Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей Шубин Нил
Конечно же, причиной недоразумения стал свет. Стенки моей палатки не были непроницаемыми, и в ней было светло в любое время суток. Мой мозг, привыкший к южным широтам, усвоил, что свет означает день, а тьма — ночь. Поскольку это правило не имело никакого смысла в Арктике, где летом круглые сутки светло, настройки моего мозга оказались неуместными. Мои опытные коллеги приготовили повязки на глаза, тогда как я «благоразумно» запасся фонарем.
Первые дни мне было не по себе, как будто организм привыкал к жизни на другой планете. Здесь вообще не было ночи, так что узнать время суток можно было, лишь взглянув на часы. Но чем больше времени мы здесь жили, тем лучше мой мозг подстраивался к местным условиям. Солнце очерчивает на небе широкий эллипс, и предметы в течение дня отбрасывают разные тени. Почти автоматически мозг начинает подчиняться солнечным часам. В Арктике, правда, нет деревьев, но за гномон, отбрасывающий тень, сойдет любой валун или верхушка палатки.
Все мы путешествовали и знаем, что наш сон и пробуждение зависят от Солнца. Буквально каждая часть нашего тела — все органы, ткани и клетки — подчиняется суточному ритму. Почки ночью замедляют свою работу. Это очень приятно, поскольку позволяет реже покидать постель (и особенно важно, если вы очутились в Арктике и спите в спальном мешке). Температура тела в течение суток меняется, и ниже всего она в три часа ночи. Печень тоже функционирует по часам (медленнее всего утром), так что за завтраком напиться вдрызг проще всего.
Организм реагирует не только на изменение времени суток, но и на изменение времени года. Смена сезонов сопровождается изменением длительности светового дня, температуры и количества осадков. В случае животных эти факторы влияют на характер их питания и на размножение. Мы, люди, не слишком отличаемся от животных. Даже наше настроение зависит от времени года. Согласно некоторым оценкам, во Флориде, на юге, сезонными аффективными расстройствами страдает 1,4 % населения, а в Нью-Гемпшире, на севере, этот показатель достигает 14 %.
Пьяный не замечает, как бежит время: праздник только начался, а все уже разошлись. Марихуана скомкает вечность в двадцатиминутный эпизод «Трех бездельников»[2]. Очень сильное напряжение или эмоциональная нагрузка приводят к тому, что мы теряем ощущение времени. Известная поговорка «Не смотри на чайник, иначе никогда не закипит» отражает наше не всегда адекватное действительности восприятие времени.
В 1963 году французский геолог Мишель Сифр решил расширить представления о времени. Двадцатитрехлетний Сифр уже побывал в нескольких неизведанных регионах. Его интересовало то, что лежит под поверхностью Земли. Составляя карты подземного мира, Сифр обнаружил в Альпах обширные пещеры и ледники. Это был дивный темный мир, и у молодого ученого возник вопрос: что происходит с человеком, потерявшим связь со временем? Мы не только вынуждены мириться с естественным ходом времени — тьмой ночи и светом дня, теплом лета и холодом зимы, — но и подчиняем жизнь нами же придуманным условиям. Будильники, пейджеры, телефоны структурируют нашу жизнь. Но что если совершенно избавиться от их влияния?
Сифр решил послужить самому себе подопытной свинкой и составил план двухмесячного пребывания в пещере на глубине двухсот метров без каких-либо атрибутов обычной жизни. Он взял с собой провиант, раскладушку, фонарик, но — это очень важно — не взял часов. Он не взял вообще ничего, что могло бы напомнить о времени. Единственной связью с миром для Сифра стал телефон. Он звонил друзьям, чтобы сообщить, сколько времени бодрствовал и сколько спал. Идея была в том, чтобы на шестьдесят дней отключиться от нормального светового цикла и от часов, которые на этом цикле основаны.
Сифр вел подробнейшие записи. Он прилежно отмечал на календаре каждый прожитый день, указывая температуру своего тела, настроение и наличие либидо.
На тридцать седьмой день своего пребывания под землей, когда до конца эксперимента оставалось двадцать три дня, Сифр беседовал с коллегой, находившимся на поверхности. Тот спросил, за сколько дней до конца эксперимента Сифра следует предупредить.
— Дня за два, чтобы я успел собрать вещи, — ответил Сифр.
— Тогда начинай собираться.
Эксперимент кончился. Основываясь исключительно на внутренних часах, Сифр потерял двадцать три дня.
Что произошло? Ответ можно найти в дневниках экспериментатора. Он самым тщательным образом регистрировал время подъема и отхода ко сну, свои звонки друзьям. Однако у него не было часов и он не знал, сколько спал. То, что ему казалось десятиминутной дремотой, на самом деле было полноценным восьмичасовым сном.
Сифр совершенно перестал ориентироваться во времени. Он звонил друзьям, чтобы проверить, может ли он правильно установить длительность двух минут, просто считая до ста двадцати. Большинство людей способно приблизительно отмерить этот отрезок времени. У Сифра на этот счет уходило пять минут.
Когда исследователи проанализировали дневник Сифра, они пришли к важному заключению. Биологическая активность под землей подчинялась земным законам. Время бодрствования и сна по-прежнему суммарно составляло двадцать четыре часа. Ощущение ученым времени оказалось совершенно неверным, но его биологические часы остались в норме.
В следующие годы многие добровольцы подвергали себя подобной изоляции, а хитроумные приборы следили за их физиологической активностью, работой мозга и поведением. Некоторые добровольцы несколько недель или месяцев жили в помещениях без света или со строго контролируемой подачей света. Другие пытались выжить в экстремальных условиях. Один скульптор, например, собирался прожить в полной темноте несколько месяцев. Эксперимент пришлось прекратить через несколько дней, поскольку экспериментатор начал терять рассудок.
Из всех подобных опытов по ограничению возможностей восприятия следует интересный вывод. Многие из наших физиологических нужд (сон, питание, сексуальное влечение) имеют циклический характер, даже если мы живем в темной пещере или комнате либо в другом изолированном пространстве. Время идет не только в часах, но и в наших ощущениях и где-то очень глубоко внутри нас.
Начало научной карьеры американца Курта Пауля Рихтера трудно назвать успешным. После военной службы во время Первой мировой войны он устроился на работу в Университет им. Джона Хопкинса, чтобы изучать роль врожденных инстинктов в поведении животных. Он прибыл в Балтимор в 1919 году и начал работать под руководством одного маститого ученого, знаменитого исследованиями в этой области. Новый научный руководитель Рихтера повел себя необычно. Рихтера снабдили всем необходимым: ему выделили маленькую комнату для работы, выдали абонемент в библиотеку и кое-какие другие вещи, необходимые студенту. И оставили одного. Никаких собраний, никаких обязательных курсов либо семинаров, вообще никаких обязанностей. Со студентами здесь никто не нянчился: либо утонет, либо выплывет.
Спустя какое-то время научный руководитель вручил Рихтеру клетку с двенадцатью обычными крысами. Инструкции наставника были предельно краткими: «Сделай хорошую работу». Рихтер начал с того, что стал скармливать крысам хлеб и целыми днями наблюдал за ними. Как и всякий настоящий ученый, он записывал все до мелочей: когда крысы ели, чем именно они занимались… В один прекрасный день он сделал наблюдение, которое в корне изменило его карьеру и стало отправной точкой для целого направления научной мысли. Крысы то скакали по клетке, то успокаивались. У них совершенно определенно различалось время активности, время отдыха, время приема пищи. Рихтер начал игру. Сначала он оставлял на всю ночь свет в лаборатории. Затем стал на сутки выключать свет. Характер активности крыс не менялся. Крысы реагировали примерно так, как и «пещерный человек» Сифр.
Это простое наблюдение поставило перед Рихтером вопрос, на который он пытался ответить всю оставшуюся жизнь: что является основой врожденного суточного ритма? Как он контролируется?
Рихтер переключился на изучение слепых крыс. Эти животные, не различавшие свет и тьму, имели такой же суточный ритм сна, бодрствования и питания, как и зрячие. Рихтер решил, что в организме слепых крыс есть некий часовой механизм. Но где он?
Первыми кандидатами на роль «хранителя времени» стали железы, которые секретируют гормоны, регулирующие работу сердца, дыхание и другие функции организма. Рихтер давал крысам препараты, нарушавшие гормональный баланс, изменял их режим питания и даже удалял им гормональные железы. За несколько лет он провел более двухсот экспериментов и в каждом случае получал один и тот же результат. Вне зависимости от того, что он удалял и какой гормон блокировал, суточный ритм животных не менялся.
Затем Рихтер перешел к изучению головного мозга и нервов крыс. Он удалял участки мозга крыс и следил за результатом. В 1967 году, то есть спустя сорок пять лет после того, как научный руководитель выдал ему клетку с крысами, Рихтер удалил небольшой участок ткани в основании головного мозга. Изъятие этого небольшого (размером не больше рисового зернышка) фрагмента ткани полностью изменило поведение животных. Итак, внутренние часы крыс были спрятаны в крошечной группе клеток, расположенной непосредственно позади глаз.
Как группа клеток может следить за ходом времени? Ответ на этот вопрос нельзя было найти, удаляя отдельные участки тела. Он был получен с помощью другого научного подхода.
Часы повсюду
Генетические мутанты — это рабочие лошадки биологии. Шестипалые кошки, двухголовые змеи и сросшиеся телами козы — не просто диковинки. С их помощью мы можем понять основы строения и функционирования нормальных организмов. Гены мутантных организмов функционируют неправильно, но их научная ценность состоит в том, что они могут многое рассказать о работе нормальных генов.
Допустим, у нас имеется мутантное животное без глаз. Понятно, что между мутантным и нормальным животным существует некое генетическое различие. Чтобы выделить дефектный ген, нужно провести большую работу, но, скрещивая мутантных и нормальных животных, можно идентифицировать этот ген и даже выявить конкретное нарушение в последовательности ДНК. Знание последовательности — вот ключ к пониманию молекулярных механизмов, регулирующих формирование глаз. То же можно сказать практически о любом гене в организме.
Этот подход оказался настолько продуктивным, что многие лаборатории занялись прочесыванием популяций в поисках подходящих мутантов. Многие сделали научную карьеру и даже получили Нобелевскую премию благодаря классификации мутантов или просто благодаря находке «правильных» мутантов с дополнительными пальцами, выпученными глазами, необычными конечностями или сердцами. Награда может быть сколь угодно высока, но получение результата часто зависит от случая. Некоторые мутации обнаруживаются лишь у одной особи из ста тысяч. К сожалению, труднее всего работать с млекопитающими (которые как раз сильнее всего нас интересуют): они медленно развиваются и большую часть критического периода развития скрыты от наблюдения в чреве матери.
