Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни Докинз Ричард

Ветвь хоанофлагеллатов. Около 120 известных видов хоанофлагеллатов традиционно считаются близкими родственниками животных, положение убедительно подтверждается как морфологическими, так и молекулярными данными.

Хоанофлагеллаты – первые простейшие животные, присоединяющиеся к нашему странствию, и они делают это на Свидании 32, которое, весьма предположительно по молекулярном данным, с тревожно большими экстраполяциями, мы датируем 900 миллионами лет. Посмотрите на рисунок. Вам о чем-нибудь напоминают небольшие жгутиковые клетки? Да, они очень похожи на хоаноциты, выстилающие водные каналы губок. Долгое время подозревалось, что либо они представляют реликт предка губок, либо они – эволюционные потомки губок, которые выродились до единственной клетки или очень немногих клеток. Молекулярные генетические свидетельства предлагает первое из двух, что является причиной, почему я рассматриваю их как отдельных странников, присоединяющихся к нашему путешествию здесь.

Это происходило так? Колония хоанофлагеллатов.

Существует приблизительно 140 видов хоанофлагеллатов. Некоторые – свободно плавающие, движущиеся с помощью жгутика. Другие прикреплены к стеблю, иногда по нескольку вместе в колонии, как на рисунке. Они используют свой жгутик, чтобы загонять воду в трубу, где частицы пищи, такие как бактерии, улавливаются и поглощаются. В этом отношении они отличаются от хоаноцитов губок. В губке каждый жгутик используется не для того, чтобы загонять пищу в отдельную трубу хоаноцита, а чтобы в сотрудничестве с другими хоаноцитами вызывать ток воды через отверстия в стенках губки и через главное отверстие губки. Но анатомически каждый отдельный хоанофлагеллат, в колонии он или нет, подозрительно похож на хоаноцит губки. Этот факт занимает важное место в «Рассказе Хоанофлагеллата», который возобновляет тему, начатую «Рассказом Губки»: происхождения многоклеточных губок.

Рассказ Хоанофлагеллата

Зоологи долгое время любили размышлять о том, как многоклеточные развились от протозойных предков. Великий немецкий зоолог девятнадцатого века Эрнст Геккель был одним из первых, кто предложил теорию происхождения многоклеточных, и одна версия его теории все еще очень предпочитаема сегодня: первые многоклеточные были колониями жгутиковых протозой.

Мы встретили Геккеля в «Рассказе Гиппопотама» в связи с его пророческим объединением гиппопотамов с китами. Он был страстным дарвинистом, совершившим паломничество в дом Дарвина (которое великий человек нашел надоедливым). Он был также блестящим художником, преданным атеистом (он сардонически назвал Бога «газообразным беспозвоночным»), и исключительным энтузиастом теперь немодной теории рекапитуляции: «Онтогенез повторяет филогенез», или «Развивающийся эмбрион залазит на свое собственное генеалогическое дерево».

Вы можете видеть аргументацию идеи рекапитуляции. История жизни каждого молодого животного является сокращенной реконструкцией его (взрослой) родословной. Все мы возникаем как одна клетка: она представляет простейшее животное. Следующая стадия в развитии – полый шар клеток, бластула. Геккель предположил, что она представляет предковую стадию, которую он назвал бластея. Затем в эмбриологии, бластула впячивается, как ударенный мяч с вмятиной с одной стороны, формируя чашу, выстланную двойным слоем клеток, гаструлу. Геккель предположил предка на стадии гаструлы, которого он назвал гастрея. У книдарий, таких как гидра или актиния, два слоя клеток, как у гастреи Геккеля. С точки зрения геккелевой рекапитуляции книдарии прекращают подниматься вверх по своему генеалогическому дереву, когда достигают стадии гаструлы, но мы упорно продвигаемся вперед. Последующие стадии в нашей эмбриологии напоминают рыб с жаберными щелями и хвостом. Позже мы теряем свой хвост. И так далее. Каждый эмбрион прекращает подниматься вверх по своему генеалогическому дереву, когда достигает своей соответствующей эволюционной стадии.

Аргументированная подобным образом, теория рекапитуляции стала немодной – или, скорее, она теперь расценивается как маленькая часть того, что иногда происходит, но не всегда верно. Весь вопрос полностью обсужден в книге Стивена Гулда «Онтогенез и филогенез». Мы должны пока оставить его, но для нас важно видеть, из чего исходил Геккель. С точки зрения происхождения многоклеточных интересная стадия в теории Геккеля – бластея: полый шар клеток, которая, на его взгляд, была предковой стадией, теперь повторенной в эмбриологии как бластула. Какое современное существо мы можем найти, которое напоминает бластулу? Где мы найдем взрослое существо, которое является полым шаром клеток?

Если оставить без внимания факт, что они зеленые и фотосинтезируют, группа колониальных морских водорослей, названных вольвоксовыми, казалась почти слишком хорошей, чтобы быть правдой. Эпонимный член группы, являющийся наибольшим – сам вольвокс, и едва ли Геккель, возможно, желал более ясной модели бластеи, чем вольвокс. Это – идеальная сфера, пустотелая, как бластула, с одним слоем клеток, напоминающих одноклеточных жгутиковых (которая оказалась зеленой).

Proteroipongia. Хоаноцито-подобные клетки, обращенные наружу, используют свои жгутики, чтобы перемещать колонию в воде.

Теория Геккеля не нашла для себя область применения. В середине двадцатого века венгерский зоолог по имени Йован Хаджи (Jovan Hadzi) предположил, что первые многоклеточными были не круглыми вообще, а удлиненными, как плоские черви. Его современная модель первого многоклеточного была червем acoelomorph, разновидностью, которую мы встретили на Свидании 27. Он установил его происхождение от покрытого ресничками простейшего животного (мы встретим их на Свидании 37) со многими ядрами (которые некоторые из них имеют по сей день). Оно ползало по дну с помощью своих ресничек, как делают сегодня некоторые маленькие плоские черви. Стенки клеток появились между ядрами, превращая удлиняющееся простейшее животное с одной клеткой, но многими ядрами («синцитием»), в ползающего червя со множеством клеток, каждая со своим собственным ядром – первого многоклеточного. С точки зрения Хаджи круглые многоклеточные, такие как книдарии и гребневики, повторно потеряли свою удлиненную червеобразную форму и стали радиально-симметричными, в то время как большая часть животного мира продолжала развивать форму билатерального червя в образцах, которые мы видим вокруг.

Порядок пунктов свиданий Хаджи, поэтому, очень отличался бы от нашего. Свидание с книдариями и гребневиками наступило бы ранее в странствии, чем свидание с плоскими червями acoelomorph. К сожалению, современные молекулярные доказательства работают против порядка Хаджи. Большинство зоологов сегодня поддерживают некоторую версию теории «колониальных жгутиковых» Геккеля, вопреки теории «синцитиального реснитчатого» Хаджи. Но внимание сегодня переключилось далеко от столь изящных вольвоксовых к группе, чей рассказ перед нами, к хоанофлагеллатам.

Один тип колониальных хоанофлагеллатов настолько подобен губке, что его даже называют Proterospongia. Отдельные хоанофлагеллаты (или мы должны рискнуть и называть их хоаноцитами?) помещены в желеобразную межклеточную жидкость. Колония – не мяч, который не понравился бы Геккелю, хотя он ценил красоту хоанофлагеллатов, как нам демонстрируют его замечательные рисунки. Proterospongia – колония клеток типа, почти неотличимого от тех, которые преобладают внутри губки. Хоанофлагеллаты косвенно получают мой голос как самые вероятные кандидаты на современную реконструкцию происхождения губок, и, в конечном счете, всей группы многоклеточных.

Хоанофлагеллаты некогда были огульно смешаны со всеми оставшимися организмами, кто еще не присоединился к нашему странствию, такими как «простейшие». «Простейшие» не служат больше названием для типа. Есть много различных способов быть одноклеточным организмом (или, как некоторые предпочли бы, бесклеточным – имеющим тело, не разделенное на составляющие клетки). Различные члены группы, прежде известной как простейшие, будут теперь присоединяться к нашему странствию по частям, разделенные большими контингентами многоклеточных существ, такими как грибы и растения. Я продолжу использовать слово «простейшее» как неофициальное название для одноклеточных эукариот.

Я включил бы рассказ о них, если бы уже не сделал этого в двух главах «Восхождения на пик невероятности»: «Пыльцевые зерна и волшебные пули» и «Огороженный сад». Кроме довольно незначительных 13 видов одноклеточных глаукофитов, которые, кажется, являются внешней группой.

