В чем причина массовых вымираний?

Джон Малоун

Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами‑волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Рубежи науки –

Дж. Малоун

НЕРАСКРЫТЫЕ ТАЙНЫ ПРИРОДЫ.

Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами‑волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

^{«Мир», 2004}

Предисловие редактора перевода

Непрерывное расширение горизонтов науки обогащает и расширяет наши представления об устройстве окружающего мира. Казалось бы, этот процесс не оставляет места для нераскрытых тайн природы. Однако это далеко не так. Почти каждый новый успех порождает в науке целую лавину новых проблем и загадок. При этом многие из ставших почти вечными проблем так и остаются без ответа. Попытки найти для них решение приводят к созданию новых гипотез, которые сменяют друг друга и демонстрируют нам столкновение различных мнений. В целом количество нераскрытых загадок природы вряд ли доступно простому перечислению.

Джон Малоун, перу которого принадлежит более 40 книг, в данном случае выделил 21 проблему в основном из области естественных наук, посвятив каждой из них отдельный очерк. Как правило, это проблемы, находящиеся на передовом рубеже одного из разделов современной науки. Но в ряде случаев речь идет о загадках, занимавших пытливые умы на протяжении длительного времени, однако так и не принесших долгожданных результатов.

Обладая широкой научной эрудицией и по существу энциклопедическими знаниями, автор, безусловно, имел право на в определенной мере субъективный отбор материала. Кроме того, обсуждение нерешенных проблем науки подразумевает возможную неоднозначность интерпретации событий или явлений, к которой склоняется автор и которую вполне может не разделять с ним читатель. Следует также помнить, что между тем временем, когда автор писал тот или иной очерк, и временем прочтения его книги были накоплены новые факты и вполне могла произойти переоценка мнений.

Большую часть очерков автор посвятил фундаментальным проблемам физики и космологии. В этой связи хотелось бы отметить, что гл. 12 фактически посвящена проблеме физиологии зрения. Проблемы цвета как таковой в современной физике не существует со времен И. Ньютона. Что касается гл. 15, посвященной проблеме корпускулярно‑волнового дуализма, то в период становления современной квантовой механики она широко дискутировалась, и восприятие характерного для объектов микромира дуализма встречало определенные затруднения. Однако в XXI веке присущее микромиру и уже ставшее привычным свойство вряд ли встретит у читателя затруднение. Иначе говоря, это свойство природы едва ли можно сегодня отнести к числу ее загадок. Тем не менее происходившая более полувека назад на этой почве «битва умов» весьма поучительна и интересна. В этой связи сопровождающая каждую главу библиография, в том числе добавленная при переводе книги, может представить для читателя значительный интерес.

При работе над переводом книги в текст были внесены некоторые поправки и уточнения. Мы считали крайне важным сохранить простоту и ясность изложения материала, избегая одновременно излишних упрощений и стремясь передать достаточно сложный характер обсуждаемых проблем.

Знакомство с книгой Дж. Малоуна, безусловно, послужит значительному расширению кругозора читателя. Книга не содержит формул или математических выражений и доступна самой широкой читательской аудитории.

Хотелось бы также подчеркнуть, что подобные книги, создавая серьезную конкуренцию псевдонаучной фантастике, возвращают широкому читателю, и прежде всего молодежи, интерес к книге не как развлекательному «чтиву», но как источнику истинного знания.

Перевод книги выполнен В.А. Пантаевой – введение, гл. 1–11 и кандидатом физ.‑мат. наук А.В. Хачояном – гл. 12–21.

Е.М. Лейкин

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить моего редактора Джефа Голика за поддержку, готовность помочь и долготерпение в период написания этой книги, а также моего поверенного Берта Холтье, который познакомил нас друг с другом. Я признателен Полу Болдуину, Робу Броку, Дэну Тепперу и Кэрол Монфердини за их готовность без конца слушать мои рассказы о кварках, динозаврах и множественных мирах. Я многим обязан Тому Тирадо, его знаниям разнообразных проблем – от компьютеров до цивилизации майя. Наконец, хотелось бы воздать должное Джону Кэмпбеллу, чей журнал «Astounding Science Fiction» еще в 1950‑е годы, в мою бытность подростком, раскрыл мне глаза на существование неведанных миров и пробудил во мне интерес к науке, который в конце концов и привел к появлению этой книги.

Введение

Со времен Аристотеля ученые всегда считали своим долгом и делом своей жизни объяснение явлений окружающего мира и раскрытие его тайн. Часто оказывается, что едва одна загадка разгадана, как на ее месте возникает следующая. Более того, даже самые талантливые ученые в состоянии заниматься лишь определенными аспектами какой‑либо проблемы, и полученные ими решения очень часто в конечном итоге оказываются неверными именно по этой причине. Аристотель по существу основал западный метод научного мышления, и тем не менее его предположение о том, что небеса представляют собой обращающиеся вокруг Земли хрустальные сферы, было совершенно абсурдным. Сэр Исаак Ньютон первым объяснил природу гравитации и света на основе представлений, которые вполне соответствовали наблюдениям. Однако его «тележка с яблоками» вынуждена была временно уйти на обочину, когда в начале XX века в науку ворвалась теория относительности Альберта Эйнштейна. Правда, в определенной мере Ньютон был отомщен – предсказанные им и наблюдаемые гравитационные явления устояли против всех попыток описать их на основе квантовой механики.

На протяжении почти всей истории науки считалось, что последнее теоретическое достижение или техническое открытие и есть окончательное слово в науке. В конце XIX века даже среди ученых было широко распространено мнение, будто почти все, что можно открыть, уже открыто и объяснено. Затем, в первые годы XX столетия, люди построили летательный аппарат с мотором и сумели оторваться от поверхности земли, а Эйнштейн приоткрыл дверь в неведомую Вселенную, которую мы все еще стремимся постичь. В XX веке титаны науки до такой степени раздвинули границы познания, что блеск открытий, сделанных в предыдущие периоды истории, несколько померк. Это привело к тому, что люди стали по‑иному относиться к науке. К началу XXI века широкая публика стала принимать научные открытия как нечто само собой разумеющееся и с полным пренебрежением относиться к некоторым безумным предсказаниям относительно ближайшего будущего, которые делали самозванные футурологи, повсюду трезвонившие о своих собственных воззрениях.

Наверное, мало кто сомневается в том, что XXI век будет свидетелем исключительно важных успехов в компьютерной технике и биотехнологии. Однако мы всегда должны помнить о так называемом «законе непредусмотренных последствий». Например, когда‑то люди надеялись, что пестициды помогут им решить проблему производства на планете большего количества продуктов питания. Но закончилось их применение почти катастрофическими последствиями. Нам также следует понимать, что не все факторы развития, в том числе и наука, неуклонно, четкой поступью движутся вперед. Всюду есть тупики, а резкие скачки столь же обычны, как и постепенный прогресс.

Наряду с невиданными интеллектуальными достижениями XX века многие важные проблемы по‑прежнему остаются нерешенными загадками. Над некоторыми из таких загадок человечество бьется уже на протяжении сотен и даже тысяч лет. Аристотель, например, первым стал размышлять о перелетах птиц. Кое‑что он понял, но на ряд вопросов ответил абсолютно неверно, а его ошибочные выводы в течение почти 2000 лет сдерживали дальнейшие исследования. И до сих пор эти тайны раскрыты далеко не полностью. Иногда беспрецедентные по масштабу и трудности проблемы возникали как следствие крупнейших достижений современной науки. Так, чем больше мы узнаём о происхождении Вселенной, тем более отвлеченными становятся его объяснения – и многие физики даже стали считать, что некоторые проблемы ближе к теологии, чем к науке.

Столетие назад мы не подозревали, что континенты на нашей планете не только перемещаются, но и что из‑за этого несколько раз менялся облик земной поверхности. И все же мы до сих пор не научились точно прогнозировать возникающие вследствие этих перемещений землетрясения. Еще 80 лет назад никто даже не задавался вопросом, каким образом дети усваивают язык, и хотя теорий предложено предостаточно, ответ до сих пор неизвестен. Более 60 лет назад впервые была выдвинута гипотеза о возможном существовании черных дыр. Теперь мы получили подтверждение их существования, но в некоторых отношениях природа этого явления остается еще более загадочной, чем прежде.

Мы все еще не нашли ответов на ряд весьма старых вопросов, а поиск решений привел к возникновению новых серьезных проблем. Иногда кажется, что увеличение наших знаний лишь подтверждает слова Гамлета, произнесенные им у замка Эльсинор: «Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось вашим мудрецам».

Глава 1.

Как возникла Вселенная?

Большинство основных научных теорий ассоциируется с именами великих основателей. При упоминании слова «гравитация» в голове тотчас возникает имя Исаак Ньютон. «Эволюция»? – Чарльз Дарвин. «Относительность»? – Альберт Эйнштейн. А вот слова «Большой Взрыв» оказываются не связаны с чьим‑либо именем. На протяжении нескольких последних десятилетий модель Большого Взрыва была признана космологами в качестве стандартного объяснения происхождения Вселенной, о ней упоминают в учебниках и популярных журналах. Однако ее не связывают с кем‑либо из крупных ученых. Противники этой теории иногда в шутку говорят, что просто никто не хочет брать на себя ответственность. В действительности же сам термин «Большой Взрыв» ввел один из наиболее ярых его оппонентов – английский астроном Фред Хойл, желавший тем самым опорочить всю идею. Однако название укоренилось. В 1993 г. найти лучшее наименование для теории пытались с помощью международного конкурса. В жюри входили популяризатор науки Тимоти Феррис, астроном Карл Саган и телевизионный комментатор Хью Дауне. Но, по словам Ферриса, описавшего эту историю в своей книге, вышедшей в 1997 г. [1], среди 13 099 предложений, поступивших из 41 страны, не оказалось ни одного лучше.

Концепция Большого Взрыва ведет свое начало от гипотезы епископа бельгийской католической церкви Жоржа Леметра, который увлекался физикой и в 1927 г. в возрасте 33 лет получил в Массачусетском технологическом институте докторскую степень. Основываясь на законах гравитации, сформулированных Эйншнейтом в 1915 г. в общей теории относительности, Леметр в 1927 г. пришел к выводу, что Вселенная должна с одинаковой скоростью расширяться во всех направлениях[1]. Далее Леметр выдвинул предположение, что началом Вселенной послужил взрыв первичного атома, в котором было сконцентрировано все вещество Вселенной. Дальнейшая поддержка теории Леметра была связана с открытием Эдвина Хаббла, которое заключалось в том, что далекие галактики удаляются от нас и друг от друга во всех направлениях со скоростями, пропорциональными их расстоянию от нашей Галактики. Хаббл не был знаком с концепцией Леметра, однако обнаруженное им в 1929 г. расширение Вселенной способствовало тому, что возросло число астрономов, считающих некий первоначальный взрыв источником энергии, достаточной для создания расширяющейся Вселенной.

В 40‑е годы XX века физики, увлеченные идеей начального взрыва, рассуждали о том, что непосредственно вслед за этим событием образовавшаяся плазма была гораздо горячее недр любой из существующих ныне звезд, но со временем она охладилась, сохранив, по крайней мере, небольшое количество тепла. По их предположению, от этого процесса должен был сохраниться след в виде все еще существующей некой довольно плотной дымки. Согласно теории того, что теперь называют микроволновым космическим реликтовым излучением, чем дальше мы продвинемся в пространстве (и назад во времени), тем плотнее будет эта дымка. В то время этот вывод совершенно не принимали во внимание, так как большинство астрономов и физиков не принимали всерьез теорию Большого Взрыва, и, во всяком случае, не существовало способа измерить это реликтовое излучение или хотя бы подтвердить его существование.

Однако в 1965 г. Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Лаборатории Белла объявили, что, разрабатывая приемник для первого искусственного спутника связи «Телстар», они случайно обнаружили устойчивый «свист», обусловленный реликтовым излучением. Это изменило умонастроение огромного числа космологов. До 1965 г. Большой Взрыв был всего лишь очередной гипотезой, которая не допускала проверки; теперь же существовало доказательство того, что первоначальный взрыв оставил свой след. Хотя в этот момент многие серьезные ученые заинтересовались теорией Большого Взрыва, для ее подтверждения нужно было гораздо больше свидетельств. В 40‑х и 50‑х годах было предложено несколько гипотез относительно природы возможного реликтового излучения. Удалось рассчитать, что его температура должна быть примерно на 3° выше абсолютного нуля. Это то небольшое количество тепла, которое осталось после охлаждения, способствовавшего образованию вещества по прошествии некоторого промежутка времени с момента первоначального взрыва. Тепло должно было распределяться изотропно, а это, по словам Тимоти Ферриса, означало, «что любой наблюдатель, где бы во Вселенной он ни находился, измерит одинаковую температуру реликтового излучения по всему небосводу». Кроме того, согласно квантовой механике, реликтовое излучение должно иметь спектр, отвечающий излучению абсолютно черного тела, с наибольшей интенсивностью на длине волны, определяемой его температурой. Этот спектр описывается определенными квантово‑механическими выражениями.

Когда стала ясна важность микроволнового космического реликтового излучения, Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA) согласилось запустить микроволновый спутник, предназначавшийся для измерения этого «космического фона». Ожидалось, что, находясь вне искажений, создаваемых земной атмосферой, этот исследовательский спутник СОВЕ[2] позволит заглянуть в далекое прошлое вплоть до момента, отстоящего примерно на 500 000 лет от Большого Взрыва. К тому времени Вселенная уже достаточно остыла, благодаря чему энергия стала превращаться в массу, а Вселенная стала прозрачна для выхода света. Запущенный в 1989 г. спутник СОВЕ в полной мере оправдал надежды космологов, предоставив доказательства того, что реликтовое излучение действительно изотропно и что его температура почти на 3° выше абсолютного нуля (2,726 К). Кроме того, его спектр с поразительной точностью совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела.

К 1992 г. на основе карты всего небосвода, построенной по данным спутника СОВЕ, был сделан еще один вывод: вещество, которое стало образовываться из остывающих газов спустя некоторое время после Большого Взрыва, собиралось в сгустки, из которых впоследствии возникли галактики – скопления звезд. Это соответствовало представлению о том, что на ранних стадиях существования Вселенной однородное распределение вещества нарушалось квантовыми флуктуациями. Попросту говоря, мы имеем дело как бы с содержащим комки соусом, в котором мука размешана не так уж равномерно, и хотя комков может быть немного, они все же есть.

Еще в 1939 г. американский физик Ханс Бете показал, что в недрах звезд могут возникать тяжелые элементы (в отношении их атомной массы). Эти элементы, входящие в вещество планет и наших с вами тел, составляют всего лишь 2% от всей массы Вселенной. Остальное приходится на водород (около 75%), гелий (23%) и следы лития. Согласно расчетам физиков, чтобы объяснить распространенность водорода и отношение содержания водорода к гелию в звездах, эти легкие элементы должны были возникнуть в результате Большого Взрыва. Превращение водорода в гелий только в Солнце высвобождает ежесекундно энергию, эквивалентную массе 4 млн. тонн, и если бы соотношение между водородом и гелием не соответствовало процессу Большого Взрыва, при этом выделялось бы гораздо больше энергии. Более тяжелые элементы «выплавляются» в звездных недрах и в конце концов выбрасываются в пространство, обеспечивая, как считается, Вселенную сырьем для образования твердого вещества. У самых старых звезд должно сохраняться меньшее количество тяжелых элементов, поскольку они продолжительное время выбрасывались из звездных недр – это удалось наблюдать, когда прогресс техники позволил проводить подобные измерения. Как оказалось, распределение элементов, или их космическая распространенность, также вполне соответствует предсказаниям теории Большого Взрыва.

