытал бы ряд неприятных моментов, когда газы выдавливаются из внутренних полостей тела, но его голова не может лопнуть как воздушный шарик.

Есть еще такая опасность, как закипание жидкости в теле. Чем ниже давление, тем ниже точка закипания любых жидкостей, и в космосе, где давление вообще отсутствует, у вас возникнут неприятные ощущения от пересыхания глаз, с поверхности которых будет улетучиваться вода. В некоторых фантастических романах утверждается, что в этих условиях в сосудах закипает кровь. Это звучит ужасно, но, по данным НАСА, кожа и стенки кровеносных сосудов достаточно упруги, чтобы не допустить этого.

Кто-то может решить, что в условиях космического холода человек мгновенно замерзнет. Однако вспомните о термосе, который сохраняет содержимое горячим в течение длительного времени. В вакууме тепло может передаваться только в виде излучения. Именно таким образом мы получаем тепло от Солнца, лучи которого преодолевают по пути к Земле безвоздушное пространство. Наше тело тоже излучает тепло в виде инфракрасных (невидимых) лучей, однако подавляющая доля его потерь приходится на теплопередачу, при которой поверхность кожи передает тепловые колебания составляющих ее атомов атмосферному воздуху. В процессе теплопередачи движение атомов кожи немного замедляется, а атомов воздуха, наоборот, ускоряется. В вакууме такого произойти не может.

Вы, конечно, потеряете часть тепла, но далеко не так быстро. На самом деле умереть в открытом космосе вы можете от отсутствия воздуха. Но для этого тоже понадобится несколько секунд. В 1965 году в НАСА произошел инцидент, демонстрирующий, что может произойти в таком случае. В ходе тренировок в вакуумной камере у одного из испытателей лопнул скафандр. Испытатель (выживший в результате этого происшествия) оставался в сознании на протяжении 14 секунд. По данным НАСА, предельный срок выживания в условиях вакуума не установлен, но предполагается, что он может составлять от одной до двух минут.

В некоторой степени одежда помогает нам выжить. Однако многие животные, защищенные лишь небольшим количеством меха и утолщенной кожей на подушечках лап, прекрасно чувствуют себя в окружающей среде, а нудисты наглядно демонстрируют, что ношение одежды зачастую обусловлено лишь социальными факторами, а не необходимостью защиты. Эти социальные факторы сформировались очень давно. Тканая одежда появилась не позднее 27 тысяч лет назад. Мы знаем об этом потому, что на раскопках древнего поселения вблизи Павлова (Чехия) были обнаружены образцы глины с отпечатками ткани.

И это отнюдь не самое древнее свидетельство того, что люди пользовались одеждой. В районе деревни Костенки (Россия) были найдены костяные иглы, возраст которых составляет около 40 тысяч лет. Предполагается, что они использовались для сшивания звериных шкур. Однако самые надежные данные, говорящие о том, как давно человек носит одежду, дают нам обычные вши.

Вошь как измерительный инструмент

Когда Роберт Гук впервые опубликовал свой научный труд «Микрография» («Micrographia»), наибольшее восхищение и отвращение вызвало, пожалуй, увеличенное изображение вши. В увеличенном виде вошь представляет собой поистине зловещее существо. Этот мелкий паразит обитает на человеческой коже и питается кровью. Многим еще со школьных времен известно, что головная вошь живет исключительно вблизи корней волос на голове. На других частях тела ее не найти. Однако у нее есть родственник, который относится к месту обитания не столь избирательно.

Платяная (или нательная) вошь произошла от головной вши 50–100 тысяч лет назад. Это удалось установить по изменениям ДНК обоих видов. Чем больше различий в ДНК, тем дальше от настоящего времени отстоит срок разделения популяций головной и платяной вшей.

Этот факт представляет для нас интерес с точки зрения истории одежды, так как считается, что появление платяной вши стало возможным лишь после того, как человек стал носить одежду. До этого она просто не могла выжить на открытом теле. Время появления платяной вши совпадает с временем, когда люди начали переселяться из Африки в места с более холодным климатом, что привело их к необходимости носить одежду.

Погружение в кожу

Тело человека защищено кожей. Как и в случае с волосами, цвет кожи зависит от наличия в ней меланиновых пигментов. Как и волосы, самый верхний слой кожи мертв. Крошечные отмершие чешуйки отслаиваются и опадают, внося немалый вклад в появление пыли в доме. Непосредственно под этим омертвевшим слоем, который носит название рогового, расположены еще два слоя – эпидермис, выполняющий защитные функции, и собственно кожа, или дерма. Клетки дермы постепенно поднимаются к поверхности и отмирают, образуя внешний слой. В дерме размещаются также меланоциты – клетки, производящие пигменты.

Строение человеческой кожи

Чем больше меланина вырабатывают меланоциты, тем темнее цвет кожи. Он свидетельствует о том, какое количество ультрафиолетовых лучей попадало на кожу в местах обитания наших предков. Ультрафиолетовые лучи занимают в спектре место между видимым светом и рентгеновскими лучами. Они обладают достаточной энергией, чтобы, проникнув сквозь кожу, повредить ДНК клеток. У людей, веками живших в краях, где ультрафиолетовое излучение было слабым, например, в северном полушарии, содержание меланина в коже меньше, чем у наших общих африканских предков.

Казалось бы, уменьшение защиты не имеет никакого смысла, а только повышает степень риска для здоровья, если впоследствии вы переедете туда, где солнечное излучение сильнее (например, в Австралию). Но на самом деле это имеет свои преимущества. Дело в том, что организму все равно требуется определенное количество ультрафиолета, который используется в производстве жизненно необходимого витамина D. Этот витамин почти не встречается в продуктах питания, но нужен организму для защиты от таких заболеваний, как, например, рахит. В северных широтах, где солнца мало, первопоселенцам требовалось больше ультрафиолета, проникающего сквозь кожу.

