Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей Шубин Нил

«Ну, еще шаг», — твердил Пол Олсен. Он пытался подбодрить меня, но я застыл, словно кот на дереве. Мы были в Новой Шотландии, на берегу, и в перерыве между поиском окаменелостей собирали геологические образцы. Берег здесь сложен из удивительных красных, оранжевых и коричневых песчаников, как в индейских резервациях хопи и навахо в пустынях американского Юго-Запада. Красоту местности подчеркивает вода: отвесные скалы под ее действием превратились в природный сад скульптур с пещерами, арками и колоннами. Пол, геолог из Колумбийского университета, хотел взять образцы песка из светлой полосы, разделявшей нижний оранжевый и верхний коричневый слои. К сожалению, эта полоса светлой породы располагалась на шестидесятиметровой высоте и подобраться к ней было практически невозможно. Кроме того, скала была настолько изъедена, что один неловкий шаг мог закончиться полетом. Чтобы удержаться, мы должны были идти по ступенькам, которые вырубали молотками. Я не альпинист и вообще боюсь высоты, поэтому карабкался, глядя только на собственные ноги, руки и молоток, поскольку даже короткий взгляд вниз вызвал бы головокружение и пригвоздил меня к месту. Прежде во время таких приступов паники мне помогали терпеливые коллеги, которые спускали меня на землю, передавая из рук в руки, как пожарные.

Через час или два уговоров Пол добился своего: я добрался до светлой полосы. Вблизи оказалось, что толщина этого слоя примерно равна человеческому росту. Около часа мы работали молотками, укладывая кусочки породы в надписанные пакетики. Наградой за все неудобства был потрясающий вид на просторы залива Фанди впереди и под нами. Начинался роскошный летний день. Вода стояла высоко, ветер утих. Залив был гладким как зеркало. Великолепие этого места связано с его историей. Форма береговой линии рассказывает о долгом действии ледников и эрозии. Пастбища и человеческие жилища образуют свежий рисунок на этом древнем пейзаже. Слой за слоем история выдает себя (конечно, если знать, как смотреть).

Почему светлая полоса породы привлекла внимание Пола? Состав этой полосы и окружающих ее камней может рассказать о событиях, предопределивших существование человека.

Скалистые берега Новой Шотландии (Канада) издали (слева) и вблизи у белой полосы (справа; фигуры геологов позволяют осознать масштаб).

В результате движения континентов и повышения в атмосфере уровня кислорода около двухсот миллионов лет назад мир стал таким, каким его знаем мы. За исключением одного: миллионы лет самыми крупными обитателями планеты были не млекопитающие, как теперь, а крупные динозавры и их родственники — мозазавры, плезиозавры, крокодилы и птерозавры. Суша, вода и воздух были населены совершенно иными существами, которые успешно развивались: множество этих животных расселилось по разным уголкам планеты. А потом все они исчезли.

Затерянные миры

В 1787 году Уильяма Смита пригласили оценить стоимость одного имения в Сомерсете, в Англии. Смита мало интересовали деньги. Он искал другие сокровища.

Уильям Смит принялся изучать породы, выходившие на поверхность вдоль ручьев, на холмах и в угольных шахтах. В одной из заброшенных шахт он обратил внимание на то, что породы вокруг шахты образуют легко различимые слои разного цвета и текстуры. Каждый слой состоял из особой породы с характерным набором окаменелостей внутри. Сравнив образцы из этих слоев с другими образцами из окрестностей, Смит пришел к выводу, что слои в шахте соответствовали поверхностным слоям в других частях имения. Изучив слои внимательнее, он понял, что может использовать окаменелости для определения соответствия между породами из разных районов: этакий гигантский трехмерный пазл. Натурфилософы, включая Леонардо да Винчи, считали, что можно проводить сравнительный анализ камней, окаменелостей и пластов породы в отдельных местах. Теперь, благодаря своему озарению, Уильям Смит нашел ключ к составлению геологической карты всей Земли: камни и окаменелости организованы пластами.

Уильям Смит (вверху), Джон Филлипс (внизу) и карта Англии, составленная Смитом.

Смит расширил свои наблюдения, исследовав сначала окрестности города Бат, а затем составив карту всей Великобритании. Для решения такой задачи требовались немалые финансовые средства, а у Смита не было ни академического поста, ни покровителя в академических кругах. Он очень нуждался в деньгах. Со временем Смит сумел убедить около ста человек финансировать его изыскания и принялся изучать страну. Ему повезло с помощником: под его опекой находился племянник, Джон Филлипс, который в возрасте семи лет остался круглым сиротой и с самого детства сопровождал Смита во всех экспедициях. Уже в пятнадцать лет Филлипс удивительно ловко находил окаменелости.

Сегодня для построения геологических карт пользуются аэрофотосъемкой и GPS-навигаторами. Основанием для сравнения служат горные породы, выходящие на поверхность, а также извлеченные из недр буровыми установками. Это большая и сложная наука, которую финансируют нефтяные и горнорудные компании, а также правительства. Геологические карты — это отправная точка всех геологических исследований. В 1815 году Смит выполнил эту задачу в значительной степени своими силами и с помощью самодельных инструментов. Готовая карта (высотой в два метра) стала настоящим триумфом: она отражала относительное расположение основных геологических пластов и окаменелостей на всей территории Великобритании.

К несчастью для Смита, «королем» английской геологии в то время был Джордж Беллас Грино. Без его поддержки карта Смита не могла привлечь внимания профессионалов и, следовательно, быть проданной в достаточном количестве, чтобы покрыть долги. Но Грино не только не поддержал Смита, но и занялся изготовлением собственной карты. И, конечно, его карта оказалась дешевле карты Смита.

Продажа карты Смита шла настолько плохо, что он вынужден был провести одиннадцать недель в долговой тюрьме; вернувшись, он обнаружил свое имущество конфискованным. Смит надеялся сохранить коллекцию окаменелостей, собранную им и племянником во время экспедиций, но вынужден был продать и ее, чтобы уплатить долги. Беда не приходит одна: примерно в это же время жена Смита потеряла рассудок и оказалась в лечебнице.

Несмотря на все неудачи Смита, его вклад в науку достаточно велик. Смит подтвердил, что окаменелости в горных породах изменяются при переходе от самых глубоких (старых) слоев к поверхностным (молодым). Он показал, что окаменелости можно использовать в качестве маркеров для идентификации одинаковых пластов на обширной территории. Кроме того, и это очень важно, он научил своего племянника Джона Филлипса искать окаменелости и различать геологические пласты.

Если Смит был символом неудачливого ученого, да еще и неудачно женившегося, то у Филлипса все было наоборот: он стал благополучным преподавателем Оксфорда и всю жизнь прожил под одной крышей со своей сестрой. Он посвятил жизнь изучению геологических пластов, обнаруженных его дядей. Смит идентифицировал их, а Филлипс вознамерился выяснить их смысл.

Работа с дядей подарила Филлипсу зоркий глаз и навыки, которые позволили ему собрать удивительную, умело организованную коллекцию раковин, костей и отпечатков. Начав работать с картой дяди, он расположил на ней по слоям все известные окаменелости и задался вопросом: что же происходило при смене одного слоя другим?

Филлипс выделил три эры, каждая из которых характеризовалась особым составом окаменелостей. На границах между этими затерянными мирами исчезали одни существа и вдруг появлялись другие. Филлипс считал, что эти три этапа соответствуют трем важнейшим геологическим эпохам, и назвал их палеозойской, мезозойской и кайнозойской эрами. Он опубликовал результаты своих исследований в 1855 году, и если вам интересно узнать, насколько значительным был его вклад в науку, просто сходите в любой естественнонаучный музей. Вы увидите, что эти три великие эры обозначены на временной шкале рядом с ископаемыми акулами, динозаврами, трилобитами.

То был период великих научных открытий. Глядя на камни и окаменелости, люди начали предлагать новые идеи. Из отдаленных уголков планеты корабли везли прежде не известные западной науке минералы, растения и животных. Натурфилософы всех специальностей, которых сегодня мы бы назвали анатомами, палеонтологами и геологами, пытались разобраться в этих диковинках.

Жорж Леопольд Кретьен Фредерик Дагобер Кювье обладал огромным самолюбием, вполне соответствовавшим его длинному имени. Он родился в незнатной семье, а умер бароном и одним из руководителей Музея естественной истории в Париже.

Участники одной из экспедиций привезли в Париж из Южной Африки гигантский, почти двухметровый скелет, напоминавший маленький воинский эшелон. Остов принадлежал существу с массивными костями, тяжелыми челюстями и черепом с уплощенными зубами. Оно было совершенно незнакомо Кювье, однако при тщательном изучении позвоночника и конечностей проницательный анатом узнал в этом странном ископаемом некое подобие ленивца.

Затем внимание Кювье привлекли различные кости, напоминавшие кости слона. Он идентифицировал их как кости нового вида животного — мамонта. Однако эти открытия, чрезвычайно важные для тех, кого интересует биоразнообразие, вызывали тревожный вопрос: а где сейчас живут эти существа?

Кювье пришел к заключению, что, возможно, гигантских ленивцев и мамонтов на планете больше нет, но прежде они на ней жили. Они — представители ушедших, затерянных в прошлом миров. Так родилась концепция вымирания, столь важная для нас и абсолютно чуждая многим мыслителям на протяжении тысячелетий.

Одна за другой появлялись находки. В Германии спелеологи обнаружили на дне пещеры крупные кости. Кто это — дракон? Какое-то неведомое чудище? Анатом с медицинского факультета местного университета понял, что это кости медведя, но настолько огромного и странного, что ничего подобного в Европе не видывали. Несколько лет спустя Томас Джефферсон обнаружил около своего поместья в Виргинии окаменелые остатки гигантских ленивцев, мамонтов и других существ.

Кювье был мыслителем и не удовлетворился описанием найденных костей; на основании своей теории он сформулировал общие закономерности развития природы. Его вывод был таков: вымирание видов — не только реальность, но и достаточно общее явление. Эта идея показалась ему настолько важной, что в одной из своих первых монографий он отметил: «Мне кажется, что все эти факты… доказывают существование мира, предшествовавшего нашему и погибшего в результате какой-то катастрофы».

Идея Кювье, как прежде и идея Филлипса, заключалась в том, что Землю сформировали катастрофы. Это была передовая гипотеза, подкрепленная доказательствами и авторитетом именитых ученых. И все-таки научный мир почти совершенно игнорировал эту гипотезу более ста лет.

Теория катастроф шла вразрез с научными представлениями того времени. Господствовавший подход казался настолько мощным средством объяснения истории Земли, что не требовал (и не позволял) никакого вмешательства. Лозунгом ученых тогда было: «Смотри на настоящее — и поймешь прошлое».

Эта идея так проста и элегантна, что принимается без доказательств. Если машина в понедельник припаркована на одной стороне улицы, а в четверг — на другой, то ясно, что кто-то брал ее и припарковал в новом месте. Достаточно трудно представить, что она самовольно перелетела на другое место или что ее перенес какой-то особый ветер. Механизм, действующий сегодня, объясняет то, что случилось вчера, и не следует привлекать для объяснений ни волшебство, ни экстраординарные физические явления.