В частности поэтому в последние сто лет излюбленным объектом для изучения генов животных являются мухи. В отличие от млекопитающих или пресмыкающихся, мух можно добыть сколько угодно, поскольку они очень быстро воспроизводятся и развиваются. Наличие постоянного источника эмбрионов позволило ученым не только получить множество мутантов, но и описать их, классифицировать и запасти для других исследований.
Сеймур Бензер
Зачем ждать милости от природы, если можно сотворить мутанта? Процесс внесения мутаций в ДНК достаточно прост (по крайней мере в теории). Время воспроизводства мух — около недели. Если взять несколько дрозофил и обработать определенными химическими веществами или подвергнуть их облучению (это нарушает процесс копирования ДНК), то в следующем поколении мы получим множество мутантов (возможно, среди них будут нужные нам особи со странными конечностями, необычными глазами и так далее).
В конце 60-х годов лаборатория Сеймура Бензера в Калифорнийском технологическом институте являлась ведущим научным центром по изучению мутантов всех сортов. Студент Рональд Конопка решил использовать мутантов по-своему. В лаборатории Бензера занимались изучением поведения животных, и к тому времени, когда Конопка пришел в группу, в лаборатории уже были собраны мутанты с необычным брачным поведением и танцами.
Конопка намеревался использовать мутантов, чтобы изучить генетические основы биологических часов. Его идея шла вразрез с общепринятой точкой зрения. Тогда считалось, что биологические часы — это что-то вроде очень сложно устроенного секундомера.
Но Конопка оказался в нужном месте и в нужное время: Бензер был кровно заинтересован в выяснении принципа действия биологических часов. Он был типичной «совой» и засиживался в лаборатории до поздней ночи, тогда как его жена ложилась спать вскоре после ужина. Возможно, мутантные мухи смогут помочь супругам, встречающимся лишь за обеденным столом.
Конопка долго возился с дрозофилами. Личинки дрозофил выводятся из яиц, едят и наконец обзаводятся твердым внешним каркасом, из которого в итоге вылезает взрослая муха. Появление взрослых особей обычно приходится на раннее утро — самое холодное время суток. Так уж настроены мушиные внутренние часы: мухи, выведенные в искусственном цикле день/ночь, выводятся в конце ночного периода.
Примерно через двести циклов мутаций Конопка получил несколько особей, у которых временные рамки были смещены: некоторые вылуплялись слишком рано, другие слишком поздно, а третьи вообще в случайное время суток. Это было то, что нужно: изменение времени рождения практически наверняка было вызвано какими-то генетическими дефектами. Возможно, был испорчен часовой механизм дрозофилы.
В лаборатории мух каждого типа скрестили с такими же и вывели линии мутантных животных. С их помощью Конопка и Бензер начали исследование молекулярного механизма биоритмов.
Как и любой ген, ген Конопки производит белок, выполняющий в организме некую работу. Если ген известен, можно попытаться ответить на важный вопрос, где и когда функционирует кодируемый им белок. У нормальных дрозофил уровень синтеза этого белка достигает максимума в поздние ночные часы, а затем падает практически до нуля. Знание этой закономерности позволило ученым понять суть обнаруженных мутаций. У дрозофил, которые вылуплялись слишком рано, максимальный уровень синтеза данного белка тоже достигался слишком рано. У тех, что появлялись поздно, пик синтеза наблюдался слишком поздно. Сам белок у дрозофил с нарушенным суточным ритмом оказался испорченным. Снижение активности белка полностью соответствовало нарушению суточного ритма.
К этому времени ученые из других лабораторий тоже приступили к решению этой проблемы. С помощью новых методов генетики удалось выделить ДНК и обнаружить ряд других генов, задействованных в данной системе. С открытием каждого нового гена постепенно прояснялся механизм работы биологических часов дрозофилы.
Если заглянуть в «часовой механизм» организма, мы увидим внутриклеточный аналог маятника. В данном случае отсчет времени осуществляется благодаря последовательностям химических реакций, скорости которых определены физическими и химическими законами. В результате активации ДНК синтезируются взаимодействующие друг с другом белки. Они транспортируются в определенные клеточные отделы и выполняют различные задания, среди которых активация новой порции ДНК. Этот цикл постоянно возобновляется. Скорость раскачивания маятника определяется скоростью образования, превращения и транспорта белков, а также скоростью их взаимодействия с ДНК.
Мутантные дрозофилы позволили не только обнаружить гены, контролирующие биологический ритм у дрозофил, но и найти способ изучения часового механизма в организме человека.
Спустя примерно десять лет после открытия Конопки и Бензера студент Мартин Ральф занялся поиском генов, контролирующих биоритмы у млекопитающих. Ральф и его научный руководитель работали в Орегоне с сирийскими хомячками. Хомяки бегали в колесе, а ученые регистрировали их активность. В норме у хомяков есть периоды активности и отдыха, которые в сумме составляют двадцать четыре часа.
Каждый хомяк, поступавший в лабораторию, подвергался тестированию на колесе. Ральф надеялся, что однажды обнаружит животное с аномальным ритмом активности и отдыха. Он поставил на то, что среди еженедельно поступавших хомяков рано или поздно найдется мутантное животное.
Однажды Ральф получил новую партию животных, запустил их в клетку и начал наблюдать за их поведением на колесе. К его радости (и, несомненно, облегчению) цикл активности и отдыха одного из животных сильно отличался от обычного двадцатичетырехчасового цикла. Сутки для этого хомяка укладывались в двадцать два часа. Ральф скрестил этого хомяка с другими и в их потомстве также обнаружил особей с укороченным суточным циклом активности и отдыха. Нарушение суточного ритма было связано с мутацией гена.
Когда Ральф и другие стали изучать этот ген, они выяснили, что его действие в основном связано с небольшой группой клеток в ткани мозга. Мутация затрагивала клетки в участке, обнаруженном Рихтером. Ральф выиграл пари.
Картина еще более прояснилась в начале 90-х годов XX века, когда в клинику сна в Солт-Лейк-Сити обратилась пациентка со странной проблемой. Спала она по восемь часов, но в какое бы время она ни пыталась лечь спать, засыпала она всегда в 19.30, и это означало, что просыпалась она в 3.30. Ее часовой механизм работал, но со сдвигом. Когда пациент обращается в клинику, его обкладывают датчиками, которые во время сна регистрируют скорость дыхания и сердцебиения, температуру тела и другие параметры. Ничего необычного в состоянии пациентки обнаружено не было.
Однако женщина сообщила удивительный факт: среди ее родственников были люди с точно такой же странностью. Родственники, жившие в разных местах, тоже вставали очень рано. Кто-то из них в детстве спал нормально, но со временем перешел на этот странный режим. Постепенно ученые начали понимать, что дело не в том, где эти люди живут или что едят.
Было составлено генеалогическое древо, на котором отметили всех людей с нарушением и без нарушения сна. Картина прояснилась: это был классический пример проявления генетического признака, как в случае с мутантными дрозофилами.
Однако одно лишь изучение генеалогии не позволяет обнаружить дефект ДНК. Для выявления причины нарушения требуется взять немного клеток у всех членов семьи (обычно для этого берут мазок внутренней стороны щеки) и сравнить ДНК из клеток тех, кто встает рано, и тех, кто встает как все. Если генетическое различие между двумя группами людей существует, оно где-то в последовательности ДНК.
Сравнительный анализ ДНК выявил конкретную замену в конкретном гене. Гены и белки имеют характерные последовательности. Если известна последовательность и структура гена или белка, довольно легко найти его в других клетках. Именно так была обнаружена связь между ДНК рано просыпающихся людей, ДНК хомячков Мартина Ральфа и генами спозаранку вылуплявшихся дрозофил Конопки и Бензера. У каждого вида свои особенности белковых взаимодействий внутри часового механизма, но основные гены и принципы действия молекулярного маятника внутренних часов одни и те же. Мух, хомячков и людей объединяют общие детали внутреннего часового механизма, общие гены, общая история.
Общность часового механизма не только указывает на нашу связь с другими видами, но и позволяет выявить фундаментальные принципы устройства клеток человеческого тела. Внутри всех клеток (от клеток мозга, найденных Рихтером, до клеток печени или клеток кожи на кончике пальца) присутствует один и тот же генетический часовой механизм. Если вы страдаете нарушением сна, имеющим генетическую природу, врач может поставить диагноз по клеткам кожи, капле крови или мазку с внутренней стороны щеки. Каждая клетка существует в соответствии с суточным ритмом, отбиваемым молекулярными «часами» — столь же древними, как сами животные.
Как устанавливается ритм молекулярных «часов» в наших клетках, как они подстраиваются к смене дня и ночи? Дорожный будильник, который мы берем в путешествие, работает двадцать четыре часа в сутки, но он не способен самостоятельно определить, в какой часовой зоне находится, и ему требуется помощь. Так почему мы, люди, ощущаем изменение суточного ритма? Что подняло меня на ноги в два часа ночи тем летом в Арктике?
Наши внутренние часы связаны с внешним миром посредством нескольких «сигнальных систем», важнейшей из которых является восприятие света. Большая доля света, проникающего в глаз, передается в виде сигнала в определенные отделы головного мозга, интерпретирующие зрительную информацию. Однако некоторые сигналы поступают в другие отделы мозга, в частности, к клеткам, обнаруженным Рихтером. Отсюда сигнал передается к шишковидной железе размером с горошину, расположенной в основании головного мозга. Некоторые (в том числе великий французский философ Рене Декарт) считали шишковидную железу вместилищем души. У некоторых видов ящериц и рыб эта железа образует что-то вроде третьего глаза и непосредственно воспринимает световую информацию. А у человека это своеобразный коммуникационный узел, собирающий информацию. Выделяемый шишковидной железой мелатонин запускает реакции во всех отделах нашего тела.
Эта цепочка реакций подстраивает наше тело к смене дня и ночи. Именно этот путь настраивает внутренние часы так, что свет для нас означает день, а темнота — ночь. Когда мы попадаем в другую часовую зону, сигнальный путь настраивает организм на новый световой режим.
Что происходит, когда яркий солнечный свет попадает в глаза в середине дня? Обычно ничего, кроме обыкновенной настройки зрительного аппарата. Но если яркий солнечный свет попадает в глаза в сумерки, это может нарушить сон. Люди, работающие в сумерки при ярком свете, обычно устают позже, чем обычно. Верно и обратное: яркий солнечный свет на рассвете заставляет людей просыпаться и засыпать раньше обычного. Наш цикл сна и бодрствования изменяется, если мы находимся при свете тогда, когда наш мозг настроен на темноту. Современные люди находятся под воздействием искусственного освещения в любое время суток, и наши внутренние часы перестраиваются всякий раз, когда мы среди ночи читаем или разбираем электронную почту. Ритм современной жизни не совпадает с древними биологическими ритмами.