Это привело к тому, что кожа жителей северных регионов стала более бледной, а остатки меланина часто соединяются вместе, образуя родимые пятна и веснушки. Но даже в местностях, где солнца обычно бывает мало, уровень ультрафиолетового излучения может меняться, поэтому кожа сформировала такой защитный механизм, как загар. При сильном воздействии солнечного света меланоциты активизируются, производят больше меланина, и кожа темнеет. Это позволяет ей получать больше ультрафиолета и в то же время защищать более глубокие слои от повреждений.

Из чего все сделано?

Кератин – основной структурный материал внешних слоев кожи и волос – представляет собой белковое соединение. Молекула белка, в свою очередь, состоит из атомов. Если вернуться к волосу, который вы вырвали из головы, и начать рассматривать его под все более сильными микроскопами, то постепенно можно дойти до фундаментальных «кирпичиков», из которых состоит Вселенная. Чтобы понять, как устроено тело, необходимо задать себе вопрос, из чего состоит любое вещество (включая и ваш волос).

У древних греков на этот счет было две теории. Доминирующей была идея, что все на свете состоит из четырех элементов – земли, воздуха, огня и воды. Однако небольшая часть ученых полагала, что если взять любое вещество и начать делить его на все более мелкие части, то в конце концов можно дойти до некоторого предела. Эту конечную частицу они называли atomos (греч. неделимый). Данная теория оставалась невостребованной почти две тысячи лет – до тех пор, пока в начале 1800х годов английский ученый Джон Дальтон не сформулировал современную атомную теорию, предположив, что все элементы состоят из различных типов крошечных частиц (атомов), причем каждый тип соответствует конкретному элементу.

Под элементами в данном случае понимались не четыре компонента мира, о которых говорили древние греки, а химические вещества, которые не могли быть получены одно из другого. Это могли быть газы (например, водород или кислород), металлы (например, железо или свинец) и другие вещества (например, углерод или сера). Однако даже в начале XX века большинство ученых считали, что атомы – это скорее удобная концепция, объясняющая химические преобразования, чем реально существующие частицы. Лишь в результате исследований, начатых Альбертом Эйнштейном в 1905 году, было окончательно доказано, что атомы существуют.

Беспокойные молекулы

Атомы похожи на маленьких детей: они не могут находиться в покое. Вода в стоящем на столе стакане кажется неподвижной, но на самом деле молекулы воды находятся в постоянном и хаотичном движении. Эйнштейн догадался, что эффект, впервые обнаруженный шотландским ботаником Робертом Броуном в 1827 году, может быть объяснен именно движением молекул.

Наблюдая в микроскоп за пыльцой примулы в капле воды, Броун заметил, что частицы пыльцы непрерывно движутся. Поначалу он приписал это некой жизненной силе, содержащейся в пыльце, но затем выяснилось, что точно так же ведут себя частицы минеральной пыли и сажи. Дело было не в жизненной силе, а в активности самой воды. Этот эффект назвали броуновским движением. Эйнштейн понял, что оно создается за счет того, что хаотично двигавшиеся молекулы воды натыкаются на частицы пыльцы, и математически обосновал эту теорию. Немного позже, в 1912 году, французский физик Жан Перрен провел серию экспериментов и впервые доказал, что атомы и молекулы действительно существуют.

Сегодня мы можем не только разглядеть отдельные атомы, но и манипулировать ими. В 1989 году группа ученых из компании IBM впервые продемонстрировала, что электронный микроскоп может использоваться не только для наблюдения за объектами, но и для управления ими. В частности, с его помощью они научились перемещать отдельные атомы. Спустя два месяца ученые смогли составить из 35 атомов ксенона заглавные буквы IBM.

Буквы IBM, составленные из атомов ксенона. Публикуется с разрешения «Press Association Images»

Чуть раньше, в 1980 году, Ганс Демельт, работавший в Вашингтонском университете, изолировал ион бария (ион – это атом, в котором либо не хватает электронов, либо присутствуют лишние электроны, за счет чего он имеет электрический заряд). При подсветке лучом лазера ион бария был ясно виден невооруженным глазом в виде светящейся точки, перемещающейся в пространстве. Вы, конечно, можете возразить, что ион увидеть невозможно и что мы видим только отражающийся от него свет. Но ведь именно так мы видим и любой другой объект.

Пустые атомы и парение над стулом

Атомы нашего тела не только очень малы, но и состоят главным образом из пустоты. Если бы вам удалось сжать материю своего тела, сблизив до предела все частицы, из которых состоят атомы, то образовался бы кубик со стороной менее 1/500 сантиметра.

Одним из чудес космоса являются нейтронные звезды, в которых атомы сжаты до такого предела, что пустое пространство в них отсутствует. В одном кубическом сантиметре вещества, из которого состоит нейтронная звезда (это чуть больше кусочка сахара), содержится около 100 миллионов тонн материи. Целая звезда тяжелее Солнца была бы размером примерно с остров Манхэттен.

Но не опасайтесь, с вашим телом такого не произойдет. Без мощного гравитационного воздействия атомы останутся стабильными. Они образуют молекулы, в частности молекулы кератина, из которых состоит волос, и удерживаются вместе благодаря электромагнитной силе – одной из четырех фундаментальных сил, о которых мы более детально поговорим в 6й главе. Молекула может состоять из атомов одного элемента. Так, например, молекула кислорода, которым мы дышим, содержит два одинаковых атома. Но молекула может также состоять из атомов различных элементов. К числу сложных молекул относятся, например, хлористый натрий (обыкновенная поваренная соль) и тот же кератин.