Ветвь растений. Растения включают приблизительно 13 видов глаукофитов (одноклеточных водорослей с хлоропластами, морфологически очень похожими на свободноживущие цианобактерии), приблизительно 5 000 видов красных водорослей и приблизительно 30 000 видов «зеленых растений». Зеленые растения включают многие одноклеточные и колониальные зеленые водоросли, такие как вольвокс, так же как более знакомые мхи, папоротники, хвойные, цветущие растения и т.п. Порядок ветвления этих трех групп довольно хорошо установлен, но положение растений в общем филогенезе эукариот оспаривается (см. Свидание 37).

На Свидании 36 мы встречаем истинных властелинов жизни, растения. Жизнь могла обойтись без животных и без грибов. Но уничтожьте растения, и жизнь быстро прекратилась бы. Растения стоят, обязательно, в основе – в самом основании – почти каждой пищевой цепи. Они – самые значимые существа на нашей планете, первые живые существа, которые отметил бы любой посетивший нас марсианин. Безусловно, наибольшие отдельные организмы, которые когда-либо жили, являются растениями, и внушительный процент биомассы в мире помещен в растениях. Это не случайно. Примерно такая высокая пропорция обязательно следует из факта, что почти (Причина этой небольшой оговорки выяснится, когда мы доберемся до Кентербери.) вся биомасса происходит, в конечном счете, от солнца через фотосинтез в большинстве своем в зеленых растениях, и эта операция в каждом звене пищевой цепи лишь приблизительно на 10 процентов эффективна. Поверхность земли зеленая из-за растений, и поверхность моря также была бы зеленой, если бы его плавающий ковер из фотосинтезирующих организмов был макроскопическими растениями вместо микроорганизмов, слишком маленьких, чтобы отразить значительное количество зеленого света. Это – как если бы растения прилагали все свои усилия, чтобы покрыть каждый квадратный сантиметр зеленью, охватывая все. И в значительной степени они это делают, по очень разумной причине.

[Графика удалена]

*КОПРЕДОК 36. Типичная одноклеточная эукариота, а значит с разветвленным микротрубчатым цитоскелетом, ресничками (эукариотическими «жгутиками»), связанными с центриолью (основным телом), действующей как центр организации микроканальца, ядром с поровой структурой, окруженным дырчатыми листами неровного эндоплазматического ретикулюма, которые постепенно переходят в цитозоль, и зернистостью, вызванной крошечными рибосомами. Следует также отметить митохондрии с трубчатыми гребешками, небольшое количество пероксисом и других клеточных полостей и движение с помощью комбинации ресничек и коротких ложноножек.

Конечное число фотонов достигает поверхности планеты от солнца, и все фотоны до последнего драгоценны. Общее количество фотонов со звезды, которые могут быть собраны планетой, ограничено площадью ее поверхности, с оговоркой, что только одна сторона оказывается перед своей звездой в любой отдельно взятый момент. С точки зрения растения, квадратный сантиметр поверхности Земли, который не является зеленым, означает неосмотрительно потраченную впустую возможность подмести фотоны. Листья являются панелями с солнечными элементами, настолько плоскими, насколько возможно, чтобы максимизировать пойманные фотоны, приходящиеся на единицу затрат. Есть вознаграждение за размещение Ваших листьев в таком положении, если они не затенены другими листьями, особенно чьими-либо листьями. По этой причине лесные деревья становятся настолько высокими. Высокие деревья, которые находятся не в лесу, растут не к месту, вероятно, из-за человеческого вмешательства. Вырасти высоким – сплошная трата усилий, если Вы являетесь единственным деревом вокруг. Намного лучше распространяться в сторону, как травы, потому что при этом Вы улавливаете больше фотонов на единицу усилия, вложенного в рост. Что касается лесов, не случайно они настолько темные. Каждый фотон, который достигает земли, представляет собой упущение со стороны листьев наверху.

За немногими исключениями, такими как венерины мухоловки, растения не двигаются. За немногими исключениями, такими как губки, это делают животные. Почему такая разница? Это должно иметь отношение к факту, что растения поглощают фотоны, в то время как животные (в конечном счете) поедают растения. Разумеется, мы нуждаемся в этом «в конечном счете», потому что растения иногда поедаются через вторые или третьи руки, через животных, съедающих других животных. Но как насчет того, чтобы поглощать фотоны, что достигается с помощью хорошей идеи сидеть на месте с корнями в земле? Как насчет того, чтобы поедать растения, а не быть растением, что достигается с помощью хорошей идеи перемещаться? Что ж, я полагаю, что растения остаются на месте, животные должны перемещаться, чтобы съесть их. Но почему растения остаются на месте? Возможно, это имеет некоторое отношение к потребности пускать корни, чтобы высасывать питательные вещества из почвы. Возможно, существует слишком непреодолимое расстояние между наилучшей формой, необходимой, если Вы хотите двигаться (объемной и компактной), и лучшей формой, необходимой, если Вы хотите подвергаться воздействию большого количества фотонов (с большой площадью поверхности, следовательно, беспорядочно раскинувшейся и громоздкой). Я не уверен. Каковы бы ни были причины трех великих групп мегажизни, которые эволюционировали на этой планете, две из них, грибы и растения, стоят главным образом неподвижно, как статуи, в то время как третья группа, животные, большей частью стремительно движутся, большей частью активны. Растения даже используют животных, чтобы быстро перемещаться благодаря им, и цветы, с их прекрасными красками, формами и ароматами, являются инструментами этой манипуляции.

Странники, которых мы встречаем здесь, на Свидании 36, не все зеленые. Самое глубокое разделение среди них – между красными морскими водорослями с одной стороны и зелеными растениями (включая зеленые водоросли) с другой. Красные морские водоросли распространены на побережье. Так, каждая из разновидностей зеленых водорослей и зеленые морские водоросли также многочисленны в пресной воде. Однако самые знакомые водоросли, коричневые морские водоросли, состоят в более отдаленном родстве: они не присоединяются к нам до Свидания 37. Из тех, кого мы приветствуем в нынешнем свидании, самые знакомые и самые внушительные – земные растения. Растения завоевали сушу раньше, чем животные. Это почти очевидно, поскольку без растений, которых можно есть, какую пользу животные могли бы извлечь от пребывания там? Растения, вероятно, не перемещались непосредственно с моря на сушу, но, как животные, шли через пресные водоемы.

Как обычно, когда мы приветствуем большую армию странников, мы находим их уже идущими в сложных подгруппах, присоединившихся друг к другу, «прежде чем» встретиться с нами. В случае зеленых растений, я настоятельно рекомендую потрясающе хорошо сделанную компьютерную программу под названием «Deep Green», которая, когда я это пишу, доступна в интернете. Когда Вы запускаете «Deep Green», Вы видите корневое филогенетическое дерево. У некоторых из ветвей есть на конце название, название растения или группы растений. Некоторые из них не имеют никакого названия и указывают на растение «с листа». Красота этой программы состоит в том, что Вы можете ухватиться за дерево мышью и тянуть ею самым восхитительно естественным и интуитивным образом, чтобы увидеть еще больше дерева. Когда Вы тянете, Вы наблюдаете рост мелких веток на ваших глазах, и когда Вы поворачиваете это дерево, Вы видите, что на экране появляется много новых названий, вместе со многими новыми, неназванными ветвями. Вы поэтому исследуете дерево, как Вам нравится: это, кажется, может продолжаться бесконечно, и это говорит Вам о том, какое огромное разнообразие зеленых растений сформировалось. Когда Вы поднимаетесь по ветвям, кажется, так быстро и легко, как дарвиновская обезьяна на эволюционном небесном дереве, помните, что каждое разветвление, с которым Вы сталкиваетесь, представляет собой истинный пункт свидания точно в смысле этой книги. Было бы замечательно иметь также животную версию.

Если бы только у Дарвина и Хукера был компьютер. Дерево зеленых растений в программе «Deep Green», http://ucjeps.berkeley.edu/map2.html. Программа запускается на Mac или на совместимой версии PC (активируйте Java в Вашем браузере). Корень дерева в нижней части рисунка. 

Я закончил предыдущий рассказ замечанием, что восхитительно быть зоологом в такое время. Я мог бы сказал то же самое относительно ботаников. Какое удовольствие должен был бы доставить «Deep Green» Джозефу Хукеру в компании с его близким другом, Чарльзом Дарвином. Я почти плачу, думая об этом.