Наше здоровье в значительной степени связано с биологическими часами. Люди, работающие по ночам и спящие днем, больше подвержены сердечно-сосудистым заболеваниям и некоторым видам рака, в частности раку молочной железы. Ученые, работающие с мышами, установили, что механизм коррекции ошибок в ДНК клеток кожи мышей работает по часам и наиболее активен вечером. В ДНК, скопированной утром, содержится больше всего ошибок. Ультрафиолетовое излучение нарушает процесс копирования ДНК и способствует возникновению рака кожи. Таким образом, для мышей солнечные ванны по утрам опаснее вечерних. У людей тоже есть такие часы, но они настроены противоположным образом: наш аппарат коррекции ошибок в ДНК активнее всего утром. Таким образом, загорать утром менее опасно, чем вечером. Наш метаболизм тоже подчиняется биологическим часам. Известно даже, что склонность к ожирению может коррелировать с недостатком сна.
Функционирование организма подчиняется суточному ритму.
Учитывая связь функционирования ДНК и деления клеток с биологическими часами, не приходится удивляться, что некоторые лекарства эффективнее в определенное время суток — это обусловлено уровнем интенсивности света, воспринимаемого мозгом. Таким образом, на нашу предрасположенность к заболеваниям, как и на лечение, влияет катаклизм, произошедший на нашей планете более четырех с половиной миллиардов лет назад.
На кладбищах в южной части штата Индиана можно найти могилы европейцев, осваивавших эту территорию в конце XVIII века. То были смелые люди, о чьей непростой жизни повествуют надгробные плиты. Немногие преодолевали сорокалетний рубеж, и если судить по датам на памятниках, долгое время кладбища были весьма посещаемым местом. Природа распорядилась так, что для надгробных плит поселенцы нашли практически идеальный материал. Надписи, выбитые в начале XIX века на мелкозернистом, твердом камне, выглядят так, будто их выполнили вчера.
В могильных камнях отразилось изменение ритма приливов и отливов.
Мы привыкли изучать надписи на могильных плитах и практически не обращаем внимания на сами плиты, а ведь они тоже могут рассказать много интересного. Надгробные плиты на могилах первых европейских поселенцев Индианы имеют неровные боковые поверхности. Материал был добыт в карьере близ города Хиндостан. В этом месте можно увидеть, как формировались горные породы. Земля вращается вокруг своей оси, а Луна вращается вокруг Земли, и уровень воды то поднимается, то опускается. Сотни миллионов лет назад эта часть Индианы лежала на дне. Год за годом приливы и отливы образовывали слои отложений, и по следам на камнях можно проследить их годовую амплитуду. На краях могильных плит запечатлен ритм приливов и отливов, происходивших в те времена, когда Земля вращалась быстрее, а дни были короче, чем теперь. И люди, и планета оставили отметки на камнях. Так что и тела покойных, и камни на их могилах имеют общую историю, связанную с вращением и соударением небесных тел.
Глава 5
От малого к большому
Около 4,6 миллиарда лет назад юное Солнце вытолкнуло материю нашей будущей планеты на нынешнюю земную орбиту. Катаклизм, подаривший нам Луну, был далеко не единственным. Если судить по возрасту лунных кратеров и обнаруженных на Земле обломков метеоритов, такие столкновения происходили достаточно часто. Период относительного затишья наступил около 3,9 миллиарда лет назад.
Здесь кроется загадка, долгое время ставившая ученых в тупик. В самых верхних, молодых слоях горных пород содержатся окаменелости — раковины и кости, которые можно увидеть в любом музее естественной истории. А в более глубоких и древних слоях нет ни костей животных, ни спор растений — нет вообще никаких остатков жизни. И это лишенное признаков жизни основание гор — не тонкая прослойка, а многокилометровые слои. Вся история человечества, да и вообще вся история жизни на Земле, уместилась в тонком верхнем слое земной коры. Если историю планеты сжать в один календарный год, то можно сказать, что до середины ноября (около четырех миллиардов лет) Земля была необитаемой. Для Чарльза Дарвина это внезапное появление жизни было «необъяснимой загадкой». Ответ на эту загадку, а также объяснение происхождения современного мира пришли из совершенно неожиданного источника.
Сталелитейные заводы города Гэри в Индиане напоминают гигантские скелеты древних животных. В 50-х годах XX века эти заводы поддерживали автомобильное производство, активно развивавшееся на Среднем Западе. Америке нужно было железо, и Стэнли Тайлер, подобно многим геологам, изучал железосодержащие руды региона. Поскольку в этой местности железо обычно содержится в самых старых породах, в поисках руды геологи чаще всего обращали внимание на основания гор. Тайлеру было известно, что эти камни могут оказаться полезными для геологов, но неинтересны для палеонтологов.
В середине 50-х годов Тайлер изучал образцы, собранные им в глубокой шахте на севере Мичигана. Образцы камней, поднятые с разных глубин, были перевезены в лабораторию в Мэдисоне, штат Висконсин. Тайлер перемалывал каждый образец в порошок и наносил на предметное стекло микроскопа для изучения тонкой структуры минералов и зерен. Сидя за микроскопом, Тайлер занимался обычным делом, а именно описывал цвет, размер зерен и состав каждого образца, что составляет рутинную, но необходимую часть любого геологического исследования.
На одном из стекол Тайлер вдруг обнаружил нечто очень знакомое, но совершенно неуместное в данных образцах — уголь. Он знал, конечно, что уголь представляет собой остатки древних растений и что большая часть угля в то время была обнаружена в слоях горных пород не старше трехсот пятидесяти миллионов лет, когда на Земле активно развивалась растительность. Однако возраст горной породы из Мичигана был совсем другим: ей было почти два миллиарда лет!
Элсо Баргхорн
Тайлер передал образцы другим экспертам. В итоге они попали в руки Элсо С. Баргхорна — куратора отдела ранних растений в Гарвардском музее сравнительной зоологии. Изучив образцы под микроскопом, Баргхорн немедленно подтвердил догадку Тайлера: это были остатки самых ранних из известных на тот момент живых организмов — углеобразующих водорослей и других микроорганизмов.
Это открытие вызвало новые вопросы. Чем дольше Баргхорн разглядывал образцы Тайлера, тем больше древних видов он обнаруживал. В каждом образце было множество спор, филаментов и остатков тысяч одноклеточных животных. Основания гор нашей планеты вовсе не лишены признаков жизни: они буквально переполнены ими!
Теперь «необъяснимая загадка» состояла не в отсутствии жизни, а в невероятном многообразии живых организмов, прежде скрытых от наших глаз. Когда на планете появилась жизнь? Как выглядели первые живые существа? Поиск ответов на эти вопросы и попытки обнаружить другие древние организмы привели к возникновению нового раздела палеонтологии, занимающегося изучением микроскопических окаменелостей в горных породах, возраст которых составляет миллиарды лет.
Охота за столь древними окаменелостями связана с целым рядом трудностей. Горные породы такого типа с высокой вероятностью давно подверглись эрозии, изменились под действием внутреннего жара Земли и других факторов. Но допустим, что вы нашли породу нужного типа. На основании чего вы можете утверждать, что микроскопический пузырек или прожилка в образце — это остатки живых существ, а не вкрапления минерала? Поиск ранних форм жизни основан на привлечении разного рода доказательств — от формы и структуры образцов до их химического состава. Древние организмы не просто выглядят как одноклеточные существа, но и имеют химические следы метаболизма.
Тайлер, Баргхорн и их последователи нашли в камнях доказательства: возраст старейших из известных окаменелостей превышает 3,4 миллиарда лет. Жизнь возникла на ранних этапах развития нашей планеты и стала быстро распространяться в форме бактерий, водорослей и их родственников.
Несмотря на невероятное разнообразие, организмы, преобладавшие на планете в первые миллиарды лет, обладали общим признаком: все они имели микроскопические размеры и состояли всего из одной клетки. Некоторые из них склеивались, образуя колонии, однако ни один организм на Земле в первые три миллиарда лет ее существования не превышал по размеру зернышко риса. Крупным организмам еще только предстояло появиться.
Через увеличительное стекло
«Мертва!» — прокричал Томас Барбур, директор Гарвардского музея сравнительной зоологии, глядя на тельце лягушки в траве у своих ног. Над головой Барбура, на крыше пятиэтажного здания, стоял его коллега, профессор Филип Дж. Дарлингтон, с ведром. Он доставал из ведра лягушек и бросал вниз.
Когда очередная лягушка ударялась оземь и замирала, Барбур кивал. Наконец Дарлингтон спустился с пустым ведром и поинтересовался, как животные перенесли встречу с землей. Барбур кивнул на лягушачьи тушки: «Все мертвы».
Дарлингтон был исследователем старой закалки: в свободное от преподавания в Гарварде время он отправлялся в джунгли на поиски новых видов животных — особенно жуков. О его похождениях рассказывают легенды. Однажды его схватил крокодил и утащил на дно реки, но Дарлингтону удалось отбиться. Истерзанному ученому пришлось совершить дальний переход за помощью. В тот же день он написал жене, что «встретился с крокодилом».
В то время, в 30-х годах XX века, шли дебаты по поводу механизмов расселения животных по планете. Тогда еще не знали о движении литосферных плит. Существовали две основные точки зрения, объяснявшие распространение животных: либо раньше между материками имелись «мосты», что позволяло животным перебираться с одного места на другое, либо животные перемещались благодаря воде и ветру. Дарлингтон яростно отстаивал вторую гипотезу, а его начальник Томас Барбур склонялся к первой.
Эксперимент с лягушками (сейчас нам даже трудно себе такое представить) был проведен с целью проверки одной из гипотез. За кофе в послеобеденные часы в музее двое ученых поспорили и наконец заключили пари. Барбур утверждал, что животные не могли перемещаться с помощью ветра, поскольку при ударе о землю они погибают. Дарлингтон возражал, что ветер может переносить мелких животных на значительное расстояние. Решили проверить теорию экспериментально.
А что же с мертвыми лягушками? Через несколько минут они ожили. В траве прыгало множество лягушек. Дарлингтон доказал справедливость своей гипотезы.
Конечно, в том, что лягушки не разбились, нет ничего сверхъестественного. Это связано с размером животных. Более легкие животные при падении ускоряются медленнее, чем тяжелые, потому что сталкиваются с более сильным сопротивлением воздуха в расчете на массу. Описывая это явление, один из основателей эволюционной генетики Джон Бердон Сандерсон Холдейн заметил: «Можно сбросить мышь в шахту глубиной тысячу ярдов, и… оправившись от легкого шока, она убежит. Крыса погибнет, человек разобьется, а от лошади останется мокрое место».