Казалось бы, пора сделать вывод, что теория Большого Взрыва справедлива. Когда новая теория делает какие‑либо прогнозы, которые можно проверить, и эти прогнозы соответствуют наблюдениям или эксперименту, ученых всегда радует каждое очередное подтверждение. При накоплении достаточного количества таких фактов можно считать, что справедливость теории доказана. Хотя большинство космологов принимает концепцию Большого Взрыва, тем не менее признано, что проблемы еще остались, причем достаточно серьезные, чтобы порождать сомнения в справедливости теории. В действительности проблемы возникают так часто, что эта теория почти постоянно находится в критическом состоянии.

Как возникла Вселенная?

Фред Хойл, который в шутку предложил термин «Большой Взрыв», всегда был одним из основных противников этой теории. В 1948 г. вместе с Германом Бонди и Томасом Голдом он выдвинул, как он сам ее назвал, теорию «стационарного состояния». Согласно этой теории, возраст Вселенной значительно больше, чем указывают астрономические наблюдения, так как она всегда существовала и будет существовать вечно. На протяжении неисчислимого времени галактики рождались, развивались и погибали, а на месте старых из их обломков постоянно возникали новые. Новые звездные системы не обязательно формируются на месте старых, но общая масса вещества во Вселенной сохраняется неизменной. Согласно этой концепции, даже самые старые галактики, которые нам удается наблюдать, в рамках общей картины оказываются весьма молодыми. Многие космологи отвергали теорию стационарной Вселенной, поскольку из нее вытекало, что мы никогда не сможем добраться до первопричины, тогда как большинство физиков и астрономов верили в это. Хойл бывал резок в своих замечаниях, и его коллеги нередко называли его самонадеянным. Но это нисколько не облегчало положения дел. Как и его талант популяризатора, снискавший ему большой успех у широкой публики. С другой стороны, можно задаться вопросом, не является ли вера в то, что мы в состоянии постичь первооснову вещей, верхом самонадеянности. Но, наверное, уже хватит рассуждать об этих спорах.

В теории Хойла существовали свои проблемы. Начать с того, что в ней использовалась видоизмененная форма космологической постоянной – математического коэффициента, который Эйнштейн намеренно ввел в свою общую теорию относительности с целью описания стационарной Вселенной. В 1929 г. Эдвин Хаббл, используя результаты своих исследований смещения спектров излучения удаленных галактик к красной границе спектра (так называемое «красное смещение»), пришел к выводу, что Вселенная расширяется и галактики с огромными скоростями удаляются друг от друга. Эйнштейновская космологическая постоянная оказалась ненужной. Даже Эйнштейн назвал ее самой большой из своих ошибок.

Неприязненное отношение большинства физиков к космологической постоянной в сочетании с открытием в 1965 г. реликтового излучения свело фактически на нет теорию стационарной Вселенной Хойла. Однако сам он вовсе не собирался складывать оружие. Хотя у его теории оставались проблемы, он продолжал настаивать на том, что с Большим Взрывом связано еще больше проблем. Действительно, теория Большого Взрыва все время сталкивалась с новыми трудностями. Так, с развитием космологии стало ясно, что на ранних стадиях развитие Вселенной не соответствовало известным физическим законам. По крайней мере, в течение первых 500 000 лет после Большого Взрыва, пока не произошло достаточного охлаждения для образования вещества и Вселенная не стала прозрачной для света, законы нашей современной Вселенной не действовали. Это заставило ученых ввести в теорию Большого Взрыва представление о том, что начальным состоянием Вселенной было особое событие – сингулярность. Хойл и его последователи (которые у него остались) высмеяли эту идею. Конечно, – издевались они, – вы сталкиваетесь с провалом вашего Большого Взрыва, но, вместо того чтобы усомниться в теории, вы придумываете нечто исключительное, противоречащее всему, что мы знаем!

В 1990 г. Хойл начал развивать новые идеи, после того как один из его сторонников – американский космолог Хелтон Арп, работающий в Институте им. Макса Планка (Германия), отметил, что имеется ряд наблюдений красного смещения, которые не согласуются с расстоянием от Земли. Это было серьезной неприятностью. Если величина красного смещения вовсе не является надежным мерилом скорости расширения Вселенной, это наносит теории Большого Взрыва удар в самое сердце. Быть может, галактики разлетались не столь быстро, и вовсе нет необходимости в Большом Взрыве, чтобы заставить их двигаться. Арп пошел дальше, заявив в 1991 г., что их противники «проигрывают, игнорируя результаты наблюдений этих важных объектов в телескоп и отчаянно пытаясь избежать обсуждений». Игнорируют факты? Сдерживают дебаты? Теоретики Большого Взрыва реагировали с возмущением. Между тем, как заметил в 1992 г. в своей книге «Хозяева времени» Джон Бослоу [2], некоторые другие физики обвиняли сторонников Большого Взрыва в том, что они либо игнорируют доказательства, либо предлагают гипотезы, которые невозможно проверить. Действительно, еще в 1986 г. Шелдон Глэшоу, получивший в 1979 г. Нобелевскую премию по физике, присоединился к предостережению своего коллеги по Гарварду Полу Джинспаргу: по их словам, физика, как правило, стала заниматься столь отвлеченными вопросами, что, возможно, ее в конце концов «будут преподавать на факультетах богословия те, кто в будущем заменит средневековых теологов».

Наиболее важной из неподдающихся проверке новых гипотез Большого Взрыва была идея раздувания, или инфляции. Согласно этой идее, выдвинутой в 1981 г. Аланом Гутом, на самой начальной стадии, продолжавшейся, по его выражению, ничтожную долю секунды, Вселенная расширялась со скоростью, превышающей современную в огромное число раз, и за бесконечно малый отрезок времени увеличила свои размеры от булавочной головки до апельсина или бейсбольного мяча. Может быть, это не кажется особенно значительным, но в математическом смысле ошеломляет: возрастание объема составило 10⁵⁰, т. е. 1 с 50‑ю нулями. Вслед за моментом раздувания Вселенная перешла в режим расширения с (относительно) небольшой скоростью, которая с тех пор и преобладает. Иными словами, в самое первое мгновение Вселенная вела себя подобно Супермену, а затем угомонилась и на протяжении остальной космической истории уже двигалась неторопливо.

Для широкого читателя это может показаться странным, однако концепция раздувания развеяла тучи, нависшие над теорией Большого Взрыва, и получила широкое одобрение. Среди решенных таким образом проблем была малая кривизна – уплощенность – Вселенной. Термин «уплощенность» в общем смысле несколько неудачен для описания физических процессов, которые подразумеваются в теории, однако он имеет глубокий математический смысл. По определению физиков, Вселенная должна быть либо открытой, и тогда она будет вечно расширяться, следуя поверхности с бесконечным радиусом кривизны, либо замкнутой, т. е. под действием гравитационных сил в конечном итоге расширение сменится сжатием, и Вселенная вернется в первоначальное состояние, – по‑видимому, типа изначального атома, испытавшего Большой Взрыв. Но, к сожалению, наблюдения не позволили получить данных о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой. Она кажется идеально сбалансированной между этими возможностями, и такое состояние описывается как уплощенность, поскольку кривизна пространства в среднем равна нулю («плоская» кривая).

Положение осложняется еще и тем, что отношение действительной плотности Вселенной (количества вещества, создающего гравитационное притяжение) к плотности, необходимой для того, чтобы она коллапсировала, равно единице. Это отношение обозначают греческой буквой «омега». Математически, открытой Вселенной будет соответствовать отношение меньше, чем омега, а замкнутой Вселенной – отношение, превышающее омегу. Таким образом, говорить о равной нулю кривизне или равном единице отношении плотностей означает говорить о плоской Вселенной. Впервые этот результат возник как следствие гипотезы раздувания Алана Гута. Неважно, что раздувание Вселенной часто сравнивают с превращением булавочной головки в апельсин, который, несомненно, круглый. Дело в том, что чем больше раздувается воздушный шарик, тем сильнее уплощается его поверхность, и за крошечный промежуток времени, в течение которого происходит раздувание, оно сопровождается уплощением. Как мы знаем от лауреатов Нобелевской премии, математика работает. (Тот, кто сомневается в математике, может просто представить себе Вселенную в виде апельсина, через который переехал грузовик.)

Интересно, что один из аргументов противников раздувания состоит в том, что его приверженцы допускают аналогичное и в космических масштабах. Когда Алан Гут работал над своей гипотезой, он столкнулся с проблемой, заставившей его отложить ее публикацию на два года. Из теории следовало, что при таком быстром расширении должен был возникнуть ряд отдельных «пузырей». Стенки этих пузырей должны быть все еще заметны, однако этого нет. В конце концов Гут все‑таки решился на публикацию, надеясь, что заинтересует этой проблемой других космологов и они попытаются решить ее. Так и случилось. Первым нашел решение российский физик Андрей Линде; к этому же впоследствии пришли и другие ученые. Он сумел показать математически, что пузыри, названные «доменами», должны развиваться независимо друг от друга. Более того, известная нам часть Вселенной составляет всего‑навсего миллиардную или триллионную долю одного из этих доменов, а стенки такого пузыря удалены настолько, что могут навсегда остаться за пределами наших наблюдений. Благодаря этим расчетам удалось вывести назойливого слона из жилой комнаты с глаз долой и привязать где‑то за сараем, но по той же причине Шелдон Глэшоу заговорил о средневековой теологии.

^{На снимке, полученном 1 апреля 1995 г. с помощью космического телескопа «Хаббл», видны газообразные колонны в туманности М16 в созвездии Орла. Они представляют собой столбы охлажденного межзвездного водорода и пыли, которые служат «инкубаторами» новых звезд. В них содержатся глобулы, названные EGG (от «evaporating gaseous globules» – испаряющиеся газообразные шарики), которые точнее было бы назвать «зародышами», так как они содержат эмбрионы звезд, которые проявятся в процессе эрозии под действием ультрафиолетовых лучей, испускаемых массивными новообразованными звездами в данной области Вселенной. Из материалов NASA (Jeff Hester and Paul Scowen, Arizona State University).}

Тем не менее, как и саму идею раздувания, теорию пузырей‑доменов с энтузиазмом приняли большинство космологов, в том числе Стивен Хокинг, которого считают самым выдающимся из живущих физиков. Хотя теорию пузырей‑доменов и невозможно проверить, она позволила решить проблему раздувания, которую также нельзя проверить и которая объяснила не только плоский характер Вселенной, но и другие проблемы теории Большого Взрыва, включая факт равномерного распределения вещества во Вселенной. Мгновенное раздувание сыграло роль своего рода космического миксера. Все это как нельзя лучше подходило для некоторых критиков типа Хелтона Арпа и Фреда Хойла, независимо от элегантности математического описания и хорошего согласия различных теорий. Но такие критики довольно одиноки. Хотя многие физики с трудом принимают некоторые аспекты теории Большого Взрыва и теории раздувания, они склонны подвергать сомнению лишь более мелкие вопросы, не покушаясь на теории в целом.

В настоящий момент концепция Большого Взрыва считается наилучшим объяснением возникновения нашей Вселенной. Особый акцент нужно сделать на слово нашей. Не следует забывать о других доменах, границы которых для нас навсегда останутся за пределами досягаемости. В своей книге «Таинственная мелодия» [3], вышедшей в 1995 г., французский физик Трин Ксуань Туань пишет: «Наша Вселенная – лишь крошечный пузырек, затерянный в пространстве другого пузыря – метавселенной, или супервселенной, размеры которой в триллионы триллионов раз больше. И эта метавселенная сама затеряна среди множества других метавселенных, причем все они образовались на протяжении эпохи раздувания из бесконечно малых по размерам областей пространства, совершенно не связанных друг с другом». Грандиозность такой проницательности завораживает и ошеломляет. Некоторых даже пугает. Другие считают, что она сходна с религиозной идеей, которая может тревожить или утешать – в зависимости от ваших убеждений. Некоторые интерпретаторы стараются подчеркивать, что Жорж Леметр, впервые выдвинувший представление, которое в конце концов вылилось в теорию Большого Взрыва, был прежде всего епископом католической церкви и лишь затем – физиком, тогда как Фред Хойл, поборник теории стационарной Вселенной, – атеист. В этом, возможно, не так уже много смысла: в одной из своих работ сторонник Большого Взрыва Стивен Хокинг сказал, что «не видит необходимости в привлечении Бога».

Постоянно совершенствуемые мощные телескопы и компьютеры позволяют нам наблюдать или моделировать все более далекие области нашей Вселенной. В то же время квантовые эксперименты дают возможность все глубже проникнуть в причудливый мир субатомных частиц. И, по‑видимому, неизбежно, что некоторые новые сведения свидетельствуют в пользу теории Большого Взрыва, тогда как другие открытия не согласуются с ней и вынуждают преодолевать новые препятствия. И июне 2000 г. на первой полосе газеты «New York Times» был помещен рассказ об австралийском телескопе‑роботе, который позволил получить первую крупномасштабную карту скоплений галактик, образующих нечто вроде космических континентов. Хотя эти континенты и оказались колоссальными, их размеры не превысили предсказанных теорией Большого Взрыва. Газетный заголовок гласил: «Телескоп‑робот подтверждает предположение о рождении Вселенной». Однако ранее эта газета не раз помещала на своих страницах заголовки, касающиеся открытий, в которых оспаривались другие положения теории Большого Взрыва. Некоторые оптимисты, в том числе Стивен Хокинг, считают, что мы близки к пониманию Вселенной в целом и что Теория Великого Объединения не за горами. Но даже среди сторонников Большого Взрыва много тех, кто полагает, что мы только начинаем постигать, как устроена Вселенная, и что, скорее всего, нам никогда не удастся раскрыть до конца ее тайны.

Пока Большой Взрыв – общепринятая теория. Но еще не истина в последней инстанции.

Литература для дальнейшего чтения[3]

1. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Schuster, 1997. Феррис – широко признанный читателями популяризатор науки, и эта книга – его очередное достижение. Она несколько труднее, чем его более ранняя работа «Coming of Age in the Milky Way», но ее читают с удовольствием. Имея подзаголовок «Отчет о состоянии Вселенной», она охватывает множество космологических идей, но дает особенно объективное описание противоречивых сторон теории Большого Взрыва.

2. Boslough, John. Masters of Time. Reading, MA: Addison‑Wesley, 1992. Хотя новые открытия привели к некоторому изменению общей картины со времени выхода этой книги в свет, она содержит наиболее доступную критику теории Большого Взрыва, подробно описывая критические моменты, с которыми теория встретилась в 1980‑е годы, а также сводит воедино сомнения многих авторитетных ученых, часто вкратце приводимые в разных изданиях и не получившие отражения в широкой печати. Будучи известным научным обозревателем, Бослоу подчеркивает, что по‑прежнему справедливы слова Дж. Б. С. Хэлдена, сказанные много лет назад: «Вселенная – не только более странная, чем мы предполагаем, но даже еще более странная, чем мы можем предполагать». Как и в книге Ферриса, здесь приведен очень полезный словарь терминов.

3. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Впервые опубликованная во Франции, книга стала бестселлером (автор преподавал также в американских университетах). Прекрасно написана астрономом, сторонником теории Большого Взрыва и концепции раздувания. Хорошо иллюстрирована схемами, содержит словарь терминов и несколько приложений, в которых дается более глубокое математическое изложение.

4. Mitchell, William С. The Cult of the Big Bang: Was There a Bang? Carson City, NV: Cosmic Sense Books, 1995. Это несколько странная, но увлекательная книга. Изданная инженером‑электриком, принимавшим участие в работе над рядом проектов NASA, она представляет собой атаку на теорию Большого Взрыва. Хотя Митчел не является автором, который был бы безоговорочно признан большинством физиков, эта книга не осталась незамеченной. Она получила одобрение нескольких космологов, которые также сомневаются в теории Большого Взрыва, включая X. Арпа из Института им. Макса Планка, чьи возражения против этой теории обсуждаются во всех перечисленных здесь книгах.

5*.[4] Зигуненко С. Загадки Вселенной. – М.: Астрель, ACT, 2000. Рассказывается об образовании нашей Вселенной, о том, как рождаются и умирают звезды, из чего состоит Солнце.

6. Сурдин В. Г. Рождение звезд. – М.: УРСС, 2001. Кратко описана история взглядов на происхождение звезд. Рассказано о составе и динамике межзвездной среды, о глобулах и гигантских молекулярных облаках, в которых формируются звезды.

7*. Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. – Санкт‑Петербург: Амфора, 2001. В книге излагаются размышления автора о философии науки, о происхождении Вселенной и ее дальнейшей судьбе.

8*. Вайнберг С. Первые три минуты. – М.: Энергоиздат, 1981.

9*. Хойл Ф. Галактики, ядра и квазары. – М.: Мир, 1968.

Глава 2.

Как возникла жизнь на Земле?

В космической иерархии Земля и звезда, вокруг которой она обращается, можно сказать, еще не вышли из младенческого возраста. Наша планета сформировалась из вещества, оставшегося после рождения Солнца 4,6 млрд. лет назад, тогда как возраст Вселенной как целого считается равным 11–16 млрд. лет. Как и при образовании всех планет, начальная стадия существования Земли была настолько бурной, что ее почти невозможно себе представить. И даже после того как земной шар приобрел свою форму, его поверхность еще в течение 600 млн. лет оставалась расплавленной, перегрев был обусловлен теплом, поступающим изнутри, из земного ядра, и бомбардировкой астероидами снаружи, что поднимало температуру испаряющихся океанов вплоть до точки кипения. В этот период, который некоторые геологи называют Хэдским, на Земле воистину царил ад.

После того как непрерывная бомбардировка астероидами прекратилась, а оставшиеся астероиды оказались на определенных орбитах и уже практически не могли причинить вреда Земле, углерод, азот, водород и кислород в различных комбинациях «образовали аминокислоты и другой основной строительный материал живого вещества». Как это объясняет нобелевский лауреат Кристиан де Дюв в своей книге «Живительная пыль» [1], изданной в 1995 г., «осевшие под действием атмосферных осадков, комет и метеоритов продукты этих химических процессов постепенно образовали первые органические вещества на безжизненной поверхности нашей недавно сконденсировавшейся планеты». Эта богатая углеродом пленка подвергалась воздействию как процессов, происходивших в самой Земле, так и падающих на ее поверхность тел из космоса; действие ультрафиолетового излучения было во много раз сильнее, чем сейчас, так как в настоящее время нас защищает земная атмосфера. Все эти материалы в конце концов отлагались в морях, и, как писал в своей известной статье 1929 г. выдающийся ученый Дж. Б. Холдейн, «первичные океаны имели консистенцию горячего разбавленного бульона». Главным побочным продуктом этих процессов было нечто вязкое коричневатое, называемое «тянучим», «липким» и другими словами, пробуждающими воспоминания о детстве. Те, кто уже давно противится выводу Чарлза Дарвина о том, что люди – родственники шимпанзе и орангутанов, по сути ставят человека перед этим последним оскорблением – мы произошли из какой‑то слизи!

Итак, мы имеем первичный «бульон», в котором повсюду размешано множество чего‑то липкого. Как же из этого сырья могла возникнуть жизнь? Здесь‑то и начинается настоящая загадка. Общепризнано, что решающую роль сыграла РНК – рибонуклеиновая кислота, близкий родственник ДНК, определяющей генетический код человека и всех остальных живых существ. Тем не менее ведутся еще многочисленные споры о том, каким образом, когда и где действительно зародилась жизнь. Рассмотрим вкратце некоторые из проблем, питающих эти дискуссии.

Долгое время биологи и химики считали, что жизнь должна была возникнуть не раньше чем через миллиард лет после охлаждения планеты и прекращения интенсивной бомбардировки ее астероидами, а это произошло примерно 3,8 млрд. лет назад. Отсюда следует, что жизнь на Земле существует не более 2,8 млрд. лет. Однако геологические данные и даже органические ископаемые остатки все больше свидетельствуют о том, что бактерии уже существовали задолго до этого. В гренландской формации Исуа, сложенной древнейшими породами Земли, возраст которых определен в 3,2 млрд. лет, содержится углерод – основной строительный материал всех известных форм жизни, причем в соотношениях, характерных для бактериального фотосинтеза. Многие биологи приходят к выводу, что даже в этот столь ранний период должны были существовать бактерии, а если это так, то еще раньше существовали более примитивные организмы, чем бактерии. Совсем недавно геолог из Университета Западной Австралии Бигир Расмуссен обнаружил в кратоне Пилбара на северо‑западе Австралии ископаемые остатки нитевидных микроорганизмов возрастом в 3,5 млрд. лет, а также «возможные» ископаемые остатки, датируемые 3,235 млрд. лет назад, в излившихся вулканических отложениях на западе Австралии. Из‑за таких находок возникает серьезная проблема: истоки жизни отодвигаются к 200 000 годам после окончания Хэдского периода, что многим биологам представляется слишком коротким сроком для того, чтобы успели произойти необходимые химические процессы.

Более поздняя находка Расмуссена, о которой сообщалось в июне 1999 г. в журнале «Nature», затрагивает суть другой дилеммы. Поскольку необходимые для живого вещества биомолекулы, такие, как белки и нуклеиновые кислоты, довольно хрупки и лучше выживают при более низких температурах, многие химики уже давно убеждены, что жизнь должна была возникнуть в условиях низких температур, возможно, даже отрицательных. И все‑таки Расмуссен откопал свои микроскопические нити в материале, первоначально находившемся вблизи жерла вулкана, где температура была исключительно высокой. В самом деле, наиболее древними организмами, продолжающими существовать и теперь, являются бактерии, живущие в сохранившихся вулканических жерлах или в источниках с температурой воды до 110 °С. Существование этих древних бактерий в жерлах вулканов служит убедительным свидетельством в пользу предположения о высокотемпературных условиях возникновения жизни, поддерживаемого другими учеными.

Одним из приверженцев взгляда на возникновение жизни в холодных условиях является Стенли Миллер, мгновенно ставший известным в 1953 г. после проведения им серии экспериментов в Чикагском университете. Он был тогда аспирантом и занимался у лауреата Нобелевской премии химика Гарольда Юри, который получил Нобелевскую премию за открытие тяжелого водорода, названного дейтерием. По мнению Юри, первоначально атмосфера Земли состояла из смеси молекул водорода, метана, аммиака, водяного пара и была особенно богата водородом. (Отметим, что кислород присутствовал только в составе водяного пара. Лишь после возникновения жизни в атмосфере стал появляться кислород в результате выделения диоксида углерода в процессе фотосинтеза, что в конце концов привело к развитию более сложных биологических форм.) Миллер приготовил смесь указанных Юри элементов в герметичном сосуде и в течение нескольких дней воздействовал на нее электрическими разрядами, имитирующими молнию. К его удивлению, в стеклянном сосуде возникало розоватое свечение, и анализ полученных результатов обнаружил наличие двух аминокислот (составная часть всех белков), а также других органических веществ, которые, как считалось, образуются только живыми клетками. Этот эксперимент, который его руководитель нехотя одобрил, не только сделал Миллера знаменитым, но и привел к появлению новой области науки – абиотической химии, главной задачей которой стало получение биологических веществ в условиях, которые, как полагают, существовали на Земле до возникновения жизни.

Слово «полагают» имеет здесь решающее значение. Предположения о составе земной атмосферы до того, как на Земле развилась жизнь, все время меняются. И хотя после работы Миллера 1953 г. было проведено очень много экспериментов, они не привели к результатам, которые можно было бы связать с понятием «жизнь», несмотря на образование в них разного рода органических молекул. Как замечает де Дюв в книге «Живительная пыль» [1], такие эксперименты часто проводятся «при более надуманных условиях, чем необходимые для истинно абиотического процесса. Среди всех этих опытов первоначальный эксперимент Миллера остается классическим. Он был практически единственным задуманным исключительно с целью воспроизвести правдоподобные добиологические условия без намерения получить определенный конечный продукт». Другими словами, всегда бывает совсем нетрудно организовать эксперимент таким образом, чтобы с наибольшей вероятностью получить нужный результат, но при этом условия эксперимента будут слишком уже подходящими. Во всяком случае, в таких экспериментах не удалось воспроизвести жизнь даже в самой элементарной ее форме – в виде отдельной клетки без ядра. Как писал Николас Уэйд в своей статье в июньском номере «New York Times» 2000 г., где сообщалось о последнем открытии Расмуссена, «наиболее интенсивные попытки химиков создать в лаборатории молекулы, типичные для живого вещества, показали лишь, что это дьявольски трудная задача».

Таким образом, основные проблемы сконцентрированы на двух главных направлениях, по которым ведутся исследования с целью установить, как зародилась жизнь. Момент зарождения жизни отодвигается еще дальше в прошлое, так что остается, по‑видимому, слишком мало времени, чтобы успели произойти химические процессы, необходимые для возникновения жизни. Да и сами эти химические реакции, как и прежде, остаются столь же загадочными. Несмотря на колоссальные технические достижения и огромное количество накопленных генетических данных, эксперимент Стенли Миллера 1953 г. остается фактически единственным убедительным результатом таких исследований. Тем не менее само открытие вызвало сомнения – многие ученые теперь считают, что баланс элементов, использованных им на основе работы его руководителя Г. Юри, был неверным. При изменении соотношения компонентов полученные Миллером аминокислоты не образуются.

Из‑за новых трудностей стала более туманной вся картина эволюции жизни. Когда‑то казалось, что ее можно со всей ясностью проследить по филогенетическим (родословным) древам, отражающим эволюционную историю организма от самых его корней. Филогенетические древа впервые были построены в XIX веке в соответствии с теорией Ч. Дарвина с целью наглядно продемонстрировать эволюционную историю отдельных групп животных. Первое разветвленное древо было построено немецким биологом‑эволюционистом Эрнстом Геккелем (предложившим помимо всего термин «экология»). Открытие ДНК сделало возможным создание таких филогенетических древ не только для животных и растений, но и для их генетического материала, что позволило гораздо глубже понять процессы, лежащие в основе понятия «жизнь». Для получения родословных древ исследователи проводят сравнительный анализ последовательностей молекулярных строительных блоков нуклеиновых кислот (нуклеотидов) или аминокислот в белках. Сравниваются результаты, относящиеся к различным организмам. Основываясь на механизмах разветвления эволюции и мутаций, с помощью этой методики удается определить расстояния между двумя ветвями на филогенетическом древе, т. е. узнать, насколько далеко два вида отошли от их общего предка и друг от друга. (Кроме того, этот метод помог ученым найти возраст сохранившихся до сих пор древних организмов, существующих в настоящее время в сверхжарких вулканических жерлах.) Задачу проведения сравнительного анализа последовательностей, быть может, легче всего понять, если провести аналогию с игрой в слова, где задается одно длинное слово с целью образовать как можно больше коротких слов из составляющих его букв.

В конце 1970‑х годов Карл Уоуз из Иллинойского университета применил сравнительный анализ последовательностей к молекулам РНК, имеющимся у всех живых существ, и получил более сложное филогенетическое древо, чем предполагалось. Три основные ветви древа соответствовали трем основополагающим царствам живых организмов: прокариотам, археям и эукариотам. К прокариотам относятся микроорганизмы типа бактерий. Предложенное Уоузом новое подразделение – археи включает вторую группу бактерий, которые обнаружены в очень жарких местах планеты, таких, как горячие источники. Эукариоты – это организмы, состоящие из крупных клеток, в которых имеется оформленное ядро; сюда входят все многоклеточные организмы – растения и животные, в том числе человек.

Однако с начала 1980‑х годов, когда уже было расшифровано больше геномов по всем трем царствам, картина стала более неопределенной. Характер древ, основанных на генах, отличных от первоначальной белковой модели Уоуза, оказался совершенно иным. Кроме того, гены удивительным, даже неожиданным образом перегруппировываются. Эти вариации чрезвычайно затрудняют прослеживание таких генов в прошлое вплоть до общих предков и, что еще более неприятно, наводят на мысль о том, что первичный ген – родоначальник жизни – сам имел весьма сложное строение, более сложное, чем следовало иметь «исходному» гену. Единственное правдоподобное решение этой проблемы состоит в допущении, что вместо роста все время вверх с образованием вертикальных ветвей на ранних стадиях эволюции жизни древо давало боковые ответвления, и некоторые гены переносились по горизонтали. Эта идея подкрепляется тем, что даже в настоящее время бактерии способны передавать некоторые гены в горизонтальном направлении, в том числе, к сожалению, те гены, которые делают бактерии устойчивыми к антибиотикам. Данный вывод означает, что древо жизни, вместо того чтобы иметь красивый прямой ствол, превращается в нечто, напоминающее живопись Джексона Поллока. Это по меньшей мере обескураживает.

Но Карл Уоуз не смутился. Он выдвинул гипотезу, что одноклеточный организм, долгое время считавшийся первоначальной формой жизни, возможно, представлял собой своего рода колонию, состоящую из клеток нескольких типов, способных довольно легко обмениваться генетической информацией по горизонтали. Некоторых ученых эта предполагаемая легкость смущает. Она означает, что механизм репликации (воспроизведения) генов, наблюдающийся в ДНК и являющийся весьма точным механизмом, развился у клеток только в более позднее время. Колония в конце концов должна была подняться на более высокую ступень развития, когда каждый организм приобретет свою собственную форму. Но когда это произошло?

Как возникла жизнь на Земле?

В настоящее время специалисты приписывают совершенно разные сроки моменту, когда стройные древа ДНК стали образовывать вертикальные ветви, – в диапазоне от всего лишь миллиарда лет назад и почти до предполагавшихся ранее 4 млрд. лет. Как и в ситуации с теорией Большого Взрыва в происхождении Вселенной, благодаря новым открытиям и способам измерений по мере расширения наших знаний, теории возникновения жизни на Земле не упрощаются, а усложняются. По этой причине иные объяснения происхождения жизни, которыми долгое время пренебрегали как фантастическими, сохранили некоторых сторонников.