Рассказ Цветной Капусты

Рассказы в этой книге служат для того, чтобы коснуться большего, чем частные проблемы рассказчика. Как у Чосера, они предназначены, чтобы поразмышлять о жизни вообще: в его случае о человеческой жизни, в нашем случае о жизни. Что может сказать цветная капуста огромному скоплению странников на большой встрече после Свидания 36, когда растения присоединяются к животным? Важный принцип, который относится к каждому растению и каждому животному. Он мог бы представлять собой продолжение «Рассказа Умельца».

«Рассказ Умельца» был о размере мозга, и в нем была попытка всесторонне обыграть логарифмический способ создания диаграммы разброса данных, чтобы сравнить различные виды. У больших животных, казалось, был пропорционально меньший мозг, чем у маленьких животных. Точнее сказать, наклон двойного логарифмического графика массы тела относительно массы мозга был довольно близок к 3/4. Он приходился, как Вы помните, между двумя интуитивно понятными наклонами: 1/1 (масса мозга просто пропорциональна массе тела) и 2/3 (площадь поверхности мозга пропорциональна массе тела). Наблюдаемый наклон для логарифма массы мозга относительно логарифма массы тела оказывался не просто неопределенно выше, чем 2/3, и ниже, чем 1/1. Он был точно равен 3/4. Такая точность данных, кажется, требует такой же точности от теории. Можем ли мы найти какое-либо объяснение для наклона 3/4? Это нелегко.

Усугубляя проблему, или, возможно, давая нам подсказку, биологи долго замечали, что много других вещей, помимо размера мозга, придерживается этого точного соотношения 3/4. В частности, использование энергии различными организмами – скорость метаболизма – придерживается нормы 3/4, и это было возвышено до статуса закона природы, закона Клайбера, даже притом, что для этого не было никакого понятного объяснения. График выше представляет логарифм скорости метаболизма относительно логарифма массы тела («Рассказ Умельца» дает обоснование для графика в логарифмическом масштабе по обеим осям).

Действительно, удивительно в законе Клайбера то, что он справедлив от наименьшей бактерии до наибольшего кита. Это приблизительно 20 порядков величины. Вам нужно перемножить 20 раз по десять – или добавить 20 нулей – чтобы добраться от наименьшей бактерии до наибольшего млекопитающего, и закон Клайбера справедлив повсюду. Он также работает для растений и одноклеточных организмов. График показывает, что наилучшее соответствие получено с тремя параллельными линиями. Одна линия для микроорганизмов, вторая для больших холоднокровных существ («большой» здесь означает что-либо более тяжелое, чем приблизительно одна миллионная грамма!) и третья для больших теплокровных существ (млекопитающих и птиц). У всех трех линий один и тот же наклон (3/4), но они имеют различную высоту: не удивительно, у теплокровных существ более высокая скорость метаболизма для каждого размера, чем у холоднокровных существ.

В течение многих лет никто мог найти действительно убедительной причины для закона Клайбера, пока не был представлен образец блестящей совместной работы между физиком Джеффри Уэстом (Geoffrey West) и двумя биологами, Джеймсом Брауном и Брайеном Энквистом (James Brown, Brian Enquist). Их вывод точной формулы для 3/4 является образцом математического волшебства, которое трудно описать словами, но это настолько изобретательно и важно, что попытка того стоит. 

Теория Уэста, Энквиста и Брауна, в дальнейшем УЭБ, исходит из факта, что у тканей больших организмов есть проблема снабжения. Именно этому всецело посвящена кровеносная система животных и сосудистые трубочки растений: транспортировке веществ к тканям и от них. Маленькие организмы не стоят перед этой проблемой в такой степени. У очень маленького организма столь большая площадь поверхности по сравнению с его объемом, что он может получить весь кислород, который ему нужен, через стенки своего тела. Даже если он многоклеточный, ни одна из его клеток не находится слишком далеко от внешней стенки тела. Но у большого организма есть транспортная проблема, потому что большинство его клеток расположены далеко от ресурсов, в которых они нуждаются. Они должны перекачивать вещества по трубочкам с места на место. Насекомые буквально закачивают воздух в свои ткани по ветвящейся сети трубочек, названных трахеями. Мы также имеем сильно разветвленные воздушные трубочки, но они ограничены специальными органами, легкими, имеющими соответственно сильно разветвленную кровеносную сеть, чтобы перенести кислород из легких в остальные части тела. У рыб для этого служат жабры: крайне важные органы, предназначенные, чтобы увеличить поверхность контакта между водой и кровью. Плацента делает то же самое для материнской и эмбриональной крови. Деревья используют свои сильно разделенные ветви, чтобы снабжать свои листья водой, полученной из земли и перекачивать сахар в обратном направлении, от листьев к стволу.

У тканей есть проблема снабжения. Сложная система снабжения цветной капусты.

Эта цветная капуста, недавно купленная у местного зеленщика и разрезанная пополам, показывает, на что похожа типичная система транспортировки веществ. Вы можете видеть, сколько усилий прилагает цветная капуста, чтобы обеспечить снабжение своего поверхностного слоя «бутонов».

Теперь мы можем предположить, что такие питающие сети – воздушные трубки, сосуды для крови или сахарного раствора, или что бы там ни было – могли бы отлично компенсировать увеличение размера тела. Если бы это было так, то типичная клетка средней цветной капусты снабжалась бы точно так же, как типичная клетка гигантской секвойи, и скорость метаболизма этих двух клеток была бы одинаковой. Так как число клеток в организме пропорционально его массе, график разброса общей скорости метаболизма относительно массы тела, с обеими осями в логарифмическом масштабе, представил бы линию с наклоном 1. Все же фактически мы наблюдаем наклон 3/4. У маленьких организмов более высокая скорость метаболизма, чем должна быть для их массы, по сравнению с крупными организмами. Это означает, что скорость метаболизма клетки цветной капусты выше, чем скорость метаболизма аналогичной клетки секвойи, и скорость метаболизма мыши выше, чем скорость метаболизма кита.

На первый взгляд это кажется странным. Клетка есть клетка, и можно было бы предположить, что существует идеальная скорость метаболизма, которая была бы одинаковой как для цветной капусты, так и для секвойи, как для мыши, так и для кита. Возможно, существует. Но, похоже, случаются трудности в снабжении водой, или кровью, или воздухом, или любыми веществами, что, кажется, устанавливает предел достижения этого идеала. Должен быть компромисс. WEB -теория объясняет компромисс и почему он оказывается с наклоном строго 3/4, и делает это с помощью точных количественных деталей.

Теория состоит из двух ключевых моментов. Прежде всего, ветвящееся дерево трубочек, которое снабжает веществами данный объем клеток, само занимает некоторый объем, конкурирующий за место с клетками, которые оно обеспечивает. На пути к концам питающей сети трубочки сами по себе занимают существенное место. И если Вы удваиваете число клеток, которые необходимо обеспечить, объем сети более чем удваивается, потому что больше трубочек нужно, чтобы сеть проникла в главную систему, трубочки которой сами занимают место. Если Вы хотите удвоить число снабжаемых клеток, только удваивая место, занятое трубочками, Вы нуждаетесь в более рассредоточенной проникающей сети. Второй ключевой момент в том, что, являетесь ли Вы мышью или китом, самая эффективная транспортная система – которая для перемещения веществ тратит впустую наименьшее количество энергии – та, которая занимает фиксированный процент от объема Вашего тела. Это предполагает математика, и это также – подтвержденный опытом факт (Фактический процент мог бы немного отличаться в зависимости, скажем, от того, являетесь ли Вы теплокровным или хладнокровным.). Например, млекопитающие, будь то мышь, человек, или кит, имеют объем крови (то есть объем транспортной системы), который составляет от шести до семи процентов их тела.

Эти два момента, взятые вместе, означают, что, если мы желаем удвоить объем снабжаемых клеток, но все еще сохранить наиболее эффективную транспортную систему, мы нуждаемся в более редко рассредоточенной питающей сети. А более редкая сеть означает, что меньше веществ поставляется в клетку, и что скорость метаболизма должна понизиться. Но насколько именно она должна понизиться?

WEB вычислила ответ на этот вопрос. Можно сказать, математика замечательно предсказывает прямую линию с наклоном точно 3/4 для графика логарифма скорости метаболизма относительно логарифма размера тела! Более недавние научные исследования основываются на первоначальной теории, но существенные аспекты все еще остаются. Закон Клайбера – будь то для растений, животных, или даже на уровне транспорта в пределах одной клетки – наконец нашел свое объяснение. Оно может быть получено из физики и геометрии питающих сетей.

Рассказ Секвойи

Люди спорят о том, какое одно место в мире Вы должны посетить прежде, чем умрете. Мой кандидат – лес Muir Woods, несколько севернее моста «Золотые Ворота». Или, если Вы считаете, что слишком поздно, я не могу вообразить лучшего места, чтобы быть похороненным (вот только я сомневаюсь, что это разрешено, не должно быть). Это зелено-коричневый храм тишины, неф, возвышаемый самыми высокими деревьями в мире, Sequoia sempervirens, секвойями Тихоокеанского побережья, толстая кора которых заглушает эхо, которое заполнило бы рукотворное сооружение. Родственный вид, Sequoiadendron giganteum, найденный в предгорьях цепи Сьерра-Невады, обычно немного ниже, но более массивен. Наибольшее отдельно растущее живое существо в мире, дерево генерала Шермана, является гигантом более чем 30 метров в окружности и более чем 80 метров высотой, предполагаемым весом 1 260 тонн. Его возраст точно не известен, но этот вид знаменит тем, что живет больше чем 3 000 лет. Возраст Генерала Шермана можно установить с точностью до года, если его срубить – непростое дело: одна только кора приблизительно один метр толщиной (Фактически нам не нужно рубить его. Достаточно было бы взять образец из бура.). Будем надеяться, что этого никогда не произойдет, несмотря на печально известное мнение Рональда Рейгана, когда он был губернатором Калифорнии: «Если Вы видели одно, Вы видели их всех».

Как же мы можем узнать возраст большого дерева, даже столь же старого, как Генерал Шерман, с точностью до года? Мы считаем кольца на его пне. Подсчет колец более сложным способом дал начало изящной технике дендрохронологии, с помощью которой археологи, работающие в масштабе столетий, могут точно датировать любой деревянный артефакт.

Этот рассказ призван объяснить, как в течение нашего путешествия мы были способны датировать исторические образцы на абсолютной шкале времени. Кольца дерева очень достоверны, но только в пределах самой ближайшей истории. Возраст ископаемых определяется другими методами, главным образом привлекающими радиоактивный распад, и мы дойдем до них, наряду с другими методами, в ходе рассказа.

Годичные кольца в дереве появляются в результате неудивительного факта, что дерево прибавляет в росте в некоторые сезоны больше, чем в другие. Но, кроме того, будь то летом или зимой, деревья растут интенсивнее в хороший год, чем в плохой. Хороших лет хоть отбавляй, так же как и неблагоприятных, поэтому одно кольцо дерева не годиться для опознания отдельного года. Но последовательность лет составляет отпечаток пальца из широких и узких колец, который характеризует эту последовательность в различных деревьях на большой территории. Дендрохронологи собирают каталоги этих маркированных характерных образцов. При этом деревянный фрагмент, возможно с галеры викингов, похороненный в грязи, может быть датирован благодаря соответствию его кольцевой картины ранее собранным библиотекам характерных признаков.

Тот же принцип используется в каталогах мелодий. Предположим, что у Вас в голове крутится мелодия, и Вы не можете вспомнить ее название. Как ее можно найти? Используются различные принципы, из которых самым простым является код Парсонса. Представьте свою мелодию как ряд подъёмов и спадов (первая нота «*», потому что, очевидно, она не может быть ни выше, ни ниже предыдущей). Вот, например, образец любимой мелодии, «Воздух Лондондерри», или «Воздух графства Дерри», который я только что набрал на веб-сайте Melodyhound:

*UUUDUUDDDDDUUUUUDDDUD

Melodyhound правильно выследил мою мелодию (назвав ее «Danny Boy» – название, известное в Америке благодаря нескольким словам, вставленным в песню в двадцатом веке). Сначала кажется удивительным, что мелодия может быть идентифицирована с помощью такой короткой последовательности символов, указывающих только на направление изменения, а не на степень, и без признаков продолжительности нот. Но это действительно работает. По тем же причинам довольно короткого образца древесных колец достаточно, чтобы идентифицировать отдельную последовательность годичных слоев.

В недавно срубленном дереве внешнее кольцо представляет настоящее время. Прошлое можно вычислить точно, отсчитывая кольца внутрь. Таким образом, абсолютные даты могут быть проставлены благодаря картине характерных особенностей колец в недавних деревьях, для которых зафиксирована дата рубки. Ища совпадения – характерные особенности вблизи сердцевины молодого дерева, которые соответствуют особенностям во внешних слоях старшего дерева, мы можем проставить абсолютные даты также для кольцевых структур старших деревьев. Благодаря последовательно подобранным взаимным наложениям становится принципиально возможным проставить абсолютные даты для действительно очень старых деревьев, в принципе даже для ископаемого леса Аризоны, если бы был непрерывный ряд ископаемых промежуточных звеньев – если бы был! Благодаря этой технике наложения паззлов, собранных и сверенных с библиотекой образцов отпечатков пальцев, можно признать древесину, которая старше самого старого дерева, когда-либо найденного живым. Изменяющаяся толщина колец дерева может, кстати, также использоваться не только для определения возраста деревьев, но и для того, чтобы год за годом восстановить климат и характер экологии, задолго до того, как стал вестись метеорологический учет.

Дендрохронология ограничена относительно недавними интервалами времени, населенными археологами. Но рост дерева не единственный процесс, который усиливается и ослабляется в ежегодном цикле или в некотором другом регулярном или даже нерегулярном цикле. Любой такой процесс может в принципе использоваться для определения возраста, используя ту же изобретательную уловку обратной цепочки взаимных наложений. И некоторые из этих методов работают на более длинном промежутке времени, чем сама дендрохронология. Осадки откладываются на морском дне с неодинаковой скоростью, полосами, которые мы можем себе представить как аналоги древесных колец. Эти полосы могут быть подсчитаны, и признаки отмечены на буровых образцах, извлеченных глубокими цилиндрическими насадками.

Другим примером, с которым мы столкнулись в эпилоге к «Рассказу Слоновой Птицы», является палеомагнитное датирование. Как мы увидели, магнитное поле Земли время от времени реверсивно меняется. То, что было магнитным севером, внезапно становится магнитным югом в течение нескольких тысяч лет, затем переключается снова. В течение прошедших 10 миллионов лет это случалось 282 раза. Хотя я говорю «переключилось» и «внезапно», это внезапно только по геологическим стандартам. Было бы забавно, если бы переключение полюсов сегодня развернуло бы каждый самолет и судно в противоположную сторону, но оно происходит не так. «Переключение» фактически занимает несколько тысяч лет, и является намного более сложным, чем предполагает слово переключение. Магнитный Северный полюс в любом случае редко точно совпадает с истинным, географическим Северным полюсом (вокруг которого вращается Земля). Он с годами блуждает по полярной области. В настоящее время магнитный Северный полюс расположен около острова Батерст на севере Канады, приблизительно в 1 000 миль от истинного Северного полюса. Во время «переключения» существует интервал магнитного беспорядка с большими и сложными изменениями силы и направления поля, иногда включая временное появление более чем одного магнитного севера и более чем одного магнитного юга. В конечном счете, возмущения снова стабилизируются, и когда пыль оседает, может оказаться, что бывший магнитный север теперь около истинного Южного полюса и наоборот. Стабильность с блужданием затем возобновляется в течение, возможно, миллиона лет до следующего переключения.

С точки зрения геологии тысяча лет – всего лишь ушедший вечер. Время, потраченное на «переключение», незначительно по сравнению со временем, проведенным в приблизительном соседстве либо с истинным Северным, либо с истинным Южным полюсом. Природа, как мы видели ранее, ведет автоматический учет таких событий. В расплавленной вулканической породе определенные минералы ведут себя как маленькие стрелки компаса. Когда расплавленная порода застывает, эти минеральные стрелки составляют «застывшую» запись магнитного поля Земли в момент отвердевания (несколько другим способом палеомагнетизм также может наблюдаться в осадочных породах). После «переключения» миниатюрные компасные стрелки в горных породах указывают в противоположном направлении, по сравнению с тем, что было до переключения. Это вновь похоже на древесные кольца, за исключением того, что интервал между полосами не один год, а порядка миллиона лет. Снова же, образцы полос могут совпасть с другими образцами, и хронология магнитных переключений может быть связана вместе непрерывной цепью. Абсолютный возраст не может быть вычислен с помощью подсчета полос, потому что, в отличие от древесных колец, полосы представляют собою неравные отрезки времени. Однако такие же характерные образцы полос могут быть собраны в различных местах. Это означает, что, если какой-либо другой метод абсолютного датирования (см. ниже) доступен для одного из мест, образцы магнитных полос могут использоваться как код Парсонса для мелодии, чтобы определить тот же временной интервал в других местах. Как с древесными кольцами и другими методами датирования, полная картина создается из фрагментов, собранных в различных местах.