Представьте себе, что вы хотите предсказать свойства некоего животного (сколь долго оно живет, как передвигается, какова форма его тела), которого вы никогда не видели. Для этого нужно учесть несколько параметров: способ питания, условия обитания, положение в пищевой цепи и так далее. Люди используют этот подход, занося в каталоги измеряемые параметры животных и анализируя данные с помощью ряда статистических инструментов (это позволяет выявить наиболее значимые параметры, определяющие видимые различия). Выясняется, что важнейшим предсказательным параметром является размер животного. Если вам известен размер животного, вы многое сможете сказать о его физиологии: частоте сердечных сокращений в покое (у мелких животных сердце бьется чаще), чувстве опасности (чем крупнее животное, тем меньше страха оно испытывает) и даже продолжительности жизни (крупные животные нередко живут дольше).
Буквально все проявления внешнего мира воспринимаются нами в соответствии с нашим размером, включая оценку размера как такового. Размер и форма зрачков, глазных яблок и хрусталиков определяют остроту зрения, так же как форма и структура различных элементов слухового аппарата определяют частоту воспринимаемого звука. Поскольку в прошлом мы были вынуждены спасаться от хищников и отыскивать добычу, человек похож на радиоприемник, настроенный на узкий диапазон длин волн: значительная часть окружающего мира остается скрытой от нас. Чтобы расширить восприятие, ограниченное нашей биологией, нужно научиться иначе воспринимать свой размер и самих себя.
Антони ван Левенгук (1632–1723) долгое время торговал тканями, и для определения качества товара ему были нужны увеличительные стекла. Очарованный свойствами стекла, он придумал новые линзы, увеличивавшие объекты гораздо сильнее тех, которыми пользовались коллеги. Он вновь и вновь изменял форму стекла и с каждым разом видел все более мелкие объекты, в итоге добившись двухсоткратного увеличения. Каждое новое стекло позволяло увидеть мир чуть иным.
Левенгук тщательно берег свой секрет изготовления линз. Несколько столетий считалось, что он добивался тонкости стекла полировкой. В 1957 году в журнале «Сайентифик американ» появилась статья о том, что для изготовления линз Левенгук нагревал стеклянные палочки и растягивал их в стороны, так что они разрывались в самом тонком месте. При повторном нагревании на обломанных концах палочек образовывались крошечные шарики. Левенгук отделял шарик от палочки и вставлял его в оправу, с помощью которой стеклышко и образец удерживались на нужном расстоянии. Такое изогнутое стекло обладало свойствами лупы.
Левенгук рассматривал через лупу абсолютно все. Как известно, однажды он исследовал под микроскопом зубной налет изо рта одного пожилого господина. В нем Левенгук обнаружил «невероятную компанию ловко плавающих анималькулей… Их было так много, что слюна казалась живой». Считается, что это одно из первых описаний бактерий. Левенгук рассматривал воду из пруда и обнаружил множество форм жизни (от водорослей до микробов), а позднее записал, что в человеческой сперме содержатся маленькие существа, похожие на головастиков.
Толпы любопытных набивались в кабинет Левенгука в Делфте, чтобы посмотреть на чудеса. Так люди впервые увидели незнакомый новый мир. На протяжении тысячелетий все человеческое знание концентрировалось вокруг мира, доступного нашему зрению, слуху и осязанию. Позволив нам выйти за пределы, ограниченные биологической наследственностью, Левенгук показал, что мы являемся одними из крупных созданий среди бесчисленного множества микроскопических существ.
Антони ван Левенгук и его микроскоп
Всего за несколько десятилетий до экспериментов Левенгука с микроскопом Галилео Галилей (1564–1642) занимался противоположной задачей: он шлифовал стекла для изготовления телескопа. Самый мощный телескоп того времени, эквивалент сегодняшнего бинокля, позволил Галилею изучить фазы Венеры, увидеть вращающиеся вокруг Юпитера спутники и обнаружить на небе гигантские туманности.
Левенгук пытался с помощью микроскопа разглядеть микроскопический мир. Галилей глядел на небо и видел гигантский мир с невероятно огромными планетами и невообразимыми расстояниями. Взглянув на мир глазами Левенгука, мы были неприятно поражены обилием микроскопической жизни вокруг и внутри нас, а взглянув глазами Галилея, обнаружили, что вокруг нас и над нами существует другой необъятный мир. Этим переосмыслением мы обязаны новому способу использования стекол.
В 1633 году, спустя двадцать лет после создания телескопа и описания вращения тел Солнечной системы, Галилей был обвинен в ереси и приговорен к пожизненному тюремному заключению. Ученому было уже семьдесят лет, и поэтому ему разрешили находиться под домашним арестом — сначала в Сиене, а потом в его собственном доме во Флоренции. Пять лет, будучи в заключении, Галилео писал труд по физике. Ему запретили печататься в Италии, поэтому голландский издатель Луис Эльзевир тайно вывез рукопись из страны.
Галилей и его рисунок: сопоставление костей слона и мыши.
Книга Галилея совершенно не похожа на современный научный текст: она представляет собой изложение беседы трех вымышленных персонажей, обсуждающих фундаментальные законы Вселенной. Их разговор передает красоту математики, описывающей окружающий нас мир. На второй день беседы эти трое начинают обсуждать законы, определяющие форму предметов. Что происходит с предметами по мере увеличения их размера? Чем мелкие предметы отличаются от крупных? Рассмотрим, говорят персонажи Галилея, деревья: невысокие могут иметь довольно тонкие стволы, но у высоких пропорции совсем иные. При одинаковых свойствах древесины, чтобы не гнуться и не ломаться, высокие деревья должны иметь пропорционально более толстые стволы, чем низкие деревья. Это простое соответствие между формой и размером распространяется на многие объекты вокруг. Посмотрите на литографию из книги Галилея. Бедро мыши и бедро слона во многих отношениях схожи: оба костяные, в обоих одинаковые суставы. Но бедренная кость слона пропорционально толще кости мыши. Как и в примере со стволами деревьев, более крупный размер требует новой формы. Этот закон справедлив для динозавров и для слонов, так же как для мостов и зданий. И, как определил Галилей, закон этот объясняется тем, что более крупным объектам приходится иметь дело с более значительной силой тяготения.
Галилей предположил, что силы гравитации, определяющие положение орбит небесных тел, влияют и на органы растений и животных. Тела притягиваются к Земле с силой, пропорциональной их массе. Более крупные создания притягиваются сильнее и поэтому вынуждены менять форму, чтобы поддерживать самих себя. Эта закономерность объясняет, кроме прочего, эксперимент Дарлингтона с лягушками. Легкие животные меньше ускоряются при падении, чем тяжелые. Сила земного притяжения играет в жизни таких крупных существ, как мы, чрезвычайно важную роль.
Но для существ, которых Левенгук разглядел под микроскопом, гравитация не так важна. Взгляните на муху или муравья на стене. Сила притяжения Земли, действующая на муху, ничтожна. Для мухи гораздо важнее силы взаимодействия между молекулами. Она удерживается на стене по той причине, что для легкого существа эти силы взаимодействия пропорционально гораздо более значительны, чем земное притяжение. А теперь представьте бегемота на стене: притяжение Земли намного превосходит силу взаимодействия поверхности его ног с поверхностью стены. Никакие молекулярные «липучки» не способны удержать на стене бегемота.
Мы сравнительно крупные существа и в будничной жизни редко задумываемся о межмолекулярном взаимодействии. Мы можем держаться на воде и чувствуем, что вода плотнее воздуха. Но если бы мы были маленькими существами, например, жуками длиной в четверть дюйма, то именно эти силы играли бы определяющую роль в нашей жизни: плавание в воде превратилось бы в плавание в желе. Поверхность воды приобрела бы совсем иное значение. При нашем нынешнем весе мы можем донырнуть до дна бассейна. А жук может буквально ходить по поверхности воды.
В 1968 году Фритс У. Вент опубликовал в журнале «Сайентифик американ» ставшую классической статью о значении размера человеческого тела. Он задался, казалось бы, абсурдным вопросом: может ли муравей начать рабочий день как человек? Заметьте, Вент не был чудаком. Он открыл важнейший растительный гормон, был членом Национальной академии наук США, работал в Калифорнийском технологическом институте, а позднее возглавлял ботанический сад в Миссури, да и вообще был одним из образованнейших людей своего времени. Очевидный ответ на вопрос Вента основан на множестве глубоких биологических принципов. Например, муравей не мог бы принять душ, поскольку капли воды для него сравнимы с пушечными ядрами. Он не мог бы выкурить утреннюю сигарету (статья была напечатана до сообщения Главного врача США о негативном влиянии курения на здоровье). Мельчайшая контролируемая частичка огня сопоставима с размером самого муравья. Прощание с женой и детками тоже выглядело бы по-другому. Способность слышать низкие тона — медленные вибрации воздуха — доступна лишь более крупным существам. Возможность выполнять работу тоже зависит от размера тела. Чтобы иметь мозг, пригодный для сложной умственной деятельности, планирования и памяти, существо должно обладать определенными размерами. Таким образом, из примера с муравьем становится ясно: многие из наших способностей — речь, использование орудий труда, конструирование машин, овладение огнем и так далее — возможны только благодаря тому, что наше тело имеет совершенно определенный размер. Наши возможности в значительной степени связаны с размером нашего тела.
Свыше миллиарда лет назад, когда наши предки перешли из микроскопического мира Левенгука в мир Галилея, они приобрели новые возможности. Они покинули мир, в котором правит межмолекулярное взаимодействие, и вошли в мир, в котором доминируют законы гравитации. Этот важнейший момент в нашем прошлом отразился в наших клетках, в камнях — и в том, как многие из нас умирают.
Воздух!
Отпечатки дисков, полос и ветвей на 600-миллионнолетних камнях кажутся малопримечательной группой окаменелостей, но это впечатление обманчиво. Это следы, оставленные настоящими революционерами: организмами совершенно нового типа, прежде невиданными. Это первые организмы, тело которых состояло не из одной, а из многих клеток.
«Изобретение» тел изменило нашу планету. Максимальный размер одноклеточного организма зависит от расстояния, на которое могут диффундировать молекулы, а оно определяется законами физики. Эти ограничения определяют способ питания, дыхания и воспроизводства организма. У маленьких животных транспорт кислорода может осуществляться просто за счет диффузии. При увеличении размера появляется необходимость в новых механизмах доставки питательных веществ и удаления отходов метаболизма. Как это делается? Более крупные животные имеют специализированные системы циркуляции крови, выведения отработанных веществ и снабжения тканей кислородом. Сердца, жабры и легкие нужны только крупным животным. Появление этих специализированных органов меняет правила игры. Все это сложное оборудование позволяет животным становиться еще больше и реализовывать многие новые возможности, недоступные муравью.