Не могла ли жизнь оказаться занесенной на нашу планету из окружающего пространства? Конечно, астероиды, метеориты и кометы содержат элементы, образующие строительный материал живого вещества, и общепризнано, что жизнь на Земле возникла из сочетания таких материалов – уже существовавших на нашей планете и занесенных из космоса. Однако строительный материал – это одно, а сама жизнь – совсем другое. Некоторые видные ученые придерживаются мнения, что первичная жизнь была занесена на Землю из космоса уже полностью сформированной, т. е. не просто составные части, а сами организмы. Еще в 1821 г. Сальс‑ГийондеМонтливоль высказал предположение, что источником жизни на Земле послужила Луна. Эта идея возродилась в отношении Марса в 1890 г., когда американский астроном Персиваль Ловелл (предсказавший существование планеты Плутон и вычисливший ее орбиту) заявил, что видимые на поверхности красной планеты каналы могли быть построены только разумными существами. Уильям Томсон (лорд Кельвин), разработавший абсолютную шкалу температур, в конце XIX века предположил, что жизнь принесена на Землю метеоритами.

Никто не был так одержим подобными идеями, как шведский химик Сванте Аррениус, получивший в 1903 г. Нобелевскую премию за основополагающую работу по электрохимии. Согласно его теории панспермии, рассеянные в холодном мировом пространстве споры бактерий могут перемещаться на большие расстояния в состоянии анабиоза и готовы пробудиться, если встретят на своем пути гостеприимную планету. Он не был знаком с проблемой смертоносного космического излучения. Фред Хойл пропагандировал некоторый вариант гипотезы панспермии в связи со своей теорией стационарной Вселенной, о которой говорилось в гл. 1. Хойл зашел столь далеко, что утверждал, будто такие эпидемии, как пандемия испанки в 1918 г., вызваны микробами из космоса, а нос человека развился, чтобы препятствовать попаданию в его организм занесенных из космоса возбудителей болезней. Фрэнсис Крик (получивший в 1962 г. Нобелевскую премию по медицине вместе с Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом за открытие двойной спирали ДНК) и родоначальник добиологической химии Лесли Орджел пошли еще дальше, поддержав идею о том, что жизнь была «посеяна» на Земле представителями высокоразвитой внеземной цивилизации. Они назвали эту гипотезу «направленной панспермией».

Приверженцы НЛО, конечно, рады иметь в числе своих сторонников Нобелевского лауреата Крика, а авторы научно‑фантастических романов всегда готовы ухватиться за подобные идеи. Марсианские каналы Ловелла в какой‑то степени вдохновили Герберта Уэллса на создание известного романа «Война миров», вышедшего в свет в 1898 г. Хотя многие авторитетные ученые открыто протестуют против идеи панспермии, прямо или косвенно, некоторые высказываются более осторожно. Кристиан де Дюв пишет: «При таких знаменитых сторонниках гипотеза панспермии едва ли может быть отвергнута без подробного разбора», несмотря на то, что, по его мнению, у подобных теорий нет никаких убедительных доказательств. Этот вывод был сделан в 1995 г., однако уже на следующий год весь мир обошли газетные заголовки с заявлением, сделанным NASA.

Сообщение NASA касалось одной из горных пород, найденных в 1984 г. в Антарктиде. Образцы представляли собой фрагменты метеорита, названные SNCs (произносится как «сниксы») – аббревиатура от названий местностей, где были обнаружены первые три таких фрагмента, Shergotty – Nakhla – Chassigny. На пресс‑конференции, посвященной этому событию, образец породы лежал на голубой бархатной подушечке, и глава NASA Дэн Голдин обратился к присутствующим со словами: «Не сегодня‑завтра мы будем знать, только ли на Земле существует жизнь», – что оказалось прекрасным способом привлечь внимание журналистов.

Затем ученые NASA рассказали о том, что было определенно известно об этих породах. Исследования показали, что они образовались на Марсе около 4,5 млрд. лет назад. В течение полумиллиарда лет порода находилась под поверхностью Марса, но после того как в результате метеоритных ударов на поверхности Марса образовались трещины, она подверглась воздействию воды. Новые события произошли с этой породой приблизительно 16 млн. лет назад, когда на Марс упал какой‑то космический объект, возможно, астероид, в результате чего фрагмент марсианской коры был выброшен в окружающее пространство. Пропутешествовав в космосе миллионы лет, этот фрагмент упал в Антарктиде всего 16 тыс. лет назад. Еще в 1957 г. писатель‑фантаст Джеймс Блиш выпустил роман «Холодный год», в центре внимания которого была горная порода, найденная в Арктике и оказавшаяся остатком планеты, разрушенной марсианами во время войны двух миров, что заставило героя воскликнуть: «История вселенной в кубике льда!» События, происходившие на конференции NASA, были менее драматичными, хотя газеты сделали все, чтобы раздуть эту историю.

В породе, обнаруженной NASA, присутствовали карбонаты, аналогичные тем, которые образуются на Земле с участием бактерий. Также были обнаружены мелкозернистые сульфиды железа и другие минералы, напоминающие продукты жизнедеятельности бактерий. Кроме того, с помощью сканирующего электронного микроскопа были выявлены крошечные структуры, которые могли быть ископаемыми остатками марсианских бактерий – они были погружены столь глубоко, что не могли образоваться на Земле. Не желая оказаться в затруднении, представители NASA имели под рукой ученого, сказавшего, что эти структуры слишком малы, чтобы быть бактериями, а карбонаты, по‑видимому, сформировались при слишком высоких температурах, несовместимых с жизнью. Но его скептические высказывания ни в коей мере не смогли предотвратить появления в газетах гигантских кричащих заголовков: «Жизнь на Марсе!»

Последующее обсуждение этого вопроса учеными происходило на основе научной терминологии, способной отпугнуть любого журналиста. Проблему можно было бы решить, если бы удалось вскрыть одну из тех крошечных окаменел остей. При обнаружении клеточной стенки или, еще лучше, фрагмента клетки мы получили бы ответ. К сожалению, не существует разработанной методики проведения таких исследований. Когда ответ все же будет получен, даже если он будет положительным, наверняка многие ученые скажут, что это доказывает всего лишь, что на Марсе, как и на нашей планете, существовала жизнь в форме бактерий. Это не будет доказательством того, что жизнь возникла на Марсе и была занесена на Землю (или наоборот), и не явится подтверждением теории панспермии. Но теперь уже нельзя утверждать, что вообще нет никаких оснований предполагать такие возможности.

^{Этот фрагмент метеорита (названный SNC – «сник») впервые был представлен прессе на конференции NASA в августе 1996 г. Он был найден во льдах Антарктиды в 1984 г., более десятилетнего изучали, в результате чего обнаружили, что он является фрагментом марсианской коры, образовавшейся 4,5 млрд. лет назад, затем был выдавлен на поверхность планеты и примерно 16 млн. лет назад в результате удара астероида о ее поверхность был выброшен в космическое пространство. В породе находились, по‑видимому, ископаемые остатки марсианских бактерий, и это позволяет предположить, что жизнь существовала не только на Земле. (Из материалов NASA.)}

По‑видимому, в большем объеме и более ценные сведения относительно внеземной жизни в Солнечной системе мы получим к 2015 г. Предлагаемое NASA зондирование спутника Юпитера – Европы могло бы подтвердить, что жизнь распространена во Вселенной шире, чем считают консервативно настроенные ученые, – ведь покрытая льдом поверхность Европы позволяет предположить, что в недрах этого спутника существует вода. В последние годы мы узнали, что живые организмы существуют на Земле и в условиях чрезвычайно высоких температур, долгое время считавшихся несовместимыми с жизнью в любой форме. Если в морях под поверхностью Европы будет обнаружена какая‑либо форма жизни, это поднимет концепцию панспермии на новый, более серьезный уровень. Наряду с этим усложнятся попытки ученых установить истоки жизни на нашей собственной планете, которые в настоящее время застыли на двух направлениях: теоретические исследования запутаны в результате получения все большего количества данных о том, что на ранних стадиях эволюции жизни мог происходить обмен генов по горизонтали, а лабораторные эксперименты, предназначенные для создания живого вещества из различных сочетаний химических элементов, каждый раз терпят неудачу. Состояние поисков ответа на вопрос об истоках жизни на Земле, по‑видимому, лучше всего охарактеризовал крупный заголовок в разделе «Science Times» газеты «New York Times» за 13 июня 2000 г., где сообщалось о новых ископаемых остатках, обнаруженных в Австралии: «Проблема происхождения жизни становится все более туманной и неясной».

Литература для дальнейшего чтения

1. de Duve, Christian. Vital Dust. New York: Basic Books, 1995. Де Дюв в 1974 г. получил Нобелевскую премию по медицине вместе с Альбертом Клодом и Джорджем Паладе за открытия, связанные со структурной и функциональной организацией клетки. Он досконально знает этот материал и пишет очень ясно. Добавьте к этому удивительную готовность беспристрастно излагать теории, с которыми он сам не согласен, и вы поймете, что перед вами книга редкой глубины и масштабности.

2. Fortey, Richard. Life. New York: Knopf, 1998. Книга, имеющая подзаголовок «Естественная история первых четырех миллиардов лет жизни на Земле», была выбрана книгой месяца и, как можно было ожидать, больше подходит для чтения, чем для изучения. Автор – серьезный палеонтолог, так что в книге много науки (особенно палеонтологии), но он не боится отвести страничку обсуждению «Середины марта» Дж. Элиота или голливудских фильмов ужасов, причем всегда к месту. Это восхитительная книга, из которой широкий читатель может очень многое узнать.

3. Margulis, Lynn, and Sagan, Dorion. Microcosmos. Berkeley and Los Angeles: University of California Press, 1997. Хотя впервые книга вышла в 1986 г., т. е. некоторые последние дискуссии в ней не отражены, ее переиздание в 1997 г. свидетельствует о том, что сильные стороны этой книги сохранились, а при первой публикации она получила множество восторженных рецензий. Написавший предисловие Льюис Томас, автор «Жизней клетки», называет ее «исключительной» книгой, адресованной широкому кругу читателей, и он прав.

4. Shopf, J. William. The Cradle of Life. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2000. Содержание книги связано с самой гущей современных дебатов по данному вопросу, которые рассматриваются порой весьма придирчиво. Например, автор с сомнением относится к упоминанию об углероде в Исуанских породах Гренландии. Эта книга предназначена для читателей с некоторой естественнонаучной подготовкой, интересующихся последними идеями.

5*. Галимов Э. М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. – М.: Едиториал УРСС, 2001. Книга посвящена одной из наиболее фундаментальных проблем естествознания – проблеме происхождения жизни и законам ее эволюции.

Глава 3.

В чем причина массовых вымираний?

Согласно оценкам ученых, в какой‑то форме жизнь – пусть это всего лишь одноклеточные бактерии – существует на нашей планете вот уже около 3,5 миллиарда лет. Этот промежуток времени соответствует 20‑25% вероятного возраста Вселенной (о дискуссии по данному вопросу см. гл. 18). Как бы впечатляюще это ни звучало, после первоначального появления жизни потребовалось почти 3 миллиарда лет, прежде чем возникли разнообразные ее формы. Как об этом писал в своей книге «Вымирание», вышедшей в 1991 г., известный палеонтолог Дэвид Рауп 11], приблизительно 600 млн. лет назад «органическая эволюция буквально сорвалась с цепи». С тех пор появилось не то 5, не то 50 миллиардов различных видов живых организмов – эта неопределенность их количества показывает, насколько мало мы знаем. В то время как некоторым видам, например крабоподобным трилобитам, в той или иной форме удалось просуществовать несколько сотен миллионов лет, 99,9% всех когда‑либо существовавших видов в конце концов исчезли с лица Земли. Вряд ли можно похвастаться таким рекордом выживания. Что же произошло с миллиардами видов, которых теперь нет?

Мы довольно хорошо знаем, что случилось с некоторыми видами, исчезнувшими в самое последнее время: с ними успешно расправились сами люди. Яркий пример – странствующие голуби. В XIX веке в США их были миллионы. Небо темнело, когда взлетали стаи этих птиц. Однако, к несчастью, они были хорошей пищей, а их перья популярны для модных женских шляпок. В результате в 1914 г. последняя особь умерла в зоопарке. Более экзотические существа, такие, как дронт, с самого начала немногочисленные, исчезли в результате охоты на них еще в XVII веке, а покрытого шерстью мамонта, как полагают, постигла та же участь от рук первобытных охотников еще до наступления последнего оледенения. В настоящее время, согласно данным биологов и ботаников, быстрым темпом идет истребление тропических лесов в Южной Америке, что приводит к уничтожению миллионов видов животных и растений, большинство которых не были даже занесены в каталоги. Все свидетельствует о том, что среди существ, живших на нашей планете на протяжении всей ее истории, одни только люди были способны приводить к исчезновению множества других видов.

Однако этот ужасный факт объясняет лишь очень небольшой процент вымираний, происходивших в течение миллиардов лет. Мы вовсе не намеревались наносить подобный ущерб очень долго, и миллиарды видов исчезли без нашего вмешательства. Два основных направления научной мысли в отношении того, почему вымирания происходили столь часто, отражены в названии книги Раупа «Вымирания: Неудачные гены или неудачная судьба?» [1].

В течение более 140 лет, которые прошли со времени публикации трудов Ч. Дарвина, преобладала школа приверженцев «неудачных» генов. Поскольку Земля непрерывно изменяется, ее континентальные массы почти незаметно перемещаются, образуя новые материки, через довольно регулярные промежутки времени происходят климатические потепления и похолодания, а геомагнитные полюса меняются местами, и возникающие в результате этого землетрясения, извержения вулканов, оледенения и перенос теплых тропических воздушных масс, безусловно, представляют испытания для любых живых существ. Те, кто обладает генетической «гибкостью» и может приспособиться к подобным изменениям, конечно, имеют наибольшие шансы выжить; организмы с менее гибкой генетической структурой, а часто это самые крупные и наиболее сложные организмы, будут выбиты из колеи. К тому же по мере развития некоторого биологического вида в направлении большей генетической эффективности его хуже приспособившиеся предки постепенно вымирали и без дополнительного воздействия изменений окружающей среды. Даже самый примитивный обитатель ранних морей имел преимущество перед близкими к нему формами жизни, если у него развивалась способность с большей эффективностью, чем у вида, от которого он произошел, перерабатывать в процессе питания микроорганизмы. Таким образом, приспособляемость – «выживание наиболее приспособленных» – многие ученые считали достаточным фактором, чтобы его отсутствием объяснить большинство случаев вымирания.

Однако по мере накопления палеонтологических данных, рассказывающих об истории развития жизни на Земле, этот подход стал встречать все большие трудности. Одной только эволюционной теорией невозможно было объяснить пять известных в истории Земли массовых вымираний, при которых исчезало большинство существовавших в то время форм жизни. Поэтому за последние полстолетия мнение все большего числа ученых смещалось к сценарию «невезения», по которому массовые вымирания были вызваны редкими катастрофами, природа и сила которых были достаточны, чтобы произвести опустошение всей планеты. Но прежде чем говорить о фактических данных, свидетельствующих в пользу таких катастроф, рассмотрим вкратце эти пять массовых вымираний, происшедших за последние 500 млн. лет.

Массовое вымирание происходило в каждом из пяти периодов геологической истории: ордовикском, девонском, пермском, триасовом и меловом (см. схему). В остальные шесть периодов геохронологической шкалы массовых вымираний не выявлено, хотя нет сомнений в том, что какие‑то виды исчезали на протяжении всего интервала в 600 млн. лет, называемого фанерозоем, когда на Земле существуют сложные формы жизни. В течение ордовикского периода, продолжавшегося начиная с 505 до 440 млн. лет назад, жизнь на нашей планете существовала только в морях. Растения появились на суше и быстро распространились только в девонский период – приблизительно с 410 до 360 млн. лет назад. Начиная с пермского периода, примерно 286 млн. лет назад, настало время позвоночных – как мелких, так и крупных. И пресмыкающиеся, и млекопитающие существуют начиная с пермского времени, но гораздо более разнообразными млекопитающие стали после того, как примерно 65 млн. лет назад вымерли все динозавры.

В своей книге «Чудо жизни» [3] (1989 г.) и в других своих работах Стивен Гоулд дает понять, что деление фанерозоя на такие отдельные категории, как «век рыб», «век рептилий» и «век млекопитающих», является слишком большим упрощением. После того как и моря, и суша оказались заселенными биологически сложными существами, разные виды живых организмов всегда в какой‑то степени перекрывались. Из‑за своего восхищения динозаврами мы можем говорить: «когда Землей правили динозавры», однако ничего такого не происходило, несмотря на подчас огромные размеры этих существ. Известно лишь около 50 видов динозавров, тогда как в настоящее время одних только белок имеется 150 видов, но мы не считаем, что белки правят миром, хотя, раскачиваясь на ветвях деревьев у нас во дворе, они подчас действуют раздражающе. Точно так же мы не думаем, что Землей управляют самые крупные из сухопутных млекопитающих – слоны, численность которых быстро сокращается. Размеры не играют никакой роли. Если же руководствоваться только численностью, то окажется, что начиная с пермского периода миром правят насекомые. Гораздо точнее будет сказать, что основная роль на Земле принадлежит многообразию, которое человек непрерывно и успешно разрушает, несмотря на то, что наше собственное существование зависит от его сохранения.

Хотя ни одна группа животных не занимает на Земле господствующего положения, во время массовых вымираний некоторые формы жизни исчезли безвозвратно, как это случилось с динозаврами. Общепризнано также, что массовое вымирание динозавров и множества других видов открыло дорогу для роста численности млекопитающих, и эволюция одного из их семейств привела к возникновению человека. По мнению некоторых ученых, если бы динозавры не были уничтожены, они могли бы в конце концов развиться в прямоходящие существа и приобрести подобные нашим – или даже большие – умственные способности. Некоторые данные свидетельствуют о том, что более мелкие динозавры уже были на пути, который привел бы их к прямохождению на двух ногах. Однако ряд специалистов возражают против такой точки зрения, отмечая, что динозавры существовали очень долгое время, не развившись в двуногие существа, тогда как приматы в результате эволюции очень быстро – в смысле относительных сроков – превратились в человека.

Геохронологическая шкала[5]

Если не учитывать подобных умозаключений, гибель динозавров послужила основой для выдвижения современных аргументов о причинах массовых вымираний. Этому способствовали два фактора: во‑первых, всеобщее увлечение динозаврами, существовавшее в течение полутора столетий начиная с введения самого этого слова Ричардом Оуэном в 1842 г.; во‑вторых, исчезновение динозавров было последним из пяти массовых вымираний, и поэтому палеонтологическая летопись об их 140 млн. лет пребывания на Земле гораздо богаче, чем о большинстве других форм жизни, вымерших в более ранние геологические периоды.

Чем больше информации об исчезнувших видах (или о роде, состоящем из некоторого количества семейств, в которые входят отдельные виды живых организмов) становится доступно, тем большее число ученых из других областей науки получают возможность ее изучать. Хотя представления о динозаврах на протяжении последних десятилетий заметно менялись и многие загадки остаются неразгаданными (см. гл. 6), эти существа влекут к себе ученых, не имеющих никакого, казалось бы, отношения собственно к исследованию динозавров. Никто не вступил в споры о динозаврах из более далекой сферы деятельности – и отчасти поэтому вызвал наибольший шум, – чем Луис Альварес, лауреат Нобелевской премии по физике из Калифорнийского технологического института. Разработанные им совместно с сыном, геологом Уолтером, теории настолько взбудоражили в 70‑е годы мир исследователей динозавров, что спокойствие не наступило до сих пор. Они заставили совершенно по‑новому взглянуть на проблему массовых вымираний в целом.

Вернемся в 1973 г. Уолтер Альварес с группой других геологов проводил раскопки в районе Губбио на севере Италии, пытаясь найти подтверждения инверсий магнитного поля Земли, которые по неизвестным причинам происходят примерно раз в миллион лет. В Губбио между двумя слоями известняка, содержащими множество ископаемых остатков, У. Альварес обнаружил глинистый пласт, почти совершенно лишенный окаменелостей. Его поразило, что этот пласт имел геологический возраст, совпадавший с концом мелового периода, когда на Земле исчезли динозавры. (Это время часто называют границей К–Т, где буква К соответствует немецкому слову Kreide – «меловой», а Т – третичному периоду.) В 1977 г. Уолтер вернулся в США, привезя с собой образцы глины из этого слоя, и поговорил о них со своим отцом, физиком Луисом Альваресом.

Луис Альварес получил Нобелевскую премию по физике в 1968 г. за разработку жидководородной пузырьковой камеры, которую он использовал для регистрации короткоживущих элементарных частиц, называемых «резонансами». Он был человеком очень широких интересов, многого достиг в разных областях, работал над Манхэттенским проектом по созданию атомной бомбы и изобрел систему радиолокационного наведения для посадки самолетов. Глинистые образцы Губбио заинтересовали его, и он стал проводить их геохимический анализ. В 1978 г. Альварес получил несколько дополнительных образцов и обнаружил, что в этой глине концентрация иридия в 30 раз больше, чем в выше‑ и нижележащих слоях известняка. На поверхности Земли иридий – редкий элемент, но он широко распространен в метеоритах. Высокая концентрация иридия в глине конца мелового периода была поразительна.

Луис Альварес рассмотрел несколько возможных объяснений. Например, если бы в тот период где‑то в пределах нашей Галактики произошел взрыв сверхновой, то это могло бы привести к осаждению на Землю иридия – но такое предположение не подтверждалось фактическими данными. Луис и Уолтер Альваресы обратились к другой гипотезе: в Землю врезался крупный метеорит. Если бы он имел в поперечнике по крайней мере 10 км, то при ударе образовались бы огромные тучи пыли, которые в течение нескольких лет окутывали Землю, в результате чего поток солнечного света ослаб настолько, что сильно пострадала бы растительность и в морях, и на суше. Это привело бы к разрушению пищевой цепочки, что, несомненно, могло бы объяснить гибель не только динозавров, но и множества других биологических видов, исчезнувших с нашей планеты в это же время.

Гипотеза Альваресов была опубликована в июне 1980 г. в журнале «Science». Это довольно драматичное научное повествование было тут же подхвачено популярной прессой («Метеорит убил динозавров!»), что только усилило раздражение скептически настроенных ученых в разных областях науки. Многие геологи, коллеги Уолтера Альвареса, особенно активно отвергали эту идею, поскольку предлагали свою собственную теорию, основанную на грандиозных вулканических извержениях, которые также могли порождать пылевые облака, препятствовавшие прохождению солнечного света. Другие же сочли эту гипотезу достаточно правдоподобной. Кроме того, ее вполне можно было проверить. Если бы удалось обнаружить аналогичные осаждения иридия в других местах земного шара, это послужило бы подтверждением выводов, сделанных по находкам в Губбио. И нет ли где‑нибудь достаточно большого кратера соответствующего возраста, что доказало бы столкновение такого метеорита с Землей?

^{Размеры кратера Chicxulub, образовавшегося при столкновении Земли с астероидом 65 млн. лет назад, долгое время недооценивались, так как больше половины его находится ниже уровня моря, а следы на суше были почти целиком стерты с течением времени вследствие эрозии и изменений формы полуострова Юкатан. Когда в результате измерений были определены его возраст и полные размеры (180 км в диаметре), это явилось подтверждением теории того, что вымирание динозавров было вызвано столкновением Земли с астероидом. (Из материалов Геологической службы США.)}

В течение двух последующих лет в самых разных местностях было установлено присутствие иридия в пластах нужного возраста, но у других ученых возникли новые вопросы. Усилились сомнения в том, что иридий мог оставаться в атмосфере долгое время, достаточное, чтобы от единственного места удара метеорита разнестись по всему земному шару. Однако компьютерные модели показали, что «баллистическое рассеяние» иридия вполне возможно. В ходе этих дебатов оставалась одна более серьезная проблема: где найти требуемый кратер? Ни один из известных на суше кратеров не имел подходящего возраста или размера. Только в 1989 г. на северном берегу полуострова Юкатан океанографы, проводившие здесь съемку местности, обнаружили подводный кратер. После проведенных в 1993 г. измерений было объявлено, что диаметр этого кратера Chicxulub paвен 180 км, т. е. он больше штата Западная Виргиния и практически является самым большим из известных кратеров в Солнечной системе. Более того, исследования показали, что он образовался 65 млн. лет назад, а значит, в точности тогда, когда произошло массовое вымирание, уничтожившее динозавров. В течение еще четырех лет изучался материал, поднятый из кратера, и в 1997 г. уже другие ученые пришли к выводу, что отложения иридия и других элементов совместимы с геологическими находками в Губбио, Дании и Новой Зеландии, о которых в 1980 г. объявили Луис и Уолтер Альваресы и их коллеги – химики Фрэнк Азаро и Элен Мишель. С этого момента большинство ученых признало, что падение метеорита сыграло, по крайней мере, какую‑то роль в исчезновении динозавров. С этим выводом согласовались и обнародованные в ноябре 1996 г. результаты исследований, показавшие, что Юкатанский метеорит врезался в Землю под острым утлом, вследствие чего над Северной Америкой могла пронестись колоссальная огненная буря.

Однако данный вывод не означал, что крупный спор о массовых вымираниях разрешен. Некоторые ученые, в том числе Дэвид Рауп, решили, что теперь стал ясен физический механизм, способный объяснить все массовые вымирания. Ученые не надеялись найти кратеры, которые образовались на Земле в периоды, совпадающие с более ранними массовыми вымираниями: изменения земной поверхности за миллионы лет неизбежно стерли все следы метеоритных ударов, имевших место в периоды более древних вымираний. Дрейф континентов, обнаруженный в исследованиях XX века, показал, что 200 млн. лет назад не только существовал единый суперконтинент Пангея, но и что он возник из обломков еще ранее существовавшего суперконтинента Родиния. Эти грандиозные преобразования земной поверхности вполне могли бы объяснить, почему у нас нет надежных доказательств возникновения других кратеров типа Chicxulub.

Несмотря на эти находки и выводы, попытка приписать все пять массовых вымираний, произошедших за 500 млн. лет, ударам метеоритов была довольно дерзкой и действовала раздражающе. Ученые, по крайней мере, отчасти сохранившие скептическое отношение к этому сценарию даже относительно динозавров, получили повод говорить более открыто и громко. Эти ученые были склонны признать, что падение метеорита сыграло некоторую роль в исчезновении динозавров, однако только некоторую. Плоскогорье в западной части Индии покрыто обширными потоками лавы, известными как Деканские траппы, и некоторые ученые утверждают, что такая интенсивная вулканическая деятельность могла бы создать столь же неблагоприятные атмосферные условия, что и столкновение с метеоритом. Хотя датировка Деканских траппов несколько проблематична, некоторые полагают, что для того, чтобы решить исход дела, необходимо сочетание вулканических извержений и падения метеоритов. Придерживаясь иной точки зрения, некоторые специалисты обращали внимание на то, что в других частях света динозавры погибали медленнее, чем в Северной Америке, где удар при падении Юкатанского метеорита, видимо, был самым сильным. Согласно еще одной точке зрения, динозавры начинали вымирать еще до падения этого метеорита и исчезли бы с лица Земли и без подобной катастрофы, лишь ускорившей их гибель. Это мнение часто связывают с идеей о том, что многие динозавры во вред себе оказались чересчур велики, и совсем незначительных изменений окружающей среды было достаточно, чтобы возник недостаток их пищи. Согласно этим рассуждениям, в процессе эволюции динозавры меньших размеров уже стали превращаться в животных, подобных современным пресмыкающимся, а также в первых настоящих птиц.

Мнение, по которому одни динозавры достигли чрезмерных размеров, тогда как другие эволюционировали в новые виды, свидетельствует в пользу теории вымирания, обусловленного неудачными генами. Гигантский размер, возможно, был неудачной генетической особенностью, поскольку создавал повышенную уязвимость по отношению к изменениям окружающей среды, тогда как организмы меньших размеров могли со временем лучше адаптироваться к новым условиям. Даже Дэвид Рауп допускает, что некоторые виды всегда вымирали из‑за генетических проблем, свойственных конкретному виду. В диапазон таких проблем входят, с одной стороны, болезни, воздействующие лишь на один какой‑нибудь вид или несколько видов, а с другой – изменения среды обитания, которые могут приводить к летальному исходу для вида, занимающего очень узкую нишу. И те и другие проблемы в наше время угрожают многим видам, например змеешейке (разрушение среды обитания) и флоридской пантере (наследственное нарушение половых органов). Рауп считает, что трилобиты оказались жертвой неудачных генов. Среди ископаемых остатков кембрийского периода найдено шесть тысяч видов трилобитов, но их число резко сократилось во время двух последовавших за этим массовых вымираний, а в конце палеозойской эры 325 млн. лет назад они и вовсе исчезли.

Однако Рауп убедительно доказывает, что неудачными генами нельзя объяснить гибель огромного числа видов во время массовых вымираний. В эти периоды должно было происходить нечто, в результате чего полностью исчезали биологические виды как с неудачными, так и с удачными генами. Сам Рауп говорит о необходимости объяснить часто упоминаемую цифру – 96% всех видов вымерло в конце пермского периода. Он взял ее из своей статьи, опубликованной в 1979 г., где эта величина рассматривалась в качестве верхнего предела, причем с множеством оговорок. Но и вымирания даже 70% было бы более чем достаточно, чтобы предположить некий катаклизм.

Тем не менее многие ученые не разделяют уверенность Раупа в том, что главной причиной всех пяти массовых вымираний были падения на Землю метеоритов. Однако он имеет сторонников, и некоторые возражения против его теории можно парировать. Например, иногда настаивают на том, что важнейшую роль играли неоднократно происходившие интенсивные извержения вулканов (и в некоторых случаях даже приводят подтверждающие их точку зрения геологические свидетельства). Но тогда можно отметить, что удар достаточно крупного метеорита мог сам спровоцировать вулканическую деятельность, а это превращает ее из причины в следствие. Некоторые специалисты даже согласны признать, что причиной любого массового вымирания может оказаться несколько перекрывающихся факторов. Другие полагают, что в основе каждого из пяти важнейших случаев вымирания лежит какая‑нибудь одна основная причина, но каждый раз иная. В одном случае это могло быть чрезвычайно интенсивное вулканическое извержение, в другом – значительное повышение уровня моря, в третьем – серьезные климатические возмущения. Один из этих сценариев, в том числе падение метеорита, мог реализоваться не один раз.

Маловероятно, что эти споры когда‑нибудь стихнут. Юкатанского кратера оказалось достаточно, чтобы подтвердить метеоритную гипотезу последнего случая массовых вымираний, но у исследователей мало надежд найти подобные же доказательства для более древних вымираний. За последние несколько сотен миллионов лет поверхность Земли слишком много раз и слишком сильно менялась. В будущем иные открытия, несомненно, будут склонять чашу весов в ту или иную сторону, по крайней мере, на какое‑то время, но окончательные решения кажутся иллюзорными.

По мнению некоторых специалистов, найти ответы, возможно, вскоре позволит одно весьма сильное средство. Самое значительное вымирание со времен последнего (в конце мелового периода 65 млн. лет назад) происходит сейчас на наших глазах. Причиной его служит деятельность человека. Некоторые ученые опасаются, что мы столь сильно разрушаем окружающую среду, что это повлечет за собой наше собственное вымирание – с этим наглядным уроком лучше бы не иметь дела. С другой стороны, если на Землю вновь упадет достаточно большой метеорит, мы можем столкнуться с повторением катастрофы мелового периода. В космосе находятся блуждающие астероиды, и, как мы знаем, некоторые иногда приближаются к Земле. Мало кто из астрономов сомневается в том, что рано или поздно наша планета опять испытает сильный удар космического объекта. Если мы не разработаем план разрушения такого астероида еще в космосе, скажем, путем применения атомных бомб, как предлагают некоторые ученые, то нам, возможно, придется на собственном опыте узнать, каким оказался изменившийся мир, внезапно представший динозаврам. Но если оставить в стороне столь зловещие способы приобретения знаний о происхождении массовых вымираний, то в итоге окажется, что первые четыре массовых исчезновения животных останутся для нас тайной. Об их причинах идут бесконечные споры, и кое‑что более или менее определенно известно лишь относительно пятой, наиболее близкой к нам по времени катастрофы.

Литература для дальнейшего чтения

1. Raup, David M. Extinction: Bad Genes or Bad Luck? New York: Norton, 1991. Коллега и друг Раупа Стивен Гоулд характеризует его как «основного инициатора» повышенного интереса ученых к проблеме вымирания в последние несколько десятилетий. Эта книга, написанная ярким живым языком, предназначена для широкого читателя, содержит много любопытного и охватывает проблему со всех сторон.

2. Alvarez, Walter T. Rex and the Crater of Doom. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1997. В этой научно‑детективной истории описывается вся подоплека создания Уолтером Альваресом и его отцом, покойным Луисом Альваресом, теории метеоритного удара. Это захватывающее повествование о научном открытии и о том, как заставить скептиков поверить в справедливость новой теории.

3. Gould, Stephen J. Wonderful Life. New York: Norton, 1989. Бестселлер, который многие считают классической работой, где ископаемые остатки, найденные в бургесских глинистых сланцах в Британской Колумбии, служат основой для широкомасштабного анализа роли как эволюции, так и вымирания. В настоящее время под влиянием Ричарда Райта, автора книги «Nonzero: The Logic of Human Destiny» (New York: Pantheon, 2000), наблюдается отрицательное отношение к взглядам Гоулда на том основании, что он переоценивает роль «случайных» аспектов эволюции, в частности роль человека. Стоит обратить внимание на этот спор и для начала – прочесть эту книгу.

4. Wilson, Е. О., Ed. Biodiversity. Washington, D. С: National Academy Press, 1988. Прекрасный сборник научных статей и очерков о гибели живых организмов в настоящее время и, возможно, в будущем. Это серьезная книга, и в ней много важной информации найдут те, кто действительно интересуется вопросом о том, в самом ли деле мы сами прямо сейчас создаем новые условия для массового вымирания.

5. Chapman, С. R., and D. Morrison. Cosmic Catastrophes. New York: Plenum Press, 1989. Хорошо написанная книга, где с научными подробностями рассматривается вероятность того, что Земля в ближайшем будущем столкнется с массивным космическим объектом.

6. Wade, Nicolas, Ed. The Science Times Book of Fossils and Evolution. New York: Lyons Press, 1998. В этом сборнике статей, первоначально опубликованных в «New York Times», ясно и убедительно излагаются многочисленные результаты анализа ископаемых остатков и эволюционной теории последнего десятилетия XX века.

7*. Катастрофы и история Земли. Под ред. У. Берггрена, Дж. Ван Кауверинга. – М: Мир, 1986. В книге описывается развитие Земли и населяющего ее живого мира. Обобщается материал по истории океанов, показывающий крайнюю неравномерность развития, в котором этапы постепенного эволюционирования сменяются быстрыми катастрофическими событиями.

Глава 4.

Что у Земли внутри?

Выступление в Опере Сан‑Франциско вечером 17 апреля 1906 г. великого тенора Энрико Карузо было, как обычно, триумфальным. Уже тогда большую часть населения этого города составляли выходцы из Италии, и его выступление сопровождали бесконечные аплодисменты. Когда бы он ни приезжал в Сан‑Франциско, он чувствовал себя здесь как дома. Однако на следующее утро он дал зарок никогда больше не возвращаться не только в этот город, но и вообще в Калифорнию. В 5 ч 13 мин утра произошло сильнейшее землетрясение, и Карузо едва не был погребен под обрушившимся зданием его отеля. Кроме разрушений, вызванных землетрясением, в городе в течение трех последующих дней бушевал пожар. Возникла вспышка бубонной чумы, переносчиками которой стали крысы – их гнезда, как и большинство зданий города, были разрушены. После этого в прессе стали появляться истории о кошках Сан‑Франциско. Многие очевидцы рассказывали, что перед самым толчком их кошки как обезумевшие выбегали из дома. Неужели они знали, что должно произойти, еще до того, как люди почувствовали колебания почвы? На некоторых это произвело столь сильное впечатление, что они стали покупать кошек, чтобы получать предупредительный сигнал о новом землетрясении.

^{Вид Сан‑Франциско в 10 ч утра 18 апреля 1906 г. – через пять часов после землетрясения. Великий итальянский оперный певец Энрико Карузо чудом уцелел, когда рухнул Палас‑отель (в левом нижнем углу). Несмотря на то что в течение ХX века науке удалось очень многое узнать о внутреннем строении Земли и тектонике плит, надежно предсказать время землетрясения все еще практически невозможно. (Из материалов NOAA‑EDS.)}

О поведении кошек перед землетрясением спросили ученых. «Абсурд, – ответили они, – бабушкины сказки, истерия». И идею о том, что кошки способны чувствовать приближение землетрясения, перенесли в разряд фольклора. А Сан‑Франциско, отстроенный со строгим соблюдением новых строительных норм, за последующие десятилетия смог пережить множество землетрясений умеренной силы. И вот в тот вечер, когда осенью 1989 г. проходила игра между двумя региональными командами, «Сан‑Франциско джайентс» и «Окленд атлетикс», в городе произошло еще одно сильное землетрясение. Вся страна, собравшаяся у телевизоров смотреть соревнование, затаила дыхание, видя, как содрогаются здания, взламываются автодороги и вспыхивают пожары. Еще ни одно землетрясение в истории человечества миллионы людей не наблюдали в то самое время, когда оно происходило. Позднее вспомнили старые рассказы о кошках. Землетрясение 1906 г. произошло в середине ночи, и поэтому тогда легко было опровергать эти истории как недостоверные свидетельства охваченных ужасом людей. На этот же раз сообщения о том, что кошки в крайне возбужденном состоянии носились взад и вперед непосредственно перед землетрясением, поступали от свободных от работы полицейских и пожарных, которые сидели дома перед телевизорами и ожидали начала игры. О том же рассказывали и различные квалифицированные специалисты. Кошки Сан‑Франциско еще раз взбесились. На сей раз ученые обратили на это внимание. В конце концов, быть может, все‑таки было что‑то в этих бабушкиных сказках, и поведение кошек во время землетрясений начали исследовать с научной точки зрения.

Тот факт, что в конце XX века сочли необходимым исследовать поведение кошачьих в связи с землетрясениями, свидетельствует о состоянии проблемы прогноза землетрясений: его практически не существует. Конечно, сейсмологи могут с уверенностью предсказать, что, скажем, катастрофическое землетрясение ожидается в районе Лос‑Анджелеса в скором времени – но «в скором» может означать и «завтра», и «через 30 лет». По сравнению с предсказанием землетрясений прогноз погоды выглядит исключительно точным, несмотря на то что холодный фронт может так и не прийти или снег появится неизвестно откуда. И тем не менее мы сейчас уже знаем о землетрясениях гораздо больше, чем знали во времена землетрясения в Сан‑Франциско 1906 г.

Например, только в 1912 г. возникла концепция дрейфа континентов – ее выдвинул немецкий метеоролог Альфред Вегенер, родившийся в 1880 г. Раньше полагали, что начиная с того времени, когда Земля приобрела свою постоянную форму, материки всегда оставались в тех местах, где они находятся сейчас. Вегенер заинтересовался новой тогда областью атмосферных исследований, метеорологией, и отправился с экспедицией в Гренландию. По‑видимому, плавучий лед в окружающих Гренландию водах навел его на мысль о том, что континентальные массы тоже могли бы перемещаться по поверхности Земли. Он стал искать доказательства в поддержку этой гипотезы и обнаружил два вида связи между различными материками. Во‑первых, существовали геологические связи: одни и те же осадочные породы одинакового возраста были обнаружены в местах, разделенных океаном. Во‑вторых, на разных континентах сохранились сходные ископаемые остатки древних животных и растений, несмотря на то что в XX веке подобные сходства в мире редки, и каждый континент имеет характерную именно для него флору и фауну. Родиной томатов, кукурузы и картофеля является Новый Свет, а капуста, баклажаны и цуккини эндемичны для Европы, и подобную исключительность можно наблюдать у многих видов животных. Однако в очень отдаленном прошлом некоторые растения и животные существовали не на одном континенте. Ярким примером был семенной папортник Glossopteris, произраставший 270 млн. лет назад на территории современных Южной Америки, Африки, Австралии и Азии. Вегенеру было ясно, что, следовательно, когда‑то существовал единый суперконтинент, и он подробно изложил свою теорию в книге «Происхождение континентов и океанов», изданной в 1915 г. Все материки на Земле в свое время составляли единый массив, названный им Пангеей.

Некоторые ученые вдохновились этой идеей и считали доводы Вегенера неопровержимыми. Эту относительно небольшую группу стали называть «мобилистами». Однако большинство геофизиков согласились со своим знаменитым коллегой сэром Гарольдом Джеффрисом, который посчитал концепцию в целом нелепой. Собственные наблюдения за землетрясениями убедили его в том, что недра Земли абсолютно твердые. Движущиеся континенты – ну и ну! К сожалению, мобилисты не смогли привести сколько‑нибудь правдоподобный механизм, который позволял бы материкам перемещаться.

^{Концепция дрейфа континентов была впервые предложена в 1912 г. Альфредом Вегенером. В 1915 г. вышла его книга, где он выдвинул гипотезу о существовании в глубокой древности единого суперконтинента, названного им Пангеей. Поначалу отвергнутые большинством геологов, идеи Вегенера в конце концов были подтверждены как геологическими данными, так и открытием тектоники плит, обеспечившей механизм перемещения материков. На приведенных здесь картах показано изменение поверхности Земли на протяжении геологических эпох. (Из материалов Геологической службы США.)}

Только через три десятилетия после смерти Вегенера, в 60‑е годы. XX века такой механизм был открыт. Как отмечают в своей книге «Рассказ о Земле», вышедшей в 1998 г., Саймон Лэмб и Дэвид Сингтон [1], на это открытие понадобилось бы намного больше времени, не появись в 1950‑х годах ядерные подводные лодки. После их постройки впервые возникла настоятельная необходимость иметь карты не только поверхности морей, но и океанического дна. ВМФ США обеспечил достаточное финансирование этого крупного проекта, в котором широко использовалась новая техника эхолотирования для регистрации колебаний, возникающих при взрывах под водой небольших зарядов. Предполагалось, что дно океана сглажено за миллионы лет морскими течениями и осадками и должно быть совершенно ровным. Но это оказалось абсолютно не так.

Наиболее поразительным, как пишут Лэмб и Сингтон, было открытие «опоясывающей нашу планету практически непрерывной подводной горной цепи». «По сути это самый длинный горный хребет на Земле». Помимо этого на дне имелись зоны разломов, как если бы оно было расколото на громадные плиты под прямыми углами к подводным хребтам. Отсюда следовали грандиозные выводы. Океаническое дно было явно не таким древним, как предполагалось, и подвергалось воздействию такой же вулканической и сейсмической деятельности, что и континенты. В 1960 г. Гарри Хесс из Принстонского университета начал сводить воедино эти новые открытия с давно интриговавшими его старыми результатами и создал новую теорию того, что происходило с земной поверхностью под океанами. Срединно‑океанические хребты, очевидно, возвышались, но существовали также подводные «острова» с плоскими вершинами, которые он назвал «гайотами». Вероятно, они испытывали опускание, хотя их вершины когда‑то могли выдаваться над поверхностью воды, где сглаживались и стали плоскими в результате эрозии. Это должно было означать, что горные породы на дне океанов плотнее, чем на суше, и поэтому они погружались в верхнюю мантию. Оболочка Земли, называемая мантией, располагается между поверхностной земной корой и находящимся в центре ядром, причем породы нижней мантии имеют большую плотность, чем породы верхней мантии. По мнению Хесса, глубоководные горы должны были возникнуть под действием какой‑то внутренней силы, затем происходило плавное смещение их в сторону, после чего они вновь начинали опускаться. Он сравнивал этот процесс с лентой гигантского конвейера, непрерывно изменявшего поверхность океанического дна. Дно океанов не было ровным и неподвижным, а постоянно переделывало само себя.

Фред Вайн, учась в аспирантуре Кембриджского университета в Англии, прослушал знаменитую лекцию Хесса и развил его идеи. Вайну было поручено проанализировать результаты магнитной съемки, проведенной учеными Великобритании в Индийском океане. В этой области исследований недавно был сделан вывод о том, что магнитное поле Земли на протяжении истории нашей планеты несколько раз меняло свою полярность. В настоящее время стрелка компаса указывает на Северный полюс, но при инверсии магнитного поля она будет направлена на Южный полюс. Между мантией Земли и ее твердым внутренним ядром располагается внешнее ядро. Сэр Эдвард Буллард предположил, что оно состоит из жидкого (расплавленного) железа и что потоки в этом расплавленном слое создают эффект, благодаря которому поле действительно может со временем менять свою полярность. Доказательство этих представлений было получено с помощью нового метода определения возраста горных пород, основанного на анализе радиоактивного аргона, который был захвачен вулканической лавой в процессе ее охлаждения и превращения в породу. Сложные эксперименты, выполненные в Калифорнийском университете в Беркли, показали, что магнитное поле Земли действительно претерпевало инверсии приблизительно раз в миллион лет.

В 1963 г. Вайн вместе со своим руководителем Драммондом Мэтьюзом пришел к выводу, что на океаническом дне должен существовать двойной конвейер – по одной ленте с каждой стороны срединно‑океанических хребтов. Ленты этих конвейеров скользят в перпендикулярном к хребтам направлении, унося от них очередную порцию излившейся лавы и создавая эффект полосчатости магнитных свойств всяких раз, когда геомагнитное поле изменяет свою полярность. Дальнейшие работы таких ученых, как Дж. Тузо Вильсон и Алан Кокс, подтвердили правильность идей Хесса и Вайна, указав, что смежные участки морского дна непрерывно смещаются относительно друг друга, скользя вдоль разломов. Более того, оказалось, что возраст пород, слагающих дно океанов, нигде не превышает 200 млн. лет, т. е. они почти в 10 раз моложе континентальных массивов.

Эти перемещения пород океанического дна заставили многих ученых вспомнить идеи Альфреда Вегенера о едином континенте Пангея, которые долгое время игнорировались. Если под водой происходит столь значительное перемещение, не могут ли и целые континенты двигаться, пусть даже гораздо медленнее? Многие геологи и геофизики стали собирать все больше и больше доказательств того, что происходило в действительности. В марте 1964 г. вблизи Анкориджа на Аляске в районе полномочий геолога Джорджа Плафкера из Геологической службы США произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой 8,6 по шкале Рихтера. Изучив его последствия, геолог убедился в том, что, поскольку на суше в области землетрясения не наблюдается линии разлома достаточной длины, она должна находиться где‑то в море у побережья. За несколько последующих лет Плафкер и другие геологи сумели показать, что на определенных участках земного шара океаническая кора погружается в недра Земли, и, перемещаясь, она в какой‑то момент уже будет скользить под материковой корой, выталкивая ее вверх и вызывая землетрясение.

Так родилась теория тектоники плит. Из плит разного размера состоит наружная оболочка Земли – литосфера. Земная кора, на которой мы занимаемся сельским хозяйством и строим города, – это всего лишь самая верхняя часть литосферы, общая толщина которой в среднем составляет около 350 км. Литосферные плиты перемещаются, и с помощью искусственных спутников Земли их движение удалось измерить. Скорость его очень мала, – как правило, порядка сантиметра в год, но смещения происходят на протяжении тысячелетий, и в различных точках прохождение одной плиты под (или над) другой (а иногда – сдвиг одной относительно другой) создает внезапный крен, приводящий к землетрясению. Давления, оказываемые двумя плитами друг на друга, вдруг становятся слишком большими. Достаточно случайности – и образуется разлом одной из плит, приводящий к значительному смещению земной коры.

За то время, которое прошло между сан‑францисскими землетрясениями 1906 и 1989 гг., геофизики стали гораздо лучше понимать, почему происходят эти разломы земной коры. Они знают также, где на земном шаре находятся наиболее опасные в сейсмическом отношении места, поскольку ясно, что в этих местах две литосферные плиты, сталкиваясь, перемалывают друг друга. В результате создаются такие колоссальные давления, которые вещество земной коры не в состоянии выдержать, так как они превышают предел его прочности, и происходит разрыв сплошности. Наибольшее внимание средств массовой информации, по крайней мере в США, привлекает калифорнийский разлом Сан‑Андреас, и неизменный смех вызывают выражения типа «Южная Калифорния проваливается в море». Однако это довольно нервный смех – ведь сильное землетрясение когда‑нибудь, несомненно, произойдет.

Раскрытие тайны тектонических плит помогло прояснить и другие аспекты строения Земли. Но чем дальше от поверхности, тем более умозрительными становятся выводы ученых. Земная кора, или внешняя оболочка планеты, на континентах имеет мощность до 50–70 км, а под океаническим дном – всего лишь 8–12 км. Подземной корой находится верхняя мантия, сложенная такими минералами, как оливин и оксиды, плюс некоторое количество гранатов. Аналогичные породы образуют нижнюю мантию, но из‑за действующих здесь огромных давлений они имеют еще большую плотность. При таких давлениях, а также существующих на больших глубинах в недрах Земли высоких температурах углерод кристаллизуется в форме алмаза. Алмазы, добываемые на Земле, выдавлены из нижней мантии в процессе вулканических извержений – они оказались в поднявшейся из глубин Земли расплавленной лаве, при остывании которой образовался базальт. Некоторые алмазы выдавлены с глубин порядка 1000 км. Только в лабораторных экспериментах с использованием алмазных наковален, которые способны выдержать огромные давления и температур, создаваемые лазерными пучками, исследователям удалось получить мизерные количества исключительно плотного минерала со структурой перовскита – основной составляющей нижней мантии Земли.

Под мантией располагается внешнее ядро, состоящее из жидкого (расплавленного) железа и никеля. Считается, что эти вещества плавятся при температурах, близких к тем, которые существуют внутри Солнца. Имеются веские основания полагать, что так оно и есть, но относительно таких глубин ученые могут делать лишь умозаключения. Во время землетрясений в недрах нашей планеты распространяются упругие колебания – более быстрые продольные и несколько более медленные поперечные волны, которые регистрируются сейсмографами. По характеристикам этих волн можно установить, через какой материал они прошли. Твердое внутреннее ядро Земли из железа и никеля окружено расплавленным внешним ядром. Почему же расплавленное внешнее ядро не заставляет плавиться внутреннее ядро? Предполагается, что в какой‑то момент адские температуры внешнего ядра существенно уменьшаются. По‑видимому, это обусловлено конвективными потоками (в лаборатории они воспроизводятся при значительно более низких температурах), которые заставляют струи, или плюмы, наиболее горячего материала двигаться вверх, при этом находящийся вверху более холодный материал опускается вниз.

Планета Земля живет активной жизнью, и не только в смысле существующей на ее поверхности экосистемы животных и растений, которые успешно развиваются благодаря благоприятным условиям хорошо сбалансированной атмосферы, так как большая часть земной поверхности покрыта водой. В отличие от нее Луна представляет собой мертвое небесное тело – как внутри, так и снаружи. Правда, есть предположение, что когда‑то и она обладала расплавленным ядром – в течение миллионов лет после отделения от Земли (вероятно) в результате столкновения нашего мира с другим, меньшим по размеру (близким по величине к Марсу). Марс – умирающая планета. Установлено, что когда‑то на ней существовали обширные моря и что еще сохранилось достаточно воды для образования разреженной атмосферы и ледяных шапок в районе полюсов. Возможно, еще больше воды находится под поверхностью Марса в виде вечной мерзлоты. Мы не знаем, что именно произошло на Марсе, из‑за чего планета умирает – если бы нам это было известно, возможно, мы бы с гораздо большим вниманием и заботой относились к своей собственной планете. С другой стороны, вполне вероятно также, что в Солнечной системе только Земля обладала необходимым сочетанием условий, чтобы стать обитаемой планетой, – иметь твердую поверхность, способную удерживать воду. Однако мы не должны ограничиваться этой точкой зрения. Газовая планета‑гигант Юпитер, очевидно совершенно лишенная поверхностной коры, также живет своей собственной жизнью, о чем свидетельствуют Большое Красное Пятно и другие обширные циклонические системы. Тем не менее в этом небольшом уголке Вселенной Земля – безусловно уникальное небесное тело.

Однако эта уникальность оказывается весьма зыбкой. Считается, что жидкое внешнее ядро само нестабильно – например, как раз по этой причине магнитные полюса Земли меняются местами примерно раз в миллион лет. Активная жизнь Земли означает также, что она непрерывно изменяется. Альфред Вегенер был прав относительно суперконтинента Пангея. К 1980‑м годам геологические данные позволили убедительно доказать, что Южная Америка и Африка когда‑то были частью одного и того же континентального массива, как и все остальные континенты. В самом деле, глядя на плоскую карту мира, любой ребенок может видеть, что очертания береговой линии Африки и Южной Америки идеально дополняют друг друга, подобно отдельным фрагментам мозаичной картинки. Конечно, люди замечали это и до Вегенера, но объясняли простым совпадением или волей Божьей. В настоящее время определенно установлено, что до Пангеи существовали отдельные континенты, отличавшиеся по форме от современных материков, а до них был другой суперконтинент, названный Родиния – от русского слова «родина». Некоторые геологи даже считают, что весь цикл, скорее всего, прошел до этого, по меньшей мере, еще один раз.

Человеческое воображение в высшей степени взбудоражено тем, что наша планета живет бурной жизнью и целые континенты на ней могут по нескольку раз менять свой вид – пусть даже на это уходит порядка миллиарда лет. История сложных форм жизни на Земле насчитывает всего около 600 млн. лет. Однако задолго до этого на планете происходило формирование и преобразование ее внешнего вида. Именно в наше время образовались изящные геологические формы типа Гибралтарского пролива и белых скал Дувра. Всего 30 000 лет назад Берингов пролив между Россией и Аляской не был покрыт водой, а представлял собой сушу – именно по ней в Америку впервые перешли эскимосы (или алеуты) и американские индейцы (согласно историческим записям, это коренное население Америки, но на самом деле они пришли с другого континента).

На этом эпическом фоне весьма примечателен тот факт, что мы все же представляем себе, как происходят землетрясения. Научимся ли мы точно определять, когда именно землетрясения разрушат наши города или когда в результате извержения вулканов возникнут новые горные хребты, сметая города, лежащие у их подножий? Если принять во внимание всю историю пашей живой планеты, то попытка решить эти проблемы иногда может показаться высокомерной. Возможно, об этом знают кошки Сан‑Франциско?..

Литература для дальнейшего чтения

1. Lamb, Simon, and David Sington. Earth Story. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1998. В этой книге, основанной на многосерийном телевизионном фильме Би‑Би‑Си, всесторонне рассматривается «Формирование облика нашего мира», как указано в подзаголовке. Богато иллюстрированная цветными рисунками и написанная ясным языком книга рассчитана на широкого читателя, но содержит множество подробностей.

2. Zebrowski, Ernest J., and Ernest Zebrowski Jr. Perils of a Restless Planet: Perspectives on Natural Disasters. New York: Cambridge University Press, 1999. В этой серьезной, но в то же время занимательной книге, посвященной широкомасштабному рассмотрению природных катастроф всех видов, описываются попытки ученых понять природу подобных явлений и определить их последствия для человеческого общества.

3. Harris, Stephen L. Agents of Chaos: Earthquakes, Volcanoes, and Other Natural Disasters. Portland, OR: Mountain Press, 1990. В этой предназначенной для широкого читателя книге о природных катастрофах в США приведен прекрасный материал по землетрясениям и проблемам их предсказания.

4. Menard, H. William. Ocean of Truth – A Personal History of Global Tectonics. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995. Менард был одним из основоположников теории тектоники плит, и исключительно интересно читать о его научно‑исследовательских экспедициях в разных морях, начавшихся в 1950‑е годы. Эта книга особенно интересна тем, кто интересуется подоплекой научных открытий.

5*. Раст X. Вулканы и вулканизм. – М.: Мир, 1982. В книге приводятся характеристика вулканических построек, типов и продуктов извержений, поствулканических явлений, прогноз извержений и защита от них.

6*. Резанов И. А. Эволюция представлений о земной коре. – М.: Наука, 2002. Описывается история взглядов на состав и происхождение земной коры – становление геологической, гравиметрической и сейсмической моделей.

7*. Тулиани Л. И. Сейсмичность и сейсмическая опасность. – М.: Научный мир, 1999. Книга посвящена анализу трех кардинальных проблем геодинамики и сейсмологии: расслоенности тектоносферы, строению литосферы сейсмоактивных горных областей, методике оценки сейсмической опасности.

Глава 5.

Чем вызваны оледенения?

Нашу эпоху можно назвать межледниковым периодом. Такими значительными по времени интервалами перемежались пики оледенений, часто встречавшиеся на протяжении последних 35 млн. лет. В так называемых зонах умеренного климата зимой выпадает снег, а весной он тает. В настоящее время обширные ледяные шапки покрывают оба полюса нашей планеты. Следовательно, с точки зрения климатической истории Земли современная эпоха ближе к холодной, чем к теплой. Например, в течение тех 250 млн. лет, когда жили динозавры, климат был гораздо более жарким, и вблизи Северного полюса росли деревья. Что касается более недавнего прошлого, то последний ледниковый период окончился всего около 12 000 лет назад. Примерно 20 000 лет назад на Земле было так тепло, что по территории Хартфордшира на юго‑востоке Англии бродили гиппопотамы. Когда в XIX веке здесь нашли кости этих характерных для джунглей животных, ученые поняли, насколько в прошлом климат на Земле отличался от современного: там, где сейчас северные широты и довольно холодно, иногда он приближался к тропическому, а иногда было настолько холодно, что большую часть Северной Америки покрывал ледяной панцирь, южная кромка которого достигала Нью‑Йорка и Иллинойса.

Но даже если отвлечься от вопроса о гиппопотамах в Хартфордшире, геологи в конце концов стали с удивлением замечать странную мешанину чужеродных пород, ископаемых остатков, необычных окаменелых устричных раковин на территории Англии, в Северной Европе и во многих районах Северной Америки. Откуда взялись все эти разнообразные материалы? Известный английский геолог Уильям Бакленд полагал, что они должны были отложиться в результате библейского потопа, но вскоре возникли более научные объяснения. Связь между ледниками и упомянутым беспорядочным нагромождением различных материалов, получившим название «ледниковых отложений» (или «морен»), первым установил Жан Луи Агассис. Этот швейцарский ученый начинал как зоолог, а впоследствии стал основоположником многих современных разделов геологии. В 1846 г. он эмигрировал в Америку, был профессором в Гарварде и оказал огромное влияние на целое поколение ученых. Исследуя в конце 1830‑х годов один из ледников в Швейцарских Альпах, он заметил, что за последние годы этот ледник уменьшился, оставив после себя молодые отложения такого же типа, как и древние нагромождения обломочного материала, которые можно встретить по всей Европе. Из этого он заключил, что когда‑то ледники должны были покрывать значительно большую территорию, чем Альпы и те северные районы, где они существовали в XIX веке. Позднее геологи стали копать глубже и обнаружили, что имеется множество слоев ледниковых отложений. Это означало, что ледники должны были несколько раз перемещаться по территориям Европы и Северной Америки, после чего надолго отступали, а затем вновь продвигались на юг. Возникло новое понимание прошлого нашей планеты – оказалось, что Земля неоднократно подвергалась оледенениям.

От самых древних ледниковых эпох остались лишь отрывочные свидетельства. Из‑за непрерывного изменения облика земной поверхности все фактические следы были переработаны своего рода природной бетономешалкой. Но за последние полтора столетия, особенно начиная с 1920‑х годов, удалось узнать достаточно много, чтобы составить общее представление о том, как наступал и двигался лед. Крупное оледенение началось в середине каменноугольного периода, т. е. порядка 325 млн. лет назад, и продолжалось в течение пермского периода, 260 млн. лет назад. За этой ледниковой эпохой последовал гораздо более теплый период – время процветания динозавров. В течение последних 35 млн. лет ледниковые периоды были частым явлением и происходили в среднем примерно раз в 100 000 лет, но помимо них случались и более коротковременные периоды наступания и отступания льда. Эта далеко не непрерывная временная шкала означает, что ученым еще многое предстоит объяснить, а это всегда открывает дорогу самым разным теориям и соответственно различным аргументам.

^{На этом рисунке, сделанном в XIX в., показана примитивная хижина, которой пользовались Жан Луи Агассис и его коллеги в 1830‑е годы во время изучения ледников в Швейцарских Альпах. Агассис первым понял, что встречающийся по всей Европе обломочный материал, называемый ледниковыми отложениями, свидетельствует о том, что когда‑то, в одну из ранних ледниковых эпох, обширные ледники покрывали большую часть материка, а также Британские острова. (Из книги Louis Agassiz: His Life and Correspondence, vol. 1, by Elizabeth Сагу Agassiz.)}

Когда ученые из разных областей науки начали серьезно задумываться о происхождении оледенений, у них была одна очевидная отправная точка. На протяжении геологической истории нашей планеты средние температуры должны были существенно изменяться, и основная причина этих изменений должна быть связана с количеством солнечной энергии, достигавшей земной поверхности. Уже в XIX веке было известно, что путь Земли вокруг Солнца гораздо менее стабилен, чем нам может показаться, когда мы идем по улице. Однако только в 1920‑х годах югославский математик Милютин Миланкович точно определил три типа факторов, характеризующих движение Земли в космическом пространстве. Во‑первых, Земля обращается вокруг Солнца не по круговой, а по эллиптической орбите – больше похожей по форме на овальное яйцо, чем на круглый бейсбольный мяч. Кроме того, эксцентриситет даже этой эллиптической орбиты меняется с периодом 100 000 лет – на протяжении этого времени орбита Земли становится менее эллиптической и приближается к круговой, а затем вновь вытягивается. Во‑вторых, ось вращения самой Земли отклонена от вертикали, и угол наклона земной оси изменяется с периодом 41000 лет от максимального значения 24,5° до минимального 21,5°. (В настоящее время величина этого угла находится почти точно посредине между этими крайними значениями.) В‑третьих, Земля вращается вокруг своей оси подобно волчку, слегка при этом покачиваясь. Это покачивание называется «прецессией» и происходит с периодом 22 000 лет. Дополнительный небольшой «скачок» в скорости собственного вращения Земли возникает каждые 19 000 лет.

Почти 30 лет Миланкович работал над выводом уравнений, связывающих периоды движений этих трех типов с возникновением оледенений. Как он установил, в крайних точках и прецессионного цикла, и цикла изменения угла наклона земной оси количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, настолько уменьшается, что может вновь происходить распространение льда. С этой теорией соглашались многие ученые, хотя возникли некоторые сомнения в отношении 100 000‑летнего цикла изменения параметров эллиптической орбиты движения Земли вокруг Солнца. Оказалось, что орбита изменяется всего лишь на 0,3%, а по космическим меркам это слишком мало. В то же время известно, что состояние земной атмосферы может изменяться под воздействием исключительно слабых факторов, – именно поэтому даже с весьма совершенными компьютерами долгосрочный прогноз погоды для областей с поперечником менее 500 км остается большой проблемой. В результате некоторые ученые были готовы принять как факт, что изменение солнечной постоянной даже на 0,3% способно оказать заметное влияние на глобальный климат.

Однако уравнения Миланковича оставались лишь теоретическими выкладками. Наконец в 1976 г. появилось некоторое доказательство его теории. Исследователи установили, что осадочные отложения морского дна могут служить надежным индикатором температуры воды в прошедшие тысячелетия. В этих породах присутствовали раковины крошечных животных, фораминифер, и химический состав ископаемых раковин был различным в зависимости от температуры воды в разные эпохи земной истории. Соотношение между содержащимися в них изотопом кислорода 160 и более тяжелым, но менее распространенным изотопом 180 изменялось в зависимости от температуры воды. В океанах и, следовательно, раковинах фораминифер содержание более легкого изотопа уменьшалось, когда климат Земли становился более холодным, так как большая часть этого изотопа попадала в ледники, образующиеся на поверхности в холодные периоды. Как извлечение осадков с морского дна, так и последующие лабораторные анализы – исключительно трудоемкая работа, но она оказалась в высшей степени плодотворной. Образцы осадочных пород из самых глубоких слоев, поднятые на поверхность благодаря глубоководному бурению, показали, что в течение мелового периода, когда жили динозавры, температура воды в океанских глубинах была почти на 20° выше, чем сейчас. Это громадная разница. Были выявлены менее радикальные, но весьма красноречивые изменения температуры, совпадавшие с постепенным похолоданием, которое началось 115 000 лет назад (когда в Англии царил почти тропический климат) и продолжалось вплоть до максимума последнего оледенения порядка 15 000 лет назад, когда в южной части штата Нью‑Йорк ледяной покров достигал полуторакилометровой толщины, а его окончательное исчезновение привело к образованию Лонг‑Айленда благодаря перемещению суши в море.

Цилиндрические колонки льда, добытые в результате бурения глубоких скважин в приполярных ледяных покровах Гренландии и полученные за большой период времени российскими учеными в Антарктиде, подтвердили и расширили выводы, сделанные на основе осадков с морского дна. «Термометром» опять‑таки служило относительное содержание изотопов кислорода, а поскольку в результате нарастания льда образуются четкие слои аналогично годовым кольцам у деревьев, из Гренландии и Антарктиды были получены более подробные данные, которые помогли датировать периоды потепления и похолодания Земли на протяжении последних 2,5 млн. лет. Но хотя эти результаты подтвердили правильность циклов Миланковича, в последние несколько десятилетий у многих ученых появилось убеждение, что его теория может объяснить в лучшем случае 80% причин, по которым возникают оледенения. Картина все еще представлялась неполной.

Гренландские колонки льда обнаружили еще одно важное обстоятельство. В 1979 г. швейцарский физик Ганс Эшгер отправился в Гренландию, чтобы присоединиться к экспедиции Честера Лангуэя из Университета штата Нью‑Йорк. Раскалывая образцы льда, он собирал газ из воздушных пузырьков, образовавшихся в этом льду тысячи лет назад. Ему удалось доказать, что когда около 12 тыс. лет назад на Земле началось новое потепление, уровень содержания углекислого газа в атмосфере был на 10^–4 выше, чем 17 тыс. лет назад – во время кульминации последнего оледенения. После публикации этих результатов были проведены новые исследования глубоководных осадков, которые привели к тем же выводам. Оказалось, что диоксид углерода способствовал усилению воздействия циклов солнечной активности на земную атмосферу.

Как работал этот механизм? Ряд авторитетных ученых подошли к этой проблеме с разных сторон. «Парниковый эффект», о котором в последние годы столько говорят в связи с обсуждением скорости глобального потепления, приводит к повышению температуры окружающей среды. На самом деле благодаря парниковому эффекту стала возможна жизнь на Земле, а сейчас обсуждается главным образом вопрос, не может ли климат планеты бесконтрольно изменяться из‑за общего повышения температур. Мы знаем также, что один из важнейших факторов этого процесса – увеличение содержания в атмосфере углекислого газа.

По какой причине содержание в атмосфере диоксида углерода может увеличиваться или уменьшаться без вмешательства человека, приводя к нарушению равновесия окружающей среды? Для разных периодов геологической истории выдвинуто несколько теорий. Например, сильное потепление в меловой период, вполне возможно, было результатом быстрого распространения растительности на поверхности Земли. Растения потребляют содержащийся в воздухе углекислый газ, но затем вновь его выделяют, и чем больше новых видов растет и процветает, тем более высоким становится уровень его содержания в атмосфере. В другое время чрезмерное развитие растительности в океанах могло как бы отсасывать диоксид углерода из атмосферы, в результате чего он попадал под воду. Это приводило к похолоданию, способному нарушить равновесие и вызвать новое оледенение.

Согласно одной из гипотез, на климат могли влиять перемещения литосферных плит и возникающие в результате этого изменения континентальных масс. В современном мире Гольфстрим несет теплые экваториальные воды к северу Атлантического океана в сторону Великобритании, благодаря чему в высоких широтах относительно тепло и существуют благоприятные условия для развития зеленых растений. Быть может, возникновение континентальной массы Центральной Америки и прекращение связи между Тихим и Атлантическим океанами 2,5 млн. лет назад инициировали развитие ледников в Северном полушарии. Более позднее глобальное похолодание, возможно, было вызвано отделением Антарктиды от Южной Америки 15 млн. лет назад.

В основе еще одной весьма спорной теории лежит процесс эрозии горных пород, открытый американским химиком Гарольдом Юри (за что он в 1934 г. получил Нобелевскую премию). По мнению Юри, в процессе эрозии силикатные породы поглощают из атмосферы углекислый газ. Если затем они оказываются погребенными на значительную глубину, а по истечении нескольких геологических эпох вновь выходят на поверхность при вулканических извержениях, то диоксид углерода может опять попасть в атмосферу. Согласно гипотезе американских климатологов Морина Реймо и Уильяма Раддимена, ледниковые периоды были связаны с такими обширными горными системами, как Гималаи и Анды, которые возникали из недр Земли, а затем, подвергаясь эрозии, поглощали CO₂ из атмосферы. Эти идеи были привлечены к обсуждению глобального потепления, поскольку ученые пошли дальше, утверждая, что сжигание людьми горючих полезных ископаемых действует подобно извержению вулкана и приводит к выделению в атмосферу огромных количеств диоксида углерода.

Сейчас почти ежегодно в печати – по крайней мере в научно‑популярных журналах – появляется какая‑нибудь новая теория. В 1997 г. Ричард Мюллер из Калифорнийского университета в Беркли и Гордон Макдоналд из Международного института анализа прикладных систем в Лаксенбурге (Австрия) построили новую компьютерную модель, использовав циклы Миланковича. Как установлено, ежегодно на Землю выпадает 30 000 тонн космической «пыли», которую мы не замечаем из‑за изобилия «летающей вокруг сажи» – по образному выражению Николса и Мея (1960‑е годы). Однако Мюллер и Макдоналд теоретически показали, что раз в 100 000 лет Земля из‑за наклона своей оси проходит сквозь особую полосу космической пыли. В результате количество этого вещества, попадающего на поверхность планеты, возрастает до критического уровня. Два других исследователя – Стивен Кортенкамп из Вашингтонского института Карнеги и Стенли Дермотт из университета Флориды – провели проверку этой гипотезы с помощью другой компьютерной модели. В 1998 г. они заявили, что дело здесь не в наклоне земной оси, а в форме орбиты, по которой Земля обращается вокруг Солнца, – этот вывод лучше согласуется с уравнением Миланковича. Как говорится в сообщении Мея, опубликованном в «Science News» в 1999 г., Кеннет Фарли из Калифорнийского технологического института обнаружил, что в осадочных отложениях каждые 100 000 лет действительно наблюдается трехкратное увеличение содержания космической пыли – но в период, когда модель предсказывает его уменьшение. «Здесь в самом деле творится что‑то странное», – заключает Фарли.

В 1999 г. на свет появилась новая связанная с космосом теория. Речь шла о резком увеличении интенсивности космических лучей. Эти лучи постоянно бомбардируют Землю, но в случае увеличения интенсивности они способны вызвать существенное увеличение плотности облачного покрова. Интенсивность космических лучей можно измерить с помощью радиоактивного метода определения возраста пород, основанного на содержании изотопа 14С. Согласно сообщению «Discover» в апреле 1999 г., автору этой новой теории Хенрику Свенсмарку из датского Института космических исследований удалось получить доказательства того, что в течение последнего ледникового периода активность космических лучей выросла «почти в два раза».

Наличие множества новых теорий, выдвигаемых для объяснения причины оледенений, конечно, верный признак того, что это поле исследований перепахано еще не до конца. Некоторых ученых раздражают чересчур экзотические теории. Они предпочитают точные компьютерные модели и считают, что самозванные эксперты из слишком многих областей науки бесцеремонно встревают со своими досужими домыслами. Сама природа предмета неизбежно вовлекает в дискуссию самых различных специалистов. Общепризнано, что следует принимать во внимание циклы Миланковича, хотя мнения ученых расходятся относительно степени учета. Во всех случаях прочное место за столом в этой полемике занимают астрономы. То же относится и к биологам‑эволюционистам, так как существовавшие в определенные периоды формы жизни свидетельствуют о том, что в это время происходило с климатом, а иногда они могли и воздействовать на него. Наиболее тесно взаимодействуют геологи и химики, например при добыче и анализе образцов осадков из океанических глубин. Хотя результаты ученых в одной области науки могут иногда подкреплять или даже подтверждать работы других, неизбежно наступают моменты, когда они начинают противоречить друг другу. То, что, допустим, кажется очень убедительным с точки зрения геологии, может вступать в конфликт с данными эволюционной теории, и наоборот.

Многие ученые, по существу, весьма пессимистично относятся к возможности когда‑либо до конца решить загадку развития оледенений. Некоторые считают, что количество информации слишком велико. Конечно, если циклы Миланковича играют столь важную роль, как это считают многие ученые, то ответ должен появиться примерно в ближайшие 2000 лет. Нас ожидает наступление новой ледниковой эпохи. Но есть трудности и в этом сценарии. Выделение в атмосферу избыточных количеств углекислого и других парниковых газов в результате человеческой деятельности приводит к глобальному потеплению, из‑за которого весь процесс может нарушиться. В таком случае мы вместо ожидаемого оледенения навлечем на себя период таяния полярных льдов и наступления прекрасной погоды, подходящей для гиппопотамов в Хартфордшире (если только он не окажется под водой из‑за подъема уровня моря). Но даже это не было бы чем‑то совершенно новым. В конце концов, был же период длительностью более 200 млн. лет – время динозавров, когда не происходило ничего похожего на оледенение. Фактически даже за последние 35 млн. лет, когда прошли многочисленные ледниковые эпохи, они не всегда появлялись точно вовремя. Быть может, причины оледенений столь разнообразны и столь сложны, что в реальности не существует никакого графика, по крайней мере в пределах всей геологической истории. Возможно, попытки раскрыть эту неразрешенную тайну больше свидетельствуют о стремлении людей к порядку, чем о чем‑либо еще.

Литература для дальнейшего чтения

1. Lamb, Simon and David Sington. Earth Story. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1998. В этой книге, основанной на телевизионной серии Би‑Би‑Си, описывается, как сказано в подзаголовке, «формирование облика Земли», т. е. помимо оледенений рассматривается много других тем. Но при этом подробно и прекрасно написана длинная, богато иллюстрированная глава, посвященная данному вопросу.

2. Levenson, Thomas. Ice Time. New York: Harper & Row, 1989. В книге с подзаголовком «Климат, наука и жизнь на Земле» представлены важнейшие факты, касающиеся изучения ледниковых периодов, и она вовсе не устарела, как может показаться из даты ее публикации, особенно если учесть, что новые теории, в изобилии появляющиеся в последние годы, в основном противоречат друг другу. К тому же это прелестная и весьма доступная книга.

3. Langway, С. С, Н. Oeschger, and W. Dansgaard, Eds. Greenland Ice Core. Washington, DC: American Geophysical Union, 1985. Читатели, интересующиеся подробностями бурения с отбором ледового керна в Гренландии и причинами, по которым оно проводилось, убедятся, что это увлекательная книга, хотя в ней и использована специальная терминология.

Замечание. О новых достижениях в данной области читатели смогут узнать из научно‑популярных журналов. Это один из тех вопросов, которые средства массовой информации очень любят подхватывать и делать из них сенсации или представлять в отрыве от контекста.

Глава 6.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 157; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!