Атомы, из которых состоит вся материя, никогда не соприкасаются друг с другом. Чем ближе они находятся друг к другу, тем больше отталкивающая сила, возникающая в результате взаимодействия их электрически заряженных составных частей. Аналогичное явление мы можем наблюдать, если попытаемся сблизить одноименные полюса двух мощных магнитов. Даже когда кажется, что два тела соприкасаются, на самом деле это не так. Допустим, когда вы сидите на стуле, вы фактически не прикасаетесь к нему. Ваше тело парит над сиденьем на бесконечно малом расстоянии, поддерживаемое отталкивающими силами между атомами.

Возьмите пару магнитов и вспомните, какое удивление вызывало у вас в детстве их взаимодействие. Пожалуй, отталкивание одноименных полюсов представляется даже более таинственным явлением, чем притяжение. Но оно происходит всегда, когда сближаются два предмета. Взаимодействие, удерживающее атомы ваших ягодиц от соприкосновения с атомами сиденья, имеет скорее электрическую, чем магнитную природу, но в принципе оно схоже с отталкиванием одноименных магнитных полюсов.

Проникновение во внутренности атома

Уже вскоре после того, как в 1912 году было доказано существование атомов, выяснилось, что само название «атом» не вполне корректно. Атом не является неделимым. В нем имеются составные части. Ученым уже было известно, что атом содержит отрицательно заряженные частицы – электроны, которые могут его покидать. Поначалу предполагалось, что они находятся внутри положительно заряженной массы подобно сливам внутри сливового пудинга (такое описание предложил английский физик Дж. Томсон). Однако один новозеландец с пышными усами, работавший в Кембриджском университете, доказал, что это совсем не так.

Эрнест Резерфорд выдвинул идею бомбардировки атома другими частицами, чтобы понаблюдать за их реакцией. Это то же самое, что бросать мяч в невидимый предмет и по отскоку судить о свойствах предмета. В роли мяча выступали открытые незадолго до этого альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами (позднее было установлено, что альфа-частица – это ядро атома гелия). При попадании на экран, покрытый флюоресцентным составом, эти частицы производили слабые вспышки. Помощники Резерфорда в темной комнате могли наблюдать за вспышками, вызванными отклонением альфа-частиц от золотой фольги.

Сила воображения, без которой немыслима никакая наука, позволила Резерфорду и его команде предположить, что какая-то из альфа-частиц может отразиться от атома золота в прямо противоположном направлении. Так оно в конце концов и случилось. Результат поразил исследователей. По словам Резерфорда, это было то же самое, как если бы артиллерийский снаряд отразился от папиросной бумаги и полетел обратно. Он догадался, что в атоме должно быть маленькое, но очень плотное, положительно заряженное ядро, которое способно оттолкнуть альфа-частицу. Резерфорд впервые предложил знакомую нам картину атома, похожего на Солнечную систему, в центре которой располагалось положительно заряженное ядро (этот термин он позаимствовал у биологии), а вокруг него – отрицательно заряженные электроны, напоминавшие планеты.

Сливовый пудинг Томсона ушел в небытие. Ядро былонастолько меньше самого атома, что его сравнивали с блохой посреди кафедрального собора. По размерам оно составляло 1/100 000 от всего атома и состояло из положительно заряженных частиц, названных протонами. Однако в ядре содержалось до 99,9 процента всей массы. На каждый протон приходился один вращавшийся вокруг него электрон, который уравновешивал электрический заряд. В результате атом оставался нейтральным.

Однако даже эта усовершенствованная картина была еще далека от идеала. В 1932 году в ядре была обнаружена еще одна частица – нейтрон. Он обладал такой же массой, как протон, и с его помощью удалось найти объяснение одной загадке. Дело в том, что существует несколько разновидностей одного и того же элемента, которые называются изотопами. Они не отличаются друг от друга в химическом отношении, но их атомы имеют разный вес. Нейтрон помог разъяснить ситуацию. Количество заряженных частиц определяло, что это за элемент и в какие химические реакции он может вступать, а различия в весе атома зависели от количества нейтронов.

Атом не похож на миниатюрную Солнечную систему

Именно так мы до сих пор и представляем себе атомы, из которых состоит наше тело. Однако после 1932 года наука шагнула далеко вперед. Сегодня ученым известно, что электроны не летают вокруг ядра подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Планетарная модель атома доказала свою несостоятельность. Если бы она соответствовала действительности, у нас возникли бы проблемы. Заряженная частица при ускорении испускает энергию в форме света. А ведь вращение по орбите неизбежно связано с ускорением. Дело в том, что ускорение означает изменение не столько скорости как таковой, сколько вектора скорости.

Скорость представляет собой числовую величину, например 50 километров в час. Вектор скорости – это более многозначное понятие, объединяющее в себе и скорость, и направление движения, например 50 километров в час в северном направлении. Ускорение возникает, когда происходит изменение одной из двух составляющих вектора скорости. Так что даже если мы будем продолжать двигаться с той же скоростью 50 километров в час, но изменим северное направление на восточное, возникнет ускорение. Таким образом, если представить себе, что электрон с бешеной скоростью носится вокруг ядра подобно миниатюрной планете, он постоянно будет менять направление движения и, следовательно, находиться в состоянии непрерывного ускорения. А это значит, что он будет терять энергию, испуская свет, и в доли секунды врежется в ядро. Как следствие, все атомы во Вселенной мгновенно самоуничтожатся.

Квантовый переход

Понять, почему мир до сих пор не исчез в грандиозной вспышке света, помогла квантовая теория. Она утверждает, что привычный образ электрона как крошечной частицы, вращающейся по орбите вокруг ядра, неверен. Электрон в любой момент времени находится не в какой-то определенной точке, а одновременно во всех точках, расположенных вокруг ядра, каждая из которых обладает различной вероятностью. Его конкретное местоположение можно установить только в момент наблюдения. Лучше всего представить себе электроны в виде расплывчатого облака вокруг ядра. Конечно, такую картину нарисовать сложнее, поэтому во многих учебниках все еще присутствует старая планетарная модель.