Окаменелые остатки многоклеточных животных появляются в ископаемой летописи довольно внезапно, но, судя по тем данным, которые можно получить из анализа генома современных организмов, переход от одноклеточных организмов к многоклеточным готовился длительное время. В первые два с половиной миллиарда лет существования наша планета была лишена крупных существ. Около миллиарда лет назад в морях начали появляться отдельные виды многоклеточных организмов, в том числе растения, грибы и животные. Появление тел произошло не по волшебству. Набор молекулярных инструментов — белков, жиров и других крупных молекул, позволяющих клеткам «склеиваться» и взаимодействовать — имеется не только у многоклеточных организмов. Варианты таких молекул встречаются и у маленьких одноклеточных существ, которые используют их для питания, перемещения и даже для передачи сигналов. Биологические механизмы, необходимые для «постройки» крупных существ, сформировались за миллиарды лет до того, как на планете появились сами эти существа.
Что же стимулировало этот процесс и позволило крупным существам воплотиться в реальной жизни? Ответ на этот вопрос опять-таки можно найти в горных породах, содержащих железо.
Невысокий, поджарый Престон Эрсель Клауд-младший (1912–1991) был одной из главных фигур в послевоенной палеонтологии. Окончив среднюю школу и имея тягу к путешествиям, он поступил на три года в ВМФ и стал чемпионом по боксу в легчайшем весе на Тихоокеанском флоте. Во время Великой депрессии он продолжил учебу и в итоге стал главным палеонтологом Геологической службы США. Он был чрезвычайно дотошным полевым исследователем и снискал уважение подчиненных. Проводя геологическое картирование, он нередко ползал по слоям горных пород, вглядываясь в них с расстояния в несколько сантиметров. Во время одного из таких походов в Техасе он в кустах можжевельника столкнулся буквально нос к носу с крупной гремучей змеей. Один из его коллег вспоминал: «Прес не из тех, кого легко напугать. После нескольких минут взаимного изучения змея уползла».
Престон Клауд
У Клауда был особый талант: на основании детального рассмотрения слоев породы он мог восстановить общую картину событий. В его глазах планета представляла собой одну большую систему, в которой история жизни и изменение климата, океанов и континентов складывались в единое целое.
И если поиски железа привели к обнаружению первых живых существ, то само железо позволило понять их связь с планетой. Богатые железом слои горных пород начали появляться на всех континентах около двух миллиардов лет назад. В Австралии, Северной Америке и в Африке они образуют одинаковые красно-коричневые слоистые отложения. Каждый, кто хоть однажды оставлял в гараже влажные инструменты, знает: этот цвет связан с химическими свойствами железа. Железо взаимодействует с кислородом воздуха, и в результате образуется красно-коричневая ржавчина.
В самых древних породах планеты такой ржавчины нет. Четыре с половиной миллиарда лет назад, когда Земля образовалась, она сама являлась единственным существенным источником атмосферных газов. При извержении вулканов выделялись разнообразные газы, но только не кислород. Нам легче дышалось бы на вершине нынешнего Эвереста, чем на той древней Земле. Полосы ржавчины в более молодых слоях означают, что в атмосфере появился кислород.
Содержание кислорода в атмосфере определяется равновесием между процессами, в которых он образуется, и процессами, в которых он потребляется. Если вы откроете кран, но не заткнете ванну пробкой, уровень воды в ванне будет определяться скоростью притока и оттока. Скорость поступления кислорода в древнюю атмосферу определялась характером жизнедеятельности организмов. Большинство одноклеточных существ, живших в среде с низким содержанием кислорода, имело одну особенность. Если судить по их современным родственникам, они использовали фотосинтез. Фотосинтезирующие организмы превращают энергию Солнца в ту форму энергии, которую они способны использовать. Кислород им для этого не нужен, но они его производят. Единственным источником кислорода на первозданной Земле был тот же источник, что и сегодня — фотосинтезирующие организмы. Сегодня к этой группе организмов относятся также различные микробы и растения, но миллиарды лет назад это были только сине-зеленые водоросли. Именно их мы видим в камнях, которые разглядывали под микроскопом Тайлер и Баргхорн. Древние водоросли очень похожи на современные: у них есть клеточная стенка, они формируют колонии (от маленьких сгустков до грибоподобных образований). Именно водоросли, сотни миллионов лет синтезировавшие кислород, позволили Земле начать дышать.
Содержание кислорода в воздухе определяется балансом сил, которые его производят (метаболизм водорослей) и которые его потребляют (реакции в горных породах, в воде и в атмосфере).
Водоросли были источником кислорода в древней атмосфере. А кто же был его потребителем? Некоторые молекулы в атмосфере могут связывать кислород, образуя новые соединения. Например, подводные вулканы выбрасывают газообразные продукты, образующиеся при плавлении минералов на океаническом дне. Эти газы связывают кислород, удаляя его из воздуха. Таким же свойством обладают и другие реакции между минералами, водой и воздухом. Одна из гипотез, объясняющих повышение содержания кислорода в атмосфере, заключается в том, что около двух миллиардов лет назад произошло серьезное географическое изменение, приведшее к уменьшению площади океанов и числа подводных вулканов, газообразные продукты деятельности которых связывают кислород. При наличии водорослей, производящих кислород, и исчезновении механизмов его потребления уровень кислорода постепенно повышался.
Клауд смог в единой теории соединить все наблюдения: и полосы железа, и водоросли, производящие кислород, и появление крупных существ. Его теория вытекает из самой структуры атома кислорода. Кислород охотится за электронами, поскольку на его внешней электронной оболочке недостает двух электронов. На этом основан механизм действия домашних «электростанций» наших клеток — митохондрий, а также аэробных бактерий. В некоторых реакциях метаболизма, таких как дыхание, используется каскад передачи электронов между молекулами, причем на каждой стадии переноса электрона энергия либо запасается в новой форме, либо высвобождается. Чем больше вокруг свободного кислорода, тем больше топлива доступно живым существам.
Клауд также знал, что большие существа тратят больше энергии. Для синтеза коллагена и других белков, из которых состоит значительная часть нашего тела, нужно много энергии. Рост тела и поддержание его функций требуют более эффективных механизмов превращения энергии.
Ответить на многие вопросы о связи уровня кислорода с жизнью животных помогли наблюдения, сделанные еще в 1919 году одним из основоположников физиологии Шеком Августом Стинбергом Крогом (1874–1949). Он изучал физические и химические законы, определяющие физиологию животных. Один такой закон он открыл, исследуя зависимость между свойствами воды и живущими в ней существами. Размер тела примитивных морских существ, не имеющих сложной системы циркуляции или пищеварения, зависит от количества кислорода в воде. В среде с низким содержанием кислорода невозможно вырасти большим. При повышении уровня кислорода в воде увеличивается и размер ее обитателей.
Престон Клауд понял, что повышение содержания кислорода и связанные с ним новые механизмы превращения энергии открыли новые возможности развития жизни. Именно с кислородом связано возникновение крупных существ: он явился движущей силой, которая позволила осуществить переход от микроскопических существ, живущих в мире межмолекулярного взаимодействия, к новым, крупным существам. Но кислород принес и новые опасности.
Любое изменение — это палка о двух концах. Химическая природа кислорода, которая объясняет его высокую эффективность в производстве энергии, может превратить его в яд. Кислород отбирает электроны у других атомов. При этом выделяется энергия и образуются новые соединения. Эти соединения способны разрушать клетки и повреждать ДНК. На этом свойстве кислорода построен ряд теорий старения и патологических процессов в организме. Когда вы принимаете антиоксиданты вроде витамина С, вы пытаетесь подавить негативное воздействие этих кислородсодержащих молекул.
Жизнь крупного существа в богатой кислородом среде сопряжена и с другими трудностями. В теле человека примерно два триллиона клеток и тридцать тысяч генов, которые функционируют как единое целое: все органы, ткани и гены работают слаженно, обеспечивая целостность организма. Равновесие между отдельными частями определяется прямым и опосредованным взаимодействием клеток. Когда мы здоровы, каждый орган тела «знает», что ему делать. Клетки делятся и гибнут, но его форма и размеры остаются прежними. Глаза у всех людей примерно одинаковой величины, как и большие пальцы рук и ног. Селезенка и печень тоже имеют строго определенный размер. Это равновесие необходимо для нормального функционирования многоклеточного организма.
Механизм сохранения этого равновесия стал понятен в ходе изучения необычных дрозофил. В одной из исследовательских лабораторий Университета им. Джона Хопкинса в колонии дрозофил были обнаружены особи с очень крупными глазами — в пять раз крупнее обычных. Генетики стали изучать гены этих мутантов. Они выделили ДНК соответствующего гена, изучили ее функции и выяснили, что она участвует в серии реакций, останавливающих клеточный рост. Ограничение роста клеток за счет снижения скорости их деления или активации клеточной смерти является неотъемлемым условием гармоничного развития тела.
Зная структуру гена дрозофилы, ученые из Университета им. Джона Хопкинса смогли обнаружить тот же ген у мыши и человека. Мало того, что вариант гена дрозофилы есть и у млекопитающих: его мутации тоже приводят к изменению размера органов. Ген работает примерно одинаково у дрозофил, мышей и людей, участвуя в цепи реакций, поддерживающих равновесие между частями тела. Например, мутация этого гена у мыши может привести к увеличению печени в пять раз по сравнению с нормой.
Однако мутации таких генов могут иметь и другие последствия: они способствуют развитию рака. Если клетки не перестают делиться или не погибают в назначенное время, они могут разрастаться и образовывать опухоли. Таким образом, гены, позволяющие нашему телу достигать больших размеров, способны причинить и вред.
Престон Клауд и его единомышленники увидели гармоническую связь нашей планеты и населяющих ее существ. Взаимодействие между Землей и ее обитателями привело к повышению концентрации кислорода в атмосфере. Кислород, в свою очередь, изменил мир, обеспечив существование крупных многоклеточных организмов. Жизнь изменяет Землю, Земля изменяет жизнь, и все мы, живущие на планете, несем на себе следы этих процессов.
Глава 6
Соединяем точки
Пятьсот тридцать миллионов лет назад Земля еще выглядела непривычно для нас. Даже дышать тогда было так же трудно, как сейчас взбираться на Эверест без кислородной маски. Самым подходящим для жизни местом была вода. В океане появились новые виды мягкотелых животных. Суша представляла собой бесплодную пустыню без почвы и каких-либо растений. Если бы вы отправились в путешествие по этой странной земле, то могли бы дойти от того места, где расположен Бостон, до Австралии, не увидев океана.