Магнитные полосы с обеих сторон океанского горного хребта. Темные полосы представляют нормальную полярность, белые – обратную полярность. Геологи группируют их в магнитные интервалы с преобладанием нормальной или обратной полярности. Симметрия полос была впервые установлена как доказательство расширения океанского дна Фредом Вайном и Драммондом Мэтью (Fred Vine and Drummond Matthews) в классической статье в «Nature» в 1963 году. Кора и твердый верхний слой мантии, вместе известные как литосфера, раздвигаются расплавленной магмой из нижней части мантии (астеносферы). Отличительные особенности полос позволяют нам установить возраст пород на морском дне приблизительно до 150 миллионов лет назад. Более древнее ложе океана было разрушено субдукцией.

Древесные кольца хороши для того, чтобы датировать недавние реликты самых последних лет. Для более древних дат, определяемых неизбежно менее точно, мы используем широко распространенную физику радиоактивного распада. Чтобы ее объяснить, мы начнем с отступления.

Все вещества сделаны из атомов. Существует больше 100 видов атомов, которым соответствуют столько же номеров элементов. Примерами элементов служат железо, кислород, кальций, хлор, углерод, натрий и водород. Большинство веществ состоит не из чистых элементов, а из соединений: двух или больше атомов различных элементов, сцепленных вместе, как в карбонате кальция, поваренной соли, угарном газе. Связью атомов в соединении служат электроны, которые являются крошечными частицами, вращающимися по орбите (метафора, чтобы помочь нам разобраться в их реальном поведении, намного более странном) вокруг центрального ядра каждого атома. Ядро огромно в сравнении с электроном, но крошечно в сравнении с орбитой электрона. Ваша рука, состоящая главным образом из пустого пространства, встречает большое сопротивление, когда ударяет о железный блок, также состоящий главным образом из пустого пространства, потому что силы, связанные с атомами в этих двух твердых телах, взаимодействуют таким образом, чтобы предотвратить их прохождение друг через друга. Следовательно, железо и камень кажутся нам твердыми, потому что наш мозг наиболее эффективно помогает нам создавать иллюзию твердости.

Долгое время подразумевалось, что химическое соединение может быть разделено на составляющие части и повторно объединено, образуя то же самое или другое соединение с выделением или потреблением энергии. «Легко пришли – легко ушли»: такие взаимодействия между атомами и составляют химию. Но до двадцатого столетия сам атом, как считалось, был неделим. Это была наименьшая частица вещества. Атом золота был крошечной частичкой золота, качественно отличающейся от атома меди, который был наименьшей частицей меди. Современные взгляды более изящны. Атомы золота, меди, водорода и так далее являются лишь различными мерами одних и тех же фундаментальных частиц, так же как гены лошади, салата, человека и бактерии не имеют никакого неотъемлемого «аромата» лошади, салата, человека или бактерии, а являются лишь различными комбинациями одних и тех же четырех букв ДНК. Как химические соединения, долгое время предполагалось, были комбинациями, составленными из конечного набора приблизительно 100 атомов, так же каждое ядро атома оказалось комбинацией двух фундаментальных частиц, протонов и нейтронов. Ядро золота не «сделано из золота». Как все другие ядра, оно сделано из протонов и нейтронов. Ядро железа отличается от ядра золота не потому, что оно сделано из качественно различного вида вещества, названного железом, а просто потому, что оно содержит 26 протонов (и 30 нейтронов), вместо 79 протонов (и 118 нейтронов) у золота. На уровне отдельного атома нет никакого «вещества», имеющего свойства золота или железа. Есть только различные комбинации протонов, нейтронов и электронов. Физики продолжают говорить нам, что даже протоны, нейтроны и электроны состоят из еще более фундаментальных частиц, кварков, но мы не будем следовать за ними в такие глубины.

Протоны и нейтроны почти одинакового размера, и намного больше, чем электроны. В отличие от нейтрона, который электрически нейтрален, каждый протон имеет одну единицу электрического заряда (произвольно названного положительным), который точно уравновешивает отрицательный заряд одного электрона «на орбите» вокруг ядра. Протон может быть преобразован в нейтрон, если он поглощает электрон, отрицательный заряд которого нейтрализует положительный заряд протона. В свою очередь нейтрон может преобразоваться в протон, выбросив единицу отрицательного заряда – один электрон. Такие преобразования являются примерами ядерных реакций, в отличие от химических реакций. Химические реакции оставляют ядро нетронутым. Ядерные реакции его изменяют. Они обычно подразумевают намного больший обмен энергией, чем химические реакции, потому ядерное оружие настолько более разрушительно при одинаковом весе, чем обычные (то есть химические) взрывчатые вещества. Поиски алхимиков по превращению одного металлического элемента в другой потерпели неудачу только потому, что они пытались сделать это химическими, а не ядерными средствами.

У каждого элемента есть характерное число протонов в ядре его атома и такое же число электронов «на орбите» вокруг ядра: один для водорода, два для гелия, шесть для углерода, 11 для натрия, 26 для железа, 82 для свинца, 92 для урана. Именно это число, так называемое атомное число, (действуя через электроны) в значительной степени определяет химическое поведение элемента. Нейтроны имеют небольшое влияние на химические свойства элемента, но они влияют на его массу и на его ядерные реакции.

У ядра обычно примерно такое же число нейтронов, как и протонов, или несколько больше. В отличие от количества протонов, которое фиксировано для любого конкретного элемента, изменяется количество нейтронов. Обычный углерод имеет шесть протонов и шесть нейтронов, что дает общее «массовое число» 12 (так как масса электронов незначительна, и нейтрон весит приблизительно столько же, как протон). Его поэтому называют углеродом 12.

У углерода 13 есть один дополнительный нейтрон, у углерода 14 – два дополнительных нейтрона, но у них у всех по шесть протонов. Такие различные «версии» элемента называют «изотопами». Причина, по которой все три этих изотопа имеют одно и то же название, углерод, в том, что у них одно и то же атомное число, 6, и поэтому все они имеют одни и те же химические свойства. Если бы ядерные реакции были обнаружены до химических, возможно, изотопам дали бы другие названия. В некоторых случаях изотопы достаточно несхожи, чтобы заслужить различные названия. У обычного водорода нет никаких нейтронов. Водород 2 (один протон и один нейтрон) называют дейтерием. Водород 3 (один протон и два нейтрона) называют тритием. Все ведут себя химически как водород. Например, дейтерий объединяется с кислородом, создавая форму воды, названную тяжелой водой, известную своим использованием в изготовлении водородных бомб.

Изотопы, в таком случае, отличаются только по числу содержащихся в них нейтронов, наряду с фиксированным числом протонов, характеризующих элемент. У некоторых из изотопов элемента может быть нестабильное ядро, что означает, что оно имеет тенденцию превращаться в непредсказуемый момент, хотя с предсказуемой вероятностью, в другую разновидность ядра. Другие изотопы устойчивы: вероятность их превращения равна нулю. Другое название для нестабильного – радиоактивный. У свинца есть четыре стабильных изотопа и 25 известных нестабильных. Все изотопы очень тяжелого металла, урана, нестабильны – все являются радиоактивными. Радиоактивность – ключ к абсолютному датированию горных пород и их окаменелостей: таким образом, это отступление необходимо, чтобы ее объяснить.

Что обычно случается, когда нестабильный, радиоактивный элемент превращается в другой элемент? Есть различные пути, которыми это может случиться, но два самых известных называют альфа-распадом и бета-распадом. При альфа-распаде исходное ядро теряет «альфа-частицу», состоящую из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе. Массовое число, поэтому, понижается на четыре единицы, но атомное число снижается только на две единицы (соответствующие этим двум потерянным протонам). Так элемент превращается, говоря химическим языком, в какой-либо элемент, имеющий на два протона меньше. Уран 238 (с 92 протонами и 146 нейтронами) превращается в торий 234 (с 90 протонами и 144 нейтронами).

Бета-распад не таков. Один нейтрон в исходном ядре превращается в протон, и он делает это, выбрасывая бета-частицу, представляющую собой единицу отрицательного заряда или один электрон. Массовое число ядра остается тем же, потому что общее количество протонов плюс нейтронов остается неизменным, а электроны слишком маленькие, чтобы о них беспокоиться. Но атомное число увеличивается на один, потому что теперь на один протон больше, чем прежде. Натрий 24 превращается в результате бета-распада в магний 24. Массовое число осталось тем же, 24. Атомное число увеличилось с 11, что является однозначным признаком натрия, до 12, что является однозначным признаком магния.

Третья разновидность преобразования – нейтронно-протонная замена. Беспризорный нейтрон поражает ядро и выбивает один протон из ядра, занимая его место. Так же, как и при бета-распаде, массовое число не изменяется. Но на сей раз атомное число уменьшилось на один из-за потери одного протона. Помните, что атомное число – это просто число протонов в ядре. Четвертым способом превращения одного элемента в другой, имеющим такое же влияние на атомное и массовое число, является электронный захват. Это своего рода полная противоположность бета-распада. Принимая во внимание, что при бета-распаде нейтрон превращается в протон и удаляет электрон, электронный захват преобразует протон в нейтрон, нейтрализуя его заряд. Таким образом, атомное число уменьшается на один, в то время как массовое число остается неизменным. Калий 40 (атомное число 19), таким образом, распадается в аргон 40 (атомное число 18). И существуют различные другие пути, которыми ядра могут быть радиоактивно преобразованы в другие ядра.

Одним из кардинальных принципов квантовой механики является невозможность точно предсказать, когда распадется конкретное ядро нестабильного элемента. Но мы можем измерить статистическую вероятность того, что это случится. Эта измеренная вероятность оказалась вполне характерной для данного изотопа. Принятой мерой является период полураспада. Чтобы измерить период полураспада радиоактивного изотопа, возьмите кусок вещества и посчитайте, сколько времени нужно, чтобы ровно одна его половина распалась во что-либо еще. Период полураспада стронция 90 составляет 28 лет. Если у Вас будет 100 граммов стронция 90, то через 28 лет у Вас останется только 50 граммов. Остальной превратятся в иттрий 90 (который, между тем, в свою очередь превратится в цирконий 90). Означает ли это, что еще через 28 лет у Вас не останется стронция? Разумеется, нет. У Вас останется 25 граммов. Еще через 28 лет количество стронция снова сократится наполовину, до 12.5 граммов. Теоретически оно никогда не достигает нуля, а только приблизится к нему, уменьшаясь напополам с каждым шагом. По этой причине мы должны говорить о периоде полураспада, а не о «времени распада» радиоактивного изотопа.

Период полураспада углерода 15 составляет 2.4 секунды. Через 2.4 секунды Вы останетесь с половиной Вашего изначального образца. Еще через 2.4 секунды у Вас будет лишь четверть Вашего изначального образца. Еще через 2.4 секунды – одна восьмая, и так далее. Период полураспада урана 238 составляет почти 4.5 миллиарда лет. Это – приблизительно возраст солнечной системы. Так, от всего урана 238, который присутствовал на Земле сначала, когда она сформировалось, теперь осталась приблизительно половина. Замечательным и очень полезным результатом радиоактивности является то, что полураспад различных элементов охватывают столь колоссальный диапазон, от долей секунд до миллиардов лет.

Мы приближаемся к сути всего этого отступления. Факт, что каждый радиоактивный изотоп имеет определенный период полураспада, предполагает возможность определять возраст горных пород. Вулканические породы часто содержат радиоактивные изотопы, такие как калий 40. Калий 40 превращается в аргон 40 с периодом полураспада 1.3 миллиарда лет. Потенциально это – точные часы. Но бесполезно измерять только количество калия 40 в горной породе. Вы не знаете, сколько его было вначале! То, что Вам нужно – отношение калия 40 к аргону 40. К счастью, когда калий 40 в кристаллической породе распадается, аргон 40 (газ) остается захваченным в кристалле. Если имеется равное количество калия 40 и аргона 40 в веществе кристалла, Вы знаете, что половина исходного калия 40 распалась. Следовательно, прошло 1.3 миллиарда лет, с тех пор как кристалл был сформирован. Если аргона 40 вдвое больше, чем калия 40, прошло 2.6 миллиарда лет, с тех пор как кристалл был сформирован. Если вдвое больше калия 40, чем аргона 40 – кристаллу всего лишь 650 миллионов лет.

Момент кристаллизации, который в случае вулканических пород является временем застывания жидкой лавы, это момент, когда часы были обнулены. После этого исходный изотоп стабильно распадается, а образованный изотоп остается пойманным в кристалле. Все, что Вы должны теперь сделать, это измерить отношение двух количеств, отыскать период полураспада исходного изотопа в учебнике физики и легко вычислить возраст кристалла. Как я сказал ранее, окаменелости обычно находят в осадочных породах, в то время как пригодные для установления возраста кристаллы обычно находятся в вулканических породах, таким образом, сами окаменелости приходится датировать косвенно, глядя на вулканические породы, между которыми помещен их слой.

Трудность состоит в том, что часто первым продуктом распада является другой нестабильный изотоп. Аргон 40, первый продукт распада калия 40, оказался стабильным. Но когда распадается уран 238, он проходит через каскад из не менее чем 14 нестабильных промежуточных стадий, включая девять альфа-распадов и семь бета-распадов, прежде чем, наконец, достигнет равновесия как стабильный изотоп, свинец 206. Безусловно, самый длинный период полураспада каскада (4.5 миллиарда лет) принадлежит первому переходу, от урана 238 к торию 234. У промежуточного перехода в каскаде, от висмута 214 к таллию 210, период полураспада лишь 20 минут, и даже он не является самым быстрым (то есть самым вероятным). Более поздние переходы занимают время, сравнимое с первым, таким образом, наблюдаемое отношение урана 238 к, наконец, устойчивому свинцу 206 может быть сопоставлено с периодом полураспада 4.5 миллиарда лет, чтобы вычислить возраст конкретной горной породы.

Уран-свинцовый и калий-аргоновый методы с их периодами полураспада, измеряемыми в миллиардах лет, полезны для датирования ископаемых большого возраста. Но они слишком грубы для того, чтобы датировать младшие горные породы. Для них нам нужны изотопы с более короткими периодами полураспада. К счастью, в нашем распоряжении диапазон часов с широким выбором периодов полураспада изотопов. Вы выбираете свой период полураспада, дающий наилучшее разрешение для горных пород, с которыми Вы работаете. А еще лучше, если можно использовать различные часы для контроля друг друга.

В качестве самых быстрых радиоактивных часов обычно используют углерод 14, и, сделав полный круг, это приводит нас к рассказчику этого рассказа, поскольку древесина – один из главных материалов, который археологи подвергают датированию углеродом 14. Углерод 14 распадается на азот 14 с периодом полураспада 5 730 лет. Углеродные часы необычны тем, что они используются для датирования фактических мертвых тканей, а не окружающих их вулканических пород. Датирование углеродом 14 настолько важно для относительно недавней истории – намного более молодой, чем большинство ископаемых, и охватывающей диапазон истории, обычно называемый археологией – что оно заслуживает специального рассмотрения.

Большая часть углерода в мире представлена в виде стабильного изотопа, углерода 12. Приблизительно одна миллион-миллионная часть углерода в мире представлена нестабильным изотопом, углеродом 14. Обладая периодом полураспада, измеряемым всего лишь в тысячах лет, весь углерод 14 на Земле давно превратился бы в азот 14, если бы не возобновлялся. К счастью, несколько атомов азота 14, самого распространенного в атмосфере газа, непрерывно превращаются, благодаря бомбардировке космических лучей, в углерод 14. Скорость создания углерода 14 почти постоянна. Большая часть углерода в атмосфере, либо углерода 14, либо более обычного углерода 12, химически объединена с кислородом в виде углекислого газа. Этот газ поглощался растениями, и атомы углерода обычно составляли их ткани. Для растений углерод 14 и углерод 12 выглядят одинаково (растения интересуются только химией, а не ядерными свойствами атомов). Два варианта углекислого газа усваивались приблизительно пропорционально своей доступности.

Растения поедаются животными, которых могут съесть другие животные, таким образом, углерод 14 распространен в известной пропорции относительно углерода 12 повсюду в пищевой цепочке в течение времени, короткого по сравнению с периодом полураспада углерода 14. Эти два изотопа существуют во всех живых тканях в приблизительно одной и той же пропорции, что и в атмосфере, один к миллиону миллионов. Безусловно, они иногда превращаются в атомы азота 14. Но постоянная скорость из превращения компенсируется их непрерывной заменой, через связи пищевой цепочки, на постоянно обновляемый атмосферный углекислый газ.