Электроны, создающее это облако, могут существовать только при определенном уровне энергии. Можно представить себе, что они передвигаются по заданным рельсовым путям. Если придать им дополнительный импульс энергии, они перескакивают на другой путь. Но этот импульс должен иметь строго определенную величину, так как электрон не может находиться где-то посредине между путями. Такие фиксированные импульсы энергии называются квантами. От этого слова и произошло название «квантовая теория».

Правда, термин «квантовый переход» («квантовый скачок») в нашей повседневной речи приобрел в последнее время какой-то странный смысл. В физике под ним понимается переход в новое состояние, для которого требуется минимально возможное количество энергии. Поэтому странно слышать, когда квантовым скачком называют какие-то грандиозные преобразования.

Обычно энергию, необходимую для перехода электрона на более высокий уровень, дает свет. Свет несет энергию (и это замечательно, потому что именно так энергия Солнца доходит до нас через безвоздушное пространство космоса). А когда электрон опускается на более низкий уровень, он сам излучает свет. Поскольку электрон может находиться только на одном из предназначенных для него энергетических уровней, эта энергия передается строго определенными порциями – квантами. Свет тоже состоит из определенных порций – частиц, называемых фотонами.

Очарование кварков

Тело человека состоит из молекул, а молекулы – из атомов, каждый из которых содержит протоны, нейтроны и электроны. Однако теперь мы знаем, что прежние представления о протонах и электронах как фундаментальных единицах атома тоже неверны. Протоны и нейтроны состоят из действительно фундаментальных частиц, которые называются кварками. Существует несколько типов кварков, которые отличаются друг от друга ароматом (я не шучу). Выделяют такие ароматы, как очарованный, странный, верхний и нижний, но нас в первую очередь будут интересовать верхний и нижний. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего.

От этой разницы зависит электрический потенциал протона и нейтрона, так как заряд нижнего кварка составляет 1/3, а верхнего – +2/3. В результате положительный электрический заряд протона равен 1, а нейтрон электрически нейтрален. Конечно, неправильно, что заряд частицы представляет собой дробную величину. На самом деле заряд кварка вовсе не 1/3 и не 2/3. Эти величины следует понимать как исходные единицы электрических зарядов. Однако поскольку протоны и электроны были известны еще до открытия кварков и им присвоили заряды, равные единице, нам приходится соглашаться на то, что заряды могут быть и дробными.

Название «кварк» было введено в научный оборот американским физиком М. Гелл-Маном. Первоначально он произносил его как «кворк», но как-то раз наткнулся на одну строку из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка!» То, что кварков было именно три, показалось Гелл-Ману символичным, и он стал произносить это слово по-новому.

Запутанная стандартная модель

Дойдя до кварков, мы наконец действительно достигли предела неделимости. Именно из этих фундаментальных частиц состоит тело человека и вся Вселенная.

Физики создали так называемую стандартную модель, которая описывает весь мир, основываясь примерно на девятнадцати различных элементарных частицах. Двенадцать из них – это частицы, составляющие материю. Это кварки, электроны, а также еще несколько загадочных частиц, которые образуются в ядерных реакциях и экспериментах на коллайдере. Еще пять частиц предназначены для передачи различных сил. Так, например, фотон, будучи частицей света, одновременно является носителем электромагнитных сил.

Строение атома. При соблюдении масштаба для показанного размера ядра весь атом был бы около десяти километров в поперечнике.

Выделяют еще пару частиц, которые, может быть, существуют, а может быть, и нет. Это гравитон, который, как предполагается, должен быть носителем гравитации, если она также передается в квантовой форме (что пока еще не находит полного теоретического подтверждения), и бозон Хиггса – главная цель экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Эта неуловимая частица предположительно придает массу всем остальным элементарным частицам.

Чтобы еще больше усложнить картину, добавим, что каждой частице соответствует античастица. Когда мы говорим об антиматерии, в памяти первым делом всплывает фантастический сериал «Звездный путь» (на антиматерии работали двигатели корабля «Энтерпрайз»). Тем не менее антиматерия так же реальна, как и материя, но облдает некоторыми противоположными свойствами, в частности электрическим зарядом. У каждой из двенадцати частиц материи есть эквивалентная частица антиматерии. Так, например, электрону соответствует антиэлектрон, более известный как позитрон, который имеет не отрицательный, а положительный заряд.

При соприкосновении материи и антиматерии они взаимно уничтожаются (аннигилируют), а их масса полностью трансформируется в энергию. Поскольку количество энергии в материи определяется знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc, где с означает скорость света (очень большую величину), то при аннигиляции выделяется колоссальная энергия. Килограмм антиматерии, аннигилируя с эквивалентным количеством материи, производит столько же энергии, сколько обычная электростанция может выработать на протяжении двенадцати лет. Правда, в зависимости от того, какой тип антиматерии участвует в этом процессе, могут также образовываться вторичные частицы (нейтрино), которые снижают количество энергии вдвое, но этого тоже немало. Антиматерия является самым компактным источником энергии. В ней содержится в тысячу раз больше энергии, чем в ядерном топливе.

Хотя эти элементарные частицы достаточно хорошо позволяют объяснить все процессы, происходящие в материальном мире, картина получается слишком сложной и запутанной. Поэтому ученые стремятся создать более простую модель для интерпретации основ реальности. Уже многие годы физики работают над различными альтернативными теориями, но ни одна из них пока не может быть признана удовлетворительной.

Твердое тело, жидкость или газ?

Теперь давайте отвлечемся от теоретических размышлений и, глядя на ваш волос, задумаемся об одной интересной проблеме. В школе вас учили, что все вещества могут находиться в одном из трех состояний – твердом, жидком или газообразном. Поскольку очевидно, что волос не жидкий и не газообразный, следовательно, он твердый. Однако его гибкость и пластичность как-то не очень согласуются с понятием твердости. Говоря о твердом веществе, мы представляем себе что-то прочное и стойкое. Можно привести еще один пример, не слишком согласующийся с этой упрощенной классификацией. Нет никаких сомнений в том, что песок состоит из твердых частиц, но он протекает сквозь пальцы, словно жидкость.