Современный мир образовался в результате изменения гор, воздуха, воды и живых существ. Но, как показывает история возникновения кислорода, эти элементы не существуют независимо друг от друга. История Земли — продукт взаимозависимой эволюции планеты и ее обитателей. Чтобы научиться видеть эти связи, следует начать с составления карт. Они показывают, где мы находимся, как выглядит мир и, если использовать их во временной развертке, позволяют обнаружить связи между океанами, горами и органами нашего тела.
Как знают все родители, дети склонны находить закономерности во всем. Возьмите карту мира, покажите ее семилетнему ребенку и попросите его описать то, что он видит: не называть различные регионы, а описать форму материков, островов и океанов. Почти наверняка ребенок обнаружит, что отдельные части суши подходят друг другу: например, очертания восточного берега Южной Америки и западного берега Африки почти совершенно совпадают.
Однако еще сорок лет назад подобные мысли воспринимались как ересь. В младшей школе у меня был учитель, который рассказывал ученикам о популярных в 60-х годах псевдонаучных идеях. Одна из идей заключалась в том, что египетские пирамиды, рисунки на плато Наска в Перу и статуи острова Пасхи были возведены пришельцами из космоса, регулярно навещавшими нашу планету. Лично я, как и многие другие школьники, находил эту идею занятной (в конце концов, об этом постоянно рассказывали по телевизору). Задача моего учителя заключалась в том, чтобы показать, что подобные идеи, какими бы забавными и привлекательными они ни казались, практически невозможно проверить и доказать. К таким же фантастическим идеям он отнес и гипотезу о движении континентов. Происходило это в 1972 году. К сожалению, мой учитель мало что знал о великой научной революции, начавшейся за сто двадцать лет до этого.
В 1856 году братья Уильям и Генри Бленфорды приехали в Индию для изучения месторождений в известном угольном бассейне возле города Талчер. (Кстати, уголь здесь добывают до сих пор.) Как и все геологи, Бленфорды не только изучали залежи угля, но и анализировали то, что находится над и под ними. Один из слоев оказался необычным: он состоял из крупных, неправильной формы валунов, некоторые из которых были размером с человека. Еще более странным было то, что при ближайшем рассмотрении на камнях этих обнаружились сколы и срезы. Если бы такие камни нашлись в Альпах или в Арктике, это означало бы, что их переместил ледник. Но здесь, под слоями угля, в экваториальной Индии?
Кроме того, оказалось, что слой валунов не заканчивался в Индии. Вскоре после открытия Бленфордов та же последовательность горных пород была обнаружена в Южной Африке: слой угля и слой сколотых камней. Означает ли это, что в отдаленном прошлом в Южной Африке и в Индии были ледники? Как сюда попал лед?
Эдуард Зюсс (1831–1914) родился в Лондоне. Позднее его семья переехала в Вену. Там Зюсс занялся геологией. Он успешно учился, стал профессором и членом городского совета Вены. На этом посту он использовал свои познания в геологии на пользу обществу — организовал строительство водопровода для подачи в город чистой воды с гор. Возможно, тем самым он спас от тифа множество людей, поскольку прежде вспышки заболевания случались здесь регулярно.
Свое мнение о важности изучения горных пород Зюсс высказал в 1903 году на международном конгрессе по геологии. Он так описывал работу геолога: «Камень, по которому ударяет его молоток, — ближайший кусочек планеты… История этого камня — отрывок истории планеты, а… сама история планеты — лишь очень малая часть истории огромного, удивительного и постоянно изменяющегося Космоса». Для Зюсса каждый камень, если его правильно рассматривать, может открыть окошко в огромный мир, простирающийся бесконечно далеко во времени и в пространстве.
Если придерживаться такой философии, то камни и окаменелости приобретают иной смысл. Примерно за десять лет до строительства водопровода Зюсс заинтересовался странным ископаемым растением, листья которого напоминают коровий язык. Это растение, названное глоссоптерисом (Glossopteris; от лат. «язык» и «папоротник»), представляло собой настоящую загадку.
Глоссоптерис
Как часто бывает, целое растение практически никогда не сохраняется в виде окаменелостей, поэтому о его внешнем виде приходится судить по отдельным фрагментам листьев, веток, корней и стволов. Это занятие напоминает составление трехмерного пазла из неполного набора фрагментов. Во времена Зюсса уже было понятно, что глоссоптерис — странное растение: у него была мягкая древесина, что делало его похожим на хвойное растение или папоротник, и при этом он обладал органами с семенами. Если судить по отдельным фрагментам, глоссоптерис мог достигать тридцатиметровой высоты и имел заостренную форму, почти как новогодняя елка.
Зюсс обратил внимание, что странность этого растения заключается не в строении листьев, а в том, в каких камнях оно встречается. Горные породы, содержащие отпечатки глоссоптериса, были обнаружены во многих местах в Южной Афри
ке и Индии, а также в Австралии и Южной Америке. Для Зюсса
это означало следующее: в отдаленном прошлом, пока океан
не поднялся, эти континенты были единым целым.
С глоссоптерисом связано как открытие, так и трагедия. В 1912 году Роберт Ф. Скотт с четырьмя спутниками предпринял попытку добраться до Южного полюса, но, придя туда, обнаружил, что норвежская экспедиция Руаля Амундсена на несколько месяцев опередила его. Фотографии передают состояние людей. Они ослаблены долгим переходом, а на их лицах отражаются усталость и разочарование — они сняты на фоне флага и палаток, установленных норвежской экспедицией. В дневниках Скотта описаны трудности обратного пути: им приходилось тянуть тяжелые сани. Они теряли последние силы, пытаясь дотащить тяжелый груз. Роберт Скотт, Генри Бауэрс и Эдвард Уилсон умерли в своей палатке в марте 1912 года. Их тела были найдены через восемь месяцев, когда кончилась зима. Рядом с телами лежал груз камней и окаменелостей весом пятнадцать килограммов. Когда эти образцы были доставлены в Британский музей, важность находки подтвердилась. В сотне миль от Южного полюса, в основании ледника Бирдмора экспедиция обнаружила глоссоптерис. Зюсс не знал об этом, но этот факт означает, что Антарктида тоже была частью большого южного континента.
Беспокойным немецким метеорологом Альфредом Л. Вегенером двигали две страсти: он желал изучить погоду над ледниковым щитом Гренландии и географию Земли. Он начал карьеру в 1911 году в составе одной из первых научных экспедиций в Гренландии[3], во время которой пересек пешком весь ледник.
Там же, на острове, он и погиб в 1930 году, спеша на помощь коллегам.
Альфред Вегенер в своей стихии
Вегенер предположил, что континенты когда-то были объединены в гигантский суперконтинент. После он раскололся, и континенты разошлись, образовав океаны и береговые линии, которые мы видим сегодня. Первая трещина, очевидно, прошла между северной и южной частями суперконтинента. Южная часть включала нынешние Африку, Южную Америку, Австралию, Индию и Антарктиду.
Это предположение позволило ответить на многие вопросы. Чем объяснить сходство растительности южных континентов?
Тем, что раньше они были частью единого целого. Откуда взялись ледники в экваториальной Индии? Индия не всегда была на экваторе: со временем она переместилась со своего прежнего места, которое находилось ближе к полюсу. Почему береговые очертания материков так подходят друг к другу? Потому что миллионы лет назад они были одним континентом.
Какова же была реакция на эту грандиозную объединяющую идею Вегенера? Геологи, работавшие на южных континентах и в Европе, знакомые с распределением глоссоптериса и сходством геологических структур Африки, Индии и Южной Америки, отнеслись к гипотезе Вегенера благосклонно. Североамериканцы смотрели на этот вопрос совершенно иначе. Один из моих предшественников в Чикагском университете в 1920 году так прокомментировал состояние дел: «Гипотеза Вегенера в целом весьма смела — в том смысле, что она достаточно вольно обращается с нашей планетой и в гораздо меньшей степени связана ограничениями и неудобными фактами, чем альтернативные теории».
Критики Вегенера признавали, что береговые линии континентов складываются, как фрагменты пазла, но считали это сходство скорее случайным. Они не представляли себе, какая сила могла бы привести в движение континенты. Могли ли континенты бороздить океаническую кору, подобно ледоколу, продирающемуся сквозь ледовые поля? Никакие научные данные не могли этого подтвердить. Все, что было известно о структуре океанического дна, скорее говорило об обратном: дно океана казалось одним из самых спокойных и невыразительных мест на планете.
Конечно, большая часть планеты в начале XX века все еще оставалась неизученной. Примерно 70 % поверхности Земли скрыто океаном, и во времена Вегенера мы больше знали об обращенной к нам стороне Луны, чем о поверхности Земли.
На больших глубинах
День 7 декабря 1941 года, когда японцы напали на Перл-Харбор, стал поворотным моментом в изучении устройства нашей планеты. Молодой геолог из Принстона Гарри Гесс был призван на военную службу. Он был моряком и поэтому 8 декабря прибыл в Нью-Йорк для прохождения службы на флоте. В штабе на Черчстрит его спросили, знает ли он что-нибудь о широте и долготе. Те, кто принимал его на службу, не подозревали, что за годы до этого Гесс участвовал в экспедициях, занимавшихся составлением карт океанического дна. По-видимому, ответ Гесса всех удовлетворил, поскольку его назначили старшим помощником капитана судна «Кейп Джонсон» — грузового корабля, в военное время перевозившего войска. Корабль отправился на юг Тихого океана и участвовал в битвах за Гуам и Иводзиму. Геолог Гесс все это время не забывал и о другой задаче, которую он сам поставил перед собой.
На борту было устройство, называемое эхолотом: простой радар, измеряющий глубину океана. Теперь существуют портативные версии таких приборов (например, рыбацкий эхолот), но во время войны это был прибор размером с небольшой холодильник, который был прицеплен позади корабля. Гесс нашел хороший способ заниматься наукой на войне: он просто оставлял эхолот работать, пока «Кейп Джонсон» занимался своими военными делами.
Это недорого обошлось дядюшке Сэму, зато оказало серьезное влияние на Гесса. На дне океана он обнаружил несколько невысоких гор с плоским верхом. Эти подводные плато сослужили науке службу через пятнадцать лет после войны, когда Гесс узнал о работе другого человека, жизнь которого также изменилась после Перл-Харбора.
В конце 30-х годов Мэри Тарп поступила в Университет Огайо в городе Атенс. Она не собиралась становиться геологом.
Гарри Гесс
Ее влекла обычная женская карьера медсестры или учительницы. Но ничего не получилось. Она боялась вида крови и поэтому оставила курсы медсестер, чтобы заняться преподаванием. Но и эта работа не слишком ее привлекала. Ее час пробил после 7 декабря, когда миллионы мужчин покинули свои рабочие места и ушли на войну. Геологический факультет Мичиганского университета нарушил давно сложившуюся традицию и стал приглашать на учебу девушек. Геология показалась Мэри ничем не хуже других наук, и она начала изучать Землю.
