5. Глубокое погружение в глубокое время
Если оставить мир в покое на очень-очень-очень долгое время, в нем может появиться множество видов жизни, окружающих нас сегодня – эта идея кажется невероятной, по крайней мере, до тех пор, пока мы не осознаем нереально огромных временных масштабов эволюции. С конца XVIII века ученые стали использовать термин «глубокие времена» для описания временных масштабов событий на Земле. Понимание того, как далеко от нас наше прошлое, сравнимо со взглядом в бездонную пропасть. Она слишком глубока, чтобы увидеть дно, слишком глубока, чтобы ее можно было себе представить. И она способна перевернуть ваше мировоззрение. Однако единожды осознав глубину этих времен, вы начинаете видеть и понимать все процессы и механизмы эволюции.
Событиям, в результате которых первая живая клетка превратилась в меня или в вас, потребовался почти невообразимый период времени. Когда мы говорим об эволюции, выражение «долгое время» является явным преуменьшением. Вот пример, для которого слово «преуменьшение» уже является преуменьшением: в настоящее время считается, что возраст Земли составляет 4,54 млрд лет. На основании окаменелых плит или слоев бактерий, мы полагаем, что жизнь зародилась здесь, по крайней мере, 3,5 млрд лет назад.
Эти даты были определены благодаря исключительной проницательности и в результате работы астрономов, биологов, химиков, геологов и геохимиков. Я очень хорошо помню встречу с моим дорогим коллегой Брюсом Мюрреем, который оказал большое влияние на всю американскую планетологическую исследовательскую программу. Во время этой встречи я заметил, что один мой знакомый европейский ученый – геолог и может помочь в решении определенного вопроса, фигурировавшего в наших обсуждениях. На что Брюс неожиданно ударил ладонью по столу и воскликнул: «Он не геолог! Он геохимик!» Ого! Ну, извините, Брюс. Должно быть, я вырос в той отдаленной и малограмотной части мира, где об этом различии никто и понятия не имеет.
Как обычно, Брюс оказался прав. Геохимики выполняют самую важную и объемную часть работы по исчислению возраста древних пород… и если мы не будем ценить то, что они делают, мы лишимся жизненно важной части истории Земли. Прошло всего чуть более века с тех пор, как французский физик Анри Беккерель совершил открытие радиоактивности, найдя вместе с ним и ключ к загадке глубокого времени. С тех пор физики разработали необычайно успешные модели, демонстрирующие поведение атомов. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков. Энергия может появляться и исчезать, а переносят ее фотоны и нейтрины. При тщательном изучении отдельных элементов мы обнаружили, что, например, радиоактивный рубидий (– 87), содержащий 37 протонов (и 50 нейтронов), можно привести к распаду, продуктом которого станет стронций, имеющий 38 протонов. Оба этих элемента могут рассматриваться как самостоятельная радиохимическая система.
Если порода жидкая или почти жидкая, что геологи называют пластиком, то она определенно содержит некое количество рубидия и стронция. Радиохимики могут определить пропорции этой смеси. Представьте себе, что расплавленная порода извергается из вулкана и затвердевает. Глядя на соотношения некоторых элементов, затвердевших вместе с рубидием и стронцием, радиохимики и геохимики могут определить, как давно расплав, как это называется, стал твердым. В случае рубидия и стронция мы знаем, что ровно половина рубидия–87 переходит в стронций–87 (в настоящее время с 49 протонами) за 48,8 млрд лет. Верно, почти за 50 млрд лет. Такова природа радиоактивности. Вы не можете определить, что будет делать один атом, но зато вы можете с умопомрачительной точностью сказать, сколько времени понадобится для того, чтобы материя изменилась, превратившись из одного элемента в другой. Отсюда и происходит выражение – полураспад. К тому же мы можем определить четверть распада, его восьмую, шестнадцатую, тридцать вторую, шестьдесят четвертую, сто двадцать восьмую, двести пятьдесят шестую и т. д.
Слово химия является ключевым в вопросе геохимии и радиохимии. Породы в земной коре, как правило, содержат определенное количество рубидия и определенное количество стронция, а также другие элементы, такие как кальций и калий. Химическое поведение рубидия напоминает химическое поведение калия, а химическое поведение стронция напоминает химическое поведение кальция. (Эти элементы находятся в одних и тех же колонках в периодической таблице элементов.) Когда породы жидкие, рубидий предпочитает оставаться свободным, но, как только порода остывает, рубидий может занимать место калия в горных кристаллах. Таким же образом стронций замещает кальций. Итак, внимательно изучив кристаллы, которые, как мы знаем, содержат калий, и сравнив относительное содержание рубидия и стронция, которые также имеются в кристалле, мы можем определить возраст пород по сравнению с другими породами. Мы можем проложить наш путь в прошлое, растягивая наше представление о летоисчислении до бесконечности.