Лучше всего разбираться с агрегатными состояниями материи на примере одного из немногих веществ, которые известны нам и в твердом, и в жидком, и в газообразном состоянии. Это вода. Она позволит понять, в чем состоит разница между тремя состояниями материи. Как правило, при переходе из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное атомы отдаляются друг от друга и начинают двигаться быстрее. Все атомы и молекулы находятся в движении, но в твердом теле они колеблются в рамках жесткой структуры, благодаря электромагнитным связям между молекулами. В жидкости структура отсутствует. Определенная связь между молекулами сохраняется, но она уже не такая прочная. В газе молекулы движутся независимо друг от друга.

Казалось бы, этот процесс может происходить бесступенчато, и четких границ между состояниями вещества быть не должно, однако на деле они существуют. Конечно, отдельные молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, постоянно переходят в газообразную форму (испарение), но для того, чтобы превратить всю воду в газ, необходимо нагреть ее до определенной температуры – точки кипения, а затем постоянно подогревать, чтобы окончательно разрушить все связи и высвободить молекулы.

Четвертое состояние материи

Наука, которую нам преподают в школе, похоже, находится где-то на уровне викторианской эпохи, когда были известны только три состояния вещества, однако на самом деле их пять. С четвертым состоянием вещества вы сталкиваетесь на каждом шагу. Оно даже более очевидно, чем газообразное, но поскольку школьное образование ограничено мировоззрением XIX века, даже многие взрослые не знают о его существовании, хотя много раз слышали это слово применительно к большим телевизионным экранам. Речь идет о плазме.

Необходимо заранее дать одно пояснение, чтобы устранить возможную путаницу (особенно если учесть, что главным предметом рассмотрения в нашей книге является человеческое тело). Плазма, которую мы в данном случае обсуждаем, не имеет ничего общего с плазмой крови. Плазма крови – это бесцветная жидкость, в которой плавают кровяные тельца. Плазма в физическом смысле – это четвертое состояние материи, следующее после газообразного. (Вообще-то, и в том и в другом случае данный термин выбран не слишком удачно, потому что первоначально в переводе с греческого это слово означало нечто «вылепленное», «оформленное», а мы в обоих случаях имеем дело скорее с бесформенными субстанциями.)

Чтобы убедиться в том, насколько плохо мы понимаем, что такое плазма, достаточно взглянуть в толковый словарь, который утверждает, что это «газ, содержащий ионы вместо атомов и молекул». Давайте пока отвлечемся от ионов и обратим внимание на расплывчатость и неопределенность толкования. Описывать плазму как газ – это то же самое, что назвать жидкость «очень плотным газом, обладающим текучими свойствами». Конечно, плазма больше похожа на газ, чем на жидкость, но все же это нечто совершенно иное – особое состояние материи.

Я уже упомянул о том, что плазма представляет собой более очевидное состояние вещества, чем газ, потому что ее можно увидеть невооруженным глазом. Солнце представляет собой гигантский шар, состоящий из плазмы. В любом пламени содержится плазма, хотя обычное пламя, с которым мы встречаемся в быту, – это все же смесь очень холодной плазмы и газов. Если газ – это состояние, в которое переходит жидкость при нагревании, то плазма – это состояние, в которое переходит газ при продолжении нагревания.

По мере того как газ становится все горячее и горячее, электроны в его атомах приобретают все больше энергии. В конце концов ее становится достаточно для того, чтобы электрон оторвался от атома и покинул его. У большинства атомов есть природное свойство либо терять, либо приобретать электроны. Одни атомы легко теряют электроны и за счет этого превращаются в положительно заряженные ионы. Другие легко заимствуют лишние электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы. Таким образом, ион – это атом, имеющий электрический заряд за счет того, что у него либо не хватает электронов, либо имеются лишние. Вещество, нагретое до такого состояния, что его атомы превращаются в ионы, называется плазмой.

Обычно считается, что переход вещества из одного состояния в другое зависит от температуры. Охладите воду – и получите лед. Нагрейте кусок металла – и он расплавится, станет жидким. Однако такой же эффект на некоторые материалы оказывает и давление. Тик-сотропные краски, не дающие подтеков, представляют собой вязкий гель, но при перемешивании переходят в жидкое состояние. Однако нагляднее и забавнее всего влияние давления на состояние вещества можно продемонстрировать на примере заварного крема.

Смешайте порошок для заварного крема «Custard» с водой. У вас получится густая желтая жидкость. Налейте ее в чашку. А теперь опустите в жидкость большой и указательный пальцы на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга и сожмите их. Под давлением пальцев жидкость превращается в сухой порошок. До тех пор пока давление сохраняется, он будет находиться в твердом состоянии. Вы можете даже вытащить его из чашки. Но как только давление ослабнет, он снова станет жидким и стечет с пальцев.

Если заполнить такой жидкостью бассейн, по ее поверхности можно будет даже ходить. Чтобы увидеть это воочию, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем видеофайл Walking on Custard

Плазма очень распространена во Вселенной. В конце концов, все звезды – это огромные сгустки плазмы. Предполагается, что 99 процентов материи в известной нам Вселенной находится в форме плазмы. Отчасти это объясняется тем, что он хорошо видна. Хотя по плотности плазма напоминает газ, она имеет большие отличия. Например, газы обычно являются хорошими электрическими изоляторами, а плазма – прекрасный проводник.

Переход в состояние конденсата

Пятое состояние вещества – это не заварной крем, но от этого оно не становится менее странным. В хорошие дни ученым приходят в голову удачные и приятные на слух термины, такие как «плазма», «фотон», «кварк». Но нередко бывает так, что они называют свое открытие словом, которое никто даже на трезвую голову не сможет быстро повторить пять раз подряд. Пятое состояние вещества носит название конденсата Бозе – Эйнштейна.

Это состояние соответствует самому нижнему концу температурной шкалы и расположено дальше всего от плазмы. Прежде чем мы вплотную займемся конденсатом, имеет смысл немного порассуждать о температуре. Что такое температура? В обыденном понимании это количество тепла. Чтобы что-то нагреть, надо добавить энергии. Но что при этом происходит? Атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. Даже в твердом теле атомы энергично колеблются. В жидкости это движение происходит еще более активно, а уж в газе они носятся как ракеты.

Измеряя с помощью термометра температуру своего тела (около 37 °С), вы измеряете среднюю энергию движения частиц, из которых состоите. Если вы сомневаетесь, что чем быстрее движется тело, тем выше его энергия, представьте себе, что в вас сначала попадает теннисный мяч, летящий со скоростью 5 километров в час, а затем – со скоростью 500 километров в час. В момент удара разница в энергии будет очень ощутимой.

Если вы до сих пор не знали, что температура – это движение атомов, то могли бы, пожалуй, представить себе, что тела можно охлаждать до бесконечности при наличии подходящего холодильника. На самом же деле для замедления движения атомов и молекул существует предел. Они в конце концов просто останавливаются. Такая температура называется абсолютным нулем. На практике ее достичь невозможно, потому что квантовые частицы не могут полностью остановиться.

Эта самая низкая температура составляет примерно 273,16 °С. Правда, ученые часто используют другую температурную шкалу, в которой градусы точно такие же, как в шкале Цельсия, но за нулевую отметку принимается абсолютный ноль. Это так называемая шкала Кельвина. 0 °С на ней будет соответствовать примерно 273 К. (Для педантов сообщим, что единицы шкалы Кельвина, в отличие от систем Цельсия и Фаренгейта, называются не градусами, а кельвинами. Таким образом, точка замерзания воды обозначается на ней как 273,16 К, а не 273,16 °К.)

Когда температура вещества подходит к абсолютному нулю, оно начинает вести себя очень необычно. Некоторые вещества превращаются в конденсаты (с технической точки зрения существуют две разновидности: конденсат Бозе – Эйнштейна и фермионный конденсат, но мы в такие дебри залазить не будем). Конденсат – это состояние материи, в котором частицы теряют свои индивидуальные черты. Отсюда возникают такие необычные свойства, как сверхтекучесть, при которой вещество не испытывает никакого внутреннего сопротивления при движении. Жидкость в состоянии сверхтекучести может пробраться через любую сколь угодно узкую щель, поскольку ее молекулы практически не колеблются и не создают трения. Если привести такую жидкость в сосуде в круговое движение, она будет вращаться бесконечно. Еще одним интересным свойством веществ в таком состоянии является сверхпроводимость, то есть полное отсутствие электрического сопротивления.

Но самое удивительное – это реакция веществ в состоянии конденсата Бозе – Эйнштейна на свет. Поскольку конденсат занимает промежуточное положение между обычной материей и самим светом, он может замедлять скорость света или вообще останавливать его. В связи с этим конденсат иногда называют «темным» состоянием. Этот навевающий таинственность термин очень хорошо подходит такому странному феномену.

Всё о материи

Итак, существуют пять состояний вещества. На самом верху располагается плазма, состоящая из ионов высокой энергии. Далее следует газ, жидкость и твердое вещество. Наконец, при предельно низкой температуре возникает конденсат Бозе – Эйнштейна. Казалось бы, это довольно заурядная и скучная тема, но вспомните, что мы пришли к ней, рассматривая один-единственный волос.

Внимательно присмотритесь к нему еще раз. Вы увидите в нем молекулы, состоящие из атомов. В каждом атоме есть состоящее из протонов и нейтронов (за исключением водорода, атом которого настолько мал, что его ядро представляет собой всего один протон) ядро, которое окружено электронным облаком. Каждая частица внутри ядра состоит из трех кварков. Из этих элементарных кирпичиков построено все ваше невообразимо сложное тело.

Вы – то, что вы едите

Но откуда же взялись все эти вещества? Где были эти атомы, прежде чем попасть в ваше тело? На протяжении веков они циркулировали по всей планете, вступая в самые разнообразные реакции. Например, тело человека содержит значительное количество углерода. Откуда он появился? Из употребляемых в пищу растений и животных, а в них он попал из других растений и животных. Если пройти по этой пищевой цепи до самого конца, то окажется, что источником всего углерода являются растения. А откуда они его взяли? Из воздуха.

Растения обладают удивительным свойством добывать для себя строительные материалы из воздуха. Мы привыкли считать углекислый газ чем-то вредным, поскольку он создает парниковый эффект, но учтите, что основное количество углерода, содержащегося в растениях, поступает к ним из атмосферной двуокиси углерода. Это так же верно, как и то, что растения производят кислород, благодаря которому мы можем дышать.

Итак, прежде, чем попасть в организм животных и растений, часть атомов находилась в воздухе, часть в земле и часть в воде. Давайте заглянем еще дальше. Часть атомов входила в состав тел людей, живших до нас. В человеческом организме содержится так много атомов (7  1027), что рано или поздно многие из них обязательно окажутся в других людях. В вашем теле есть атомы королей и королев, доблестных рыцарей и придворных шутов.

Некоторые утверждают, что при каждом вдохе в наши легкие попадают один-два атома, которыми дышала Мэрилин Монро. Да, атмосфера достаточно сильно перемешивается, и часть воздуха, который выдохнули другие люди, попадает к нам в легкие. Но атомы, побывавшие в груди у Мэрилин, вряд ли распространяются по земному шару с такой скоростью, чтобы попасть в организм абсолютно каждого человека. Кому-то они достанутся, а кому-то и нет. Однако через несколько сотен лет можно будет с уверенностью сказать, что молекулы Мэрилин присутствуют в теле каждого человека.

Атомы, которые старше Земли

Атомы, из которых состоит ваше тело, переходили из одного организма в другой с самого момента зарождения жизни, то есть более трех миллиардов лет. Древнейшим окаменелым остаткам живых существ примерно 3,2 миллиарда лет. Этот срок можно смело отодвинуть еще на несколько сотен миллионов лет назад, так как уже тогда на планете имелись все химические вещества, из которых зародилась жизнь. Но они не взялись ниоткуда. Земля как планета сформировалась 4,5 миллиарда лет назад (правда, из космоса до сих пор прибывает все новое вещество в виде метеоритов).

До этого все атомы в течение многих миллиардов лет плавали в космосе. Некоторые из них существуют с момента рождения Вселенной. Все атомы водорода, а также часть атомов гелия и лития берут свое начало от Большого взрыва, который, как считается, породил нашу Вселенную. Они появились, когда Вселенная уже настолько остыла, что из чистой энергии начала формироваться материя. Таким образом, весь водород в воде и органических молекулах, из которых состоит ваше тело, существует с момента рождения Вселенной.

Спустя некоторое время под действием силы тяжести водород начал образовывать скопления, из которых появились звезды. Поначалу они сжигали водород, превращая его в гелий. осле того как большая часть водорода была израсходована, звезды начали потреблять гелий, превращая его во все более тяжелые элементы вплоть до железа. Именно тогда и появились такие необходимые для жизни элементы, как углерод и кислород.

Еще позже некоторые из звезд стали настолько нестабильными, что взорвались. Эти катастрофические взрывы называют рождением сверхновых. Обычным звездам не хватает энергии, чтобы произвести элементы тяжелее железа, но взрыв сверхновых порождает такую энергию, что в них могут формироваться все элементы вплоть до урана – самого тяжелого из встречающихся в природе веществ.

Это означает, что вы в буквальном смысле состоите из звездной пыли. Атомы волоса, который вы держите в руке, и все остальные атомы вашего тела появились либо во время Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад, либо внутри звезд 7–12 миллиардов лет назад. Они имеют невероятно древнее происхождение. Мы привыкли считать, что Вселенная – это сфера интересов астрономов и что она слишком далека и никак не связана с нашей земной жизнью. Однако каждый атом вашего тела когда-то прибыл из космических далей.

Сияние звездной пыли

Каждый человек представляет собой уникальное существо, так как атомы для Вселенной – это редкость. На самом деле их не так уж и много. Возможно, вам трудно в это поверить, если учесть, сколько звезд и галактик мы можем наблюдать на небе, но пустого пространства во Вселенной гораздо больше. Предполагается, что во Вселенной содержится примерно 1080 атомов, причем только в той ее части, которая доступна нашему наблюдению. Расстояния в космосе принято измерять световыми годами, то есть дистанцией, которую свет проходит за год. Поскольку он движется со скоростью 300 тысяч километров в секунду, протяженность светового года составляет около 9,5 триллиона километров. Мы можем наблюдать Вселенную в пределах около 90 миллиардов световых лет.

Мы говорим о видимой части Вселенной, поскольку никто в точности не знает, насколько она велика. Правда, существует немало свидетельств того, что Вселенная образовалась 13,7 миллиарда лет тому назад (вообще-то чуть меньше, но пусть вас это не беспокоит). Если бы она до сих пор существовала в неизменном состоянии, то ее видимый поперечник составлял бы около 27 миллиардов световых лет, но Вселенная с самого момента своего возникновения непрерывно расширяется. Поэтому точка, из которой свет стартовал 13,7 миллиарда лет назад, теперь отстоит от нас примерно на 45 миллиардов световых лет.

Вселенная настолько велика, что если равномерно распределить все атомы по ее пространству, то на 6250 кубических метров будет приходиться примерно один атом кислорода. Среди компонентов тела человека первое место по массе занимает вода, а большая часть массы воды приходится как раз на кислород. Таким образом, среди всех элементов, из которых состоит ваше тело, на первом месте находится кислород (примерно 65 процентов). Таким образом, если бы вся материя распределялась во Вселенной равномерно, то чтобы собрать для вас требуемое количество кислорода, пришлось бы прочесать свыше 9  1030 кубических метров пространства. Это куб, каждая из сторон которого имеет длину 20 миллионов километров, что более чем в 50 раз превышает расстояние до Луны.

Еще раз задумайтесь о волосе. Многие люди гордятся своим генеалогическим древом, охватывающим всего несколько поколений. Если семья живет в своем доме на протяжении, скажем, 400 лет, то ее члены считают себя совершенно особенными людьми. Но волос, который вы держите в руке, состоит из атомов, многие из которых родились в момент Большого взрыва и пришли к нам из глубин космоса. Любому из них не менее пяти миллиардов лет. Вот это истинная древность.

Как мы уже установили ранее, ваш волос мертв. Настало время перейти к чему-то более живому. А что может быть живее, чем кровь?

Всем известно, что из резаной раны вытекает кровь. Если у вас есть под рукой стерильная игла и вы не боитесь уколоть подушечку своего большого пальца, чтобы внимательно рассмотреть каплю крови, можете так и сделать (разумеется, если у вас нет заболеваний, которые делают такой эксперимент опасным). Однако в этом нет большой необходимости. Если же вы все-таки решитесь, то боль от укола, возможно, вызовет у вас желание выругаться. Не стесняйтесь, в этом нет ничего страшного.

Ругательства как средство от боли

Исследования, проведенные в 2009 году, показали, что случайно поранившийся человек ругается не просто так, а имеет для этого веские причины. Сравнивая эффект от ругательств с нейтральными словами, ученые обнаружили, что нецензурные слова повышают способность терпеть боль, уменьшая болевые ощущения. Однако, по их данным, этот способ не влияет на мужчин, склонных из всего делать трагедию.

Исследователи полагают, что ругательства разрушают связь между страхом боли и ощущением боли и таким образом не дают сформироваться обратной психологической связи, только увеличивающей страдания. Не знаю, так это или нет, но не думаю, что вы будете испытывать такие уж сильные страдания из-за одной капли крови.

Живая жидкость

Кровь сильно отличается от безжизненного волоса. Ни у кого не возникает сомнений, что кровь ведет себя намного активнее, чем волосы. И все же бывает очень нелегко определить ту точку, где совершается переход от живого к неживому. На атомном уровне кровь ничем не отличается от волос или, скажем, от камней. Да, там мы наблюдаем другой состав атомов (в крови, в частности, больше железа), но и то и другое состоит из атомов, которые образуют молекулы. Тем не менее между живой кровью и мертвым волосом есть разница.

Отличить живое от неживого далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд. Прежде чем продолжить чтение, попробуйте составить список как минимум из шести признаков жизни.

В свое время считалось, что живым существам присуща жизненная сила – некая особая форма энергии, которая отсутствует у неживых предметов. Однако ее так и не удалось обнаружить, поэтому данную концепцию уже никто не воспринимает всерьез, кроме псевдоученых. В лучшем случае о жизненной энергии говорят в переносном смысле («Она сегодня просто излучает энергию»).

Признаки жизни

Вместо этого биологи разработали семь признаков, свидетельствующих о протекании жизненных процессов, так как жизнь характеризуется в первую очередь именно процессами.

• Движение – даже растения время от времени совершают движения. В качестве примера можно привести цветы подсолнуха, поворачивающиеся к солнцу.

• Питание – потребление источников энергии в любой форме, будь то растения, животные или солнечный свет.

• Дыхание – процесс, обеспечивающий производство энергии из продуктов питания (как правило, с использованием кислорода, но не всегда).

• Выделение – удаление отходов жизнедеятельности.

• Размножение – создание новых копий самого себя (зачастую с вариациями) для продолжения рода.

• Реагирование – взаимодействие в какой-либо форме с окружающей средой, обычно с использованием органов чувств, регистрирующих различные формы энергии.

• Рост – все живые существа на каком-то этапе своего развития растут, хотя и необязательно на протяжении всей жизни.

На уровне целого организма – растения или животного – действует простое правило: если хотя бы один из указанных признаков отсутствует, объект не может считаться живым. Если все семь налицо, то, возможно, вы нашли то, что искали. Но и в этом случае вопрос «Живое или неживое?» не так прост. Взять хотя бы вирус, заставляющий вас чихать и кашлять во время простуды. В принципе его можно было бы рассматривать как одноклеточное живое существо. Многие одноклеточные, например бактерии, соответствуют всем признакам и, безусловно, являются живыми. А вот вирусы не выполняют одно из условий, касающихся размножения.

Нельзя сказать, что вирусы не размножаютс. Именно их размножение создает для вас неприятные проблемы. Однако они делают это, используя механизмы клеток организма человека. В определенном смысле можно сказать, что это вы размножаете вирус, а не он сам. Многие, хотя и не все, биологи не считают вирусы живыми существами. Отчасти это объясняет, почему от них так трудно избавиться. Антибиотики против них бессильны. Прием таких лекарств при простуде и гриппе – пустая трата времени.

Есть ли жизнь в ваших клетках?

Еще труднее решать вопрос о живом и неживом, когда мы рассматриваем только часть организма. Если не принимать во внимание одноклеточные существа, то отдельно взятая клетка или орган, скорее всего, не смогут соответствовать всем критериям. Ваше сердце, к примеру, не способно размножаться.

Жизнь в понимании биолога – это холистическое понятие, которое имеет смысл только для всего организма в целом. В момент смерти животного мы не можем сразу же констатировать изменения во всех клетках, хотя со временем они, безусловно, наступят. Исходя из вышесказанного, мы не вправе говорить, что капля крови из пальца или отдельно взятая клетка тела живы. Между тем в них происходят самые разные биологические процессы, чего нельзя сказать о волосе. Правда, нельзя утверждать и то, что ваша плоть и кровь мертвы, как волос, так как они имеют многие признаки жизни.

Я спросил у одного биолога, специализирующегося на изучении клеток, считает ли он их живыми. Тот с уверенностью ответил, что да, и пояснил: «Это особенно заметно, когда у тебя в лаборатории целый день все валится из рук и ты по ошибке уничтожаешь какую-нибудь клеточную культуру. Клетки – живые. В них происходят метаболические процессы, они делятся и даже двигаются. Если вы посмотрите замедленную съемку, сделанную под микроскопом, то увидите, что клетки динамично вибрируют и пульсируют, «ощупывают» пространство вокруг себя крошечными пальчиками (филоподиями) и вытягивают ножки (ламеллиподии). Некоторые клетки даже ползают. И, разумеется, они размножаются, причем некоторые до бесконечности, как, например, бессмертные раковые клетки. Когда клетка умирает, она втягивает все свои выросты и принимает округлую форму. Затем распадается ее ядро и клетка как бы взрывается. Вернуть ее к жизни после этого уже не удается, что, на мой взгляд, совершенно ясно демонстрирует разницу между жизнью и смертью!»

Но с клетками крови в этом отношении далеко не все так ясно. В отличие от большинства других клеток, у них нет ядра (подробнее об этом мы поговорим чуть ниже) и они перемещаются в потоке крови, никак не связанные между собой. Тем не менее они играют чрезвычайно важную и активную роль в поддержании жизнеспособности всего организма.

Путешествие по кровеносной системе

Страницы: 123456 » »»