В конце 40-х годов, получив ученую степень, Мэри Тарп отправилась в Нью-Йорк на поиски работы. Ее первое место службы — в отделе палеонтологии Американского музея естественной истории — не обещало ничего заманчивого. Когда она поинтересовалась возможностью стать препаратором, готовящим образцы окаменелостей для анализа и демонстрации, ей сообщили, что на поиски и извлечение окаменелостей в горных породах уходит до двух лет. Позднее Тарп рассказывала, что «не могла себе представить, что можно столько времени тратить на подобные вещи». Палеонтология проиграла, но геология выиграла: Тарп отправилась в Колумбийский университет на встречу с руководителем главной геологической группы университета Морисом Эвингом по прозвищу Док.
Могучий техасец Док Эвинг был главным специалистом по составлению морских карт. Кончилась Вторая мировая война, и началась война холодная. Одно осталось без изменений: подводным лодкам необходимо было знать структуру морского дна. Служба военно-морских исследований организовывала экспедиции для изучения глубины и структуры морского дна по всему миру. Круглый год Эвинг отправлял экспедиции для сбора образцов, определения глубин и поиска другой информации. К нему стекалось такое количество данных, что ему нужен был человек, способный их регистрировать и наносить на карту. Тарп наняли первой. Позднее Эвинг взял на работу уроженца Айовы Брюса Хейзена, который стал ее руководителем. Хейзен быстро поднялся по служебной лестнице и получил место профессора Колумбийского университета, а Тарп осталась его ассистенткой.
Это были напряженные годы для геологов. Каждый месяц корабли Эвинга возвращались из неизведанных регионов с большим количеством данных. В центре всей работы были Тарп и Хейзен, структурировавшие информацию. Оба очень много работали и стали очень близки, хотя никто никогда так и не понял сущности их отношений. Хейзен был женат, но часто принимал студентов и коллег в доме Тарп, находившемся недалеко от лаборатории. Иногда они страшно ссорились, и Хейзен швырял рисунки Тарп в корзину для бумаг или извергал ругательства, нарушавшие обычную тишину коридоров. А иногда они выступали единой командой, защищая друг друга в отвратительных политических играх, которые шли в лаборатории. Их отношения были очень близкими, эмоциональными, но исключительно платоническими.
Брюс Хейзен и Мэри Тарп
Однажды, после бесчисленных часов изучения доставленной кораблями информации о морских глубинах, Тарп обнаружила линейную гряду гор высотой больше километра, расположенную на дне Атлантического океана. Признаки существования таких горных хребтов появлялись и прежде, теперь же она проследила их по океаническому дну на протяжении шестидесяти тысяч километров. Такие хребты проходили, как выяснилось, буквально через все океаны планеты. Тарп заинтересовалась структурой этих гор. Вдоль вершины каждого хребта она обнаружила громадную долину — желоб, делящий хребет пополам. И стенки с двух сторон этой долины в точности соответствовали друг другу. Тарп почувствовала, что это означает: Земля раскрывалась по этому хребту, раздвигаясь на дне океана. Для нее это с очевидностью означало, что морское дно расширяется.
Хейзену не понравилось открытие Тарп, и он назвал ее идею «бабьим трепом». Тем не менее он, как и Тарп, осознал значение открытия. По его мнению, расселина Тарп в центре морского дна «выглядела слишком похоже на дрейф континентов». Если океан расширяется в центре и континенты раздвигаются, то, выходит, Вегенер был прав. Хейзен не мог с этим согласиться.
Однако факт оставался фактом: чем больше данных Тарп наносила на карту, тем очевиднее вырисовывался рифт. Хейзен сдался под напором новых данных, поступивших в последующие месяцы. Он не только поддержал идею Тарп, но и выдвинул амбициозный план построения карты всего океанического дня.
Примерно в это время Американская телефонная и телеграфная компания озаботилась проблемой недолговечности трансатлантических кабелей. Компания заключила контракт с лабораторией Эвинга, чтобы проанализировать ситуацию. Нанося на карту зоны сейсмической активности, Хейзен, Тарп и другие обнаружили странную закономерность. Землетрясения происходят вдоль определенной линии в океане. И не где-нибудь, а именно в середине рифтов, обнаруженных Тарп.
«Бабий треп» стал темой собрания экспертов, которое Хейзен проводил в 1957 году на геологическом факультете Принстонского университета. Среди слушателей был Гарри Гесс, теперь уже декан этого факультета. Выслушав доклад Хейзена о расщелинах Тарп и связанных с ними землетрясениях, Гесс поднялся и произнес: «Молодой человек, вы поколебали основы геологии».
Океанические горные хребты на карте Тарп и Хейзена
Гессу не мог не понравиться доклад Хейзена, поскольку сам он во время Второй мировой войны отмечал на карте подводные горы и они очень напоминали хребет, обнаруженный Тарп. Вблизи гребня горы были высокими, а по мере удаления эродировали. По мнению Гесса это означало, что горы, расположенные ближе к гребню, моложе, а те, что дальше — старше. Вместе с данными о расщеплении Земли вдоль хребтов это могло означать только то, что вдоль хребта образовывалась новая поверхность морского дна и что дно моря действительно расширялось.
Работа геологов в то время была делом трудным. Один двухметровый голландец, составляя карты морских глубин, провел в подводной лодке, скрючившись, несколько недель.
Британские, канадские, французские, голландские и японские ученые месяцами не покидали корабль, зарисовывая береговую линию, отмечая океанические горные хребты и впадины. Изо всех точек Земли начали поступать новые данные. Стало проясняться и значение глубоководных желобов: они тоже являются местом тектонической активности, достаточно часто сопровождающейся выходом вулканической магмы на поверхность.
Сообщение Хейзена подвигло Гесса на теорию, объясняющую полученные наблюдения. Если вдоль подводных хребтов образуется новое океаническое дно, то в каких-то других местах оно должно исчезать, иначе поверхность Земли расширялась бы бесконечно. Гесс пришел к выводу, что объяснение кроется в характере распределения землетрясений и других физических особенностях глубоководных желобов. Он предположил, что новая поверхность морского дна появляется вдоль горных хребтов, распространяется в стороны, а затем погружается в котловины и там разрушается. Таким образом, морское дно представляет собой гигантский ленточный конвейер.
Гесс изложил свою идею в виде рукописи, которая циркулировала среди его коллег, но два года он не решался ее публиковать. Свою идею он назвал «упражнением в геопоэзии», что одновременно снимало обвинение в спекулятивности и подчеркивало красоту идеи. На самом деле отдельные элементы этой теории, как это часто бывает в науке, были сформулированы раньше другими людьми. Еще в 1929 году блестящий британский геолог Артур Холмс выдвинул аналогичную идею о рециркуляции, основываясь лишь на теоретических размышлениях. А Холмса (который, кстати, был одним из создателей современных методов датирования горных пород) на эту мысль навел Вегенер.
Геопоэзия и кругооборот океанической коры
Для подтверждения или опровержения геопоэзии не хватало информации о возрасте морского дна. Одних только эродировавших гор и разломов было недостаточно, чтобы положить конец вековому скептицизму. Гесс представил свою теорию в Кембридже в начале 60-х годов XX века. На докладе присутствовал студент Фредерик Вайн. Вайн и его научный руководитель Драммонд Мэтьюз, заинтересовавшиеся соображениями Гесса, стали искать какой-либо индикатор возраста пород на дне океана, чтобы сравнить возраст дна с двух сторон от котловины, обнаруженной Тарп. Используя имевшиеся у них данные, они придумали остроумный способ определения возраста. Если океаническое дно двигалось как лента конвейера, то самое молодое дно должно располагаться вблизи гребня, а с удалением от него возраст дна должен увеличиваться.
Кроме того, на одинаковом расстоянии по обе стороны гребня возраст пород должен быть одинаковым. В качестве маркера возраста Вайн и Мэтьюз использовали характер намагниченности пород океанического дна. Обнаруженная ими картина в точности соответствовала предсказанию: молодое дно располагается вблизи гребня, а старое — на большем удалении, причем это возрастное распределение одинаково по обе стороны хребта. Итак, морское дно расширяется, как и предполагал Гесс, а до него — Холмс.
Пока Вайн и Мэтьюз готовили свои результаты к публикации, Лоуренс Морли из Канадской геологической службы собирал собственные данные. Он представил статью для публикации в августовский номер журнала «Нейчур», но ее не приняли. Тогда он отправил статью в специализированный «Джорнал оф геофизикал ресерч». Дело было в 1963 году. Через несколько месяцев пришел ответ с отзывом анонимного рецензента: «Я обнаружил статью Морли, когда вернулся из экспедиции. Его идея кажется мне интересной, но она больше подходит для обсуждения за коктейлем, чем для публикации в ‘Джорнал оф геофизикал ресерч’». Эта отсрочка дорого стоила Морли: вскоре после того как он получил отрицательный отзыв, вышла статья Вайна и Мэтьюза.
Вайн и Мэтьюз не измеряли возраст дна напрямую; их метод был совсем новым и требовал доработки, лишь после этого можно было рассчитывать на широкое признание теории Гесса. Подтверждение пришло только через несколько лет — как результат совместных исследований, проведенных учеными из Колумбийского университета, Стэнфорда и Института Скриппса в Калифорнии. Масса новых данных, новые теории и старые идеи Вегенера позволили журналу «Тайм» в 1970 году напечатать статью с красноречивым заголовком: «Геопоэзия становится геофактом».
Для профессоров Гесса и Хейзена этот переворот в мышлении означал славу и академические почести. Но старая вражда не угасла. Из-за ссор с Эвингом, главным образом вокруг идеи континентального дрейфа, Хейзен и Тарп стали в Колумбийском университете персонами нон грата. Хейзен являлся профессором, и его нельзя было уволить, но это не остановило Эвинга: он отстранил Хейзена от заведования кафедрой, срезал замок на двери его кабинета, выбросил вещи в коридор и отдал кабинет другому. Не поздоровилось и Тарп. У нее не было своего кабинета, так что научную карьеру она закончила, работая у себя дома в Нью-Йорке. О своем отношении к людям и к науке того времени Мэри Тарп высказалась спустя двадцать лет после смерти Хейзена, выступая в Колумбийском университете: «Всю свою жизнь в науке я проработала на заднем плане, но совершенно об этом не жалею. Мне повезло, что я нашла такое интересное дело. Обнаружить в океане рифтовую долину и горный хребет, который тянется по всему миру на шестьдесят тысяч километров, — это ведь важно. Такое случается лишь однажды. Ничего более крупного невозможно найти, по крайней мере на этой планете».