Тот же метод применим и к истории горных пород и геологических слоев. Главные действующие силы тут ветер, дождь и земное притяжение — проявления обычных физических и химических законов. Если они формируют сегодняшний мир, то они же должны были работать в прошлом. Ясно, что Большой Каньон — глубокий провал, на дне которого течет река Колорадо. Очевидная причина формирования каньона — эрозия под действием воды, благодаря которой русло реки постепенно углублялось, а стены становились все выше. Но это процесс очень медленный. Песок не превращается в камень за одну ночь, и река не может прорыть каньон трехсотметровой глубины за день или даже за год. Из этого следует, что для формирования Большого Каньона и других геологических объектов потребовались миллионы лет.

Концепция постепенного изменения объясняла образование каньонов, коралловых рифов и береговой линии. Современные процессы не только позволяют объяснить историю Земли, но и указывают, что большинство изменений в живой и неживой природе должны быть медленными. Посмотрите на современную планету: вы не сможете представить, а уж тем более увидеть, никаких признаков глобальных катаклизмов, сформировавших жизнь.

Теории катастроф, как те, что были выдвинуты Филлипсом и Кювье, считались странной причудой. Филлипс продолжал работать, но к моменту его смерти (в результате падения с лестницы в оксфордском колледже Олл-Соулз) в 1874 году идея о катастрофах уже ушла в прошлое, побежденная господствующей догмой о постепенных изменениях.

Революция

Город Стаффорд расположен в центре Канзаса, чуть ближе к южной границе. Его население не превышает тысячи семей, а школа настолько мала, что футбольные команды составляют всего из восьми игроков. В начале XX века члены семьи Ньюэллов были известны в городе как эксперты в области естественной истории. Когда фермеры нашли странный камень, старший Ньюэлл опознал в нем зуб мамонта. Шестилетний Норман Ньюэлл разглядывал находки, и это заставляло его по-другому смотреть на родные места: равнины Канзаса когда-то были лугами и лесами, в которых обитали крупные млекопитающие. Его интерес к палеонтологии рос, и он преуспел в учебе до такой степени, что получил привилегированную стипендию по палеонтологии в Йельском университете, который к 30-м годам стал одним из ведущих центров исследований в этой области.

Пребывание Нормана Ньюэлла в Йельском университете было семейным предприятием. Финансовую помощь ему оказывала жена, которая составляла каталоги образцов для Музея естественной истории им. Джорджа Пибоди, пока Ньюэлл не получил стипендию на второй год обучения. Он занялся изучением двустворчатых моллюсков. Ньюэлл быстро понял преимущества работы с этими животными. У них прочные раковины, которые легко окаменевают, и они очень часто встречаются в древних пластах горных пород по всему миру. Ньюэлл сделал нечто, что мало кому в то время приходило в голову: использовал современных моллюсков для реконструкции образа жизни их вымерших родичей.

Во время Второй мировой войны Ньюэлл служил в отделении Государственного департамента США в Перу, а в 1945 году устроился на работу в Американский музей естественной истории в Нью-Йорке. Это было большой удачей: там он получил возможность работать с великолепной коллекцией, общаться с известными учеными и рассчитывать на финансовую поддержку для дальнейших исследований. В те времена музей был земным раем для тех, кто занимался окаменелостями и таксономией. Запасники музея представляют собой коридоры длиной в сотни метров. Эти коридоры — центры исследовательской активности. Вокруг окаменелостей и образцов, собранных со всего света, рождались и рождаются научные идеи.

Вскоре после того, как Ньюэлл прибыл в Нью-Йорк, его попросили сочинить две главы для колоссальной сводки «Основы палеонтологии беспозвоночных». Книга эта, как и ее заглавие, приводит в трепет. Идея заключалась в том, чтобы создать современный каталог всех когда-либо найденных окаменелостей с указанием деталей их строения и описанием геологических слоев, в которых они были найдены. Теперь это издание разрослось до пятидесятитомного труда, составленного тремя сотнями ученых, каждый из которых является экспертом по определенной группе ископаемых организмов. Кое-кому подобное занятие напоминает филателию, но таким, как Ньюэлл и его последователи оно представляется окном в мир научных открытий.

Ньюэлл с головой ушел в мир ископаемых раковин. Он изучил их анатомию и разнообразие, а также (что очень важно) узнал, в каких геологических слоях их можно встретить. Как и Филлипс и Смит до него, Ньюэлл «читал» слои земной коры как книгу. Но, в отличие от Филлипса и Смита, он был вооружен широчайшим набором данных из разных регионов Земли.

Чем больше Ньюэлл и другие ученые исследовали окаменелости, тем отчетливее понимали: огромное множество животных и растений, населявших когда-то планету, очень быстро, практически одновременно, исчезало. Жизнь на планете претерпела не одну, а несколько катастроф.

Ньюэлл озвучил мнение небольшой группы, призывавшей признать реальность глобальных катаклизмов, о которых Филлипс и Кювье говорили более ста лет назад. Реакция была такой же: его работу проигнорировали. Доказательства изменения хода истории в прошлом не могли поколебать господствовавшую более ста лет теорию. Та же судьба постигла идею континентального дрейфа: рисунок континентов был очевиден, но из-за отсутствия механизма, объяснявшего их движение, многие не могли согласиться с реальностью последнего. То же и с идеей катастроф. Какие механизмы могут объяснить эти глобальные изменения?

В конце 70-х годов XX века Уолтер Альварес, геолог из Беркли, изучал в Италии породы, возраст которых составляет около шестидесяти пяти миллионов лет. Известно, что именно в это время (меловой период) исчезли динозавры. Альваресу, весьма аккуратному и внимательному полевому геологу, удалось отождествить момент окончания мелового периода с одним тонким прослоем глины. Ниже лежали слои, содержавшие окаменелые остатки динозавров, морских пресмыкающихся и других животных. Выше никого из этих существ уже не было. Альварес задался вопросом: насколько быстро исчезли эти существа? Он считал, что ответ на вопрос содержится в этом слое глины. Может быть, анализ ее химического состава позволит оценить скорость его образования?

Уолтер Альварес обратился с этим вопросом к своему отцу, Луису Альваресу, лауреату Нобелевской премии по физике, также работавшему в Беркли. Альварес-старший живо интересовался разными научными проблемами и стремился применить свои знания в области физики элементарных частиц. В то время, когда сын обратился к нему с вопросом, он изобретал способ поиска сокровищ в египетских пирамидах.

Уолтер и Луис Альваресы решили с высокой точностью измерить содержание некоторых химических элементов в геологических слоях. Одним из интересных элементов является иридий: он редко встречается на Земле, но гораздо чаще в некоторых астероидах и метеоритах. Если метеориты бомбардируют Землю с постоянной частотой, содержание иридия в пластах может служить геологическими часами. Содержание иридия в минералах исчисляется в частях на миллиард. К счастью, Альварес-старший был связан с научной группой, знакомой с работой такого рода, и имел доступ к приборам Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, способным осуществить очень точные измерения.

Уолтера и его отца ждал большой сюрприз, потому что иридий, практически отсутствовавший в большинстве слоев, в очень высокой концентрации обнаружился в данном слое глины. Стало понятно, что астероиды не падают на Землю с постоянной частотой. Время от времени происходят падения очень крупных тел. В данном случае речь шла о падении одного гигантского астероида. Всплеск содержания иридия в точности соответствовал геологическому слою, в котором отразилась одна из величайших катастроф в истории.

Затем Луис Альварес предложил возможный механизм вымираний. В результате падения на Землю крупного астероида в атмосферу выбрасывается такое количество пыли, что она закрывает Солнце и приводит к гибели растительности. Эффект распространяется по пищевым цепям и вызывает повсеместную гибель животных. Стало возможным не только представить себе механизм глобальной катастрофы, но и проследить ее влияние на жизнь путем детального изучения геологических слоев. Увлекательность научного поиска в том и состоит, чтобы придумать идею, справедливость которой определяется верностью сделанных на ее основе предсказаний, а для их проверки вам приходится исследовать новые места, открывать новые объекты и анализировать новые данные.

Метеоритная теория не просто рассказывает о камнях, падающих из космоса: она заставляет иначе взглянуть на саму идею глобальных катастроф. Впервые с тех пор, как человек задумался о природе гор, живых существ и окаменелостей, мы получили возможность не только представить себе механизм глобального катаклизма, но и реконструировать его воздействие на биосферу. Создание метеоритной теории вернуло в повестку дня вопрос о роли катаклизмов в истории. Теперь идеи таких ученых, как Филлипс, Кювье и Ньюэлл, уже не воспринимаются как чудачество. Мы больше не задаем себе вопрос, возможны ли катастрофы, а пытаемся определить их последствия.

Лотерея?

В конце 60-х годов молодой человек по имени Томас Шопф задался целью изменить наше восприятие прошлого, не слишком беспокоясь, что это кому-то может не понравиться. Он видел, что очень многие палеонтологи работают с одной небольшой группой животных, относящихся к строго ограниченному небольшому отрезку времени. Вся палеонтология представляла собой набор разрозненных исследований. Но если мы хотим ответить на глобальные вопросы, подход следовало изменить. Стивен Джей Гулд однажды заметил, что Шопф желал «спасти палеонтологию», введя в нее математическую точность.

Понимал это Шопф или нет, но он пытался вернуться к идеям Джона Филлипса. «Что еще мы можем с этим сделать?» — с такими словами Шопф обратился к необычной аудитории. Он пригласил нескольких крупнейших палеонтологов в Вудсхоулский океанографический институт на полуострове КейпКод. Когда они приехали, то обнаружили на столах тома «Основ палеонтологии беспозвоночных». Им предстояло продолжить дело, начатое Ньюэллом. Самые выдающиеся умы, вооруженные самым полным описанием всех известных окаменелостей, на три дня закрылись в кабинете института на берегу океана. Из этого могло получиться нечто фантастическое. Вообще говоря, вся эта история несколько напоминала роман Агаты Кристи.

Каков же был результат организованного Шопфом трехдневного столкновения всех собранных к тому времени палеонтологических данных с несколькими лучшими умами? Присутствовавший там коллега Шопфа из Чикаго так описал результат: «Мы не сдвинулись с места. Абсолютный ноль». К счастью, в последний день Стивен Джей Гулд привел одного из своих студентов. Этого компьютерного гения звали Джек Сепкоски, и он только что окончил университет Нотр-Дам в штате Индиана.

Не сохранилось свидетельств о том, что говорил или делал юный Сепкоски на собрании. Однако после собрания Гулд поручил ему представить «Основы палеонтологии» и результаты различных палеонтологических исследований в виде базы данных, в которой для каждой группы окаменелостей были бы точно указаны интервалы геологической временной шкалы, к которым эта группа приурочена. Это было в 1972 году. Сепкоски принялся за работу и стал понемногу компилировать данные. Его база данных росла и росла. Он продолжал начатое дело, даже когда сам стал профессором Чикагского университета. Спустя десять лет после встречи в Океанографическом институте первая пригодная для использования палеонтологическая база данных была готова.

Я был тогда студентом и хорошо помню, что база Сепкоски стала главным предметом обсуждения среди палеонтологов. При учете всей имевшейся информации выяснилось, что развитие жизни на Земле ни в коем случае нельзя считать случайным. Ранний период развития животного мира сопровождался очень быстрым расширением разнообразия с последующим выходом на некое плато. Со временем число видов животных то слегка увеличивалось, то уменьшалось; при этом можно выделить пять временных интервалов, когда количество видов сокращалось катастрофически. Самый известный эпизод — тогда погибли все динозавры — произошел примерно шестьдесят пять миллионов лет назад (так называемое массовое вымирание на рубеже мелового и палеогенового периодов). Вместе с динозаврами исчезли морские и летающие пресмыкающиеся, аммониты, сотни менее известных существ. Другие эпизоды массового вымирания случились 375 и 200 миллионов лет назад. Картина во всех случаях примерно одна и та же: множество видов во всем мире в какой-то момент одновременно исчезают. Один такой эпизод чуть было не закончился полным исчезновением жизни на Земле: двести пятьдесят миллионов лет назад погибло 90 % видов морских существ.