Помимо наблюдений за рубидием и стронцием, есть и другие геохимические приемы, которые радиохимики используют для определения возраста Земли. Это пары элементов: уран – свинец, калий – аргон и самарий – неодим. Каждый из этих методов подсчитывает время, используя различные химические элементы, и каждый дает нам неопровержимые доказательства возраста Земли. Вы, возможно, слышали об углеродном датировании или датировании углеродом–14. Это похожий метод, который хорошо подходит для измерения небольших временных масштабов. Он позволяет нам работать с прошлым, определяя, когда живое существо перестало испарять влагу (растения) или дышать (животные). Радиоуглеродный анализ может определить период в несколько десятков тысяч лет, поскольку период полураспада этого типа углерода составляет только 5730 лет. Сравните с парой рубидия – стронция; эти радиохимические часы уходят назад почти в миллион раз дальше. Радиоуглеродный анализ является важным методом изучения человеческой истории, но не очень хорошо подходит для изучения «глубокого времени».
Как только вы понимаете, насколько фантастически стара наша планета, на первый план выходит эволюция. Чтобы представить себе это, попробуйте следующее: посмотрите на карту Северной Америки. Для читателей из других частей мира замечу, что то, что мы часто называем континентальными Штатами, простирается от Атлантики до Тихого океана (как Канада и Мексика). С помощью Американской международной дорожной системы от побережья до побережья можно проехать на автомобиле. Если бы нам понадобилось добраться из окрестностей Сан-Диего на юго-западном побережье США, скажем, в Бостон на северо-восточном побережье, нам бы пришлось проехать около 4500 километров. Такой же километраж насчитывает расстояние от Лиссабона до Москвы. Двигаясь по этому пути, нам пришлось бы проехать сквозь восемь разных стран.
Представьте себе временную шкалу, протянувшуюся от побережья до побережья. Давайте предположим, что каждый километр на этой шкале будет равен одному миллиону лет. Тогда каждый метр на ней будет соответствовать одной тысяче лет. В рамках этой очаровательной теоретической модели расстояние от подбородка до вашей вытянутой руки составит тысячу лет. Тысячу лет, представляете?!
Следующий шаг: представьте, что вы решили пройти пешком от Сан-Диего до Бостона. В момент, когда вы только отправились в путь, Земля представляет собой большой раскаленный шар, состоящий из расплавленной породы. Пройдя пару сотен километров, на шестой или седьмой день вашего пути вы увидите указатель, сообщающий вам о том, что именно сейчас начала формироваться Луна. Еще два дня прогулки, и следующий указатель сообщит, что остывшую поверхность планеты покрыло достаточное количество осадков и сформировались океаны; это было 4,4 млрд лет назад. Пройдя пешком целый месяц, вы заметите первые признаки жизни – это около 3,5 млрд лет назад. Две тысячи километров от вашего старта, где-то недалеко от Брокен-Эрроу, Оклахома, и вы обнаружите крохотных микробов – сине-зеленые бактерии. Кстати, до этого момента, идя по маршруту, вы непременно будете задыхаться, потому что кислорода в воздухе еще слишком мало. Кислород на Земле стал побочным продуктом фотосинтеза, происходящего в этих ранних микробах. Сине-зеленая бактерия, наряду с вами и со мной, – единственное существо, способное изменить климат всей планеты.
После двух месяцев вашего похода, где-то недалеко от Литл-Рок, штат Арканзас, сформировался древний суперконтинент Родиния. Еще месяц в пути, и вы можете заметить, что появился более новый суперконтинент – Пангея. Не все, но почти все из живых существ, которых вы встретите, будут обитать в океане. Подождите, но как же вы пойдете, ведь большая часть территории Соединенных Штатов покрыта водой? Здесь расположилось древнее внутриконтинентальное море. Итак, вы плывете вперед, а вокруг вас кишат необычные и, по нашим меркам, довольно пугающие морские существа.
Когда всего 230 километров будет отделять вас от восточного побережья, вы, наконец, встретите древних динозавров. Они явно опоздали на этот праздник жизни! В окружении динозавров вы прошагаете 100 километров. Это займет два или три дня, если двигаться в хорошем темпе. По пути вы увидите растения, которые теперь производят цветы. Половое размножение захватило мир.
Еще пара километров, и Атлантический океан уже окажется в поле зрения. И вот вы встречаете первых людей, а точнее, их раннюю версию, жившую всего 2 млн лет назад. Идите дальше: вы можете встретить наших пещерных предков. На расстоянии пяти метров от кромки воды появляются древние пирамиды. Теперь, всего в 20 сантиметрах (даже между мизинцем и большим пальцем расстояние больше!), Америка становится домом для американцев. Человек высаживается на Луне – до воды всего пара сантиметров. Чуть продвиньте пальцы ног вперед – и вы окажетесь в сегодняшнем дне.
Теперь обернитесь. Посмотрите на бескрайние просторы континента. По мере вашего продвижения на восток большая его часть выглядела бесплодной или заброшенной. Все, что мы знаем об истории, о людях и их делах, все, что вы смогли узнать, – все это произошло в промежуток, равный не более чем одному шагу. Все остальное обширное пространство – это как раз то время, которое позволило жизни зародиться, а эволюции – управлять появлением всех живых существ, когда-либо нам известных.
Обратите внимание, что на протяжении примерно трех четвертей вашего похода живые существа не увеличивали разнообразие, а просто становились более активными. Все это время вокруг вас были сплошные бактерии. А вот растения, которые мы употребляем в пищу, и животные, которых мы выращиваем для питания и удобрения, появились лишь тогда, когда вы уже практически закончили свое путешествие. Большая часть времени здесь, на Земле, была потрачена на медленную эволюцию, ведущую нас от нескольких примитивных самокопирующихся химических соединений к появлению первых настоящих клеток и формированию относительно несложных, но тем не менее вполне конкретных живых существ. И лишь в самом конце нашей шкалы глубокого времени появились такие сложные организмы, как вы, я и моя очаровательная подруга.
Размышляя о последствиях своих открытий, Чарлз Дарвин и Альфред Уоллес, были глубоко обеспокоены тем, что для возникновения жизни и ее развития до состояния настоящего момента требовалось огромное количество времени. Дарвин опубликовал труд «О происхождении видов» в 1859 году. Радиоактивность не была открыта до 1896 года, и по-настоящему ее поняли только спустя много лет с того момента. Та к что даже когда Дарвин разработал свою элегантную теорию, которую он подкрепил дюжиной примечательных, старательно выполненных экспериментов, он не мог найти разумное объяснение тому, откуда эволюция взяла необходимое для своих процессов время. Он не мог объяснить, как Земля могла быть настолько фантастически старой.
Современники Дарвина бросали ему вызов, даже высмеивали его за утверждение, будто для всех живых существ, когда-либо живших на Земле, существует общий предок и что все они появились за такой продолжительный период времени. Как такое могло быть? Как могло пройти так много времени? Все это до сих пор невообразимо для большинства из нас, а уж для современников Дарвина и подавно.
В конце XIX века Уильям Томпсон (который был ирландцем, но вошел в историю под исключительно британским прозвищем Лорд Кельвин) предложил научному сообществу, казалось бы, вполне авторитетные расчеты, из которых следовало, что возраст Земли составляет между 20 и 400 млн лет, но не более.
Судя по всему, эволюции потребовалось в десять или даже в сто раз больше времени. В этом и заключался парадокс. Истинный возраст Земли оставался загадкой на протяжении жизни Уоллеса и Дарвина. До момента открытия радиоактивности у ученых не было ответа на этот вопрос. Кельвин предположил, что Земля охлаждалась с момента своего рождения, и он использовал ее текущую температуру для подсчета ее возраста. Но он не знал того, что радиоактивные элементы в глубинах нашей планеты продолжают выделять тепло. Его расчеты были просто великолепны, но понимание было неверным. На самом деле времени для эволюции было более чем достаточно – ровно столько, сколько представлял себе Дарвин, и даже немного больше.
Я часто размышляю о том, в какое же неординарное время мы живем – начало XXI века. Нам потребовались миллиарды лет, чтобы оказаться в этом моменте. Людям потребовались тысячи лет, чтобы собрать воедино знания о нашем космосе, нашей планете и нас самих. Вы только посмотрите – ведь нам несказанно повезло очутиться во времени, когда мы так много знаем об окружающем мире. Представьте себе, сколько всего нам еще только предстоит открыть. Есть надежда, что глубокие ответы на глубокие вопросы – от природы сознания до происхождения жизни – мы получим уже довольно скоро.