Все меняется в момент смерти. Мертвый хищник отключен от пищевой цепочки. Мертвое растение больше не получает новые запасы углекислого газа из атмосферы. Мертвое травоядное животное больше не ест новые растения. Углерод 14 в мертвом животном или растении продолжает превращаться в азот 14. Но он не пополняется новыми запасами из атмосферы. Таким образом, отношение углерода 14 к углероду 12 в мертвых тканях начинает понижаться. И оно понижается с периодом полураспада 5 730 лет. Практический результат в том, что мы можем сказать, когда умерло животное или растение, измеряя отношение углерода 14 к углероду 12. Так было доказано, что Туринская плащаница не могла принадлежать Иисусу: ее возраст является средневековым. Определение возраста углеродом 14 является замечательным инструментом для того, чтобы датировать реликвии относительно недавней истории. Оно бесполезно для более древнего датирования, потому что почти весь углерод 14 превратился в углерод 12, а остаток слишком мал для точных измерений.

Существуют другие методы абсолютного датирования, и все время изобретаются новые. Красота наличия большого количества методов состоит частично в том, что вместе они охватывают огромный диапазон шкалы времени. Они также могут использоваться для взаимного контроля друг друга. Чрезвычайно трудно привести доводы против дат, которые подтверждены различными методами.

Не будь он так вертляв и мал,

Я бы для вас его поймал.

И вы бы увидали сами

Микробью мордочку с усами,

Узор пятнистый вдоль хребта,

Шесть быстрых ног и три хвоста…

Увы, задача нелегка

Увидеть шустрого зверька.

Ведь без очков и без лорнета

Непросто различить все это.

Но нам о нем расскажут строгие

Профессора по зоологии.

Нельзя ж кому-нибудь на свете

Позволить сомневаться в этом.

ХИЛЭР БЕЛЛОК (l870-1953) «Книга о зверятах для плохих ребят» (1897), (по мотивам перевода Г. Кружкова).

Хилэр Беллок был блестящим поэтом, но необъективным человеком. Если в вышесказанном есть элемент антинаучного предубеждения, давайте не будем заострять на нем внимание. В науке немало вещей, в которых мы не уверены. Где научные результаты слишком противоречат мировым представлениям, мы осознаем свою неуверенность, часто можем измерить ее величину и оптимистично работаем, чтобы ее уменьшить.

На Свидании 37 мы вступаем в мир микробов, а также в царство неуверенности: неуверенности не столько в самих микробах, сколько в порядке, в котором мы должны их приветствовать. Я хотел выдвинуть предположение и придерживаться его, но это будет несправедливо по отношению к другим пунктам свиданий, в которых мы можем быть, по крайней мере, несколько более уверенными. Если бы публикация этой книги была отложена на год или два, было бы больше шансов решить эту проблему. Но пока позвольте нам рассматривать стихотворение Беллока как «Назидательную историю для ученых». Мы знаем, кого мы должны встретить на следующем, или двух, или трех пунктах свиданий, но мы не знаем в каком порядке, и мы не знаем, сколько их.

Эта неуверенность касается всех эукариот, которые должны еще присоединиться к путешествию. Это важное замечание будет объяснено в «Большом Историческом Свидании». В данный момент просто имейте в виду, что одним из наиболее важных событий в истории жизни было формирование эукариотической клетки. Эукариотические клетки – большие и сложные клетки с митохондриями и ядрами, окруженными стенкой, которые составляют тела всех животных, растений и, безусловно, всех странников, которые уже к нам присоединились. Это – все живые существа, кроме истинных бактерий и археев, которых обычно называют бактериями. Эти «прокариоты» составят два заключительных пункта свиданий, и мы, между прочим, в них более уверенны. Я произвольно пронумерую эти два заключительных свидания 38 и 39. Это означает, что все оставшиеся эукариоты присоединяются к нам на свидании 37, что в настоящее время является одним из возможных предположений. Но пожалуйста, примите во внимание, что это – игра в орлянку: наше заключительное свидание с настоящими бактериями могло иметь номер от 39 до 42.

Ветвь остальных эукариот. Высокоуровневый филогенез оставшихся приблизительно 50 000 описанных видов эукариот в настоящее время является нерешенным (см. текст). Тусклые линии указывают на нынешнюю высокую степень неуверенности. Ветвь хромальвеолятов часто подразделяется на хромистов (гетероконтов) и альвеолятов, как показано ниже.

Частично проблема состоит в нахождении корня. Мы столкнулись с этим в «Рассказе Гиббона». Звездчатая диаграмма, такая как эта, совместима со многими различными эволюционными деревьями, а это означает, что существует много различных способов организовать наше свидание.

Отметьте, с должным смирением, к кому мы с Вами относимся.

Бескорневая звездчатая диаграмма всей жизни, основанная на имеющихся на данный момент согласованных результатах молекулярных и других исследований. Адаптировано от Балдауфа (Baldauf)[13].

Прежде чем мы перейдем к главному, отметьте с должным смирением крошечную линию, обозначенную «animals» (животные). Если Вы не можете ее найти, посмотрите на обозначенную «opisthokonts» (опистоконты) ветвь внизу слева, где Вы найдете нас как группу, сестринскую с choanoflagellates (хоанофлагеллатами). Мы с Вами относимся к этой ветви, вместе со всей толпой странников, которые присоединились к нам до Свидания 31 включительно.

Очевидно, есть много мест, где мы можем подвесить корень. Факт, что две наиболее серьезно обоснованных гипотезы (обозначенные пунктирными стрелками) столь противоположны друг другу, способствует подрыву моей уверенности. Но дело еще хуже. Расположение корня – только первая из наших проблем. Вторая проблема состоит в том, что пять линий встречаются в одной точке в середине. Это не означает, как кто-то может подумать, что все эти пять групп одновременно пустили ветви от одного предка, и все являются одинаково близкими кузенами друг другу. Это лишь означает, что у нас есть большие сомнения. Мы не знаем, какие из этих пяти кузенов состоят в более близком родстве друг с другом, поэтому, вместо того чтобы согласиться с тем, что может быть ошибкой, и быть справедливо высмеянными в памфлете современным Беллоком, мы рисуем их всех расходящимися из одной точки. Точка, где эти пять линий встречаются, должна, в конечном счете, быть разделена на серию разветвляющихся линий. Каждая из этих линий является потенциальным местом, где мы могли бы подвесить корень.

Сейчас станет ясно, почему я отказался передавать детали следующих нескольких пунктов свиданий. Фактически, если Вы посмотрите на диаграмму, то заметите, что я был даже несколько опрометчив, поместив Свидание 36 в место, где к нам присоединяются растения. Линия растений – одна из пяти, исходящих из центра звезды. Так как умозаключения поблизости центра все еще настолько произвольны, я решил рассматривать растения, как если бы у них было отдельное свидание с нами, но только потому, что они являются настолько огромной и важной группой, что, похоже, заслужили быть объединенными в собственный отдельный отряд странников. То, что я сделал, в действительности, было растягиванием диаграммы, таким образом, она теперь похожа вот на что.

Мы могли бы принять так же произвольное решение по поводу того, как разделить оставшееся три ветви, но моя смелость покидает меня окончательно. Я оставлю их покрытыми тайной на Свидании 37, свидании с неизвестным.

Вместо того чтобы сосредоточиться на порядке, в котором они присоединяются к нам, я просто пройдусь по оставшимся группам эукариот, кратко описывая их. Ризарии включают различные группы одноклеточных эукариот, некоторые зеленые и фотосинтезируют, некоторые нет. Самые известные – фораминиферы и радиолярии, знаменитые своей красотой, лучше всего запечатленной в рисунках Эрнста Геккеля, выдающегося немецкого зоолога, который, кажется, продолжает появляться на страницах этой книги. Альвеоляты включают некоторых также красивых существ, в том числе инфузорий и динофлагеллятов. В число инфузорий, или это может так показаться, входит Mixotricha paradoxa, чей рассказ мы скоро услышим. «Может так показаться» и «paradoxa» составляют суть рассказа, предвосхищать который я здесь не буду.

Лучше всего запечатлена в рисунках Эрнста Геккеля.

Радиолярии в рисунках Эрнста Геккеля из его трактата «Kunstformen der Natur» («Художественные формы в природе»), 1904 [120]. Качество улучшено с помощью компьютера.

Гетероконты – другая смешанная группа. Они включают несколько также красивых одноклеточных существ, таких как диатомовые водоросли, снова же незабвенно изображенные Геккелем. Но эта группа также независимо открыла для себя многоклеточность в форме бурых водорослей. Они – наибольшие и самые известные из всех водорослей, при этом гигантские бурые водоросли достигают 100 метров в длину. Бурые водоросли включают прибрежные водоросли рода фукус, различные виды которого выделяются в прибрежных слоях, каждый является наиболее подходящим для конкретной зоны приливного цикла. Фукус вполне мог бы быть родом, по образцу которого создан лиственный морской дракон (см. его рассказ).

Discicristates включают фотосинтетических жгутиковых , таких как эвглена зеленая, и паразитных жгутиковых, таких как трипаносома, которая вызывает сонную болезнь. Есть также семья слизевиков acrasid, которые близко не связаны с клеточными слизевиками, которых мы встретили на Свидании 35. Как часто в этом длинном путешествии мы поражаемся способности жизни повторно изобретать похожие формы тела для похожего образа жизни. «Слизевики» появляются как две или даже три различных группы странников; так же как «жгутиковые» и «амебы». Вероятно, мы должны представить себе «амеб» как образ жизни, как в случае с «деревом». «Деревья» означают очень большие растения из жесткой древесины, неожиданно возникающие во многих отдельных семействах растений. Похоже, то же самое верно для «амеб» и «жгутиковых». Это, безусловно, верно для многоклеточных, которые возникли среди животных, грибов, растений, бурых водорослей и различных других форм, таких как слизевики.

Последняя большая группа нашей неразрешимой звезды состоит из excavates. Это одноклеточные существа, которые когда-то назывались жгутиковыми и были объединены с трипаносомой, микрофлорой сонной болезни. Теперь отделенные, excavates включают неприятных кишечных паразитов лямблии, скверного, передающегося половым путем влагалищного паразита трихомонаду и различных очаровательно сложных одноклеточных существ, обнаруженных только в кишечниках термитов. И это – сигнал для их рассказа.

Рассказ Миксотрихи

Mixotricha paradoxa означает «парадоксальный организм с разными жгутиками», и через мгновение мы увидим почему. Это микроорганизм, который живет в кишечнике австралийского термита, «термита Дарвина», Mastotermes darwiniensis. Приятно, хотя не обязательно для местных жителей, что одним из основных мест, где она процветает, является город Дарвин на севере Австралии.

Термиты стоят в тропиках как рассредоточенный колосс. В тропических саваннах и лесах их популяции достигают плотности 10 000 на квадратный метр и предположительно потребляют до одной трети всех ежегодных объемов мертвой древесины, листьев и травы. Их биомасса, приходящаяся на единицу площади, вдвое больше мигрирующих стад гну в Серенгети и Масаи-Мара, но распространена по всем тропикам.

Если Вы интересуетесь источником волнующего успеха термитов, он является двойным. Во-первых, они могут есть древесину, содержащую целлюлозу, лигнин и другие вещества, которые обычно не могут переваривать кишечники животных. Я вернусь к этому. Во-вторых, они очень социальны и получают большой экономический эффект от разделения труда среди специалистов. У термитника есть множество признаков отдельного большого и жадного организма со своей собственной анатомией, своей собственной физиологией и собственными вылепленными из грязи органами, включающими замысловатую вентиляцию и систему охлаждения. Сам термитник остается на месте, но у него есть бесчисленное количество ртов и в шесть раз большее количество ног, и они пробегают через нагульный ареал размером с футбольное поле.

Легендарные подвиги сотрудничества термитов возможны в дарвинистском мире только потому, что большинство особей бесплодно, но связано близким родством с действительно плодовитым меньшинством. Бесплодные рабочие действуют как родители по отношению к своим младшим родным братьям, тем самым давая возможность королеве стать специализированной фабрикой яиц, гротескно эффективной фабрикой. Гены поведения рабочего передаются будущим поколениям через меньшинство сибсов рабочих, предназначенных для размножения (которым помогает большинство сибсов, призванных быть бесплодными). Вы по достоинству оцените работу системы хотя бы потому, что есть сугубо негенетическое решение, должен ли молодой термит стать рабочим или производителем. У всех молодых термитов есть генетический билет, чтобы участвовать в лотерее окружающих условий, которая решает, станут ли они производителями или рабочими. Если бы существовали гены для того, чтобы быть обязательно бесплодными, то они, очевидно, не могли бы быть переданы. Вместо этого они включаются в зависимости от условий. Они передаются, когда оказываются в королевах или королях, потому что копии этих же генов заставляют рабочих трудиться для этого и воздерживаться от самостоятельного размножения.

Часто проводится аналогия колонии насекомых с человеческим телом, и это не плохая аналогия. Большинство наших клеток подавляют свою индивидуальность, посвящая себя непосредственно помощи репродуктивному меньшинству: клеткам «зародышевой линии» в яичках или яичниках, гены которых предназначены, чтобы путешествовать через сперматозоиды или яйцеклетки в далекое будущее. Но генетическое родство – не единственное основание для подавления индивидуальности при полезном разделении обязанностей. Любой вид взаимной помощи, где каждый исправляет недостатки другого, может быть одобрен естественным отбором. Чтобы привести крайний пример, мы ныряем в кишечник отдельного термита, бурлящий и, как я полагаю, зловонный хемостат, который является миром миксотрихи.

Термиты, как мы видели, обладают дополнительным преимуществом перед пчелами, осами и муравьями: своим потрясающим искусством переваривания. Нет почти ничего, что термиты не могут съесть, от зданий и бильярдных шаров до бесценного первого фолио Шекспира. Древесина является потенциально богатым источником пищи, но она отвергается почти всеми животными, потому что целлюлозу и лигнин настолько трудно переварить. Термиты и некоторые тараканы составляют замечательные исключения. Термиты действительно связаны с тараканами, и термиты Дарвина, как и другие, так называемые «низшие» термиты, являются своего рода живыми ископаемыми. Их можно представить себе на полпути между тараканами и прогрессивными термитами.

Чтобы переварить целлюлозу, необходим фермент, называемый целлулаза. Большинство животных не могут синтезировать целлулазу, но некоторые микроорганизмы могут. Как будет объяснено в «Рассказе Taq», бактерии и археи биохимически более универсальны, чем остальные существующие царства вместе взятые. Животные и растения производят частицы биохимических смесей, доступных для бактерий. Для того чтобы переваривать целлюлозу, все травоядные млекопитающие полагаются на микробов в своих кишечниках. За эволюционное время они вступили в сотрудничество, используя химикаты, такие как уксусная кислота, которые для микробов являются отходами. Сами микробы получают надежное убежище с большим количеством сырья для своей собственной биохимии, предварительно обработанного и измельченного на маленькие, удобные части. У всех травоядных млекопитающих есть бактерии в нижнем отделе кишечника, которые получают доступ к пище после того, как собственные пищеварительные соки млекопитающего попытались ее переварить. Ленивцы, кенгуру, колобусы и особенно жвачные животные независимо развили привычку держать бактерий также в верхней части кишечника, где они предшествуют собственной основной пищеварительной активности млекопитающего.

В отличие от млекопитающих, термиты способны вырабатывать свою собственную целлулазу, по крайней мере, в случае так называемых «прогрессивных» термитов. Но до одной трети чистого веса более примитивного (то есть более похожего на таракана) термита, такого как термит Дарвина, состоит из его богатой микробами кишечной фауны, включая эукариотических простейших, а также бактерий. Термиты обнаруживают и пережевывают древесину на маленькие, удобные крошки. Микробы живут на раскрошенной древесине, переваривая ее ферментами, которых нет в собственном биохимическом наборе термитов. Или можно сказать, что микробы стали инструментами в наборе термитов. Как и в случае с рогатым скотом, термиты кормятся отходами микробов. Я полагаю, можно сказать, что термиты Дарвина и другие примитивные термиты разводят микроорганизмы в своих кишечниках (Существует два основных процесса, в которых энергия извлекается из пищевого топлива: анаэробный (без кислорода) и аэробный (с кислородом). Оба представляют собой химические последовательности, в которых топливо, вместо того, чтобы сжигаться, понемногу отдает свою энергию способом, при котором она может эффективно использоваться. Самая обычная анаэробная последовательность приводит к пирувату как основному продукту, и он является отправной точкой самого простого аэробного каскада. Термиты исходят из своей особенности лишать свой кишечник свободного кислорода, таким образом, вынуждая свои микробы обходиться только анаэробным процессом, применяя древесное топливо для производства пирувата, который может затем использоваться термитом  для аэробного высвобождения энергии.). И это приводит нас, в конечном счете, к миксотрихе, чей рассказ перед нами.