Итак, катастрофы — не выдумка чудаковатых ученых, а факт, определяющий развитие нашего мира. И, как выяснилось уже после открытия Альваресов, смертельную опасность представляют не только астероиды. Ответственность за некоторые глобальные изменения на планете, в которых неповинны астероиды, можно возложить на извержения вулканов и химические изменения в океанах. Эти знания позволяют нам задаться новыми важными вопросами.

Кто выживает в глобальных катастрофах? Существуют ли правила, определяющие реакцию живых организмов на катаклизм? К великому сожалению, ни Шопф, ни Сепкоски не дожили до появления первых ответов. Шопф всегда жил в очень напряженном рабочем ритме, он просто не умел отдыхать. Он полностью погружался в решение задачи и работал круглосуточно. Его сердце не выдержало в 1984 году, во время геологической экспедиции, и работа остановилась навсегда. Шопфу было сорок четыре года. Сепкоски умер у себя дома в Чикаго в 1999 году. Ему было пятьдесят.

После смерти Шопфа на его место в Чикаго взяли другого неугомонного ученого — Дэвида Яблонски. Кабинет Яблонски находится недалеко от моего, а лаборатория Дэйва представляет собой большое открытое помещение. Точнее, это помещение было большим и открытым до того, как туда переехала его коллекция из тысяч книг, статей и журналов. Добраться до стола Дэйва у дальней стены очень непросто. Требуется пробираться через лабиринт, образованный колоннами из журналов высотой по пояс и книг — высотой по грудь. От его стола невозможно разглядеть дверь: ее заслоняют все эти книги и оттиски. Но если вы попросите Дэйва разыскать какую-нибудь статью, он безошибочно выудит ее из стопки. Я с трудом нахожу дорогу в этом лабиринте, а он точно знает, где что. Его ни в коем случае нельзя назвать неорганизованным человеком. Его комната полностью соответствует его способности находить порядок среди хаоса.

Дэйв анализирует палеонтологические базы, подобно тому, как за сорок лет до него это пытались сделать ученые, собравшиеся в Вудсхоулском институте. Он обращает внимание в первую очередь на животных с твердым минеральным скелетом, поскольку их много и они хорошо сохраняются в виде окаменелостей. Дейва вдохновляет поиск крупномасштабных закономерностей. При этом любой измеряемый параметр может стать предметом анализа: от размеров животного до времени его распространения или ареала.

Отделить сигнал от шума в таких исследованиях — задача непростая. Представьте, что вам нужно сравнить окаменелости каких-то видов организмов и ответить на вопрос, какой из них в отдаленном прошлом был более многочисленным. Начнем с очевидного. Нужно подсчитать все окаменелости этих видов во всех музеях и коллекциях мира и найти тот вид, который наиболее широко там представлен. Но мы быстро поймем, что некоторые окаменелости встречаются чаще прочих, поскольку они лучше сохраняются (или, может быть, их легче найти). Другие окаменелости могут быть представлены широко потому, что коллекционеры их особо выделяют или отбирают в связи с выполнением какого-то научного проекта. Например, если вы взглянете на нашу коллекцию, собранную в Арктике, то обнаружите, что в ней явно преобладают зубы и задние части челюстей. Означает ли это, что в прошлом зубы и челюсти встречались чаще других частей животных? Конечно, нет. Это означает лишь, что они хорошо сохраняются и найти их проще, чем другие части скелета. Дэвид Яблонски и его коллеги потратили много времени, пытаясь убрать из данных эти искажения и случайный шум, чтобы составить подлинную летопись жизни на нашей планете в разные времена.

Двустворчатые моллюски, такие как устрицы, мидии и их родственники — не только украшение обеденного стола, но и доминирующий элемент среди всех окаменелостей. Ископаемых двустворчатых моллюсков находят на территории древних озер, рек и океанов. Они заполняют полки и кабинеты во всех палеонтологических коллекциях мира. Обилие этих окаменелостей (двустворчатые моллюски живут на планете более пятисот миллионов лет) делает их идеальным объектом для изучения изменения биоразнообразия во времени.

Чтобы взглянуть на проблему глазами Дэйва, нужно представить три с половиной миллиарда лет истории жизни на Земле как одну длинную игру на выживание, в которой выигрывали виды, жившие дольше и производившие более многочисленное потомство. А теперь подумайте о том, какие факторы помогают организмам выживать и воспроизводиться. Если речь идет о животных, мы назовем такие признаки, как способность быстро бегать, высоко прыгать и ловко лазать, а также иметь челюсти, приспособленные для употребления определенного рода пищи. В какое-то время хорошо быть большим, а в какое-то — маленьким. Нужно определить, насколько эффективно животное питается, воспроизводится и двигается. На основании этих показателей можно предсказать, кто выйдет победителем: быстрые одолеют медленных, плодовитые — менее плодовитых, и так далее. Десятки или даже сотни миллионов лет эти признаки обеспечивают успешное развитие определенных видов. Затем следует понять, как эти признаки помогают животным пережить глобальную катастрофу. Казалось бы, наличие подобных признаков — надежный ключ к успеху. Так вот: все это абсолютно неверно.

Так где же он, палеонтологический Грааль — признак, обеспечивающий выживание в катастрофе? Кажется, все же существуют некоторые факторы, способствовавшие выживанию в катаклизмах, вызванных астероидами, изменением уровня моря и извержениями вулканов. Один фактор, по-видимому, позволяет предугадать способность вида к выживанию в глобальной катастрофе: широкое распространение. Виды, представители которых встречаются на многих континентах, сохранятся с большей вероятностью, чем виды, обитающие только в одном регионе.

Миллионы лет выживание и воспроизводство живых организмов определяется тем, как они питаются, передвигаются, размножаются и так далее. Но вот происходит катастрофа, и все эти признаки теряют свое значение. Важно лишь то, где эти организмы обитают. Редкие события быстро меняют правила игры, и все начинается сначала. Катаклизм переживают не всегда «лучшие» в каком-либо отношении существа. Если «победить» означает «пережить катастрофу», то побеждает тот, кто расселился повсеместно.

Принцип «созидательного разрушения» хорош не только в экономике, но и в биосфере. Выжившие в глобальной катастрофе получают в наследство новую Землю, на которой конкуренция слабее. Вспомните детскую игру в «царя горы»: самый сильный и драчливый мальчишка сидит на вершине и никого туда не пускает — просто потому, что он большой и он наверху. Вы никакой силой не можете его оттуда столкнуть. Что может вам помочь выиграть? Только случай. Например, мама позовет его домой обедать, и вершина освободится. Драчун уйдет, и вы просто займете его место со всеми преимуществами нахождения наверху.

Каждая катастрофа оставляет выживших на обновленной Земле.

Эта схема справедлива для выживания видов. Если успешно развивающийся вид занимает какую-либо нишу, например, в определенной зоне океана, другим вряд ли удастся завладеть тем же пространством. Но если в результате катаклизма этот «царь горы» исчезает, выжившие могут занять призовое место практически без борьбы.

Человек — вид, сидящий на вершине горы спустя три с половиной миллиарда лет после появления жизни на Земле. Что это означает для нас?

Многие наши экспедиции в поисках окаменелостей оказались на удивление неудачными. Не была исключением и работа с Фаришем Дженкинсом в Африке в 90-х годах. Несколько месяцев мы безуспешно пытались найти следы млекопитающих в Намибии в отложениях возрастом двести миллионов лет, и, наконец, для поднятия настроения Фариш решился отвезти нас на север на сафари. Через несколько дней езды на машине мы оказались в Национальном парке Этоша на границе с Анголой. В этой пустынной местности источники воды как магнит притягивают все живое. Каждое утро на рассвете мы вылезали из постелей, ставили машины у источников и часами смотрели, как приходили и уходили бесчисленные животные. Первыми появлялись птицы. Потом зебры и буйволы. Иногда поблизости ожидала своей очереди стая гиен. При появлении льва все пускались врассыпную, а затем, когда казалось, что опасность миновала, все возвращались к нормальному ритму еды и питья.

В этом мире победителями были крупные млекопитающие и птицы, но мой мозг все еще был занят анализом горных пород возрастом двести миллионов лет. В те времена Землю населяли пресмыкающиеся всех вообразимых и невообразимых видов, млекопитающие тогда были не крупнее землеройки, а птиц и вовсе не существовало. Сегодняшняя жизнь у водопоя является результатом катастроф, случившихся миллионы лет назад. До этих катастроф у источников воды собирались совсем другие существа, весьма преуспевающие. Так, здесь жили крупные и мелкие динозавры, травоядные и хищные. В меловом периоде вместо слонов и крупных травоядных млекопитающих здесь жили цератопсы и гадрозавры. Место львов занимали тираннозавры, другие крупные динозавры, а также крокодилы. Динозавры и их родственники были «царями горы» на протяжении миллионов лет, пока их не уничтожила катастрофа. И только тогда потомки маленького мышеподобного существа с зубами размером с песчинку, которое динозавры раздавили бы, не заметив, выросли и стали новыми «царями горы».

Полярные летчики — особенные люди. Годы одиночных полетов дали им независимость и способность великолепно ориентироваться на местности. Долгие часы наблюдения за землей научили их замечать то, что скрыто от глаз других. Во время одного из полетов в 2002 году наш пилот неожиданно спикировал — с высоты три тысячи метров до шестидесяти! — и направился к узкой отмели вблизи фьорда. За эти мгновения, когда вся жизнь пронеслась у меня перед глазами, он, заядлый рыболов, внимательно рассмотрел косяк рыбы, который увидел сверху. Даже если бы я раскрыл глаза, я все равно не сумел бы разглядеть арктического гольца с такой высоты!

В 1985 году полярный летчик Пол Тадж осуществлял перелеты между лагерями на канадском острове Аксель-Хейберг и проливом Эврика (это одни из самых впечатляющих уголков Севера). Когда небо чистое, а земля свободна от снега, цвета и очертания предметов отчетливы настолько, что на расстоянии нескольких километров можно разглядеть мельчайшие детали. Тихие долины окружены бесплодными горными хребтами.

Лед, ветер и сильный мороз построили в этих горах колонны, возвели стены и прорыли пещеры, которые кажутся сверхъестественными. Это ощущение усиливается из-за отсутствия растений: здесь нет ни деревьев, ни кустов, ни даже травы.

Разглядывая сверху коричневые, серые и красные камни, Тадж обнаружил нечто необычное. Ветер выбил в камнях углубление, из которого торчало нечто, напоминающее стволы деревьев. Не веря в то, что здесь могут расти деревья, особенно на камнях, Тадж посадил вертолет. И нашел не только стволы, но и груды веток и пни. Тадж собрал образцы и передал их палеоботанику Джеймсу Бейсингеру из Университета Саскачевана. Бейсингер забросил все дела и занялся организацией экспедиции настолько быстро, насколько позволяли финансовые возможности и улаживание формальностей. (Подготовка экспедиции в Арктику может занять целый год или даже больше.)

Бейсингера ждал целый мумифицированный лес, спрятавшийся в разрушенных ветром скалах. Холодный, сухой воздух сохранил и клеточную структуру древесины и листьев. Эта древесина даже может гореть. Но это совсем не простые дрова: возраст деревьев — свыше сорока миллионов лет.

Обнаруженные стволы принадлежали хвойным деревьям, достигавшим пятидесятиметровой высоты. В прошлом это место не было безжизненной пустошью: оно было покрыто примерно такой же растительностью, как север современной Калифорнии. Конечно, в наши дни самые высокие деревья в этих северных краях — карликовые ивы высотой всего несколько сантиметров. Арктические ивы почти так же трудно разглядеть с высоты человеческого роста, как окаменевший лес Таджа с воздуха.

Примерно за двадцать лет до полета Таджа в кабинет знаменитого палеонтолога Эдвина Колберта в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке пришла посылка. Отправителем был геолог из Университета Огайо. В посылке лежала кость размером с человеческий палец, обернутая официальным бланком университета. Геологи нашли этот образец во время экспедиции и хотели узнать мнение Колберта.

Тадж обнаружил стволы деревьев (слева) возрастом более 40 млн. лет с прекрасно сохранившейся структурой древесины (справа).

У Колберта был богатый опыт полевых работ на юго-западе Америки, и он смог мгновенно идентифицировать кость: у нее были текстура и форма, характерные для челюсти древнего земноводного, жившего более двухсот миллионов лет назад. Эти существа напоминали толстых крокодилов и достаточно долго обитали в разных уголках планеты. Однако этот столь обычный по виду фрагмент имел необычное происхождение: его нашли в Трансантарктических горах, в трехстах километрах от Южного полюса.

Колберт был заядлым охотником за окаменелостями, и в его голове мгновенно родилась идея. Это же потрясающая возможность: в Антарктиде никто прежде не искал окаменелости! Колберт быстро собрал великолепную команду экспертов из США и Южной Африки, которые за годы работы в горах такого возраста научились быстро находить окаменелости. Если в Антарктиде есть ископаемые, они их отыщут.

Едва ступив на антарктический песчаник, Колберт и его коллеги сразу начали собирать окаменелости, которые на этих голых холмах лежали буквально повсюду. Одно из найденных существ имело тело собаки среднего размера, но вместо челюсти хищника у него имелся большой птичий клюв. Но Колберта удивил не странный вид этого существа-химеры, а нечто иное. Палеонтологи знали об этом существе уже несколько десятилетий. В 30-х годах южноафриканские геологи обнаружили целый пласт породы, широкой полосой пересекавший пустыню Кару, где сохранились кости тысяч таких животных. Ареал обитания этих существ, названных листрозаврами, распространяется на Южную Америку, Индию и Австралию. Теперь их нашли и в Антарктиде, и это стало дополнительным доказательством справедливости теории континентального дрейфа. Совпадение характера горных пород, сходство береговых линий и одинаковые окаменелости позволили по-новому рассмотреть вопрос о происхождении Антарктиды: в прошлом этот континент находился в центре гигантского суперконтинента, включавшего в себя также Африку, Австралию и полуостров Индостан. Этот участок суши покрывал значительную часть Южного полушария.

Найденные группой Колберта окаменелости указывали еще на один факт из прошлого Антарктиды. Листрозавры, как и земноводные, были холоднокровными животными, способными жить только в теплом тропическом или субтропическом климате (вспомните, например, крупных саламандр или ящериц). То же относится и к обнаруженным здесь древним растениям. Колберт работал почти в центре огромного ледяного континента, вблизи от того места, где почти за шестьдесят лет до этого замерзли насмерть Роберт Ф. Скотт и его команда. Однако множество фактов указывало на то, что Антарктида когда-то была теплой и влажной страной с тропической флорой и фауной.

Следующие экспедиции открыли новые факты, подтверждавшие различие между печальным настоящим и блестящим прошлым континента. На смену миру, открытому Колбертом, пришел другой, населенный динозаврами и их родственниками. В еще более молодых породах возрастом около сорока миллионов лет сохранились остатки дождевых лесов, следы земноводных, пресмыкающихся, птиц и множества млекопитающих. Большую часть своей истории Антарктида была настоящим раем.

А потом, начиная с сорока миллионов лет назад, Антарктида стала покрываться льдом. Началось крупнейшее, наиболее полное в истории нашей планеты вымирание жизни на целом континенте. И от богатого животного и растительного мира не осталось ничего.

Тадж нашел остатки жизни вблизи Северного полюса, а Колберт — у Южного. Первый обнаружил в регионе, где сегодня простираются ледяные пустыни, леса, характерные для умеренного климата, а второй — тропических животных. Наша нынешняя эпоха — с полярными льдами — представляет собой аберрацию: на протяжении большей части истории климат на всей планете был теплым, почти тропическим. Древние горные породы, почти как увеличительные стекла, позволяют нам увидеть, что наш довольно холодный мир — это ненормальное состояние Земли. Это великое похолодание стало одним из главных факторов, определивших форму нашего тела, нашу жизнь и нашу способность воспринимать мир.

Измеряем температуру

Карл Саган однажды высказался на тему парадоксальности климата на Земле. Солнце не является источником постоянного излучения. Оно начало свою «карьеру» как довольно тусклая звезда примерно 4,6 миллиарда лет назад и с тех пор разгорается. Теперь яркость и тепло его излучения примерно на 30 % выше, чем в начале. При таком положении вещей Земля должна была быть замерзшей пустыней в прошлом и кипящим котелком — сейчас. Однако все термометры на планете показывают иное. На планете должно быть горячо, как в аду, но мы видим множество ледников. А в горных породах возрастом около трех миллиардов лет, когда Земля должна была быть ледяным шаром, обнаружены следы присутствия жидкой воды. Конечно, у нас бывает и холодно, и жарко, но по сравнению с Венерой и Марсом, на поверхности которых температура составляет +480° и –60 °C, наша Земля — просто райский уголок. Где-то на нашей планете имеется термостат, который смягчает резкие колебания температуры.

О присутствии такого термостата догадался один упрямый шведский студент. Для начала он заявил научному руководителю, что разработал совершенно новую теорию электропроводности. И услышал в ответ: «До свидания». Однако стойкость вознаграждается. Возможно, порадовав своих с облегчением вздохнувших преподавателей, Сванте Август Аррениус в 1881 году отправился в Стокгольм, чтобы работать в Шведской академии наук под руководством одного из профессоров. Там он начал обдумывать другие научные проблемы.

Одна такая проблема, можно сказать, стояла у него перед глазами. Он видел, как фабричные трубы извергают дым — говоря его собственными словами, «превращают наши угольные запасы в пар». Аррениус знал, что основной компонент дыма — углекислый газ — способен удерживать тепло. Он провел несколько вычислений, показавших, что повышение содержания углекислого газа в воздухе приводит к удерживанию тепла и повышению температуры на планете. У этой идеи в последующие годы было не много сторонников, зато Аррениус получил Нобелевскую премию за цикл работ, ставших продолжением его, казалось бы, неудачной диссертации, так расстраивавшей преподавателей.

В основе известного всем парникового эффекта лежат найденные Аррениусом закономерности. Чем больше углекислого газа попадает в атмосферу, тем больше планета накапливает тепла. Верна и обратная закономерность. Но углерод в атмосфере играет и более важную роль, которая становится понятна лишь при анализе событий, произошедших миллионы лет назад.

Персонаж известного телесериала [«Все в семье» (All in the Family)] Арчи Банкер, рассуждая о пиве, заметил: «Ты не можешь им обладать — ты можешь только взять его на время». Эта сентенция справедлива в отношении каждого атома в нашем организме: мы является временными обладателями элементов, составляющих наше тело. И мало какие из этих элементов играют в нашей жизни (и в жизни планеты) столь же важную роль, как углерод. Связь между отдельными частями Земли зависит от круговорота углерода в воздухе, камнях, воде и наших телах. Чтобы увидеть эту связь, живые организмы, камни и океаны нужно рассматривать как этапы превращения углерода в ходе эволюции Земли.

Если смотреть на вещи так, то становится ясно: содержание углерода в воздухе определяется тонким равновесием. Атмосферный углерод смешивается с водой и выпадает в виде чуть кисловатых осадков. Последствия этого мы наблюдаем ежедневно. Здания Чикагского университета построены в основном в конце XIX века, но многие химеры на водостоках уже «потеряли лицо». Кислотные дожди разъедают камни, где бы те ни находились: на склонах гор, в галечных россыпях или прибрежных утесах. Когда кислотные дожди разрушают камни, из них тоже выделяется углерод, а обогащенная углеродом вода стекает в ручейки, реки и в конечном счете в океаны. Здесь углерод включается в тела и клетки морских обитателей: моллюсков, рыб и планктона. Остатки этих существ, содержащие углерод, оседают на океаническом дне и становятся его частью. И, как нам известно благодаря исследованиям Мэри Тарп, Брюса Хейзена и Гарри Гесса, морское дно подвижно, что обуславливает круговорот веществ в земных недрах.

В результате этой совокупности процессов углерод удаляется из атмосферы и поступает в горячие недра Земли. Если бы этот процесс был однонаправленным, в воздухе не осталось бы углерода и Земля, лишившаяся согревающей газовой оболочки, замерзла бы. Однако этого не происходит: существует механизм, обеспечивающий круговорот углерода. Из земных недр углерод выбрасывается обратно в атмосферу в составе вулканических газов. Именно извержения вулканов являются основным источником углерода, который мы вдыхаем. Обычно вулканы выбрасывают огромные количества водяного пара, диоксида углерода и других газов: согласно некоторым оценкам, ежегодно они поставляют в атмосферу свыше ста двадцати миллионов тонн диоксида углерода.

Миллионы лет углерод попадает в атмосферу в составе вулканических выбросов, а затем постепенно возвращается на дно океанов в виде минеральных отложений, и цикл повторяется. Эта связь осуществляется посредством кислотных дождей, которые выводят углерод из воздуха и смывают в океан, где он включается в осадочные породы.

В этой цепи событий каждая стадия понятна, но конечный результат удивителен: выходит, что эрозия гор связана с климатом. Эрозия гор под действием кислотных дождей выступает в роли гигантской губки, собирающей углекислый газ. Снижение количества углекислого газа в атмосфере приводит к снижению температуры на планете. С другой стороны, события, повышающие содержание углерода в воздухе (усиление вулканической активности или замедление выведения углекислого газа из воздуха), очевидно, способствуют повышению температуры. При прочих равных условиях усиление эрозии снижает температуру, а ослабление эрозии ее повышает.

Круговорот углерода связывает горные породы с изменениями климата и в конечном счете объясняет парадокс Сагана о Солнце. Температура на планете сохраняется в узком диапазоне благодаря перемещению углерода между воздухом, дождем, горами и вулканами. При жаркой погоде усиливается эрозия горных пород, что активирует процесс выведения углерода из атмосферы и приводит к снижению температуры. Затем цикл идет в обратную сторону: снижение температуры ослабляет эрозию и увеличивает содержание углерода в атмосфере, что приводит к повышению температуры. Наличие жидкой воды на нашей планете возможно только благодаря этому равновесию. Иначе не было бы ни нас самих, ни окружающей среды, от которой мы зависим. Жидкая вода служит своеобразным индикатором вроде канарейки в шахте. Если жидкой воды слишком много или слишком мало, это указывает на долгосрочный сдвиг в функционировании планеты, на то, что у нее «жар» или «озноб».

Что же произошло около сорока миллионов лет назад, когда Земля стала замерзать у полюсов? Похолодание произошло в то же время, что и сильное снижение уровня углерода в атмосфере. Возникает вопрос: почему изменился уровень углерода?

Морин Раймо поступила в университет, чтобы изучать климат и влияющие на него геологические процессы. И, подобно Аррениусу, написала диссертацию, вызвавшую у рецензентов бурную реакцию. Один из них назвал работу «полной ерундой».

Путь Раймо начинался, как путь любого другого студента: она слушала лекции по основным дисциплинам, касающимся ее предмета. В 80-х годах на семинарах по геологии много говорили о связи температуры на Земле с балансом углерода. В классической статье Роберта Бернера, Антонио Ласаги и Роберта Гаррелса обсуждались химические детали этой зависимости. Для краткости статью называли BLaG — по первым буквам фамилий авторов. Все читали BLaG, все пытались сверять с BLaG свои гипотезы, хотя абсолютно все, включая авторов, понимали, что блестящая статья все еще требует детализации.

Раймо слушала обычный курс лекций, на которых излагались соображения BLaG. Кроме того, она слушала лекции об образовании рек и гор и о тектонических процессах. И, в отличие от остальных студентов-геологов, она сумела логически все это связать.

Известно, что резкое понижение температуры на планете началось сорок миллионов лет назад, но не был известен геологический механизм, вызвавший это изменение. Столь сильное похолодание могло быть вызвано лишь массированным выведением углерода из атмосферы, которое, в свою очередь, могло произойти только в результате какого-либо глобального изменения.

Раймо смотрела на глобус и вспоминала лекции по тектонике. Глобальное похолодание началось в период кардинального поворота в истории планеты. Именно тогда континентальная плита, в состав которой входил полуостров Индостан, перемещавшаяся к северу в течение сотен миллионов лет, въехала в Азию. Результат этого соударения можно сравнить со столкновением двух пачек бумаги на поверхности стола: бумага изгибается и задирается кверху. Аналогичным образом столкновение континентов привело к возникновению Тибетского нагорья и Гималаев.

Научный руководитель Раймо (не тот, который назвал ее работу ерундой!) размышлял, как новый горный хребет мог изменить направление ветров или способствовать усилению штормов. Раймо же заинтересовалась тем, как новый горный хребет и плато могли повлиять на температурный баланс на планете.

Тибетское нагорье — широкое пустынное пространство, состоящее практически из одних голых скал. Высота плато — больше трех с половиной тысяч метров. Здесь сконцентрировано свыше 82 % площади обнаженных каменных пород планеты. Появление такого горного массива привело к усилению эрозии его поверхности. Когда мы смотрим на Гималаи, большинство из нас видит череду мрачных гор, а Раймо увидела в них гигантский «пылесос», вытягивающий углекислый газ из атмосферы, и реки, уносящие углерод в океан. Вслед за снижением содержания углерода в атмосфере началось похолодание. Образование Тибетского нагорья охладило Землю, и произошло это в результате удаления углерода из воздуха за счет эрозии горных пород.

Теория Раймо объясняет множество фактов, но ее доказательство больше напоминает уголовный процесс на основании косвенных улик, а не строгий математический расчет. Решить вопрос можно только при наличии независимых подтверждений и доказательств. Раймо предсказала следующее: для подтверждения теории нужны инструменты, способные соотнести скорость подъема плато (и уровень эрозии) с количеством углерода в воздухе. В древних породах есть специфические высотометры — чувствительные к высоте растения. Во время подъема плато уровень углерода в воздухе упал, но мы все еще не можем с достаточной точностью соединить между собой все детали, чтобы доказать эту теорию. Еще предстоит ответить на вопрос, достаточно ли было эрозии Тибетского нагорья для изменения климата на Земле — или похолоданию способствовали какие-то другие механизмы.

Сорок миллионов лет назад карта Земли быстро менялась, а с ней и среда обитания живых существ. Столкновение Индии и Азии, возможно, повлекло за собой снижение уровня углекислого газа в воздухе и глобальное похолодание, однако более точный анализ временных закономерностей замерзания Антарктиды говорит о том, что вклад в этот процесс внесли и другие факторы. Сорок миллионов лет назад антарктические дождевые леса уступили место пейзажу, напоминающему пейзаж современной Южной Патагонии. Около тридцати миллионов лет назад флора и фауна начали беднеть, а двадцать миллионов лет назад здесь образовались первые постоянные ледники. Распространились карликовые растения, как в современной тундре. А десять миллионов лет назад в Антарктиде уже царило опустошение.

Взглянув на физическую карту, вы заметите, что Северное полушарие окрашено в основном в коричневый цвет (это суша), а Южное полушарие — в голубой (это океан). Северное полушарие сложено из крупных, связанных друг с другом континентов, а Южное образовано бескрайним океаном. В этом простом наблюдении кроется ключ к загадке замерзания планеты, исчезновения жизни в Антарктиде и изменений климата на протяжении большей части истории человечества.

К началу 70-х годов XX века, когда движение тектонических плит стало признанной реальностью, почти неизведанным оставалось большое водное пространство — южные океаны, прославленные Робертом Ф. Скоттом, Эрнестом Шеклтоном, Руалем Амундсеном и другими путешественниками. Бурные воды этих океанов разделяют лишь айсберги и голые скалистые острова. Широты от 40 до 70 градусов получили соответствующие прозвища: «ревущие 40-е», «неистовые 50-е» и «гремящие 60-е». Океаническое дно в этих районах было исследовано в последнюю очередь — из-за течений и ветров, сильно затрудняющих плавание.

Закончив составление карт дна Атлантического и Тихого океанов, специалисты, помогавшие еще Хейзену и Тарп, занялись изучением южных морей. В 1972–1976 годах были взяты пробы подводного грунта в двадцати шести местах. В каждом из этих мест, намеченных заранее с помощью морских карт, на поверхность были подняты керны грунта. Каждый образец подвергли химическому анализу для определения его возраста и происхождения. Были составлены такие же карты дна южных морей, как десятью годами ранее Мэри Тарп и Брюс Хейзен составили для Атлантики.

Анализ грунта южных морей изменил представления об этих местах. Антарктида как кольцом окружена гигантской рифтовой долиной с расплавленными внутренностями. Как и рифтовая долина на дне Атлантического океана, это место является центром образования нового океанического дна и центром расширения земной коры. Загадка формы континентов и обнаруженного Колбертом листрозавра разъяснилась: когда-то вся южная часть земного шара была единой сушей, сложенной из современных Антарктиды, Австралии, Южной Америки и Африки. Знакомых нам океанов тогда не было. Затем вокруг Антарктиды зародилось кольцо вулканов, и суперконтинент расщепился. Его части стали удаляться друг от друга. Одновременно произошли три события: Африка, Австралия и Южная Америка сдвинулись к северу; Антарктида осталась в одиночестве на Южном полюсе; возникли океаны, разделившие южные континенты. Ни одно из этих изменений не предвещало ничего хорошего для обитателей Южного полюса.

Изоляция вредна не только для человека, но и для континентов. Океаническое течение, так досаждающее морякам, огибает Антарктиду с востока на запад. Оно появилось тогда, когда для него освободилось место — после расхождения континентов. Океанические течения прекрасно переносят тепло. Например, Великобритания находится на одной широте с северной частью Лабрадора. Но в одном из этих мест умеренный климат, а в другом довольно холодно. Почему? Своим мягким климатом Великобритания обязана теплым течениям, поднимающимся от экватора, а в западной части Атлантики таких течений нет. Пока Антарктида не была отделена от других континентов, океанические течения с экватора приносили сюда тепло, но после разделения суши теплое течение исчезло, уступив место круговому. Это и заморозило Антарктиду: все тепло просто улетучилось. Жизнь на континенте буквально замерзла насмерть (кроме той, что успела перебраться в более теплые края).

Переустройство карты мира изменило климат. Движение континентов и расширение морского дна привели к изменению течений, увеличению интенсивности эрозии и снижению уровня углерода в атмосфере. Все это привело к гибели континента. Последствия этого мы видим повсюду.

Мы это видим

Люди — зрячие существа, способные различать закономерности в этом запутанном мире. Полярные летчики вроде Пола Таджа научились различать объекты с воздуха. Дети умеют находить рисунок в замысловатой ряби пазла, рыбаки умудряются видеть тени рыб, а врачи-рентгенологи спасают жизни, дешифруя тени на рентгеновских снимках. Наш вид смог выжить благодаря способности находить порядок в окружающем нас хаосе. Эта способность обеспечивается слаженным действием наших глаз и мозга: вместе они помогли нам научиться видеть, выживать и процветать.

Мы живем в невероятно пестром мире и при этом часто забываем, что различаем лишь малую часть цветовой палитры. До нас доходит свет в широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до инфракрасного. Но даже такие приспособления, как очки ночного видения, позволяют лишь в малой степени уловить скрытые от нас части спектра. Другие животные различают свет в более широком диапазоне. Птицы и некоторые виды рыб различают гораздо больше оттенков синего цвета. Каждый вид, будь то орел, форель или человек, настроен на восприятие мира особым образом. Наша способность восприятия сформировалась под влиянием тех сил, что заморозили полюса Земли.

В глубине глаза человека и других млекопитающих расположена сетчатка размером с почтовую марку, которая воспринимает свет через хрусталик. В сетчатке около пяти миллионов специализированных клеток — маленьких приемников, способных воспринимать красный, желтый и синий: три основных составляющих видимого света. Этой способностью клетки обязаны особым белкам, которые меняют форму под действием света с соответствующей длиной волны. Клетки сетчатки могут распознавать около сотни цветов. В головном мозге эти сигналы соединяются, что позволяет нам различать палитру примерно из 2,3 миллиона оттенков.

Наши ближайшие родственники в Старом Свете — шимпанзе, гориллы, орангутаны и другие обезьяны — распознают те же цвета, что и мы. Наши глаза имеют очень похожее строение, и воспринимать цвет нам помогают одни и те же белки сетчатки. Наши более дальние родственники среди приматов, как те, что живут в Южной Америке, имеют другое зрение: самцы некоторых видов цвета не различают. Уже в XIX веке ученые знали о расщеплении ветви приматов: все обезьяны Старого Света обладают полноценным цветовым зрением, а их родственники из Нового Света этой способности лишены. Есть ли какие-либо особенности в образе жизни обезьян, объясняющие это различие?

Первая подсказка была получена благодаря удивительному открытию. Южноамериканские обезьяны-ревуны, как следует из их названия, прославились особой манерой общения. Великий натуралист Александр фон Гумбольдт, описавший их в XIX веке, отмечал, что ревуны отличаются от прочих приматов «глазами, голосом и печальным видом». Ученые, изучавшие поведение этих обезьян в 90-х годах XX века, обнаружили, что, в отличие от других южноамериканских обезьян, они обладают таким же полноценным цветовым зрением, как и люди. С этим связано принципиальное различие в характере питания ревунов и их южноамериканских родственников. Все другие обезьяны едят в основном фрукты, а ревуны питаются листьями.

Это наблюдение подтолкнуло студента Натаниэля Домини, бывшего футболиста из Университета им. Джона Хопкинса, к размышлениям о происхождении цветового зрения. Может быть, история с ревунами отражает общее правило, и принципиальное различие в рационе объясняет различия в цветовом восприятии у разных ветвей приматов?

Национальный парк Кибале на западе Уганды располагается в зоне богатых вечнозеленых и листопадных лесов. Здесь живут леопарды, птицы-носороги и лесные слоны (необычно маленькие и волосатые). Еще здесь обитает множество приматов — целых тринадцать видов, в том числе шимпанзе. Кибале служит домом и четырнадцатому виду приматов — человеку, причем многие представители этого вида живут на биостанции Университета Макерере и изучают своих диких родственниковприматов. В 1999 году здесь работал и Домини. Его единственной задачей было наблюдать за тем, как едят обезьяны.

У Домини и его научного руководителя Питера Лукаса имелся план: они собирались пронаблюдать за каждым видом приматов и в точности зафиксировать, сколько, чего и когда они едят. Если у обезьян были какие-либо закономерности в способах питания, ученые должны были это заметить. У научной группы имелась и переносная лаборатория, которую они описали позднее в статье «Полевой набор для анализа физических, химических и пространственных характеристик пищи приматов». В этот набор, умещавшийся в рюкзак, входило устройство для определения жесткости пищи, спектрометр для измерения цвета и основных питательных свойств пищи, а также ряд других приспособлений для описания внешнего вида и веса всего, что ели обезьяны.

Домини, Лукас и их помощники десять месяцев наблюдали за приматами. Когда им не мешали бандиты или террористы (один раз ученые вынуждены были скрываться в американском посольстве в Уганде), исследователи работали круглосуточно (в общем счете проведя за наблюдениями 1170 часов). Они обнаружили, что обезьяны употребляли в пищу 118 видов растений.

Обработав результаты, ученые нашли закономерность. Животные, обладающие цветовым зрением, питаются преимущественно листьями, цвет которых варьирует от красноватого до зеленого. Причем оказалось, что обезьяны успешно отбирают листья, отличающиеся наибольшим содержанием белка при наименьшей жесткости. Их мамочки, должно быть, довольны: дети едят полезную и легко перевариваемую пищу. Ну а главный признак, по которому такие листья можно отличить от остальных — красный цвет — заметен только животным с полноценным цветным зрением.

Домини и его коллеги выдвинули гипотезу: цветовое зрение позволяет животным выбирать из многих видов листьев самые питательные. Эта способность развилась тогда, когда изменение климата повлекло за собой изменение растительности.

Дополнительную информацию о появлении цветового зрения можно получить исходя из анализа ДНК. У млекопитающих, не обладающих цветовым зрением, всего два белка, воспринимающих цвет, а у нас и у человекообразных обезьян Старого Света таких белков три. В 1999 году, когда уже были достигнуты значительные успехи в технологиях изучения ДНК, был проведен сравнительный анализ последовательности и структуры этих белков. Внутри белковых последовательностей оказался спрятан главный ключ к разгадке происхождения цветового зрения. Три белка, позволяющие нам видеть мир в цвете, являются дубликатами двух белков других млекопитающих. Сравнивая последовательности старых и новых копий, можно определить, когда произошло удвоение. Все виды с тремя генами происходят от общего предка, жившего 30–40 миллионов лет назад. Именно тогда у наших ближайших предшественников, человекообразных обезьян, появилось цветовое зрение.

А на Земле в это время стало холоднее. В Арктике и Антарктике леса стали исчезать, а на смену им пришли льды. Широко распространились травы. Плодовые пальмы и фиговые деревья, распространенные в Вайоминге и других теплых районах, постепенно исчезли, уступив место лиственным деревьям с жесткой или мягкой, питательной или несъедобной листвой. Столь необходимое теперь приматам Уганды цветовое зрение обеспечило их предкам успешное развитие в период глобального похолодания. С холодами появилась новая флора, что сделало способность различать цвета более ценной.

Пол Тадж разглядел стволы деревьев на необъятных просторах, палеонтологи находят малюсенькие окаменелости среди груд камней, а наши предки-приматы пережили глобальное изменение климата благодаря своей способности находить съедобные листья. Каждый раз, когда вы любуетесь каким-либо цветным изображением, вы должны благодарить Индию, въехавшую в Азию, континенты, отделившиеся от Антарктиды, и обледенение полюсов. Все эти события оказались взаимосвязанными благодаря круговороту углерода.

Мне казалось, что наш самолет вот-вот рухнет. При таком сильном встречном ветре восьмисоткилометровый путь из Рейкьявика, столицы Исландии, к месту назначения в отдаленной восточной части Гренландии мог занять целый день. «Де-Хэвиленд Твин Оттер», на котором мы летели — рабочая лошадка Арктики. Самолет развивает скорость до 80 км/ч и может приземлиться даже на малюсеньком участке каменистой тундры или льда в самых отдаленных уголках Арктики. Скрючившись в пространстве, едва способном вместить четырех членов экспедиции, пилотов и багаж, я пытался вообразить, как первые исследователи Арктики — те самые, кто в XIX веке пришел сюда в шерстяной одежде, кожаных ботинках и с одной только солониной, — чувствовали себя, впервые попав на Север. При небыстром полете, сидя у окна, я мог все как следует рассмотреть.

По мере продвижения к северу ландшафт меняется: растительность исчезает, льда становится больше. В море попадаются айсберги, а дальше лед закрывает воду сплошным панцирем. С высоты трех тысяч метров лед кажется то ослепительно белым, то голубым, то синим, то зеленым. И таких форм он не образует больше нигде на Земле: иногда это ровные кубы, иногда — длинные бруски или кристаллы, похожие на алмазы.

При медленном приближении к Гренландии на небольшой высоте кажется, что лобовое стекло все время затянуто дымкой. Когда вы подлетаете ближе, дымка оказывается гигантским ледяным пространством, развернувшимся настолько широко, насколько хватает глаза. Центр острова занят одним из самых крупных на планете ледников. Этот ледяной щит поднимается в высоту почти на два километра и уходит на несколько километров в глубину, а по площади он сопоставим с Техасом. Коренная порода выходит на поверхность лишь на прибрежных скалах. Вся остальная поверхность острова погребена под толстым слоем льда. Этот ледяной щит — безжизненная пустыня, которую лишь изредка беспокоят люди.

В 50-х годах в этом царстве льда была отмечена необычная активность. Гренландия в годы холодной войны приобрела стратегическое значение. В северной части острова американские военные начали реализацию секретного проекта Iceworm (название вполне в духе «Доктора Стрейнджлава»)[4].

План, состряпанный где-то в тридцатикилометровых коридорах Пентагона, предусматривал размещение в Северной Гренландии, в толще льда, шестисот ядерных боеголовок. Эти бункеры должны были соединяться туннелями, образующими подземный город — Кэмп-Сенчури (Camp Century).

Работы по реализации секретного проекта начались в 1959 году. С помощью тяжелой техники, привезенной по воздуху с южных баз, прорыли двадцать один туннель. В лучшие времена подледный город населяли двести человек. Там имелись магазин, госпиталь, театр, даже церковь. Электричеством Кэмп-Сенчури обеспечивал первый в мире переносной ядерный реактор Alco PM-2А. Тепло реактора расплавляло лед, и вода шла в дело. Это самодостаточное и почти исключительно подледное поселение напоминало муравейник.

На пике активности главная «улица» Кэмп-Сенчури тянулась на триста метров. К 1969 году эта зона была раздавлена льдом.

Кэмп-Сенчури находился на достаточно близком расстоянии для нанесения удара по СССР и представлял собой идеальную военную базу. План работал отлично, за одним исключением: лед двигался. К 1966 году стало ясно, что двигался он настолько активно, что разрушал туннели и уничтожал дорогостоящее оборудование. На современных фотографиях видны изуродованные машины и брошенные жилища — все, что осталось в древних льдах от больших человеческих планов.

Работа в лагере все-таки имела определенную ценность, хотя и совсем не такую, на которую рассчитывал Пентагон.

Летние каникулы, изменившие мир

Жан Луи Родольф Агассис родился в 1807 году. Природа наградила его обаянием, умом и безудержным стремлением к познанию природы. В детстве он собирал коллекцию животных и растений, тщательно зарисовывая все их части и органы. Он верил: чтобы понять, нужно смотреть, и этот принцип стал основой его научной деятельности. Заметив склонности сына, проявившиеся в самом раннем возрасте, родители решили отдать его в обучение к дяде, у которого было свое дело. Родители хотели, чтобы Луи вырос «деловым человеком», а не коллекционером жуков и камней. Но они недооценили обаяние своего ребенка. Юный Агассис не смог реализовать родительские планы. Он уговорил одного из учителей упросить родителей оставить его в школе, чтобы, как он высказался позже, он мог стать «литератором».

Когда Луису не было еще двадцати, он и его брат учились в Цюрихе, за сто пятьдесят километров от дома. Однажды они вынуждены были идти домой пешком, пока один состоятельный швейцарец не подвез их. Этот человек был настолько поражен сообразительностью Агассиса, что позднее написал письмо его родителям с предложением оплатить дальнейшее обучение юноши. Так начался путь Агассиса в науке, который в итоге привел его в США, где он принял участие в организации двух главных научных центров страны — Музея сравнительной зоологии в Гарварде и Национальной академии наук.

В 1837 году у Агассиса уже была семья. На летние каникулы они отправились в живописный городок Бекс. Городок расположен на берегах одного из притоков Роны и с востока и запада ограничен Альпийскими горами. Здесь действует последняя в Швейцарии соляная шахта. Узенький поезд спускает туристов на десятки метров под землю. Туннель был проложен в 20-х годах XIX века для добычи соли, которая в те времена ценилась буквально на вес золота. Когда Агассис посетил шахту, она была совсем новой, и директору доставляло большое удовольствие показывать отдыхающим местные геологические достопримечательности, которых в этой части Альп великое множество.

Незадолго до визита Агассиса директор шахты и его знакомый обнаружили в горах кое-что загадочное и теперь страстно желали узнать мнение знаменитого гостя по поводу своих находок. Они нашли гигантские валуны, некоторые размером с фургон. Причем эти валуны состояли совсем не из той породы, из которой были сложены окрестные горы. Ближайшие горы, в которых можно было найти такие камни, отстояли на сотни километров. Валуны как-то переместились, но как? При внимательном изучении валунов обнаружились интересные детали.

Луи Агассис

Поверхность камней была покрыта отметинами, как будто сделанными киркой. И отметины эти шли не вкривь и вкось, а параллельно. Еще более загадочная картина открывалась на окрестные долины с высоты. Каждая долина была окружена грядами гальки, смятыми, как будто по ним прошлись плугом. Какая-то сила двигала эти камни. Но какая?

Потоки воды не могли этого сделать. Такой сильный разлив рек, который передвинул бы валуны, оставил бы в местном пейзаже и другие недвусмысленные следы. Версию о человеческом вмешательстве также следовало отбросить. Оставалась одна возможная причина: лед.

Во время визита Агассиса лед в этих местах имелся только в высокогорных ледниках. Но что если раньше все было иначе и когда-то лед покрывал и долины? Если лед поднимался и опускался, валуны могли двигаться вместе с ним, а галька могла собираться в груды и оставлять на валунах царапины.

Для Агассиса, чьим девизом было: «Учись, наблюдая», та поездка стала настоящим откровением. Движение льда прекрасно объясняло загадки швейцарских гор: борозды на камнях рассказывали ту же историю, что и горы гравия, да и сама форма долин. Но Агассиса вдохновила идея еще более глобальная. Путешествуя, он обнаружил, что подобная картина наблюдается не только в Альпах, но и в других уголках Европы, даже на Средиземноморье. Движение льда не ограничивалось кантонами Швейцарии, а охватывало практически всю Европу.

Без ведома своих знакомых из Бекса Агассис решил проверить их догадку. В 1840 году он опубликовал книгу «Учение о ледниках», которую посвятил им. В книге он утверждал, что в какой-то момент ледники распространились от Северного полюса до Средиземного моря, а затем отступили, но лишь для того, чтобы вернуться. Один из друзей предложил назвать периоды похолодания «ледниковыми».

Личное обаяние Агассиса помогло ему убедить научные светила того времени в справедливости своей идеи. Он отвозил желающих посмотреть на камни, как когда-то его знакомые отвели его самого, побуждая увидеть ледниковое прошлое. Потребовалось множество поездок и еще больше аргументов, но Агассис не отступил. Постепенно теория ледниковых периодов завоевала широкое признание.

Красота этой теории в том, что, как и большинство значительных научных идей, она позволяет делать специфические предсказания. Идею Агассиса можно проверить путем изучения горных пород в разных точках планеты. Экзотические валуны, насыпи и борозды на камнях должны встречаться достаточно часто. Но задача не только в том, чтобы обнаружить закономерности, но и в том, чтобы их объяснить.

Проблема как раз и состояла в том, что никто из последователей Агассиса не мог объяснить механизм возникновения ледниковых периодов. Более того, эта идея не согласовывалась с догмой об охлаждении Земли с течением времени. Если Земля охлаждается, ледники должны не сокращаться, а расширяться. А слои гравия и валуны, обнаруженные Агассисом, указывали не на единичное событие, а на многократное повышение и понижение температуры на Земле. Почему же ледники то наступали, то отступали?

Танцы со звездами

Джеймс Кролл (1821–1890) родился и вырос на ферме в Шотландии. Он не получил формального образования. Подобно Агассису, он жил, чтобы мыслить. Его занимали великие идеи и загадки. Чтобы как-то существовать, он пытался продавать страховые полисы, но, поскольку он не умел ладить с людьми, с работой он не справлялся. Тогда он открыл чайный магазин. Хотя и здесь ему не удалось совершенно оградить себя от общения, теперь у него оставалось много времени для учебы. А учиться он любил.

Взгляните на известную фотографию: мысли этого человека очень далеко, голова занята решением сложнейшей математической задачи. Его рот, с характерным выражением шотландского упрямства, не способен улыбаться. Шуток от такого человека не дождаться. Зато Кролл умел сосредоточиться, и это умение вкупе со страстью к учению позволяло ему целый год читать одну книгу. Нередко он целый день просиживал над одной страницей, вникая в какую-нибудь проблему. Им двигало желание докопаться до самой сути. Он не мог просто разглядывать мир. Он должен был понять, как мир устроен.

Джеймс Кролл. Думает он явно не о чае.

Ледниковые периоды Агассиса представляли собой прекрасную задачу. Подход Кролла к ее решению полностью отличался от подхода Агассиса. Кролл любил ставить фундаментальные вопросы, как то: «В чем причина?» И вот он взял блокнот и перо. В поисках причины ледниковых периодов он задумался о тех факторах, которые влияют на количество тепла на Земле. Источником большей части тепла является Солнце. Может быть, какие-то регулярные изменения солнечного света способствуют наступлению ледниковых периодов?

Вскоре Кролл прочел статью одного блестящего французского ученого, которая навела его на мысль. Регулярное изменение земной орбиты могло изменять количество поступающего на Землю тепла. Земля вращается вокруг Солнца, и от оси ее наклона зависит смена времен года. На орбиту Земли также влияет расположение других крупных небесных объектов, таких как Марс, Юпитер, Венера и Сатурн, которые вращаются вокруг Солнца. Когда они приближаются к Земле, изменяется орбита и наклон оси нашей планеты. За период в несколько тысячелетий орбита Земли изменяется, влияя на количество солнечного света, обогревающего планету. Кролл решил, что ледниковые периоды происходят периодически в те моменты, когда из-за изменения своей орбиты Земля получает меньше тепла от Солнца.

Так была выдвинута предсказательная гипотеза: ледниковые периоды наступают через определенные интервалы, зависящие от изменения орбиты планеты. К сожалению для Кролла, его гипотеза не получила развития. У него не было никакой возможности соотнести время наступления ледниковых периодов с изменением земной орбиты, и его гипотеза осталась лишь гипотезой.

Спустя несколько десятилетий после смерти Кролла молодой сербский инженер решил применить свои блестящие математические способности, которые очень помогали ему в строительстве, к устройству Вселенной. Свою цель он сформулировал в виде тоста, который произнес, попивая с другом-поэтом вино в белградском кафе. Когда поэт поднял бокал и заявил: «Я хочу описать наше общество, нашу страну и нашу душу», инженер ответил: «Я хочу большего. Я хочу понять всю Вселенную и осветить ее самые отдаленные уголки».

Вскоре после этого гордого заявления Милутин Миланкович сменил работу. Он оставил свою строительную фирму и начал преподавать в Белградском университете. Скромностью он не отличался и объявил во всеуслышание, что объяснит все загадки планеты исключительно с помощью математики. Его ближайшая задача заключалась в расчете глобального климата.

Милутин Миланкович

И не только климата Земли: он хотел создать математическую теорию, описывающую климат во всех точках на поверхности Земли и других планет Солнечной системы.

Такое заявление удивило некоторых его коллег: зачем рассчитывать температуру на Земле, если ее можно просто измерить с помощью метеорологических станций? Миланкович отвечал, что если с помощью карандаша, бумаги и математики ему удастся предсказать температуру, то станут полностью понятны причины, вызывающие ее изменение. И занялся изучением планетарных ритмов, так привлекавших Кролла.

Логично было начать с результатов Кролла. Но Миланкович добавил к ним принципиально новые идеи. Используя расчетные значения для орбит, аналогичные тем, что использовал Кролл, Миланкович попытался выяснить, как солнечный свет может изменять температуру на планете. Чтобы найти эту связь, он смоделировал несколько путей переноса тепла из океанов в атмосферу и обратно. Блестящий математик смог рассчитать амплитуду температурных изменений в разное время года и сделал удивительно точные предсказания.

Циклы Миланковича складываются из изменений наклона оси Земли, ее колебаний и формы орбиты при вращении вокруг Солнца.

Характер вращения Земли меняется тремя основными способами. За сто тысяч лет орбита превращается из овальной почти в круговую. За сорок одну тысячу лет наклон земной оси изменяется на два градуса (туда и обратно). Наконец, за девятнадцать тысяч лет совершается цикл прецессии Земли (направление земной оси описывает круг, как у вращающегося волчка).

Миланкович понял, что это не очень большие изменения, которые не могут серьезно повлиять на количество получаемого Землей тепла. Что может меняться (как прекрасно продемонстрировали его уравнения), так это длительность и выраженность времен года. Причина проста: если смена сезонов определяется наклоном земной оси и вращением Земли вокруг Солнца, то изменение формы орбиты и ориентации планеты влияет на тепло лета, холод зимы и то, что происходит меж ду ними.

Камни рассказали о существовании ледниковых периодов. Математические расчеты показали, что климат на Земле может меняться циклически, в зависимости от изменения ее орбиты. Но связаны ли между собой ледниковые периоды и изменение орбиты Земли? На этот вопрос наука ответила на новом этапе своего развития.

В поиске доказательств

В работе над «Манхэттенским проектом» уникальным образом соединились усилия ученых нескольких стран. После Второй мировой войны правительство США столкнулось с проблемой из разряда тех, которые решать приятно. От Нью-Мексико до Нью-Йорка действовало несколько чрезвычайно сильных научных групп, не имевших общей инфраструктуры. Более того, теперь у них больше не было общей цели (вроде создания атомной бомбы), зато имелось много разных. Не желая упускать таланты и желая сохранить высочайший уровень развития физики в стране, американское правительство поддержало организацию нескольких новых лабораторий, включая лабораторию

в Чикагском университете. Там работала группа ученых под руководством Энрико Ферми, осуществивших первую управляемую цепную ядерную реакцию (сейчас на месте, где находился первый ядерный реактор, установлена скульптура Генри Мура «Ядерная энергия»). После войны правительство помогло университету организовать несколько институтов для изучения важнейших химических и физических проблем. Одна из таких проблем — история нашей планеты.

Уиллард Франк Либби и Гарольд Клейтон Юри — двое из тех, кто воспользовался переходом от военных исследований к мирной науке в Чикаго — разделяли одну страсть и одну веру. Они стремились к знаниям. А верили они в то, что ключ к разгадке истории планеты (и даже Солнечной системы) можно отыскать в строении отдельных атомов: в электронах, протонах и нейтронах.

Изучение структуры атома привело к созданию новых инструментов, позволяющих определять концентрацию частиц с точностью до нескольких частей на миллиард. При таком разрешении можно было попытаться получить новые ответы на старые вопросы.

Либби заплатил двум молодым ученым пять тысяч долларов и предложил им заняться изучением форм углерода. Подобно большинству атомов, углерод встречается в природе в виде нескольких разных изотопов. Все атомы углерода имеют в ядре одинаковое число протонов. Разница в том, сколько в ядре нейтронов. Либби догадался, что все живые существа должны иметь такую же долю атомов углерода-14, как и в атмосфере. Живые существа дышат, едят и пьют, захватывая при этом атомы углерода, и поэтому в их организмах должен соблюдаться такой же баланс изотопов углерода, как и в воздухе. Когда организм умирает, равновесие с атмосферой нарушается: новые атомы углерода больше не поступают в организм, а те, что остались, начинают превращаться в другие формы.

Как и в случае других атомов, эта реакция происходит с постоянной скоростью, определенной физико-химическими законами. Зная это, Либби предположил, что измерение содержания углерода-14 в древних костях позволит определить приблизительное время смерти животного. Это было серьезным прорывом: как будто в древних костях, зубах, раковинах или древесине были обнаружены идущие часы.

Гарольд Юри из соседней лаборатории считал, что атомы могут явиться ключом к пониманию истории планеты, Солнечной системы и всей Вселенной. Одним из главных объектов восхищения Юри был кислород. Этот крошечный атом, являющийся очень важным элементом воздуха, воды и костей, имеет несколько свойств, которые открывают окно в прошлое и в бесконечный мир вокруг нас.

Юри знал, что кислород, как и углерод, встречается в виде более тяжелых изотопов с большим содержанием нейтронов и в виде легких изотопов, в которых нейтронов меньше. Исключительно из теоретических соображений он предположил, что соотношение этих форм в любом веществе зависит от температуры. Идея эта родилась вовремя, поскольку уже существовали инструменты, позволявшие проверить ее экспериментальным путем.

И все получилось: соотношение тяжелых и легких изотопов кислорода в веществе действительно зависит от температуры. Для Юри и его группы этот успех означал, что путем измерения содержания разных форм кислорода в веществе (например, в воде или костях) можно определить температуру среды в процессе образования этого вещества. Проблема заключалась лишь в том, чтобы найти в геологической летописи правильные данные, с точностью указывающие на климатическое состояние Земли в разные эпохи. Только тогда инструменты, предложенные Либби, Юри и их коллегами, смогли бы свести причину со следствием.

Морские раковины прочны и очень долго сохраняются, поскольку в их составе имеется кристаллическое вещество карбонат кальция. Это соединение, столь важное для обеспечения твердости раковин, содержит кислород. Юри и другие ученые понимали, что раковины морских животных формируются из атомов и молекул, находящихся в морской воде во время жизни животного. Таким образом, относительное содержание различных форм кислорода в раковинах может отражать температуру воды в то время, когда жили их обитатели. Поскольку раковины очень хорошо сохраняются, они могут содержать подробную летопись событий далекого прошлого.

Воспользовавшись изотопами кислорода как термометром, а изотопами углерода в качестве хронометра, а также руководствуясь регулярным расположением геологических слоев, ученые принялись изучать климатические изменения во время ледниковых периодов.

Стотысячелетний цикл изменений формы земной орбиты: ледниковые периоды обычно наступают при эксцентрическом положении Земли.

Одна группа исследователей проследила за изменениями температуры по весьма представительному собранию раковин. Морское дно — идеальная среда: здесь слой за слоем оседают из толщи воды частицы вещества. Анализируя состав кислорода в раковинах внутри слоев, ученые смогли в общих чертах описать изменения климата. Оказалось, что температура на планете то повышалась, то понижалась: пики высоких температур чередовались с долинами низких. Но эти изменения не были хаотическими. Если внимательно изучить графики, можно обнаружить, что пики и провалы повторяются каждые сто тысяч лет. Именно это число прежде называл Милутин Миланкович. В результатах работ других групп также стало появляться число 100 000. Может быть, события на Земле и в самом деле зависят от космических процессов?

Проблема заключалась в запутанности данных. На графиках зависимости температуры от времени было множество пиков, а не только те, что повторялись с периодичностью сто тысяч лет. Тогда один английский и два американских ученых решили применить метод анализа, разработанный одним из советников Наполеона в Египте. Этот чиновник от скуки решил заняться изучением теплоты и законов ее передачи между различными материалами. Эта работа чрезвычайно помогла ученым спустя сто лет. Однако помог им не анализ свойств теплоты, а математический метод, разработанный наполеоновским чиновником. Если у вас есть некий очень сложный график, то, возможно, эта сложность является результатом наложения нескольких независимых колебательных процессов. Математический метод, известный теперь (по имени автора) как преобразование Фурье, позволяет разделить сложную зависимость на несколько регулярных и более простых.

Благодаря этому несложному аналитическому аппарату набор данных перестал выглядеть хаотично, а приобрел глубокий смысл. Это было наложение ритмических процессов с цикличностью в сто тысяч, сорок тысяч и девятнадцать тысяч лет. Миланкович и Кролл оказались правы: ледниковые периоды во многом связаны с орбитой, углом наклона оси и вращением Земли.

Графики изменений климата с пиками и провалами, отражающими подъемы и падения температуры за миллионы лет, напоминают электрокардиограмму человека. Сердце Земли стучит уже много лет, соответствуя ритму изменения земной орбиты, а также действию воды и воздуха. До глобального похолодания сорок пять миллионов лет назад, которое так заинтересовало многих ученых, включая Морин Раймо, эти изменения орбиты редко приводили к ледниковым периодам. Но позднее колебания орбиты стали вызывать наступление и отступление полярных льдов. И эти полярные льды преподнесли сюрпризы.

В 1964 году, на пике активности в Кэмп-Сенчури, датский геолог Вилли Дансгор посетил Туле (самую крупную авиационную базу региона, снабжавшую лагерь), чтобы изучить местный снег. До этого Дансгор провел некоторое время в Чикаго и даже поработал в лаборатории Юри. Тамошние студенты запомнили его тягу к холоду: долгими чикагскими зимами он оставлял окна открытыми.

Прибыв на базу, он услышал о военном городке в сотне километров к востоку. Он попросил разрешения посетить КэмпСенчури, но ему отказали ввиду чрезвычайной секретности операции. И все же в качестве руководителя лаборатории армии США по изучению холодных регионов ему удалось получить доступ к глыбам древнего льда, которые вынимали, чтобы освободить пространство для города. Может быть, именно в этом льде найдутся ответы на вопросы об изменениях земного климата?

Всю жизнь Дансгор мечтал увидеть большой непотревоженный столб льда, и теперь у него перед глазами лежали самые полные из когда-либо виденных им ледяных колонн. Дансгор сразу же отметил две особенности. Во-первых, лед переливался разными цветами, от зеленого до голубого. Во-вторых, колонны льда состояли из толстых, тонких и средних слоев. Практически все компоненты воды и воздуха попадают в лед. В лед вмерзают частицы всех размеров и видов — не только семена, растения, зола, но и обломки самолетов времен Второй мировой. Атмосферный воздух остается во льду в виде пузырьков. А сами слои льда могут отражать смену времен года. Арктическая зима темная и холодная, а лето яркое и сравнительно теплое. Солнце топит лед, вода приносит с собой осадки, поэтому летние слои льда темнее и грязнее зимних. Одни слои могут быть темнее других из-за принесенной ветром пыли. Лед захватывает много всего и является очень ценным источником информации об изменениях климата.

Дансгор применил к ледяным глыбам Гренландии метод Гарольда Юри. Поскольку объектом исследования были не раковины, а лед, методика требовала некоторой коррекции, но Дансгору удалось понять заключенную во льде информацию об изменениях климата. Дансгор измерил содержание кислорода вдоль столба льда с глубины более восьмисот метров — примерно сто тысяч лет истории. Он обнаружил заметное похолодание семнадцать тысяч лет назад — это был ледниковый период, впервые замеченный Агассисом. Кроме того, он увидел потепление около полутысячи лет назад. А еще он обратил внимание на холодный период, продолжавшийся с 1700 по 1850 год, когда в большей части Европы установились холода, а Ханс Бринкер[5] катался на коньках по каналам Амстердама.

Исследование Дансгора не позволило получить более подробную информацию, поскольку лед, который он изучал, был извлечен для размещения ракет и строительства церквей. Лед для научных исследований нужно извлекать, разделять и хранить так, чтобы сохранялись длинные неповрежденные участки. Таким образом, для более полной картины нужны были новые керны. И если обнаруженные Дансгором закономерности были справедливы, их следовало проверить на льде из других мест — с обоих полюсов и с горных вершин на различных континентах.

Для получения «правильных» кернов требуется согласованная работа инженеров и ученых, а также поддержка правительств тех стран, на территории которых располагаются ледники. А это недешево: нужно наладить оборудование и поселить людей в самых отдаленных уголках Земли. Начиная с 70-х годов, было извлечено несколько кернов льда, самые полные из которых получены в Гренландии, Антарктиде и нескольких крупных горных ледниках в разных точках мира.

Подробный анализ льда и климата преподнес сюрпризы. Климат на Земле в последние сто тысяч лет менялся чаще, чем думали до сих пор. Ледниковые периоды не были просто затяжными холодами: они прерывались потеплениями. А в теплые периоды случались похолодания. Это свидетельствует о том, что климат на Земле зависит от теплового баланса планеты — от количества солнечного тепла, попадающего на Землю, количества отдаваемого Землей тепла, а также от перераспределения тепла между океанами, сушей, воздухом и льдом. Как в музыке: музыкальную композицию можно воспринимать как нечто единое, но можно и разложить на ритмы и мелодии, исполняемые инструментами в соответствии с их собственными партиями. Основную роль в формировании климата играют изменения орбиты, обнаруженные Миланковичем. Другие факторы — перемещение тепла океаническими течениями, ветрами и льдом. В результате образуется система с долгосрочным общим ритмом и короткими ритмическими фигурами.

Примером такой ритмической фигуры может служить изменение климата в конце последнего ледникового периода (около двенадцати с половиной тысяч лет назад). Все факторы в то время располагали к теплой погоде, и вдруг за какие-то десятилетия резко похолодало. Как показывает анализ пыльцы, содержания кислорода и других параметров, во всем мире температура понизилась в среднем на пятнадцать градусов всего за десятилетие. Если долгосрочные графики изменения климата сравнивать с электрокардиограммой, такой скачок должен быть приравнен к всепланетному сердечному приступу. Если повышение или понижение температуры всего на два-три градуса приводит к изменению береговой линии и соотношения пахотных земель и пустынь, то какими же могут быть результаты скачка температуры на целых пятнадцать градусов!

Семена перемен

Земная орбита, климат и лед во все времена определяли расселение живых организмов по планете. Глобальные изменения климата разделяли популяции на группы, между которыми пролегали ледяные пустыни, или же открывали новые возможности для миграции, позволяя достичь прежде недоступных уголков. Анализ ДНК американских индейцев говорит о том, что все они являются потомками одного мужчины, который пересек Берингов пролив по льду, образовавшемуся во время последнего ледникового периода. На генеалогическом древе европейцев лед тоже оставил свои следы. ДНК многих европейцев происходит от популяций, прежде населявших территорию современной Украины, а после ухода льдов во время последнего ледникового периода расселившихся по другим местам. Следы этих событий сохранились в ДНК разных человеческих популяций.

Однако некоторые популяции не изменялись, а исчезали. Конец последнего ледникового периода для млекопитающих Северной Америки оказался вдвойне тяжелым. Им не только пришлось жить в неблагоприятных климатических условиях. У них появился новый конкурент и враг — человек. Изменение климата и приход людей из Азии положили конец существованию американских саблезубых тигров, мамонтов и гигантских ленивцев. Кроме того, образ жизни некоторых видов совершенно изменился.

Коллеги в Кембридже называли Дороти Гэррод «чудовищно робкой» и «непонятной». Мне, однако, кажется, что эту женщину трудно назвать робкой. Вот выдержки из ее письма 1921 года, адресованного двоюродному брату: «Дорогой мой Джин! Последняя неделя во Франции была замечательной. Все было настолько волнующим, что не похоже на правду. Я часами ползала на животе… над зияющей бездной (освещенной лишь ацетиленовой лампой…) и стукалась головой о сталактиты, а ногами о сталагмиты, но в конце концов нашла множество всяких чудес». Эта женщина изучала седую древность, попадала в переделки и получала от всего этого огромное удовольствие. «Робкая» Дороти Гэррод, обнаружившая в пещерах кости неандертальцев и неизвестные прежде места человеческих поселений в разных точках планеты, стала первой женщиной, получившей должность профессора и в Оксфорде, и в Кембридже.

Во время раскопок в пещере Шукбана и в других местах в окрестностях Иерусалима Гэррод обнаружила необычные каменные орудия в форме полумесяца. До тех пор ничего подобного археологам видеть не приходилось. Затем она отыскала несколько ступок, пестиков, зернотерок, фигурок различных существ. Жившие здесь когда-то люди мололи пшеницу и отправляли религиозные обряды.

Дороти Гэррод (справа) в экспедиции.

Продолжение раскопок привело к новым находкам: тщательно захороненные скелеты собак, остатки жилищ, человеческие захоронения с замысловатыми украшениями и даже сложные каменные скульптуры. У этих людей, которых Гэррод назвала натуфийцами, были первые одомашненные собаки, первые скульптуры людей, занимающихся сексом, и причудливые погребальные обряды. В группах было по несколько сотен человек, составлявших достаточно сложное сообщество, со временем менявшееся. Прежде человеческие популяции вели кочевой образ жизни, перемещаясь с места на место при изменении климата и недостатке пищи. Натуфийцы избрали иную стратегию. За несколько тысяч лет (от пятнадцати до одиннадцати тысяч лет назад) они перешли от обустройства передвижных лагерей к строительству практически постоянных жилищ.