И треснул мир
Если идея Вегенера о континентальном дрейфе касается постепенного перемещения, а геопоэзия Гесса вскрывает тонкие взаимосвязи между отдельными частями Земли, то соединение этих двух идей — тектоника — заключает в себе идею, которая переворачивает основы нашего мировоззрения. В 60-х годах XX века произошли революции в музыке и в политике, но, вероятно, самым заметным изменением было зарождение нового восприятия нашей собственной планеты. Непонятные прежде камни и окаменелости приобрели важный смысл. Ученые с воодушевлением пересматривали устоявшиеся догмы, и одним из первых в этом революционном процессе был канадский геолог Джон Тузо Уилсон. Физик по образованию, он отличался такими личными качествами, которые сильно помогали ему в работе. Позднее он так сформулировал свое кредо: «Я получаю и всегда получал удовольствие, нарушая покой ученых».
В конце XIX века палеонтологам было известно, что в Северной Америке и в Европе существуют характерные горные хребты, пролегающие с севера на юг. В США это Аппалачи, протянувшиеся от штата Мэн до штата Северная Каролина, а в Европе и Африке — каледониды от Шотландии до Марокко. В одном месте на севере Шотландии были обнаружены окаменелости, характерные для Аппалачей, а в некоторых местах в Аппалачах — окаменелости европейского типа. Как живые существа попали из одного места в другое? Можно предположить, что они преодолели это расстояние вплавь, однако большинство этих ископаемых существ жило, прикрепившись к камням на дне, и не могло передвигаться так далеко.
По мнению Уилсона, вооруженного новой теорией, события развивались так, как в игре ребенка с бутербродами с маслом и джемом. Что произойдет, если бутерброд с маслом и бутерброд с джемом сначала сложить, а потом разъединить? Когда бутерброды соединяются, джем и масло слипаются, а когда расходятся, то на масле остаются кусочки джема, а на джеме — кусочки масла.
С точки зрения Уилсона, с Европой, Северной Америкой и Атлантическим океаном произошло примерно то же. Сначала, сотни миллионов лет назад, континенты были разделены океаном. Затем океан закрылся, континенты столкнулись, и образовалась горная гряда. Когда континенты разъединились вновь, эта горная гряда распалась на две части, которые сегодня представляют собой Аппалачи и каледониды. А американские окаменелости в Европе? Это просто фрагменты старого континента, оставшиеся здесь с тех пор, как открылся Атлантический океан.
Джон Т. Уилсон, запечатленный в тот редкий момент, когда он не нарушает покой ученых.
Уилсон, как и многие его последователи, считает, что устройство земного шара, которое мы изучаем на уроках географии, сродни моментальному фотоснимку: в прошлом было великое множество других вариантов, и столько же образуется в будущем. Земная кора состоит из нескольких плит, каждая из которых несет океан, континент — или и то, и другое. Эти плиты перемещаются относительно друг друга по мере того, как конвекция под корой вызывает расширение океанического дна посередине хребтов, обнаруженных Тарп, и его разрушение в глубоководных желобах.
В 1984 году, спустя более полувека после гибели Вегенера, НАСА осуществила первое прямое измерение континентального дрейфа. По всему миру были установлены около двадцати станций, направляющих лазерный луч к спутнику, снабженному отражателями. Расположенный рядом с лазером телескоп собирал отраженный спутником свет. Измеряя время, необходимое лазерному лучу для прохождения от каждой станции к спутнику и обратно, удалось определить расстояние до спутника. Если плиты движутся, расстояние до спутника со временем должно меняться. Так сотрудники НАСА показали, что Северная Америка и Европа удаляются друг от друга со скоростью полтора сантиметра в год. А Австралия приближается к Гавайям со скоростью семь сантиметров в год. Земные плиты движутся приблизительно с такой же скоростью, с какой на нашей голове растут волосы.
За срок жизни человека плиты смещаются незначительно, но в геологическом масштабе это может приводить к чрезвычайным последствиям. В этом танце тектонических плит можно выделить несколько основных элементов. Плиты могут смещаться одна относительно другой. Если они трутся друг о друга, то происходят землетрясения, как в разломе Сан-Андреас в Калифорнии. Некоторые плиты врезаются друг в друга. Если это происходит с континентами, то в результате столкновений образуются новые горные хребты. Тибетское нагорье возникло около сорока миллионов лет назад, когда Индия начала врезаться в Азию. Но плиты могут и расходиться. Если по какой-либо причине конвекционные потоки поднимаются под океаническим дном, возникают рифты и хребты, подобные тем, что обнаружили Хейзен и Тарп. Если такое движение происходит под сушей, то суша может расколоться.
Соединяем по точкам горы и разломы в Северной Америке и в Африке. Заштрихованные области соответствуют породам с одинаковыми характеристиками.
Движение тектонических плит объясняет очень многое. Фариш и его группа попали в Гренландию, как мы видели в главе 1, из-за сходства местных горных пород с породами Коннектикута и Канады. Многочисленные трещины, озерные отложения и песчаники указывают на то, что двести миллионов лет назад в восточной части Северной Америки произошло важное событие: образовался рифтовый разлом. Сходными характеристиками обладают горные породы на противоположной стороне Атлантического океана, в Марокко и в Европе. Характер горных пород и окаменелостей позволяет соединить эти точки: когда-то восточная часть Северной Америки, Гренландия и Марокко составляли единый континент, который раскололся на части в процессе открытия Атлантического океана двести миллионов лет назад.
Карты и рифты, однако, позволяют найти гораздо более глубокие связи, нежели связи между точками на глобусе.
Внутренняя карта
В 1967 году техасская судостроительная компания «Левингстон» начала строительство судна «Гломар Челленджер», которое выглядело, как любое другое судно, за исключением того, что в центре его возвышалась буровая установка высотой около двадцати метров. В следующие пятнадцать лет «Гломар Челленджер» бороздил моря и бурил дно. За время его эксплуатации было сделано более шестисот скважин. Буровая установка позволяла поднимать керны породы с глубины до шестисот метров под поверхностью дна. Каждый керн поднимали на поверхность в виде пятидесяти или более десятиметровых сегментов камня и морских осадков, по виду напоминавших серо-коричневый флагшток. Всего было поднято почти двадцать тысяч кернов. Настоящее сокровище для ученых: по этим образцам можно узнать возраст, историю и состав морского дна. Сегодня эти образцы все еще лежат в хранилищах по всему миру, и ученые продолжают их изучать, хотя сам «Гломар Челленджер» давно пошел на слом.
Внутри этих образцов — слои минералов, состоящие из различных атомов, которые позволяют изучить состав атмосферы, температуру и многие геологические процессы на планете за последние двести миллионов лет. Особенно важны для нас те атомы, которые могут рассказать о содержании кислорода в атмосфере. Главное то, что концентрацию кислорода в атмосфере можно приблизительно оценить по содержанию различных форм углерода. На нашей планете углерод и кислород существуют в равновесии: углерод, выбрасываемый вулканами и поглощаемый живыми организмами и минералами, взаимодействует с кислородом и влияет на его уровень в воде и в воздухе. Измеряя содержание разных форм углерода в каждом слое осадка в керне, можно определить содержание кислорода на планете в некоторую эпоху.
Образцы, которые «Гломар Челленджер» поднял на поверхность, рассказывают о двух разных мирах: один существовал до того, как двести миллионов лет назад начал раскрываться Атлантический океан, а другой возник после. Начиная со времен образования Атлантического океана, содержание кислорода в атмосфере выросло чрезвычайно сильно, так что около сорока миллионов лет назад кислорода в воздухе стало столько, что мы уже могли бы не просто кое-как дышать, но и жить так, как сегодня.
Рифт, начавший раскрываться свыше двухсот миллионов лет назад и расщепивший суперконтинент, создал чрезвычайно протяженную береговую линию. И, как знает каждый обитатель прибрежной зоны, такие области сильно подвержены эрозии. Усиление эрозии запускает цепную реакцию. Представьте себе совершенно новые берега, поставляющие морю осадочные породы. Осадочные породы стали засыпать придонный ил. Он играет в круговороте веществ очень важную роль: каждый день триллионы одноклеточных организмов умирают и опускаются на дно, а при их разложении расходуется кислород. Если этот ил не трогать, он потребляет огромное количество кислорода из воды и, в итоге, из атмосферы. Но когда весь ил оказывается засыпанным осадочными породами, кислород уже не расходуется так быстро. Он сохраняется и в воде, и в атмосфере. Именно к этому и привело появление рифта и новой береговой линии: к повышению уровня кислорода в воздухе за счет погребения потребляющего кислород ила.
Раскрытие рифтов и цепная реакция, приведшая к повышению уровня кислорода в атмосфере, дали нашим предкам шанс преуспеть.
С этого момента на Земле возник новый мир — мир с высоким уровнем кислорода в атмосфере. А с появлением кислорода открылся целый ряд новых возможностей.
Млекопитающие, в том числе люди, тратят чрезвычайно много энергии. Мы сами обеспечиваем себя теплом. Работа наших мышц, а также защитный слой волос, жира и (в нашем случае) одежды поддерживают температуру тела на постоянном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды. Холоднокровные существа, такие как ящерицы, тоже умеют регулировать температуру своего тела, но для этого они, например, греются на камнях или прячутся в нору. На холоде ящерицы неактивны. Во время экспедиций на север не приходится опасаться змей: главную опасность здесь представляют белые медведи. Млекопитающие могут вести активный образ жизни в таких условиях, при которых холоднокровные животные погибают. Наша теплая кровь защищает нас от капризов погоды. Но для поддержания этого тепла нужен кислород.
Мы защищены от внешнего мира не только будучи взрослыми. Мы начинаем свое существование в животе у матери, окруженные оболочками, защищающими нас и обеспечивающими связь с материнским организмом. Поскольку плод получает весь кислород от матери, должен существовать механизм передачи кислорода из крови матери к плоду. Этому процессу способствует резкая разница концентраций кислорода в материнской крови и в крови плода, благодаря которой кислород переходит к плоду. Но для этого — что очень важно — содержание кислорода в крови матери должно быть достаточно высоким. Из-за этого ограничения плацентарные животные обычно не могут нормально развиваться на высоте более четырех с половиной тысяч метров над уровнем моря. Но именно такое содержание кислорода было в атмосфере Земли на уровне моря двести миллионов лет назад, до появления Атлантического океана.
За защиту от окружающей среды приходится расплачиваться: крупным теплокровным млекопитающим для поддержания температуры тела, для нормального внутриутробного развития и полноценного существования во взрослом возрасте необходимо топливо. Ключевую роль здесь играет кислород: такие животные никогда не смогли бы появиться на свет в той атмосфере, которая существовала до разъединения континентов. Рифт Мэри Тарп не только создал океан, но и открыл целый мир новых возможностей для наших предков.
Читать бесплатно другие книги:
