Сетевая библиотекаСетевая библиотека
Удивительная палеонтология Кирилл Юрьевич Еськов О чем умолчали учебники Синтезируя большое количество сведений из самых разных областей науки, автор книги, ученый-палеонтолог, создает целостную картину эволюции биосферы Земли. Книга предназначается для всех, кому интересно побывать на «научной кухне», научиться понимать механизмы развития жизни и узнать, как менялась наша планета на протяжении миллиардов лет. Кирилл Юрьевич Еськов Удивительная палеонтология: История Земли и жизни на ней Светлой памяти Сергея Викторовича Мейена – ученого и Учителя Авторское предуведомление Цель настоящего учебного курса мне видится в том, чтобы у ученика возникла максимально целостная картина функционирования биосферы Земли в процессе ее исторического развития. Между тем одно из положений теории систем гласит: систему невозможно оптимизировать по двум независимым параметрам одновременно; в частности, добиваясь целостности рисуемой картины, неизбежно приходится жертвовать ее детальностью, или наоборот. Попытка запихнуть в голову ученика побольше конкретных фактов в отсутствие некоей обобщающей концепции неизбежно приведет нас к созданию ухудшенной копии старого университетского курса палеонтологии – унылого мартиролога вымерших организмов, который по сдаче экзамена следует забыть, как страшный сон. Именно поэтому во многих случаях я вполне сознательно жертвовал палеонтологической и геологической конкретикой в пользу теоретических (иногда к тому же – в достаточной степени умозрительных) обобщений. Поскольку этот учебный курс предназначен не для «среднестатистического школьника», а для людей, собирающихся связать свою судьбу с наукой, есть смысл по мере возможности демонстрировать здесь всю «научную кухню»: ход рассуждений, приведших исследователя к обсуждаемым выводам, историю борьбы различных теорий и т. д. При этом я старался честно указывать на слабые стороны не только прошлых, но и ныне господствующих научных концепций; кое-кому это, возможно, покажется «подрывом авторитета науки в глазах школьника», но я думаю иначе. Выбирая форму изложения, я постарался приблизить ее (насколько это возможно) к реальному научному тексту – пусть приучаются. Кстати, выделение светлым курсивом терминов и названий организмов означает, что об этом есть статья в соответствующем словаре в конце книги. (Так же выделены латинские названия видов и родов.) Эйнштейн как-то заметил (вполне справедливо), что если ученый не в состоянии объяснить ребенку суть своей работы на доступном для того уровне, это свидетельствует о его профессиональной непригодности. Все так, однако по ходу обсуждения у нас будет возникать необходимость обращаться к знаниям, накопленным в иных, чем палеонтология, областях (они излагаются в дополнительных, «вставных» главах, предназначенных лишь для желающих). Честно говоря, я никак не могу поручиться, что мое изложение, к примеру, принципов неравновесной термодинамики, которая, разумеется, не входит в сферу моих профессиональных занятий, будет достаточно квалифицированным и, тем более, – доходчивым. Хочу также предупредить, что иногда я буду излагать факты и обобщения последних лет, которые в принципе могут быть названы «недостаточно проверенными» или, во всяком случае, «необщепринятыми». По этому поводу придется заметить, что в палеонтологии с «общепринятостью» концепций дела вообще обстоят неважно; вероятно, это общая черта всех наук, занимающихся событиями прошлого, – ведь в них прямо подтвердить или опровергнуть некую теорию можно, лишь имея в своем распоряжении пресловутую машину времени. В этой связи мне кажется уместным изложить одну назидательную историю, коей я сам был свидетелем. Несколько лет назад в Палеонтологическом институте Академии наук, где я имею честь работать, проходила научная конференция, посвященная климатам прошлого. Присутствовал весь цвет отечественной палеонтологии (а поскольку в этой области Россия, как ни странно, продолжает оставаться одним из признанных лидеров, – то и мировой, соответственно, тоже). При разработке представленных на ней палеоклиматических реконструкций были мобилизованы все возможности современной науки – от тончайшего геохимического и радиоизотопного анализа до новейших методов компьютерного моделирования. Когда дело дошло до обсуждения докладов, на трибуну вышел профессор N, известный едкостью своих оценок, и начал так: «Глубокоуважаемые коллеги! Я категорически настаиваю на том, что Земля круглая. (Легкий шум в зале.) Я настаиваю также на том, что Земля вертится, а ось ее вращения наклонена относительно плоскости эклиптики. Из этих трех обстоятельств следует, как вам должно быть известно из курса географии для шестого класса средней школы, существование экваториально-полярного температурного градиента, западного переноса в атмосфере и смены времен года. (Шум в зале сменяется полной тишиной.) Так вот, обращаю ваше внимание на то, что в подавляющем большинстве представленных здесь палеоклиматических реконструкций нарушается по меньшей мере одно из этих исходных условий…». Вряд ли в палеонтологии найдется реконструкция, по поводу которой между специалистами наблюдалось бы полное единодушие. И можно сколь угодно глубоко сопоставлять различные точки зрения, основываясь и на литературе, и на личных оценках специалистов в данной области, однако конечный выбор – и сопряженная с ним моральная ответственность – все равно ложится на плечи составителя курса. Главное же при таком выборе, как я полагаю, – это не забывать хотя бы о том, что «Земля круглая» – и так далее… Пользуясь случаем, выражаю глубокую признательность своим коллегам, геологам и биологам – О. А. Афанасьевой, В. Ю. Дмитриеву, А. Ю. Журавлеву, Г. А. Заварзину, Е. Н. Курочкину, А. А. Карху, О. А. Лебедеву, В. М. Моралеву, А. Ю. Розанову, А. Г. Сенникову, М. А. Федонкину, А. Б. Шипунову, чьими консультациями я пользовался в процессе работы. Особую благодарность я хотел бы выразить М. Б. Бурзину, В. В. Жерихину, А. Г. Пономаренко и А. С. Раутиану, взявшим на себя труд прочесть рукопись и высказать ценные критические замечания. Благодарю московскую гимназию № 1543 и ее директора Ю. В. Завельского за предоставленную мне возможность разрабатывать и совершенствовать этот спецкурс в 1995–1999 годах. Глава 1 Возраст Земли и Солнечной системы. Абсолютный и относительный возраст. Геохронологическая шкала Прежде всего заметим, что для ученых сама по себе постановка вопроса о возрасте Земли была некогда весьма революционной – ибо «возраст» подразумевает наличие «даты рождения». Конечно, в любой из религий соответствующее божество создает Землю с населяющими ее существами из первозданного Хаоса, однако европейская наука унаследовала от античных философов-материалистов принципиально иное видение Мира. Для нее Земля всегда была неотъемлемой частью той самой Вселенной, которая «едина, бесконечна и неподвижна… Она не рождается и не уничтожается… Она не может уменьшаться и увеличиваться» (Джордано Бруно). Но вот в конце Средневековья астрономы открывают существование так называемых новых звезд: оказывается, небеса не абсолютно неизменны, как считалось испокон веков! Следовательно, в принципе возможны и наиболее решительные (с точки зрения Человечества) изо всех возможных изменений: начало и конец существования Земли и видимой части Вселенной. А раз так, то не можем ли мы попытаться установить, когда было это начало и каким будет этот конец – не прибегая к помощи мифологии (шести дням творения, Сумеркам богов и т. д.)? Необходимо заметить, что людей первоначально заинтересовал возраст не Земли как небесного тела, а именно обитаемой Земли – как сейчас сказали бы, биосферы. Однако ясно, что, определив время возникновения жизни, мы тем самым получим минимальный срок существования и самой планеты. А поскольку источником жизни на Земле вполне справедливо полагали энергию Солнца, то возраст нашего светила, в свою очередь, даст нам максимальный срок существования биосферы. Установление же времени существования Солнца – после того как были открыты законы сохранения вещества и энергии – казалось физикам довольно простой задачей. Солнце постоянно излучает энергию в пространство, назад ничего не возвращается, так что, по идее, количество энергии в Солнечной системе должно постоянно убывать. Самый энергетически выигрышный процесс (из известных до XX века) – сжигание каменного угля; тепло и свет при этом создаются в результате химической реакции C + O ? CO + Q. А поскольку нам известны и величина Q, и количество энергии, излучаемой Солнцем за единицу времени, и масса Солнца (она была приближенно вычислена еще в XVII веке), то рассчитать суммарное время существования угольного костра таких размеров можно буквально в одно действие. Вот тут-то и выяснилось, что он должен прогореть дотла всего-навсего за полторы тысячи лет. Конечно, существуют вещества более энергоемкие, чем уголь, но это не решает проблему: расчетное время существования Солнца все равно оказывается меньше шести тысяч лет, т. е. меньше времени существования человеческой цивилизации; ясно, что это абсурд. Необходимо было найти источник, питающий своей энергией Солнце, – иначе вообще рушился закон сохранения энергии. И вот в 1853 году Г. Гельмгольцу удалось предложить вполне приемлемую для того времени гипотезу. Он предположил, что Солнце постоянно сжимается – верхние его слои под собственной тяжестью как бы падают на нижние, а их потенциальная энергия при этом убывает (ведь масса слоев постоянна, а высота их «подъема» над центром Солнца уменьшается); именно «теряющаяся» потенциальная энергия верхних слоев и выделяется в виде тепла и света. Возникает вопрос: какая скорость этого сжатия необходима для того, чтобы обеспечить нынешнюю светимость Солнца? Ответ: очень небольшая – за 250 лет (т. е. за все время существования современной астрономии) всего-навсего 37 км; для сравнения: нынешний диаметр Солнца – почти 1,5 млн км. Очевидно, что такие изменения диаметра никакими измерительными приборами не ловятся. Гипотеза эта имела и одно следствие, прямо касающееся возраста Земли. Если считать, что светимость Солнца (и, соответственно, скорость его сжатия) в прежние времена была примерно такой же, как сейчас, то, согласно расчетам Гельмгольца, 18 млн лет назад диаметр светила должен был превышать нынешний диаметр орбиты Земли. Следовательно, наша планета никак не старше этих самых 18 млн лет. Физиков эта цифра вполне удовлетворила, и они сочли вопрос о предельном возрасте Земли исчерпанным, но вот геологи восстали против такой датировки самым решительным образом. Дело в том, что геология уже накопила к тому времени огромное количество эмпирических (т. е. основанных на непосредственном опыте) данных о строении поверхностных слоев планеты и о происходящих на ней процессах (например, о движении горных ледников, водной эрозии и т. д.). В 1830 году Ч. Лайель, исходя из того, что геологические процессы (прежде всего осадконакопление) в прошлом должны были протекать примерно с той же скоростью, что и ныне (принцип актуализма[1 - Подробнее см. в дополнении к главе 1.]), подсчитал, что время, необходимое для образования одних только доступных для прямого изучения осадочных толщ, должно составлять несколько сот миллионов лет. Расчеты Лайеля основывались на гигантском фактическом материале и казались геологам и биологам гораздо более близкими к истине, чем гельмгольцевы 18 млн лет. Однако логика Гельмгольца казалась неопровержимой – с законом сохранения энергии особо не поспоришь… Для того чтобы возобладала точка зрения геологов (а правильной, как теперь известно, оказалась именно она), необходимо было найти иной, чем гравитационное сжатие, источник энергии для Солнца. В 1896 году А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Радиоактивность оказалась одним из типов ядерных реакций – изменений в комбинациях составляющих атомное ядро протонов и нейтронов; при этих реакциях выделяется неизмеримо больше энергии, чем при любых химических превращениях. В 1905 году А. Эйнштейн установил, что в ядерных реакциях массу можно рассматривать как чрезвычайно концентрированную форму энергии, и вывел свою знаменитую формулу их эквивалентности: Е = mc , где с – скорость света. Величина c чрезвычайно велика, а потому даже небольшое количество массы эквивалентно огромному количеству энергии: 1 г массы = 21,5 млрд ккал (столько энергии выделится, если сжечь 2,5 млн литров бензина). Если предположить, что Солнце черпает энергию за счет ядерных реакций (каких именно – пока неважно, эйнштейнова формула справедлива для них всех), то для обеспечения его нынешней светимости необходимо расходовать 4 600 т вещества в секунду. Много ли это? Ничтожно мало: расчеты показывают, что происходящее при этом изменение тяготения Солнца приведет к увеличению времени оборота Земли вокруг светила – т. е. удлинению земного года – всего на 1 секунду за 15 млн лет, что, разумеется, нельзя установить никакими измерениями. Таким образом, проблема практически неиссякаемого источника энергии для Солнца была решена, и теперь уже ничто не препятствовало принятию геологической оценки возраста Земли – «не менее нескольких сот миллионов лет». Однако открытие радиоактивности имело и еще одно следствие: это явление само по себе позволило создать новый метод определения возраста планеты, несравненно более точный, чем все предыдущие. Суть его заключается в следующем. Известно, что атом урана нестабилен: он испускает энергию, потоки частиц и со временем превращается в атом свинца – устойчивого элемента, не подверженного дальнейшим превращениям. Природа этого типа реакций такова, что скорость ядерного распада абсолютно постоянна и никакие внешние факторы (температура, давление) на нее не влияют. Значит, если экспериментально определить темп этих изменений за короткий промежуток времени, то его можно совершенно точно предсказать и для более длительного промежутка. Так вот, было установлено, что в любой порции урана (точнее – изотопа U) половина составляющих его атомов превратится в свинец за 4,5 млрд лет; соответственно, через 9 млрд лет урана останется 1/2 от 1/2, т. е. четверть, и т. д. Срок в 4,5 млрд лет называют периодом полураспада U. Пусть мы имеем горную породу, содержащую соединения урана. Если она остается нераздробленной, то все атомы свинца (в которые постоянно превращаются атомы урана) остаются внутри породы, и в результате уран все более «загрязняется» свинцом. Поскольку, как мы помним, внешние факторы не влияют на скорость этого процесса, степень «загрязнения» будет зависеть только от времени, в течение которого порода оставалась монолитной. Последнее обстоятельство весьма важно: таким способом можно устанавливать время образования изверженных пород, но не осадочных – те всегда разрушены, и уран-свинцовое соотношение в них необратимо нарушено миграцией этих элементов в окружающую среду. Определять возраст изверженных пород уран-свинцовым методом (впоследствии появились калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и другие[2 - Самым точным продолжает оставаться уран-свинцовый метод – когда соотношение этих элементов определяют в зернах минерала циркон.]) начали в 1907 году и очень скоро обнаружили граниты с возрастом 1 млрд лет. По мере дальнейших поисков этот «максимальный известный возраст» быстро увеличивался, пока не достиг 3,5 млрд лет, после чего, несмотря на все усилия, почти не прирастал; древнейшие же из известных минералов были недавно найдены в Австралии и Канаде – 4,2 млрд лет[3 - Недавняя (в 2000 году, опять же в Австралии) находка минералов с возрастом 4,4 млрд лет нуждается в подтверждении.]. Значит, Земля никак не моложе 4,2 млрд лет; но, может быть, она еще старше, и породы с возрастом 7 или, скажем, 20 млрд лет просто пока не найдены? Судя по всему, нет – и вот почему. Дело в том, что возраст всех изученных на этот предмет метеоритов составляет 4,5–4,6 млрд лет; возраст всех горных пород, собранных в девяти районах Луны американскими экспедициями «Аполлон» и советскими автоматическими станциями «Луна», также варьирует от 4 до 4,5 млрд лет. Все это свидетельствует о том, что цифра «4,6 млрд лет» верно отражает реальный возраст не только Земли, но и всей Солнечной системы. Итак, физики преподнесли геологам поистине царский подарок: стало возможным достаточно точно определить время существования Земли и протяженности различных периодов ее истории (палеозоя, мезозоя и т. д.). Как же отнеслись к этому геологи? Спокойно, если не сказать – равнодушно: дело в том, что к собственно геологическим проблемам все это, как ни странно, имеет весьма косвенное отношение. Физики мыслят в категориях абсолютного времени: для них существенно, когда именно произошло некое событие, а главная проблема, которую они при этом решают – это проблема часов (ведь распадающийся уран – это, по сути дела, песочные часы хитрой конструкции). Однако совершенно очевидно, что время существует вне зависимости от того, есть ли у нас приборы для его измерения. Во множестве случаев для нас существенна лишь очередность событий («это произошло после…, но до…»), тогда как строгие их датировки куда менее важны; рассказывая о неком происшествии, часто говорят не «в 15 часов», а «после обеда»; не «20 марта», а «как только сошел снег»; не «в 1939 году», а «перед войной» – и в этом есть достаточно глубокий смысл. Любая последовательность событий уже сама по себе является временем – относительным временем. Так вот, геологи всегда работали в мире этого самого относительного времени. Точность, с которой мы можем определить положение некого события на шкале относительного времени, прямо зависит от ее дробности (т. е. числа составляющих шкалу событий) и полноты (события должны распределяться по шкале более или менее равномерно, не оставляя «пустот»). Поэтому геологи видели свою задачу не в поиске «часов», а в том, чтобы совершенствовать в указанных направлениях шкалу относительного времени – палеонтологическую летопись (это не метафора, а термин). Есть два фундаментальных принципа (фактически это аксиомы), которыми пользуются геологи при изучении истории. Первый – принцип Стено, или закон напластования: если один слой (пласт) горных пород лежит на другом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний. Второй – принцип Гексли, или закон фаунистических и флористических ассоциаций: слои, содержащие ископаемые остатки одних и тех же видов животных и растений, образовались в одно и то же время. Первый принцип позволяет установить хронологический порядок образования горных пород в одном месте, второй – синхронизировать между собой пласты, залегающие в разных местах (рис. 1, а). а) б) Рис. 1. Составление сводной стратиграфической шкалы на пяти(1–5) разрезах – а; образование запрокинутого залегания (линия, складка и эрозия «нормальной» половинки) – б (по Фентон, 1997) Принципы эти, казалось бы, предельно просты, однако при их практическом применении нас подстерегает целый ряд ловушек. Так, исходная последовательность слоев в результате тектонических движений зачастую сминается в более или менее горизонтальные складки. Если в дальнейшем вышележащая половинка складки (с «правильной» последовательностью) окажется полностью уничтоженной эрозией, то установить, что в нашем распоряжении осталось лишь искаженное, запрокинутое залегание слоев, будет весьма непросто (рис. 1, б). Еще бо?льшие проблемы возникают с законом фаунистических ассоциаций. Синхронные, но пространственно удаленные фауны всегда будут отличаться друг от друга; в частности, они будут иметь в своем составе разную долю реликтов, унаследованных от предшествующих эпох. Представьте-ка себе, что вам предложено «вслепую» сопоставить выборки из современных фаун млекопитающих Европы и Австралии (со всеми ее сумчатыми и однопроходными). Много ли у вас будет оснований для заключения об их синхронности? Сведение множества региональных последовательностей фаун и флор в единую глобальную шкалу – одна из основных задач специального раздела геологии, стратиграфии (от латинского stratum – слой). Трудности, возникающие на этом пути, велики, но вполне преодолимы. Последовательное применение принципов Стено и Гексли (плюс накопление огромного эмпирического материала) позволило геологам уже в самом начале XIX века разделить все отложения на первичные, вторичные, третичные и четвертичные; это деление полностью соответствует современному делению осадочных толщ на палеозойские, мезозойские и кайнозойские (объединяющие два последних подразделения). А к 30-м годам XIX века в составе этих отложений были выделены и почти все принятые ныне системы (юрская, меловая, каменноугольная и пр.); последняя из них – пермская – была выделена Р. Мурчисоном в 1841 году. Так была создана всеобъемлющая шкала относительного времени – геохронологическая шкала, к которой может быть однозначно «привязана» любая содержащая ископаемые осадочная порода. Шкала эта оказалась столь совершенной, что XX век не внес в нее сколь-нибудь существенных корректив, за исключением чисто формального изменения ранга некоторых ее подразделений (в 50-е годы единый третичный период был разделен на два – палеогеновый и неогеновый, а ордовик, считавшийся частью силура, получил ранг самостоятельного периода),[4 - Американские палеонтологи предпочитают делить каменноугольный период, или карбон, на два – миссисипий (соответствующий европейскому раннему карбону) и пенсильваний (средний и верхний карбон), что отражает неполную адекватность событий на разных континентах.] и лишь снабдил ее подразделения абсолютными датировками. Основная проблема, которую с той поры пришлось решать геологам, – это создание такой же шкалы для наиболее древних пород, которые считались «немыми», т. е. лишенными сколь-нибудь сложных (и, соответственно, диагностичных) ископаемых остатков (см. рис. 2, а также таблицы (#litres_trial_promo) в конце книги). Самыми крупными подразделениями геохронологической шкалы являются эоны. Хорошо известные вам палеозой, мезозой и кайнозой – это эры, на которые подразделяется последний из эонов – фанерозой (от греческих слов phanerоs – видимый, явный и zoe? – жизнь), начавшийся 0,54 млрд лет назад. Эоны, предшествующие фанерозою, – протерозой (0,54–2,5 млрд лет) и архей (2,5–4,6 млрд лет) – часто объединяют под названием криптозой (от греческого krypto?s – скрытый), или докембрий (кембрий – самый первый период фанерозоя). Фундаментальное разделение геохронологической шкалы на фанерозой и докембрий основано на наличии или отсутствии в соответствующих осадочных породах ископаемых остатков организмов, имевших твердый скелет. Первая половина архея, катархей – время, из которого осадочные породы не известны по причине отсутствия тогда гидросферы. Последний отрезок докембрия, венд – время появления бесскелетных многоклеточных животных. Рис. 2. Геохронологическая шкала. Для того чтобы запомнить последовательность периодов, составляющих фанерозой (кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь, триас, юра, мел, палеоген, неоген, антропоген), студенты испокон веков пользуются мнемонической фразой не вполне педагогичного свойства: «Каждый отдельный студент должен купить пол-литра. Ты, Юрик, мал – подожди немного, а то…» С каждой из единиц, составляющих существующую последовательность осадочных пород, можно однозначно соотнести определенное подразделение временно?й шкалы – и наоборот; так, все отложения, образовавшиеся на Земле на протяжении юрского периода, образуют юрскую систему, или просто юру. Системы объединяются в группы (юра входит в состав мезозоя) и делятся на отделы (нижняя, средняя и верхняя юра), ярусы (верхняя юра – на келловей, оксфорд, кимеридж и титон), а далее на зоны (Cardioceras cordatum). Временны?м эквивалентом группы является эра, отдела – эпоха, яруса – век, зоны – время (рис. 3). Названия подразделений геохронологической шкалы происходят от названий мест, где были впервые описаны «эталонные» для того или иного времени осадочные породы (пермский период, оксфордский век); исключение составляет низшая единица шкалы, всегда называемая по руководящему ископаемому, характерному для этого момента геологической истории (время Cardioceras cordatum). Например, пермский период следует определить как время, когда на Земле образовывались горные породы такого же типа, что ныне выходят на поверхность в окрестностях уральского города Пермь. Имея дело с геохронологической шкалой, необходимо всегда помнить, что первичен здесь определенный тип геологических тел, а время производно, вторично. (Тот же самый принцип используется и в археологии: мезолит и бронзовый век – исторические периоды, время, когда люди делали орудия и украшения определенного типа.) Именно по этой причине геохронология спокойно обходилась и без датировок ее подразделений в миллионах лет, ставших привычными лишь в последние три-четыре десятилетия. Вообще роль абсолютных датировок (радиоизотопных датировок) очень велика для стратиграфии докембрийских толщ, где отсутствуют достаточно сложные ископаемые; радиоуглеродный метод[5 - Радиоуглеродный метод позволяет датировать древесину и ее производные (например, древесный уголь); он основан на содержании в углероде древесины нестабильного изотопа С. Этот изотоп возникает в верхних слоях атмосферы при воздействии космического излучения на атом обычного азота ( N), а затем в виде CO ассимилируется растениями. Доля С в живом растении стабильна (и равна доле С в атмосферном углекислом газе), а после гибели растения начинает закономерно уменьшаться.] широко применяется для датировки новейших отложений, возрастом менее 40 тыс. лет. В остальном же эти методы играют в стратиграфии сугубо подчиненную роль, и мы в дальнейшем будем в основном обозначать время в терминах не абсолютной, а относительной шкалы. Рис. 3. Соответствие стратиграфических и временных подразделений Однажды академику А. Л. Яншину задали вопрос: в чем состоит разница между абсолютной и относительной геохронологиями? Тот, согласно преданию, ответил: «Главная разница в том, что относительная геохронология точна, а абсолютная – нет». Радиоизотопные методы дают нам датировку с точностью до 1–2 %, которая, на первый взгляд, кажется вполне приемлемой. Но на отрезках времени в сотни миллионов лет (которыми оперирует геология) эта погрешность измерения тоже будет исчисляться миллионами лет. Пусть мы определили абсолютный возраст некой осадочной толщи как 154 ±2 млн лет; в течение этих двух миллионов лет могли накопиться многие сотни метров (или даже километры) осадков. Палеонтологи же способны распознать в этой толще однообразных пород слой толщиной всего в несколько метров, руководствуясь известным им «адресом»: верхняя юра, оксфордский ярус, зона Cardioceras cordatum (ибо только в это «мгновение» геологической истории жил на Земле головоногий моллюск Cardioceras cordatum). Определить столь ничтожный отрезок времени методами абсолютных датировок нельзя ни в каком приближении. Здесь опять напрашивается сравнение с археологией. Предположим, мы обнаружили древнеегипетский саркофаг. Можно отколупнуть от него щепку и установить, что дерево, из которого он был изготовлен, срублено 4 500 ±300 лет назад. Археолог же поглядит на орнамент саркофага и без колебаний скажет: «Среднее царство, XIII династия… конец, но не самый». Ну и какая из датировок, на ваш взгляд, более содержательна? Дополнение к главе 1 Несколько слов о методологии науки. Принцип актуализма, «бритва Оккама» и презумпции. Проверка теории: верификации и фальсификации Принцип актуализма (этот термин был введен в 1830 году Ч. Лайелем): при любых реконструкциях событий прошлого мы исходим из того, что в те времена должны были действовать такие же законы природы, что и ныне. «Настоящее есть ключ к прошлому» – так формулировал принцип сам Лайель. Пусть, к примеру, в докембрии существовали экосистемы, которым нет сегодня аналогов, но камень-то, надо думать, и тогда падал на землю с ускорением 9,8 м/с , вода замерзала при нуле градусов Цельсия, молекула хлорофилла исправно поглощала кванты света… А, собственно говоря, почему? Вопрос этот вовсе не так уж прост. Непосредственно в прошлое заглянуть невозможно, машина времени – это несбыточная мечта человечества. Любые наши суждения о прошлом есть лишь более или менее вероятные предположения, основанные на интерпретации фактов и событий современности. Динозавры (столь полюбившиеся широкой публике после «Парка юрского периода») – это, вообще-то говоря, лишь куски песчаника, напоминающие своей формой кости современных рептилий; все остальное – чистые домыслы. Понятно, что цена домыслам режиссера С. Спилберга и академика от палеонтологии Л. П. Татаринова несколько разная, однако экспериментально проверить нельзя ни первые, ни вторые – ни сегодня, ни в будущем. Поэтому вначале нам следует решить для себя принципиальный вопрос: познаваемо ли прошлое вообще? При этом необходимо признать, что на логическом уровне проблема неразрешима, т. е. это вопрос не разума, а веры. Если ответ будет «нет», то мы можем дальше по собственному усмотрению населять прошлое атлантами и лемурийцами, разумными спрутами и крылатыми огнедышащими драконами, а можем, наоборот, отрицать существование всего, что не упомянуто – черным по белому – в Ветхом Завете. Пожалуйста. Мы теперь находимся в сфере мифологии, можно ни в чем себе не отказывать. Отправившись по этому пути, мы с неизбежностью должны прийти к отрицанию существования Хеопса, Ивана Грозного, а то и товарища Сталина – чем они в этом смысле лучше динозавров? Если же мы примем, что прошлое принципиально познаваемо (а подавляющее большинство людей решают для себя этот вопрос именно так), и останемся при этом на позициях рационального мышления (т. е. будем полагаться не на «откровения свыше», а на свои собственные наблюдения и умозаключения), то упомянутый выше кусок песчаника немедленно превратится в бедренную кость тиранозавра. Структура ее поверхности позволит нам сделать выводы о местах прикрепления мышц и, соответственно, о типе походки, скорости передвижения и возможных способах охоты; внутренняя структура кости – о характере кровоснабжения и, соответственно, о возможной теплокровности этих существ. Ископаемая древесина с годичными кольцами позволит заключить, что климат в этом месте тогда был сезонным, а ископаемый коралловый риф – что температура окружающей его морской воды превышала 20 °C. Все эти выводы будут основаны на аналогиях – на том, как ведут себя кости позвоночных, древесина и коралловые рифы в наши дни. Но вправе ли мы исходить из такой предпосылки? Не только вправе – мы обязаны поступать именно так, и вот почему. Мы уже оговорили, что действуем в сфере рационального мышления. Рациональный тип мышления – отнюдь не единственно возможный; бывает мышление художественное, мистическое, религиозное и т. п. Надо отчетливо осознавать, что ни одно из них не «хуже» и не «лучше» остальных – они просто разные и имеют свои собственные «своды законов». Мы вольны в выборе типа мышления – но, раз выбрав, обязаны будем в дальнейшем подчиняться определенным правилам. Одним из фундаментальных принципов рационального мышления является «бритва Оккама» – по имени средневекового английского философа У. Оккама, который формулировал его так: «Не умножай сущностей сверх необходимого». Применительно к правилам научного исследования это означает следующее: выбирая одну из нескольких гипотез, объясняющих некое явление, надо начинать с самой простой из них, и только убедившись в том, что она «не работает», переходить к более сложной, повторяя эту процедуру до тех пор, пока не будет найдено простейшее удовлетворительное объяснение. Приведем такой пример. На тихоокеанском острове Пасхи имеются циклопические статуи, которые, казалось бы, не могли быть воздвигнуты примитивным племенем, населяющим остров в наши дни. Можем ли мы высказать гипотезу, что статуи эти поставлены пришельцами с другой планеты? Конечно, можем. Однако, находясь в рамках рационального подхода, мы вправе принять подобное объяснение лишь после того, как будут исчерпаны все более простые – «земные» – гипотезы. Тур Хейердал, сделавший успешную попытку установить пасхианскую статую с помощью лишь тех средств, что есть в наши дни в распоряжении тамошних аборигенов, действовал строго в рамках «бритвы Оккама», хотя наверняка не задумывался над этим. Последнее весьма существенно: дело в том, что принцип «бритвы Оккама» и впоследствии развившийся из него принцип парсимонии для любого ученого (по крайней мере, в сфере естественных наук) настолько фундаментальны, что обычно их просто не замечают – как мы не замечаем воздуха, которым дышим. Возвращаясь к методам реконструкции картин далекого прошлого, отметим, что с этой точки зрения актуализм (стремление в исторических реконструкциях отталкиваться от современных аналогов) совершенно корректен. Существование же в прошлом принципиально иных, чем ныне действующие, законов природы будет той самой «избыточной сущностью», которую и отсекает «бритва Оккама». Собственно говоря, прошлое вообще познаваемо ровно настолько, насколько точные аналогии былым ситуациям существуют в современности. Однако в следующих главах мы регулярно будем сталкиваться и с такими совокупностями фактов, для объяснения которых нам придется предполагать, что в природе существовали и ситуации, ныне совершенно немыслимые, как-то: экосистемы, не имевшие в своем составе хищников (с. 102); ландшафты, которые были не сушей и не морем, а чем-то средним (с. 86); атмосферная циркуляция, при которой число конвективных ячеек (с. 147) отлично от нынешнего. Не оказываются ли такие реконструкции отступлением от принципа актуализма? Нет, потому что принцип актуализма не является аксиоматичным положением. Аксиома – это принимаемое без доказательств положение, на основе которого строится внутренне непротиворечивая система взглядов. Если мы принимаем за аксиому утверждение, что через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну (только одну) прямую, параллельную данной, то получаем внутренне непротиворечивую геометрию Евклида. А если принять, что через такую точку можно провести несколько прямых, не пересекающих данную, то возникнет геометрия Лобачевского, такая же внутренне непротиворечивая, как и «нормальная», евклидова. Выше мы уже сталкивались с одним аксиоматичным утверждением – законом напластования («если один слой горных пород лежит на другом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний»), на котором основана такая внутренне непротиворечивая система взглядов, как стратиграфия. Поэтому если бы вдруг удалось доказать (напрягите воображение!), что вышележащий слой может образоваться прежде нижележащего, это означало бы полное разрушение картины мира, что создана стратиграфией. Принцип актуализма принадлежит к иному типу утверждений – презумпциям. Презумпция – юридический термин, означающий признание факта достоверным, пока не будет доказано обратное. Всем известна используемая в юриспруденции презумпция невиновности. Она может быть сформулирована так: поскольку большинство людей не являются преступниками, то каждый отдельно взятый человек должен считаться невиновным до тех пор, пока не доказано обратное. Последнее – чрезвычайно важно: в понятие «презумпция» заложена возможность опровержения; презумпция лишь устанавливает очередность, в которой следует рассматривать соответствующие гипотезы (применительно к презумции невиновности это означает, что обвиняемый не обязан ничего доказывать – это дело обвинителя). Палеонтолог А. П. Расницын показал, что этот тип утверждений используется в естественных науках чрезвычайно широко, хотя практически всегда – в неявном виде. Например, постоянно практикуемое биологами определение степени родства организмов по степени их сходства – не что иное, как презумпция, которую можно сформулировать так: более сходные между собой организмы должны считаться более близко родственными между собой до тех пор, пока не доказано обратное (т. е. конвергентное возникновение этого сходства). В дальнейшем мы будем часто сталкиваться с этим типом логических конструкций. Одной из презумпций и является принцип актуализма, который может быть переформулирован таким образом: в процессе исторического исследования мы должны исходить из того, что любые системы в прошлом функционировали так же, как их современные аналоги, до тех пор, пока не доказано обратное. Раз уж зашла речь о научном мышлении, то следует рассказать о взглядах К. Поппера, одного из крупнейших философов XX века, математика по базовому образованию. Он одним из первых задался вопросом «когда теорию можно считать научной?». «Меня интересовал не вопрос о том, «когда теория истинна?» […] Я поставил перед собой другую проблему, – уточняет Поппер. – Я хотел провести различие между наукой и псевдонаукой, прекрасно зная, что наука часто ошибается, а псевдонаука может случайно натолкнуться на истину». Издавна существует стандартный ответ: наука отличается от псевдонауки (или от «метафизики») своим эмпирическим методом, т. е. исходит из наблюдений и экспериментов. Однако такой ответ вряд ли можно счесть исчерпывающим: например, астрология (которая наукой в строгом смысле не является) оперирует громадной массой эмпирического материала, опирающегося на наблюдения, – гороскопами и биографиями. Поппер вспоминает, что в 1919 году, когда он начинал учиться в Венском университете, все были увлечены новыми, поистине революционными, концепциями: теорией относительности Эйнштейна, а также историческим материализмом Маркса и новейшими психологическими теориями – психоанализом Фрейда и так называемой индивидуальной психологией Адлера. Быстро ощутив (сперва на каком-то подсознательном уровне) некое принципиальное различие между двумя этими группами теорий, Поппер попытался сформулировать для себя: чем марксизм, психоанализ и индивидуальная психология так отличаются от физических теорий, например от теории относительности? Ясно, что дело тут было не в математическом аппарате (или отсутствии такового), а в чем-то ином, более серьезном. «Я обнаружил, что те из моих друзей, которые были поклонниками Маркса, Фрейда и Адлера, находились под впечатлением некоторых моментов, общих для этих теорий, в частности под впечатлением их явной объяснительной силы. Казалось, эти теории способны объяснить буквально все, что происходило в той области, которую они описывали. Изучение любой из них как бы приводило к полному духовному перерождению или к откровению, раскрывающему наши глаза на новые истины, скрытые от непосвященных. Раз ваши глаза однажды были раскрыты, вы будете видеть подтверждающие примеры всюду: мир полон верификациями теории. Все, что происходит, подтверждает ее». Итак, главная черта этой группы теорий – непрерывный поиск верифицирующих их эмпирических результатов (наблюдений): чем больше, тем лучше. Более того, невозможно представить себе, например, такую форму человеческого поведения, которая не укладывалась бы в рамки соответствующей психологической теории. В примере, рассматриваемом Поппером, один человек толкает ребенка в воду с намерением утопить его, а другой жертвует жизнью в попытке спасти этого ребенка: «Каждый из этих случаев легко объясним и в терминах Фрейда, и в терминах Адлера. Согласно Фрейду, первый человек страдает от подавления некоего комплекса (скажем, Эдипова), а второй достиг сублимации. Согласно Адлеру, первый человек страдает от чувства неполноценности (которое вызывает у него необходимость доказать самому себе, что он способен отважиться на преступление); то же самое происходит и со вторым (у которого возникает потребность доказать самому себе, что он способен спасти ребенка)». С такой же легкостью обе эти теории переинтерпретируют и любые другие человеческие поступки. С теорией относительности дело обстоит совершенно иначе. Как раз во время, описываемое Поппером, А. Эддингтону впервые удалось подтвердить одно из предсказаний, сделанных Эйнштейном. Согласно его теории гравитации, большие массы (такие, как Солнце) должны притягивать свет точно так же, как они притягивают материальные тела. Поэтому свет далекой фиксированной звезды, видимой вблизи Солнца, достигает Земли по такому направлению, что звезда кажется смещенной по сравнению с ее реальным положением. В обычных условиях этот эффект наблюдать невозможно, поскольку близкие к Солнцу звезды совершенно теряются в его ослепительных лучах. Однако звезды можно сфотографировать во время полного солнечного затмения, а затем сравнить их положение с тем, что наблюдается ночью, когда масса Солнца не влияет на распространение их лучей. Именно это и проделал Эддингтон. И получил эффект, предсказанный Эйнштейном. «В рассматриваемом примере, – пишет Поппер, – производит впечатление тот риск, с которым связано подобное предсказание. Если наблюдение показывает, что предсказанный эффект определенно отсутствует, то теория просто-напросто отвергается. Данная теория несовместима с определенными возможными результатами наблюдения – с теми результатами, которых до Эйнштейна ожидал бы каждый. Такая ситуация совершенно отлична от описанной мною ранее, когда соответствующие (психологические. – К. Е.) теории оказывались совместимыми с любым человеческим поведением, и было практически невозможно описать какую-либо форму человеческого поведения, которая не была бы подтверждением этих теорий». Все это и привело Поппера к заключению о том, что подтверждения (верификации) теории недорого стоят – их при желании можно набрать сколько угодно, почти для любой теории. Собственно говоря, принимать во внимание подтверждающее свидетельство следует лишь в тех случаях, когда оно является результатом реальной «проверки теории на прочность» – попытки ее опровергнуть, которая оказалась безуспешной. Теория же, которая не опровергаема никаким мыслимым событием, является ненаучной; принципиальная неопровергаемость представляет собой не достоинство теории (как часто думают), а ее порок. Итак, критерием научного статуса теории является ее проверяемость и принципиальная опровергаемость (фальсифицируемость).[6 - Отсюда и всю методологическую концепцию Поппера называют фальсификационализмом. Слова «фальсифицируемость» и «фальсифицированный» употребляются здесь, разумеется, не в обиходном их значении («Таможня обнаружила партию фальсифицированной водки…»).] Иными словами, наука (в отличие от псевдонауки) должна делать проверяемые предсказания («Будет так-то и так-то, в противном случае я съем свою шляпу»), причем предсказания эти должны быть рискованными, не очевидными априори (не типа «Солнце завтра по-прежнему взойдет на востоке»). Из рассмотренных выше теорий критерию фальсифицируемости отвечает лишь теория относительности: даже если в период ее выдвижения существующие измерительные инструменты не позволяли осуществить проверку, принципиальная возможность опровержения этой теории существовала уже тогда. Случай с астрологией – обратный; астрологи попросту игнорируют неблагоприятные для них свидетельства, а в своих прогнозах прибегают к обычному трюку всех прорицателей: предсказывают события неопределенно, чтобы предсказания всегда сбывались, т. е. чтобы они были неопровергаемыми. Вспомним истории о Ходже Насреддине. «Буду ли я счастлива в своем новом браке?» – трепетно спрашивала какая-нибудь почтенных лет вдова и замирала в ожидании ответа. «Да, будешь счастлива, если на рассвете не влетит в твое окно черный орел, – гласил ответ гадальщика. – Остерегайся также посуды, оскверненной мышами, никогда не пей и не ешь из нее». И вдова удалялась, полная смутного страха перед черным орлом, тягостно поразившим ее воображение, и вовсе не думая о каких-то презренных мышах; между тем в них-то именно и крылась угроза ее семейному благополучию, что с готовностью растолковал бы ей гадальщик, если бы она пришла к нему с жалобами на неправильность его предсказания. Сложнее ситуация с марксистской социологией. В ранних своих формулировках она действительно давала проверяемые предсказания (например, Марксов анализ движущих сил и сроков грядущей «социальной революции»), которые все оказались опровергнутыми (революции происходили не в промышленно развитых, а в самых отсталых странах, и т. п.). Однако последователи Маркса, вместо того чтобы признать это опровержение, переинтерпретировали и теорию, и свидетельства так, чтобы привести их в соответствие. Они «спасли» свою теорию, но при этом сделали ее неопровергаемой – и тем самым лишили ее научного статуса (в Советском Союзе марксизм превратился уже в чистое богословие, т. е. в комментирование священных текстов). Что же касается двух упомянутых психоаналитических теорий, то они являются изначально непроверяемыми и неопровергаемыми. Как подчеркивает Поппер, «это не означает, что Фрейд и Адлер вообще не сказали ничего правильного. […] Но это означает, что те „клинические наблюдения“, которые, как наивно полагают психоаналитики, подтверждают их теорию, делают это не в большей степени, чем ежедневные подтверждения, обнаруживаемые в своей практике астрологами». Итак, по Попперу: теория относительности – научная и правильная, т. е. не опровергнутая, несмотря на все усилия; марксизм (ранний) – научная, но неправильная; психоанализ – правильная (в том смысле, что дает позитивные практические результаты), но ненаучная. Разумеется, Поппер нарисовал умышленно упрощенную картину. Ведь, согласно его методологическим правилам, если теории противоречит некий факт, то она становится фальсифицированной и должна быть немедленно отброшена. Однако в реальности научное сообщество сплошь и рядом вынуждено сохранять заведомо «фальсифицированные» теории до тех пор, пока не появятся новые, более совершенные (за неимением гербовой…); с этим был вынужден согласиться и сам Поппер. Попперовский фальсификационализм пережил пик своей популярности в 60–70-е годы, а ныне уступил место более утонченным методологическим концепциям. Тем не менее главные попперовские положения (что цена непроверяемой гипотезе, сколь бы красива она ни была, пятак в базарный день и что суть научного исследования – не в подборе примеров, подтверждающих теорию, а в поиске всё новых способов ее критической проверки) остаются в силе. Тем из вас, кто собирается в дальнейшем заниматься наукой, следует иметь это в виду. Глава 2 Образование нашей планеты: «холодная» и «горячая» гипотезы. Гравитационная дифференциация недр. Происхождение атмосферы и гидросферы Рассказ о происхождении Земли и Солнечной системы нам придется начать издалека. В 1687 году И. Ньютон вывел закон всемирного тяготения: каждое тело во Вселенной притягивает остальные с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Теоретически закон всемирного тяготения позволяет рассчитать движения любого тела во Вселенной под влиянием тяготения других тел. Но – увы! – только теоретически: уравнения, необходимые для описания движения всего трех изолированных тел под влиянием притяжения друг друга, столь сложны, что их решение не удавалось получить почти три столетия, до 60-х годов XX века. Понятно, что о полном решении для такой системы тел, как Солнечная система, и говорить не приходится. Что же до приближенных расчетов, которыми занимались многие выдающиеся математики и астрономы (Ж. Лагранж, П. Лаплас и другие), то они показывают, что возмущения в орбитах планет носят периодический характер: параметры орбиты меняются в одном направлении, затем в противоположном, и так до бесконечности. В самой по себе определяемой тяготением структуре Солнечной системы вроде бы нет ничего, что мешало бы ей существовать вечно; недаром сам Ньютон вопрос о происхождении Солнечной системы вообще не ставил. Давайте, однако, задумаемся: если бы причиной движения планет было одно лишь тяготение, то что с ними произошло бы? Правильно, они «упали» бы на Солнце. Но планеты благополучно двигаются по своим орбитам перпендикулярно действующей на них силе тяжести и при этом еще вращаются вокруг собственной оси. Это движение не могло возникнуть – и не возникло! – под влиянием тяготения Солнца. Откуда же оно взялось? Дело в том, что всякое вращающееся тело обладает определенным качеством, которое называется моментом количества движения (МКД). Величина МКД зависит от трех параметров: массы тела, его круговой скорости и расстояния до центра вращения. К XVIII веку было установлено, что МКД не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а может лишь передаваться от тела к телу. Это закон сохранения момента количества движения, принадлежащий к ряду законов сохранения (таких, как законы сохранения вещества, энергии и пр.). А коли так, то любая теория возникновения Вселенной (или Солнечной системы) как минимум не должна ему противоречить. Итак, все тела, составляющие Солнечную систему, обладают собственным МКД. Создать МКД невозможно – откуда же он взялся? Рассмотрим следующий выход из этого тупика. МКД могут различаться в зависимости от направления вращения: по и против часовой стрелки – положительный и отрицательный МКД. Если телу (или системе тел) сообщить два МКД (равной величины, но разного знака), то оба момента взаимно уничтожатся, и возникнет система, лишенная МКД. Но в таком случае верно и обратное: система, изначально не обладавшая МКД, может разделиться на две: одну с положительным, другую – с равным ему отрицательным МКД. Таким образом, МКД как бы появляется и исчезает без нарушения закона сохранения. Исходя из этого, можно предположить, что Вселенная вначале не обладала МКД, но затем одни ее части получили положительный момент, а другие – одновременно – отрицательный. Так вот, если посмотреть на Солнечную систему «с высоты» – из некой точки над Северным полюсом Земли (и, соответственно, над плоскостью ее орбиты), то окажется, что Земля, Солнце и большинство иных тел вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки; планеты вокруг Солнца и спутники вокруг планет – тоже. Значит, положительные и отрицательные МКД всех тел, составляющих Солнечную систему, отнюдь не уравновешиваются между собой; суммарный МКД этой системы очень велик, и необходимо выяснить его происхождение. В 1796 году П. Лаплас сформулировал небулярную теорию, согласно которой последовательность событий при образовании Солнечной системы такова. Имеется первичное газопылевое облако (туманность – по латыни «небула»), возникшее в результате концентрации рассеянного межзвездного вещества под действием взаимного притяжения его частиц (в соответствии с законом всемирного тяготения). Небула не является идеальным шаром, и ее края – просто по теории вероятности – находятся на неодинаковом расстоянии от ближайшей небулы (или звезды), а потому притягиваются той с неодинаковой силой (которая, как мы помним, обратно пропорциональна квадрату расстояния). Этой неравновесности достаточно для того, чтобы наша небула получила первичный толчок, который и придаст ей вращательное движение, пусть и чрезвычайно слабое. Как только небула начинает поворачиваться вокруг своей оси, в ней возникает сила тяжести (как в космическом корабле, который специально «раскручивают» для противодействия невесомости). Под действием силы тяжести небула должна начать сжиматься, т. е. ее радиус уменьшается. А мы с вами помним, что МКД (который есть величина постоянная) зависит от трех параметров: массы тела, радиуса и скорости его вращения; масса – тоже величина неизменная, поэтому уменьшение радиуса может быть компенсировано только увеличением скорости вращения. В результате огромный газовый шар будет вращаться все быстрее и быстрее, работая как центрифуга: под действием центробежной силы его экватор вспухает, придавая шару форму все более сплющенного эллипсоида. Наступает момент, когда все возрастающая центробежная сила на экваторе уравновешивает силу притяжения и от него (экватора) начинает отслаиваться кольцо, а затем, по мере дальнейшего сжатия небулы, еще и еще. Вещество этих вращающихся колец начинает под действием взаимного притяжения его частиц конденсироваться в планеты, от которых, в свою очередь, отрываются их спутники. Теория Лапласа, согласно которой Земля была изначально холодной, сохраняла популярность на протяжении почти столетия, хотя ей и противоречили некоторые астрономические данные (например, вращение Венеры и Урана в сторону, обратную всем остальным планетам и Солнцу). Однако ближе к концу XIX века, когда было твердо установлено, что температура в недрах нашей планеты чрезвычайно высока (по современным данным, свыше 1 000 °C), большинство ученых стало разделять мнение об изначально горячей Земле – огненном шаре, постепенно остывающем с поверхности. Поиски источника этого раскаленного вещества вполне естественно было начать с Солнца. В начале ХХ века астрономы Т. Чемберлен и Ф. Мультон выдвинули, а Дж. Джинс математически обосновал планетезимальную теорию происхождения планет Солнечной системы. Суть ее состоит в том, что некогда поблизости от Солнца («поблизости» – это по космическим масштабам) прошла другая звезда. При этом взаимное притяжение вырвало из каждой из них по гигантскому протуберанцу звездного вещества, которые, соединившись, составили «межзвездный мост», распавшийся затем на отдельные «капли» – планетезимали. Остывающие планетезимали и дали начало планетам и их спутникам. Однако вторая половина ХХ века стала временем возвращения к концепции изначально холодной Земли. Во-первых, нашлись серьезные, чисто астрономические, возражения против планетезимальной теории. Г. Рессел, например, обратил внимание на то простое обстоятельство, что если между Солнцем и проходящей звездой протянется лента из звездного вещества, то ее средняя часть (где притяжение двух светил взаимно уравновешивается) должна будет пребывать в полной неподвижности. И напротив, выяснилось, что некоторые оказавшиеся ошибочными положения Лапласа вполне могут быть откорректированы в рамках дальнейшего развития небулярной теории. В качестве примера можно привести гипотезу О. Ю. Шмидта (в ней газопылевое облако захватывается уже существующим на тот момент Солнцем) или более популярную ныне модель К. фон Вайцзеккера (в ней вращающаяся небула представляет собой уже не гомогенный шар, как у Лапласа, а систему разноскоростных вихрей, несколько напоминающую шарикоподшипник). Полагают также, что газ и пыль во вращающейся газопылевой туманности ведут себя по-разному: пыль собирается в плоский экваториальный диск, а газ образует почти шарообразное облако, густеющее по направлению к центру туманности. Впоследствии пыль экваториального диска слипается в планеты, а газ под собственной тяжестью разогревается так, что «вспыхивает» в виде Солнца. Более существенным для победы «холодной» концепции оказалось другое: был найден убедительный и при этом достаточно простой ответ на вопрос – откуда же берется тепло, разогревшее недра изначально холодной Земли до столь высоких температур? Этих источников тепла, как сейчас полагают, два: энергия распада радиоактивных элементов и гравитационная дифференциация недр. С радиоактивностью все достаточно ясно, да и источник это второстепенный – на него приходится, согласно современным оценкам, не более 15 % энергии разогрева. Идея же гравитационной дифференциации недр (ее детальную разработку связывают с именем О. Г. Сорохтина) заключается в следующем. Зная массу и объем Земли (они были рассчитаны еще в XVIII веке), легко определить усредненную плотность земного вещества – 5,5 г/см . Между тем плотность доступных нам для прямого изучения горных пород вдвое меньше: средняя плотность вещества земной коры составляет 2,8 г/см . Отсюда ясно, что вещество в глубоких недрах Земли должно иметь плотность много выше средней. Известно, что почти 9/10 массы Земли приходится на долю всего четырех химических элементов – кислорода (входящего в состав окислов), кремния, алюминия и железа. Поэтому можно с достаточной уверенностью утверждать, что более «легкие» наружные слои планеты состоят преимущественно из соединений кремния (алюмосиликатов), а «тяжелые» внутренние – железа. В момент образования Земли («горячим» или «холодным» способом – для нас сейчас неважно) «тяжелые» и «легкие» элементы и их соединения не могли не быть полностью перемешаны. Однако дальше начинается их гравитационная дифференциация: под действием силы тяжести «тяжелые» соединения (железо) «тонут» – опускаются к центру планеты, а «легкие» (кремний) – «всплывают» к ее поверхности. Давайте теперь рассмотрим этот процесс в мысленно вырезанном вертикальном столбе земного вещества, основание которого – центр планеты, а вершина – ее поверхность. «Тонущее» железо постоянно смещает центр тяжести этого столба к его основанию. При этом потенциальная энергия столба (пропорциональная произведению массы тела на высоту его подъема, что в нашем случае составляет расстояние между центром Земли и центром тяжести столба) постоянно уменьшается. Суммарная же энергия Земли, в соответствии с законами сохранения, неизменна; следовательно, теряющаяся в процессе гравитационной дифференциации потенциальная энергия может преобразовываться лишь в кинетическую энергию молекул, т. е. выделяться в виде тепла. Расчеты геофизиков показывают, что эта энергия составляет чудовищную величину 4·1030 кал (что эквивалентно триллиону суммарных ядерных боезапасов всех стран мира). Этого вполне достаточно для того, чтобы – даже не прибегая к помощи энергии радиоактивного распада – разогреть недра изначально холодной Земли до расплавленного состояния. Однако, рассчитывая тепловой баланс Земли за всю ее историю, геофизики пришли к выводу, что температура ее недр лишь местами могла доходить до 1 600 °C, в основном составляя около 1 200 °C; а это означает, что наша планета, вопреки бытовавшим ранее представлениям, никогда не была полностью расплавленной. Разумеется, планета постоянно теряет тепловую энергию, остывая с поверхности, но этот расход в значительной степени (если не полностью) компенсируется излучением Солнца. Итак, Земля на протяжении всей своей истории представляет собой твердое тело (более того, в глубинах, при высоких давлениях – очень твердое тело), которое, однако, парадоксальным образом ведет себя при очень больших постоянных нагрузках как чрезвычайно вязкая жидкость. Сама форма планеты – эллипсоид с чуть выпяченным Северным полюсом и чуть вдавленным Южным – идеально соответствует той, что должна принимать жидкость в состоянии равновесия. В толще этой «жидкости» постоянно происходят чрезвычайно медленные, но немыслимо мощные движения колоссальных масс вещества, с которыми связаны вулканизм, горообразование, горизонтальные перемещения континентов и т. д. – их закономерности мы будем обсуждать в следующей главе. Здесь важно запомнить, что источником энергии для всех этих процессов является в конечном счете все та же гравитационная дифференциация вещества в недрах планеты. Соответственно, когда этот процесс завершится полностью, наша планета станет геологически неактивной, «мертвой» – подобно Луне. Согласно расчетам геофизиков, к настоящему моменту уже 85 % имеющегося на Земле железа опустилось в ее ядро, а на «оседание» оставшихся 15 % потребуется еще около 1,5 млрд лет. В результате гравитационной дифференциации недра планеты оказываются разделенными (как молоко в сепараторе) на три основных слоя: «тяжелый», «промежуточный» и «легкий». Внутренний «тяжелый» слой (с плотностью вещества около 8 г/см ) – центральное ядро, состоящее из соединений железа и иных металлов; из 6 400 км, составляющих радиус планеты, на ядро приходится 2 900 км. Поверхностный «легкий» слой (плотность его вещества около 2,5 г/см ) называется корой. Средняя толщина коры всего-навсего 33 км; она отделена от нижележащих слоев поверхностью Мохоровичича, при переходе через которую скачкообразно увеличивается скорость распространения упругих волн. Между корой и ядром располагается «промежуточный» слой – мантия; ее породы имеют плотность около 3,5 г/см и находятся в частично расплавленном состоянии. Верхняя мантия отделена от нижней мантии лежащим в 60–250 км от поверхности расплавленным слоем базальтов – астеносферой; верхняя мантия вместе с корой образует твердую оболочку планеты – литосферу (рис. 4). В астеносфере находятся магматические очаги, питающие вулканы, деятельности которых Земля обязана своей подвижной оболочкой – гидросферой и атмосферой. Рис. 4. Структура недр планеты (со схематическим вулканом) Согласно современным представлениям, атмосфера и гидросфера возникли в результате дегазации магмы, выплавляющейся при вулканических процессах из верхней мантии и создающей земную кору. Атмосфера и гидросфера состоят из легких летучих веществ (соединений водорода, углерода и азота), содержание которых на Земле в целом очень мало – примерно в миллион раз меньше, чем в космосе. Причина такого дефицита состоит в том, что эти летучие вещества были «вымыты» еще из протопланетного облака солнечным ветром (т. е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. В момент образования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде, в составе твердых веществ: вода – в гидроокислах, азот – в нитридах (и, возможно, в нитратах), кислород – в окислах металлов, углерод – в графите, карбидах и карбонатах. Современные вулканические газы примерно на 75 % состоят из паров воды и на 15 % – из углекислого газа, а остаток приходится на метан, аммиак, соединения серы (H S и SO ) и «кислые дымы» (HCl, HF, HBr, HI), а также инертные газы; свободный кислород полностью отсутствует. Изучение содержимого газовых пузырьков в древнейших (катархейских) кварцитах Алданского щита показало, что качественный состав этих газов полностью соответствует тому, что перечислено выше. Поскольку эта первичная атмосфера была еще очень тонкой, температура на поверхности Земли равнялась температуре лучистого равновесия, получающейся при выравнивании потока солнечного тепла, поглощаемого поверхностью, с потоком тепла, излучаемым ею; для планеты с параметрами Земли температура лучистого равновесия равна примерно 15 °C. В итоге почти весь водяной пар из состава вулканических газов должен был конденсироваться, формируя гидросферу. В этот первичный океан переходили, растворяясь в воде, и другие компоненты вулканических газов – бо?льшая часть углекислого газа, «кислые дымы», окиси серы и часть аммиака. В результате первичная атмосфера (содержащая – в равновесии с океаном – водяные пары, CO , CO, CH , NH , H S, инертные газы и являющаяся восстановительной) оставалась тонкой и температура на поверхности планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия, оставаясь в пределах существования жидкой воды. Это и предопределило одно из главных отличий Земли от других планет Солнечной системы – постоянное наличие на ней гидросферы. Как же изменялся объем гидросферы на протяжении ее истории? В расплавленном базальте (в астеносфере) при температуре 1 000 °C и давлении 5–10 тыс. атмосфер растворено до 7–8 % H O: именно столько воды, как установлено вулканологами, дегазируется при излиянии лав. Бо?льшая часть этой воды (имеющей, таким образом, мантийное происхождение) пополняла собою гидросферу, но часть ее поглощалась обратно породами океанической коры (этот процесс называется серпентинизацией). Расчеты геофизиков показывают, что в катархее и архее воды в океанских впадинах было мало и она еще не прикрывала срединно-океанические хребты. В океаническую кору вода поступала не из океанов, а снизу – непосредственно из мантии. В начале протерозоя уровень океанов достиг вершин срединно-океанических хребтов, но на протяжении всего раннего протерозоя практически весь объем поступавшей в океаны воды поглощался породами океанической коры. К началу среднего протерозоя процессы серпентинизации закончились и океаническая кора обрела современный состав. С этого времени объем океанов вновь начал нарастать. Это будет продолжаться (с постепенным замедлением), пока на Земле не прекратятся вулканические процессы. Если спросить человека: «Отчего море соленое?», он почти наверняка ответит: «Оттого же, отчего солоны бессточные озера (вроде озера Эльтон, снабжающего нас поваренной солью): впадающие в море реки несут некоторое количество солей, потом вода испаряется, а соль остается». Ответ этот неверен: соленость океана имеет совершенно иную природу, чем соленость внутриконтинентальных конечных водоемов стока. Дело в том, что вода первичного океана имела различные примеси. Одним источником этих примесей были водорастворимые атмосферные газы, другим – горные породы, из которых в результате эрозии (как на суше, так и на морском дне) вымываются различные вещества. «Кислые дымы», растворяясь в воде, давали галогеновые кислоты, которые тут же реагировали с силикатами (основным компонентом горных пород) и извлекали из них эквивалентное количество металлов (прежде всего щелочных и щелочноземельных – Na, Mg, Ca, Sr, K, Li). При этом, во-первых, вода из кислой становилась практически нейтральной, а во-вторых, соли извлеченных из силикатов элементов переходили в раствор; таким образом, вода океана с самого начала была соленой. Концентрация катионов в морской воде совпадает с распространенностью этих металлов в породах земной коры, а вот содержание основных анионов (Cl , Br , SO , HCO ) в морской воде намного выше того их количества, которое может быть извлечено из горных пород. Поэтому геохимики полагают, что все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а все катионы – из разрушенных горных пород. Главным фактором, определяющим кислотность морской воды, является содержание в ней углекислого газа (CO – водорастворим, сейчас в океанах его растворено 140 трлн т – против 2,6 трлн т, содержащихся в атмосфере). В океанах существует динамическое равновесие между нерастворимым карбонатом кальция CaCO и растворимым бикарбонатом Ca(HCO ) : при недостатке CO «лишний» бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке CO карбонат превращается в бикарбонат и переходит в раствор. Карбонатно-бикарбонатный буфер возник в океане на самом начальном этапе его существования, и с тех пор он поддерживает кислотность океанской воды на стабильном уровне. Что касается атмосферы, то ее состав стал меняться в протерозое, когда фотосинтезирующие организмы начали вырабатывать (в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности) свободный кислород; сейчас считается твердо установленным, что весь свободный кислород планеты имеет биогенное происхождение. Кислород, в отличие от углекислого газа, плохо растворим в воде (соотношение между атмосферным и растворенным в воде CO составляет, как мы видели, 1:60, а для O оно составляет 130:1), и потому почти весь прирост кислорода идет в атмосферу. Там он окисляет CO и CH до CO , H S – до S и SO , а NH – до N ; самородная сера, естественно, выпадает на поверхность, углекислый газ и сернистый ангидрид растворяются в океане, и в итоге в атмосфере остаются только химически инертный азот (78 %) и кислород (21 %). Атмосфера из восстановительной становится современной, окислительной; впрочем, подробнее историю кислорода на Земле мы обсудим позднее, там, где речь пойдет о ранней эволюции живых существ (глава 5). Помимо кислорода и азота, в атмосфере содержится небольшое количество так называемых парниковых газов – углекислый газ, водяной пар и метан. Составляя ничтожную долю атмосферы (менее 1 %), они, тем не менее, оказывают важное влияние на глобальный климат. Все дело в особых свойствах этих газов: будучи сравнительно прозрачными для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, они в то же время непрозрачны для длинноволнового – излучаемого Землею в космос. По этой причине вариации в количестве атмосферного CO могут вызывать существенные изменения теплового баланса планеты: с ростом концентрации этого газа атмосфера по своим свойствам все более приближается к стеклянной крыше парника, которая обеспечивает нагрев оранжерейного воздуха путем «улавливания» лучистой энергии, – парниковый эффект. Глава 3 Эволюция земной коры. Дрейф континентов и спрединг океанического дна. Мантийная конвекция Горные породы, формирующие кору Земли, как мы помним, бывают изверженные – первичные, образовавшиеся при охлаждении и затвердевании магмы, и осадочные – вторичные, образовавшиеся в результате эрозии и накопления осадков на дне водоемов. Осадочные породы почти полностью покрывают поверхность суши, формируя (в числе прочего) значительную часть высочайших горных систем. Это означает, что порода, из которой слагаются ныне вершины Альп или Гималаев, когда-то формировалась под водой, ниже уровня моря. Поразительно, не так ли? Хотя любой геолог считает это обстоятельство совершенно тривиальным. В 1852 году Л. Эли де Бомон предложил для объяснения орогенеза (процесса горообразования) контракционную теорию (от латинского contractio – сжатие); она основывалась на предположении об изначально горячей Земле. Итак, имеется огненный шар из раскаленного газа, который, остывая с поверхности, начинает покрываться твердой коркой. Объем любого остывающего тела уменьшается, и остывающая корка «садится», растрескиваясь подобно такыру.[7 - Такыры – возникающие в зоне пустынь гладкие и ровные глинистые поверхности, похожие на мостовые: они разбиты трещинами на отдельные плитки (часто правильные шестиугольники) площадью около 1 м .] Возникшие трещины – самые глубокие части на поверхности планеты, и потому именно в них происходит самое интенсивное осадконакопление. Тем временем внутренние части шара тоже остывают и весь он постепенно уменьшается в объеме; при этом потрескавшаяся «кожура» начинает собираться в складки и заполненные осадками трещины выпирают наружу, образуя горные хребты. Контракционная теория имела множество уязвимых мест. Подсчеты показывали, что для предполагаемых ею изменений объема планеты необходимо изменение температуры на несколько тысяч градусов, что уже само по себе маловероятно. А поскольку различные горные системы образовывались в разное время, то получается, что происходило несколько последовательных падений температуры – на несколько тысяч градусов каждое; исходная же температура получалась просто невообразимой. А между тем на Земле в это время существовала жизнь – соответствующие осадочные породы содержат ископаемых. Как такое может быть? Но ничего лучшего в распоряжении геологов не было до 1912 года, когда А. Вегенер предложил свою теорию дрейфа континентов (т. е. их горизонтальных перемещений), объяснявшую с единых позиций целый ряд явлений, в том числе процесс орогенеза. Отправным пунктом в построениях Вегенера было удивительное сходство береговых линий континентов по разные стороны Атлантического океана (рис. 5, а), на которое обращали внимание многие естествоиспытатели еще с XVII века (Ф. Бэкон). Вегенер не довольствовался совмещением контуров всех приатлантических и – в несколько меньшей степени – прииндоокеанских континентов (подобно кусочкам мозаики, формирующим единое панно). Он показал практически полную идентичность позднепалеозойских и раннемезозойских геологических разрезов Африки и Южной Америки, находящихся ныне по разные стороны Южной Атлантики, и очень высокое единство позднепалеозойской флоры и фауны всех разделенных теперь океанами материков Южного полушария и Индии. Это привело его к выводу о том, что в конце палеозоя все материки были собраны в единый протоконтинент – Пангею, состоящий из двух блоков: северного, Лавразии (Северная Америка и Евразия без Индостана), и южного, Гондваны (Южная Америка, Африка, Индостан, Австралия и Антарктида), разделенных морем Тетис. Пангея была окружена единственным же – огромным – океаном; таких океанов, как Атлантический и Индийский, в то время еще не существовало. Доказательством того, что в прошлом материки располагались на земном шаре иначе, Вегенер вполне справедливо считал данные о климате разных частей Гондваны. С одной стороны, в Трансантарктических горах, у самого Южного полюса, экспедицией Р. Скотта были найдены позднепалеозойские ископаемые деревья, принадлежащие к глоссоптериевой флоре (см. главу 9) – той же самой, что и на прочих Гондванских материках. С другой стороны, в это же время в Индии, Бразилии, Экваториальной Африке и Австралии образовывались ледниковые отложения – тиллиты, основу которых составляет галька со специфической окатанностью и штриховкой (рис. 5, б). Эти факты можно согласовать, только если допустить, что некогда Южная Америка, Африка, Австралия и Индия располагались гораздо ближе к Южному полюсу, а Антарктида, напротив, существенно дальше от него, чем в наши дни. Попытки решить проблему, перемещая по глобусу сам Южный полюс при неизменном, нынешнем, положении материков ничего не дают. (При желании можете сами поскладывать эту мозаику.) Рис. 5. Истоки возникновения теории дрейфа континентов: а – совмещение береговых линий приатлантических материков; б – следы пермо-карбонового оледенения на современных континентах (по Монину, 1980, и Вегенеру, 1925) Надо заметить, что былое территориальное единство континентов Южного полушария допускалось многими геологами, однако все они, в том числе Э. Зюсс, предложивший термин «Гондвана» (от названия древнеиндийского племени гондов), считали нынешнее положение материков неизменным и предполагали, что между ними существовали некие сухопутные соединения, впоследствии погрузившиеся в океан. Вегенер же, вместо того чтобы «строить» такие «сухопутные мосты», предположил, что материки перемещаются по поверхности планеты: Южная Америка отодвигается от Африки, Индостан приблизился к Евразии и столкнулся с ней… Ко времени исследований Вегенера уже стало ясно, что существование погрузившихся в океан «сухопутных мостов» невозможно, т. к. континентальная кора принципиально отлична по своему строению от коры на дне океанов. В геофизике уже тогда был разработан и широко применялся метод измерения гравитационных аномалий (ГА). Всем известная величина ускорения свободного падения g = 9,8 м/с , характеризующая силу земного притяжения, в действительности есть величина усредненная. Вблизи больших масс сила притяжения (в соответствии с законом всемирного тяготения) будет больше. Поэтому на тех участках Земли, где плотность слагающих ее горных пород выше средней, величина g будет несколько больше 9,8 м/с , а там, где эта плотность ниже средней (дефицит массы), – наоборот. Эти отклонения и называют, соответственно, положительными и отрицательными гравитационными аномалиями. Начав измерения еще в 50-х годах XIX века, ученые не без удивления обнаружили, что вблизи больших гор отсутствуют положительные ГА: эффект притяжения самих горных массивов полностью компенсируется дефицитом массы под ними; вообще под районами с высоким рельефом повсеместно залегают скопления вещества относительно малой плотности. И наоборот, в океанах, где следовало бы ожидать крупных отрицательных ГА (ведь плотность воды, заполняющей впадины океанов, в 2,5–3 раза ниже плотности горных пород, залегающих на таком же уровне на материках), ничего подобного не наблюдается; следовательно, океанское дно должно в основном состоять из пород существенно более плотных, чем те, что слагают материки. Из всего этого был сделан совершенно правильный вывод о том, что породы коры легче пород мантии и «плавают» в ней подобно айсбергам (или как металлические пластины в ванне со ртутью). Плавающий айсберг, в соответствии с законом Архимеда, должен быть глубоко (на 5/6 своего объема) погружен в воду; чем выше его надводная часть, тем больше должна быть подводная (рис. 6). На дне океанов слой коры очень тонок, тогда как материки сформированы во много раз более толстой и более легкой корой (в 50-е годы ХХ века это было подтверждено прямыми измерениями – средняя толщина континентальной и океанической коры составляет 36 и 7,5 км, соответственно); максимальной же толщины кора достигает под горными системами («У гор глубокие корни»). Это явление было названо изостатическим равновесием, или просто изостазией – взаимное уравновешивание по закону Архимеда, когда вес погруженного тела (коры) равен весу вытесненной им жидкости (мантийного вещества). Необходимо помнить, что «жидкость», в которую погружена кора, обладает столь большой вязкостью, что при относительно быстрых (сотни – первые тысячи лет) нагрузках ведет себя как твердое тело. а) б) Рис. 6. Изостазия: а – соотношение в различиях между величиной надводных и подводных частей двух айсбергов (a: b); б – структура континентальной и океанической коры (по Уеда, 1980) Итак, Вегенер фактически объединил концепцию изостазии (этот термин был введен Даттоном в 1892 году, но сама концепция гораздо старше) с данными по геологии и палеоклиматологии южных материков и создал в итоге свою теорию дрейфа континентов. Согласно ей изостатические «айсберги»-материки медленно дрейфуют в чрезвычайно вязком мантийном веществе. Праматерик Гондвана, первоначально располагавшийся в высоких широтах Южного полушария, раскололся на фрагменты, часть из которых затем переместилась еще дальше к Южному полюсу (Антарктида), а остальные, напротив, приблизились к экватору (Южная Америка, Африка, Австралия) или даже пересекли его и оказались в Северном полушарии (Индия). Когда материки сталкиваются между собой, кора сминается в складки, образуя горы; если продолжать аналогию с плавучими льдами, то орогенез соответствует процессу образования торосов. Теория дрейфа континентов быстро завоевала популярность, которая, однако, оказалась недолгой. Ни Вегенеру, ни его сторонникам не удалось найти сил, заставляющих материк продвигаться вперед, преодолевая колоссальное сопротивление мантийного вещества. Попытки объяснить это движение кориолисовыми силами (инерционные силы, возникающие на поверхности вращающегося тела, вектор которых направлен против направления вращения) и тяготением Луны были тут же отвергнуты геофизиками как несерьезные. Несколько десятилетий к концепции горизонтальных перемещений континентов относились как к изящной фантазии, но в начале 60-х годов она получила подтверждение с совершенно неожиданной стороны – из области палеомагнитных исследований. Если нагреть постоянный магнит выше определенной температуры, называемой точкой Кюри, то он теряет свои магнитные свойства, но затем, при охлаждении, вновь восстанавливает их. При прохождении точки Кюри застывающая изверженная горная порода, которая содержит ферромагнитные минералы (соединения железа и никеля), намагничиваются и ориентируются в соответствии с существующим в это время магнитным полем; это явление называется остаточной намагниченностью. Иными словами, содержащая соединения железа (или иных ферромагнетиков) горная порода в известном смысле представляет собой стрелку компаса, указывающую направление на магнитный полюс Земли в момент застывания породы. Если же у нас есть более одной такой «стрелки», то пересечение указываемых ими направлений даст нам и точное положение полюса в соответствующую эпоху, и, с другой стороны, географическую широту района образования каждой из наших «стрелок»-пород (направление линий намагниченности породы относительно земной поверхности меняется от 90° на полюсе до 0° на экваторе). А поскольку для изверженной породы можно радиоизотопным методом определить абсолютный возраст (см. главу 1), то возникает возможность нарисовать довольно точную картину расположения континента относительно полюса в различные моменты истории. В результате этих исследований выяснились две вещи. Во-первых, теперь было прямо доказано, что все «Гондванские» материки действительно находились некогда в гораздо более высоких широтах Южного полушария, чем ныне. Во-вторых, общая картина положения полюсов в геологическом прошлом получалась какая-то странная. Данные по каждому отдельному материку «рисуют» вполне согласованную траекторию перемещений полюсов (например, Северный полюс относительно Евразии начиная с карбона двигался из центральной части Тихого океана до своего нынешнего положения по S-образной кривой, проходящей через Берингов пролив), однако траектории, даваемые разными материками, не совпадают между собой – за исключением того, что все они заканчиваются близ современного полюса (рис. 7, а и б). Эта картина казалась совершенно необъяснимой до тех пор, пока С. Ранкорн не догадался (в 1962 году) «сдвинуть» материки в соответствии с полузабытыми уже реконструкциями Вегенера. При таком их положении соответствующие палеомагнитные траектории совместились между собой практически идеально (рис. 7, в). Тем временем накапливались и новые данные о строении дна океанов. Была детально закартирована глобальная (т. е. охватывающая весь земной шар) система срединно-океанических хребтов и располагающихся в периферических частях океанов глубоководных желобов, с которыми связаны районы активного вулканизма и землетрясений. По гребню срединно-океанического хребта проходит рифт – глубокая продольная трещина, над которой фиксируется постоянный мощный тепловой ток. С глубоководными желобами же связаны сильные отрицательные гравитационные аномалии, означающие, что дефицит массы внутри желобов (которые наполнены водой – веществом менее плотным, чем окружающие их горные породы) не компенсируется избытком массы на их дне. Поскольку желоба не имеют «тяжелого» дна, то оно, в соответствии с изостазией, должно было бы «всплывать», ликвидируя тем самым желоб как таковой; а раз этого в действительности не происходит, то должна существовать некая иная (негравитационная) сила, удерживающая желоб в прогнутом состоянии. Рис. 7. Траектории движения полюса относительно континентов при их современном расположении: а – Северного относительно Европы и Северной Америки; б – Южного относительно Африки и Южной Америки; в – те же траектории. но при совмещении приатлантических частей континентов в соответствии с реконструкциями Вегенера (по Монину, 1980) В 1962 Г. Хесс суммировал эти данные, сформулировав свою гипотезу разрастания (спрединга) океанического дна. Он предположил, что в мантии происходит конвекция, т. е. тепловое перемешивание вещества (подробнее об этом чуть дальше). Горячее, частично расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по рифтовым трещинам; оно постоянно раздвигает края рифта и одновременно, застывая, наращивает их изнутри. При этом возникают многочисленные мелкофокусные землетрясения (с эпицентром на глубине несколько десятков километров). Хесс писал: «Этот процесс несколько отличается от дрейфа материков. Континенты не прокладывают себе путь сквозь океаническое дно под воздействием какой-то неведомой силы, а пассивно плывут в мантийном материале, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны». Срединно-океанический хребет, таким образом, является просто-напросто местом, где на поверхность планеты выходит восходящий конвекционный ток, как в кастрюле, в которой варится кисель или жидкая каша; материк же (в рамках такой аналогии) является пенкой на этом киселе. Если на срединно-океанических хребтах постоянно образуется новая океаническая кора, то должно быть и место, где происходит обратный процесс, – ведь суммарная-то поверхность планеты не увеличивается. Где кора уходит обратно в некогда породившую ее мантию? В глубоководных желобах. Именно продольное давление постоянно расширяющейся океанической коры и является той силой, которая удерживает желоба в прогнутом состоянии и не дает их дну «всплывать». А энергия напряжений, возникающих, когда твердая кора вдвигается в лишь частично расплавленную мантию, выделяется в виде глубокофокусных землетрясений (с эпицентром на глубине до 600–650 км) и извержений вулканов (рис. 8). В воображении океаническое дно представляется гигантской конвейерной лентой, выходящей на поверхность в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и затем скрывающейся в глубоководных желобах. Предположение, что возраст океанической коры должен увеличиваться по мере удаления от рифта и достигать максимума на окраинах океанов, было блестяще подтверждено открытием на дне океанов так называемых полосовых магнитных аномалий. Еще в 1906 году Б. Брюн, изучая остаточную намагниченность некоторых лав, установил, что она противоположна по направлению современному геомагнитному полю. Впоследствии было установлено, что такая обратная намагниченность – явление достаточно распространенное; при этом она явно создается не какими-то особыми свойствами самих этих изверженных пород, а обратной полярностью магнитного поля Земли в момент их остывания. Оказалось, что обращения (инверсии) геомагнитного поля, когда Северный и Южный полюса постоянного магнита (коим является Земля) меняются местами, происходят регулярно. В начале 60-х годов в результате определения абсолютного возраста соответствующих лав калий-аргоновым методом была разработана шкала инверсий геомагнитного поля, состоящая из чередующихся эпох нормальной (т. е. такой же, как в наши дни) и обратной полярности. Эта шкала стала основой для принципиально нового раздела стратиграфии – магнитостратиграфии. Понятно, что образующиеся в рифтовых зонах породы океанической коры при своем остывании в соответствующие эпохи полярности тоже должны были приобретать, соответственно, нормальную или обратную намагниченность. Как выяснилось, эту намагниченность можно измерять прямо с океанской поверхности, не прибегая к анализу самого донного вещества. В 1963-64 годах независимо друг от друга Л. Морли, Ф. Вейн и Д. Мэтьюз пришли к выводу о том, что при спрединге океанического дна на нем должны образовываться полосы положительных и отрицательных магнитных аномалий, параллельные срединно-океаническим хребтам и симметричные относительно них; при этом ширина таких полос должна быть пропорциональна длительности соответствующих эпох полярности. Это предположение полностью подтвердилось (рис. 9, а). Тогда же родилась еще одна аналогия: океаническое дно – это магнитофонная лента, на которой записана история магнитного поля Земли. Некоторое время спустя в результате глубоководных бурений были получены образцы как изверженных пород океанической коры (пригодные для определения их абсолютного возраста), так и лежащих непосредственно на них осадочных слоев с ископаемыми. Картина приобрела завершенность. Возраст океанической коры, например, в Атлантическом океане действительно постепенно «удревняется» – от почти современного у рифта до раннеюрского (170 млн лет) у побережья северной Америки. При этом ни в одном океане не удалось обнаружить коры более древней, чем юрская. Это полностью соответствует предположению, что вся океаническая кора со временем возвращается в мантию путем ее поглощения в глубоководных желобах (рис. 9, б). Спрединг океанического дна – это один из «китов», на которых стоит господствующая ныне в геологии концепция тектоники литосферных плит. Из многих ее аспектов нас будет интересовать лишь рисуемая ею картина перемещения и взаиморасположения континентов в различные периоды прошлого, ибо именно эти перемещения в значительной степени определяют характер климата соответствующей эпохи. Глядя на реконструкции (рис. 10), мы видим, что материки могут «слипаться» в обширные континентальные массы (Гондвана, Пангея), которые затем раскалываются на отдельные фрагменты и вновь сталкиваются между собой (Азия и Индостан). Возникает естественный вопрос: является ли это движение бессистемным, «броуновским», или оно определяется некими закономерностями? И здесь нам придется вернуться к упомянутому выше процессу мантийной конвекции. Рис. 8. Модель конвекции в мантии как механизма континентального дрейфа – а; схематический разрез Земли на основе гипотезы разрастания (спрединга) океанического дна – б; район глубоководного желоба – в: литосферная плита погружается в астеносферу (А), упирается в ее днище (Б и В) и разламывается – отламывается часть (Г). В зоне «трения» плит – мелкофокусные землетрясения (черные кружки), в зоне «упора» и «разлома» плиты – глубокофокусные землетрясения (белые кружки) (по Уеда, 1980) Рис. 9. Свидетельства спрединга океанического дна: а – аномалии величины напряженности магнитного поля в районе Срединно-Атлантического хребта; б – карта значений возраста дна Северной Атлантики (цифры – миллионы лет) (по Монину, 1980) Рис. 10. Положение материков: а —180 млн лет назад; б —135 млн лет назад; в – 65 млн лет назад; г – современное (по Монину, 1980) Что такое конвекция вообще? Вот мы поставили на плиту чайник. Через некоторое время придонный слой воды нагревается от конфорки. Поскольку любое вещество при нагревании расширяется, эта придонная вода начинает занимать (при том же весе) несколько больший объем, а потому «всплывает» на поверхность – в соответствии с законом Архимеда. Холодные и, соответственно, «тяжелые» поверхностные слои «тонут», занимая место всплывших у источника тепла. Так образуется круговорот, называемый конвекционным током, который будет работать до тех пор, пока вся вода в сосуде не прогреется до одинаковой температуры. Этот тип конвекционного процесса (который мы только что описали) называют тепловой конвекцией. Г.Хесс предполагал, что она-то и происходит в мантии. Однако в последнее время геофизики отводят главную роль не тепловой, а фазовой конвекции. Дело в том, что существуют и другие (помимо нагрева) способы создать в среде архимедовы силы плавучести, которые породят конвекционный ток. Вспомним описанный в главе 2 процесс гравитационной дифференциации недр. Внутренние слои мантии, потерявшие при контакте с поверхностью ядра часть «ядерного» (богатого железом) вещества, обладают пониженной плотностью и положительной плавучестью; внешние слои мантии, напротив, уплотнились в результате выплавки из них «легкого», силикатного, вещества земной коры и обладают отрицательной плавучестью. Под действием этих архимедовых сил плавучести в мантии и развиваются крайне медленные (порядка нескольких сантиметров в год) конвекционные токи. Объем вещества, охваченный конвекционным током, называют конвективной ячейкой. Весь объем греющегося чайника представляет собой единую ячейку. Если же мы станем нагревать широкий таз двумя удаленными друг от друга горелками, то у нас возникнут две относительно независимые системы циркуляции воды, взаимодействующие между собой. Ячейки бывают двух типов – открытые и закрытые. По краям открытых ячеек происходит подъем, а в центре – опускание вещества, т. е. в поверхностном слое вещество движется от краев к центру, а в придонном – от центра к краям; в закрытых ячейках, соответственно, все наоборот (рис. 11). Литосферные плиты с «впаянными» в них континентами оказываются вовлеченными в движение вещества мантии в поверхностном слое конвективных ячеек, перемещаются вместе с ним (мантийным веществом) от областей его подъема к областям опускания (сравните: в кастрюле с кипящим молоком – ячейке закрытого типа – пенка собирается у стенок). В толстостенной сферической оболочке (каковой является мантия планеты) лишь две схемы организации конвекционного процесса могут быть относительно устойчивы. Одной, более простой, будет единственная ячейка, охватывающая собою всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и одним же полюсом его опускания. В этом случае континенты собираются воедино вокруг полюса опускания, освобождая вокруг полюса подъема «пустое» океанское – полушарие; такая ситуация существовала, например, во времена Пангеи. Рис. 11. Возникновение конвективной ячейки в нагреваемой жидкости – стрелками указано направление токов (слева вид сбоку, справа вид сверху): а – ячейка закрытого типа; б – ячейка открытого типа; в – двухъячеистая конвекция (две ячейки открытого типа) Другая, более сложная, схема действует в наши дни. Это пара открытых ячеек типа «лоскутов теннисного мяча» – очень точное и наглядное определение. Теннисный мяч состоит из двух половинок, соединенных между собой так, что соединяющий их шов волнообразно изогнут относительно экватора двумя гребнями и двумя ложбинами; лоскуты теннисного мяча (в отличие от детского резинового) вытянуты, и их продольные оси взаимно перпендикулярны (рис. 12). Зону подъема вещества (являющуюся одновременно и границей между этими ячейками открытого типа – тот самый волнообразно изогнутый «шов») и составляет глобальная система срединно-океанических хребтов. Зонами же опускания при такой схеме являются продольные оси ячеек (более или менее перпендикулярные друг другу), вдоль которых должны выстраиваться две цепочки материков Примерно такая картина и наблюдается на Земле в настоящее время одну группу материков образуют Африка, Евразия и Австралия, другую Северная и Южная Америка и Антарктида. (Заметим, что в принципе возможна и такая двухъячеистая конвекция, когда граница между ячейками полностью совпадает с экватором планеты, однако это будет просто частный случай крайне малого искривления «шва».) Рис. 12. Схема организации конвекционного процесса: а – теннисный мяч, состоящий из двух лоскутов; б – схема поверхности планеты, имеющей две конвективные ячейки: «шов» – линия подъема мантийного вещества (срединно-океанические хребты), материки выстраиваются вдоль линии опускания мантийного вещества (оси каждого из лоскутов); в – поверхность современной Земли (заштрихован американо-антарктический «лоскут») (по Монину, 1980) При одноячеистой конвекции положение полюсов подъема и опускания вещества всегда будет несколько отличаться от идеального (точно по диаметру планеты); там, где соединяющие их «меридианы» будут самыми длинными, образуется застойная область, в которой вещество не теряет железа и потому постепенно оказывается тяжелее окружающей его среды. Через некоторое время оно «проваливается» вглубь мантии, создавая второй полюс опускания и превращая конвекцию в двухъячеистую. Двухъячеистая конвекция постепенно ослабляется и затем переходит в одноячеистую (одна из ячеек как бы «съедает» другую), и конвекционный цикл начинается заново. Таким образом, взаиморасположение континентов определяется фазой конвекционного цикла в мантии – и наоборот: фаза конвекционного цикла, имевшая место в некую геологическую эпоху, может быть определена исходя из взаиморасположения континентов, реконструированного палеомагнитными, палеоклиматологическими и другими методами. Понятно, что все эти изменения весьма существенно влияют на климат соответствующей эпохи, а через него – на функционирование ее биосферы. Глава 4 Происхождение жизни: абиогенез и панспермия. Гиперцикл. Геохимический подход к проблеме Рассмотрев вопросы, связанные с эволюцией самой Земли, мы приступаем теперь к изучению эволюции жизни на ней. Сразу оговорюсь: я не собираюсь ни углубляться в дебри определений того, что такое «жизнь», ни обсуждать чисто химические аспекты этого явления – это увело бы нас слишком далеко от темы спецкурса[8 - Желающие могут ознакомиться в дополнении к главе 4 с весьма популярным в наши дни термодинамическим подходом к проблеме жизни.]. Наш подход к проблеме жизни на Земле будет сугубо функциональным, и в его рамках нам следует принять одно аксиоматичное утверждение: эволюция биосферы и составляющих ее экосистем идет в целом в сторону возникновения все более совершенных (т. е. устойчивых и экономных) круговоротов вещества и энергии. Совершенствование циклов направлено на то, чтобы минимизировать безвозвратные потери биологических систем: экосистема стремится препятствовать вымыванию микроэлементов и захоронению неокисленного углерода, переводить воду из поверхностного стока в подземный и т. д. Поэтому с общепланетарной точки зрения жизнь следует рассматривать как способ стабилизации существующих на планете геохимических циклов. Вопрос о происхождении жизни на Земле еще со времен Э. Геккеля (1866) сводят к решению чисто химической задачи: как синтезировать сложные органические макромолекулы (прежде всего белки и нуклеиновые кислоты) из простых (метана, аммиака, сероводорода и пр.), которые составляли первичную атмосферу Земли. Ответ пока не найден. В 20-е годы прошлого века А.И.Опарин и Дж. Холдейн экспериментально показали, что в растворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной их концентрации – коацерватные капли, которые в определенном смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела. Затем, в 1953 году, С. Миллер воспроизвел в колбе газовый состав первичной атмосферы Земли (исходя из состава современных вулканических газов) и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений, в том числе аминокислоты. Через некоторое время С. Фоксу удалось осуществить безматричный синтез полипептидов (соединить аминокислоты в короткие нерегулярные цепи); подобные полипептидные цепи были потом найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. Этим, собственно говоря, и исчерпываются реальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза, если не считать того, что было ясно осознано, по крайней мере, одно фундаментальное ограничение на возможность синтеза «живых» (т. е. биологически активных) макромолекул из более простых органических «кирпичиков». Многие органические соединения представляют собой смесь двух оптических изомеров – веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся оптической активностью. Они по-разному отклоняют луч поляризованного света, проходящий через их кристаллы или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называются право- или левовращающими (таким свойством обладают лишь чистые изомеры, смеси же их оптически неактивны). Это явление связывают с наличием в молекуле таких веществ асимметричного атома углерода, к четырем валентностям которого могут в разном порядке присоединяться четыре соответствующих радикала (рис. 13). Так вот, эти химически идентичные вещества, как выяснил еще в 1848 году Л. Пастер, вовсе не являются таковыми для живых существ: плесневый гриб пенициллиум (Penicillium), развиваясь в среде из виноградной кислоты, «поедает» лишь ее правовращающий изомер, а в среде из молочной кислоты – левовращающий (на этом, кстати, основан один из методов разделения оптических изомеров); человек легко определяет на вкус изомеры молочной кислоты. Рис. 13. «Левая» и «правая» молекулы аланина Сейчас известно, что все белки на нашей планете построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров; это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной из фундаментальнейших характеристик живого. А поскольку при любом абиогенном синтезе (например, в аппарате Миллера) образующиеся аминокислоты будут состоять из приблизительно равных (по теории вероятностей) долей право— и левовращающих изомеров, то в дальнейшем – при синтезе из этого «сырья» белков – перед нами встанет задача: как химическими методами разделить смесь веществ, которые по определению химически идентичны? (Не зря оптической активностью обладают лишь природные сахара – и ни один из синтетических, а упомянутые выше полипептиды из метеоритного вещества состоят из равных долей право— и левовращающих аминокислот.) Между тем даже успешный синтез «живых» макромолекул (до которого еще, как говорится, «семь верст – и все лесом») сам по себе проблемы не решает. Для того чтобы макромолекулы заработали, они должны быть организованы в клетку. Причем никаких возможностей для «промежуточной посадки» в ходе этого немыслимой сложности «перелета» вроде бы не просматривается: все так называемые доклеточные формы жизни (вирусы) являются облигатными (т. е. обязательными) внутриклеточными паразитами, а потому вряд ли могут являться предшественниками клеток. Пропасть, отделяющая полный набор аминокислот и нуклеотидов от простейшей по устройству бактериальной клетки, в свете современных знаний стала казаться еще более непреодолимой, чем это представлялось в XIX веке. Известна такая аналогия: вероятность случайного возникновения осмысленной аминокислотно-нуклеотидной последовательности соответствует вероятности того, что типографский шрифт, сброшенный с крыши небоскреба, сложится в 105-ю страницу романа «Война и мир». Абиогенез (в его классическом виде) как раз и предполагал такое «сбрасывание шрифта» – 1 раз, 10 раз, 10100 раз (пока шрифт не сложится в требуемую страницу). Сейчас всем понятно, что это просто несерьезно: потребное для этого время (его вполне можно рассчитать) на много порядков превосходит время существования всей нашей Вселенной (не более 20 млрд лет). В результате мы оказываемся перед неизбежной необходимостью признать прямое вмешательство в этот случайный процесс Бога (тут можно придумать какие-нибудь эвфемизмы, но суть от этого не изменится); а раз так, то данная проблема, как легко догадаться, вообще не относится к сфере науки. Получается, что, по крайней мере, при чисто химическом подходе проблема зарождения жизни принципиально неразрешима. В качестве альтернативы абиогенезу выступала концепция панспермии, связанная с именами таких выдающихся ученых, как Г. Гельмгольц, У. Томсон (лорд Кельвин), С. Аррениус, В. И. Вернадский. Эти исследователи полагали, что жизнь столь же вечна и повсеместна, как материя, и зародыши ее постоянно путешествуют по космосу. Аррениус, в частности, доказал путем расчетов принципиальную возможность переноса бактериальных спор с планеты на планету под действием давления света. Предполагалось также, что вещество Земли в момент ее образования из газопылевого облака уже было «инфицировано» входившими в состав последнего «зародышами жизни». Концепцию панспермии обычно упрекают в том, что она не дает принципиального ответа на вопрос о путях происхождения жизни и лишь отодвигает решение этой проблемы на неопределенный срок. При этом молчаливо подразумевается, что жизнь должна была произойти в некой конкретной точке (или в нескольких точках) Вселенной и далее расселяться по космическому пространству – подобно тому, как вновь возникшие виды животных и растений расселяются по Земле из района своего происхождения. В такой интерпретации гипотеза панспермии действительно выглядит просто уходом от решения поставленной задачи. Однако суть этой концепции заключается вовсе не в романтических межпланетных странствиях «зародышей жизни», а в том, что жизнь как таковая просто является одним из фундаментальных свойств материи и вопрос о «происхождении жизни» стоит в том же ряду, что и, например, вопрос о «происхождении гравитации». Легко видеть, что из двух исходных положений концепции панспермии – вечность жизни и повсеместность ее распространения – фальсифицируемым (т. е. проверяемым – см. дополнение к главе 1) является лишь второе. Однако все попытки обнаружить живые существа (или их ископаемые остатки) вне Земли, прежде всего в составе метеоритного вещества, так и не дали положительного результата. Неоднократно появлявшиеся сообщения о находках следов жизни на метеоритах основаны или на ошибочной интерпретации некоторых бактериоподобных неорганических включений, или на загрязнении «небесных камней» земными микроорганизмами. Метеоритное вещество оказалось достаточно богатым органикой, однако вся она, как уже было сказано, не обладает хиральной чистотой; это последнее обстоятельство – весьма сильный довод против принципиальной возможности существования «межзвездной жизни». Положение, касающееся повсеместности распространения жизни во Вселенной, не нашло подтверждения. Это заставляет сделать грустный вывод, что панспермия, как и абиогенез, не дает удовлетворительного ответа на вопрос о возникновении жизни на Земле.[9 - В последние годы российскими и американскими учеными был сделан ряд новых находок ископаемых микроорганизмов в метеоритах – по более строгой, чем прежде, методике (см., например, статью А. Ю. Розанова с соавторами в журнале «Природа», № 6 за 1997 год). Оппоненты, правда, утверждают, что ситуация изменилась непринципиально и вероятность земных загрязнений материала по-прежнему чрезвычайно высока (ледники Антарктиды, откуда извлекли эти метеориты, конечно, самое «чистое» место нашей планеты, но все-таки не стерильное). Им кажется подозрительным и чрезвычайное сходство этих микроорганизмов – «космических» и «марсианских» – с земными. С другой стороны, появились неподтвержденные пока сообщения о находке на Марсе углерода со смещенным изотопным соотношением (см. главу 6), что может свидетельствовать о его участии в биологических реакциях. Если эти результаты подтвердятся, то отношение к концепции панспермии, несомненно, придется серьезно пересмотреть.] Реальный прорыв в этой области обозначился лишь в последние 25–30 лет, и связан он был с приложением к проблеме возникновения жизни теории самоорганизующихся систем. Самоорганизующейся называют такую систему, которая обладает способностью корректировать свое поведение на основе предшествующего опыта (сам термин был введен в 1947 году одним из создателей кибернетики физиологом У. Эшби). При этом было оговорено, что рассмотрение процессов развития (в том числе биологических систем из добиологических) принципиально невозможно в рамках классической термодинамики. Создатель альтернативной, неравновесной, термодинамики И. Р. Пригожин произвел научную революцию тех же примерно масштабов, что в свое время Ньютон или Эйнштейн, и революция эта еще отнюдь не завершена (подробнее обо всем этом см. в дополнении к главе 4). Между тем все красивые модели последнего времени (разрушение зеркальной симметрии с возникновением хиральной чистоты В. И. Гольданского, 1986 год; рассматриваемые далее более подробно гиперциклы М. Эйгена, 1982 год) работают только в рамках пригожинской термодинамики. Именно поэтому все они не имеют отношения к классическому абиогенезу: если Геккель и Опарин сводили биологию к химии, то физикохимик Эйген, как мы увидим, в известном смысле сводит химию к биологии. Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества на основе матричной репродукции и естественного отбора. Он исходил из того, что дарвиновский принцип естественного отбора (ЕО) – единственный понятный нам способ создания новой информации (это физическая величина, отражающая меру упорядоченности системы). Если имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как ее следствие, ЕО. Эволюционное поведение, управляемое ЕО, основано на самовоспроизведении с «информационным шумом» (в случае эволюции биологических видов роль «шума» выполняют мутации). Наличия этих двух физических свойств достаточно, чтобы стало принципиально возможным возникновение системы с прогрессирующей степенью сложности. В этом плане предшественником Эйгена является биохимик Г. Кастлер (1966), проанализировавший поведение системы нуклеиновых кислот в рамках теории информации. Он пришел к выводу, что новая информация возникает в системе, только если в ней происходит случайный выбор («методом тыка») с последующим запоминанием его результатов, а не целенаправленный отбор наилучшего варианта. В последнем случае можно говорить лишь о реализации той информации, что заложена в систему изначально, т. е. о выделении уже имеющейся информации из «шума». Сама же возможность возникновения «новизны» (т. е. акта творчества) определяется свойствами информации как таковой: как было показано А. А. Ляпуновым (1965), на нее не распространяются законы сохранения, т. е. информация, в отличие от материи и энергии, может быть заново создана (и, соответственно, может быть и безвозвратно утрачена). Говоря об усложнении системы, необходимо упомянуть выводы еще одного основоположника кибернетики, Дж. фон Неймана (1960), решавшего проблему самовоспроизведения автоматов. Оказалось, способность к самовоспроизведению принципиально зависит от сложности организации. На низшем уровне сложность является вырождающейся, т. е. каждый автомат способен воспроизводить лишь менее сложные автоматы. Однако существует вполне определенный критический уровень сложности, начиная с которого эта склонность к вырождению перестает быть всеобщей: «Сложность, точно так же, как и структура организмов, ниже некоего минимального уровня является вырождающейся, а выше этого уровня становится самоподдерживающейся или даже может расти». Итак, Эйгену «всего-навсего» осталось найти реальный класс химических реакций, компоненты которых вели бы себя подобно дарвиновским видам, т. е. обладали бы способностью «отбираться» и, соответственно, эволюционировать в сторону увеличения сложности организации. Именно такими свойствами, как выяснилось, и обладают нелинейные автокаталитические цепи, названные Эйгеном гиперциклами. Здесь необходимо дать некоторые пояснения. Простейшим случаем каталитической реакции является превращение исходного вещества (субстрат – S) в конечное (продукт – P) при участии единственного фермента (E); уже этот механизм требует по меньшей мере трехчленного цикла, который называется реакционным (рис. 14,а). Существуют, однако, и гораздо более сложные реакционные циклы. Таков, например, цикл Кребса – 12-членный цикл, лежащий в основе клеточного дыхания: он катализирует превращение молекулы двухатомной уксусной кислоты (в форме ацетил-кофермента a—CH CO K a) в 2 молекулы CO и 8 атомов H (рис. 14,б). Другой пример – углеродный цикл Бете – Вайцзеккера, обеспечивающий светимость Солнца за счет превращения 4 атомов водорода H в атом гелия He (рис. 14,в). Несмотря на серьезнейшие различия между этими реакциями (первая является химической, а вторая – ядерной), они обладают фундаментальным сходством: в обеих высокоэнергетическое вещество превращается в продукты, бедные энергией, при сохранении (т. е. циклическом воспроизведении) промежуточных компонентов (интермедиатов). Следующий за реакционным циклом уровень организации представляет собой каталитический цикл, в котором некоторые (или все) интермедиаты сами являются катализаторами для одной из последующих реакций. Каждый из них (E ) образуется из высокоэнергетического субстрата (S) при каталитической поддержке от предыдущего интермедиата (E ) (рис. 14,г). Таким образом, каталитический цикл как целое эквивалентен автокатализатору. Если же такие автокаталитические (т. е. самовоспроизводящиеся) единицы оказываются, в свою очередь, сочленены между собой посредством циклической связи, то возникает каталитический гиперцикл. Следовательно, гиперцикл основан на нелинейном автокатализе (автокатализе как минимум второго порядка) и представляет собой следующий, более высокий уровень в иерархии автокаталитических систем. Он состоит из самоинструктирующихся единиц (I ) с двойными каталитическими функциями: в качестве автокатализатора интермедиат I способен инструктировать свое собственное воспроизведение; и при этом он катализирует воспроизведение из высокоэнергетического субстрата (S) следующего в цепи интермедиата (I ) (рис. 14,д). Рис. 14. Реакционные циклы: а – абстрактный трехчленный цикл; б – цикл Бете – Вайцзеккера; в – цикл Кребса; г – каталитический цикл; д – гиперцикл (по Эйгену, 1983) Гиперциклы (одним из простейших примеров которых является размножение РНК-содержащего вируса в бактериальной клетке) обладают рядом уникальных свойств, порождающих дарвиновское поведение системы. Гиперцикл конкурирует (и даже более ожесточенно, чем дарвиновские виды) с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом; он не может стабильно сосуществовать и с другими гиперциклами, если только не объединен с ними в автокаталитический цикл следующего, более высокого порядка. Состоя из самостоятельных самовоспроизводящихся единиц (что гарантирует сохранение фиксированного количества информации, передающейся от «предков» к «потомкам»), он обладает и интегрирующими свойствами. Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми ее членами, причем система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава. Итак, именно гиперцикл (который сам по себе есть еще чистая химия) является тем критическим уровнем, начиная с которого сложность неймановского «самовоспроизводящегося автомата» перестает быть вырождающейся. Эта концепция, в частности, вполне удовлетворительно описывает возникновение на основе взаимного катализа системы «нуклеиновая кислота – белок» (решающее событие в процессе возникновения жизни на Земле). Вместе с тем сам Эйген подчеркивает, что в ходе реальной эволюции гиперцикл вполне мог «вымереть» – после того, как ферментные системы следующего поколения (с более высокой точностью репродукции) сумели индивидуализировать интегральную систему в форме клетки. Однако на процесс возникновения жизни можно посмотреть и с несколько иной позиции, не биохимической, а геохимической, как это делает, например, А.С. Раутиан (1995). Мы уже говорили о том, что с общепланетарной точки зрения жизнь – это способ упорядочения и стабилизации геохимических круговоротов. Откуда же берется сам геохимический круговорот? Открытый космос холоден (лишь на 4 °C теплее абсолютного нуля) потому, что концентрация вещества в нем ничтожно мала (3 · 10–31 г/см ) и звездам просто нечего нагревать. По этой же причине, кстати сказать, Вселенная прозрачна, и мы видим небесные светила. В то же время любая планета, будучи непрозрачной, аккумулирует часть энергии, излучаемой центральным светилом и нагревается. Тогда между нагретой планетой и холодным космосом возникает температурный градиент (ТГ). Если планета обладает достаточно подвижной газообразной и/или жидкой оболочкой (атмосферой и/или гидросферой), то ТГ обязательно порождает в ней (просто за счет конвекции) физико-химический круговорот. В этот круговорот с неизбежностью вовлекается и твердая оболочка планеты (в случае Земли – кора выветривания), в результате чего возникает глобальный геохимический цикл – прообраз биосферы. Движущей силой геохимических круговоротов является в конечном счете энергия центрального светила в форме ТГ. Поэтому элементарные геохимические циклы (т. е. прообразы экосистем) существуют в условиях периодического падения поступающей в них энергии – в те моменты, когда они в результате вращения планеты оказываются на ее теневой стороне, где ТГ меньше. Эта ситуация неизбежно должна порождать отбор круговоротов на стабильность, т. е. на их способность поддерживать собственную структуру. Наиболее же стабильными окажутся те круговороты, которые «научатся» запасать энергию во время световой фазы цикла, с тем чтобы расходовать ее во время теневой. Другим параметром отбора круговоротов, очевидно, должно быть увеличение скорости оборота вовлеченного в них вещества; здесь выигрывать будут те из них, что обзаведутся наиболее эффективными катализаторами. В конкретных условиях Земли такого рода преимущества будут иметь те круговороты, которые происходят при участии высокомолекулярных соединений углерода. Итак, жизнь в форме химической активности означенных соединений оказывается стабилизатором и катализатором уже существующих на планете геохимических циклов (включая глобальный); циклы при этом «крутятся» за счет внешнего источника энергии. Вам это ничего не напоминает? Ну конечно, это уже знакомая нам автокаталитическая система, которая, соответственно, обладает потенциальной способностью к саморазвитию и прежде всего к совершенствованию самих катализаторов-интермедиатов. Отсюда становится понятным парадоксальный вывод, к которому независимо друг от друга приходили такие исследователи, как Дж. Бернал (1969) и М. М. Камшилов (1972): жизнь как явление должна предшествовать появлению живых существ. Из такого подхода вполне очевидна принципиальная тщетность попыток синтезировать живое существо «в колбе», как это делали средневековые алхимики или сторонники классического абиогенеза: для такого синтеза как минимум нужна колба размером с планету. Не менее замечательно и то, что происходит при этом с другим компонентом такой автокаталитической системы – самой планетой. Далее мы постоянно будем говорить о способности живых организмов кондиционировать (т. е. перестраивать в благоприятном для себя направлении) свою среду обитания. Рассмотрев это явление на планетарном уровне, Дж. Лавлок (1982) выдвинул свою концепцию Геи, согласно которой всякая обитаемая планета (именно планета как астрономическое тело!) в определенном смысле является живым объектом – Геей, названным так по имени древнегреческой богини, олицетворяющей Землю. Наиболее разработанной (в математическом отношении) из моделей Лавлока является «Маргаритковый Мир» (Daisyworld); методологически она сходна со знакомой вам по курсу экологии моделью Лотки – Вольтерры, описывающей поведение системы из двух взаимодействующих популяций – хищника и жертвы, и тоже является абстракцией, основанной на предельном упрощении. Сначала, как водится, несколько пояснений. Система, находящаяся в состоянии динамического равновесия, испытывает различного рода внешние возмущения. Она может либо усиливать исходное возмущение, либо, напротив, гасить его; в этих случаях говорят о процессах, идущих, соответственно, с положительной или отрицательной обратной связью. Примером первого является наступление ледника: при понижении температуры часть осадков выпадает в виде снега и льда, в результате чего поверхность планеты начинает сильнее отражать солнечные лучи (увеличивается ее альбедо[10 - Альбедо – величина, характеризующая отражательную способность любой поверхности; выражается отношением отраженного потока лучистой энергии ко всему упавшему на поверхность потоку.]). Это вызывает дополнительное понижение температуры, в результате чего покрытая ледником площадь увеличивается, и т. д. Отрицательная же обратная связь работает, например, в упомянутой системе «хищник – жертва»: увеличение численности зайцев ведет к последующему усилению пресса хищников (лисы могут выкормить больше детенышей); в итоге численность обеих популяций колеблется вокруг неких средних значений. Этот тип обратной связи характерен прежде всего для высокоорганизованных систем, биологических и социальных; именно он превращает их в гомеостаты (гомеостазис – способность системы поддерживать свои параметры, например температуру тела, в определенных пределах, минимизируя воздействия отклоняющих факторов). Итак, модель Лавлока. Гипотетическая планета, имеющая те же примерно параметры, что и Земля, вращается вокруг звезды того же спектрального класса, что и наше Солнце. Большую часть поверхности планеты занимает суша, которая повсеместно обводнена и допускает существование жизни. Планета называется Маргаритковый Мир, ибо единственная форма жизни на ней – маргаритки (Bellis) с темными и светлыми цветами (ТМ и СМ). Эти растения способны существовать в температурном диапазоне от 5 до 40 °C, предпочитая температуру 20 °C. Светимость местного Солнца, согласно одной из современных астрофизических гипотез, закономерно возрастает по мере его «старения», поэтому температура планетной поверхности вроде бы должна на протяжении всей ее истории увеличиваться, причем практически линейно. Но вот экваториальная область планеты нагрелась до оговоренных 5 °C, и тут на сцене появляются наши маргаритки – ТМ и СМ в примерно равной пропорции. При этом в тех местах, где доля темных цветов случайно окажется выше средней, локальное альбедо будет несколько уменьшаться, а грунт прогреваться до более высокой температуры, т. е. более близкой к оптимальным для маргариток 20 °C. В итоге ТМ получат селективное преимущество перед СМ и доля последних уменьшится до предела. С этого момента в системе складывается положительная обратная связь: темные цветы несколько понижают суммарное альбедо планеты; прогретая до 5 °C (и пригодная для жизни маргариток) область расширяется от экватора, что вызывает дальнейшее понижение альбедо, и т. д. Но вот наступает время, когда на планете, уже полностью заселенной ТМ, температура на экваторе переваливает за 20 °C в результате усиления светимости Солнца. С этого момента селективные преимущества оказываются на стороне светлых цветов, увеличивающих локальное альбедо и понижающих температуру своих местообитаний. Расселение по планете СМ, вытесняющих ТМ, происходит по точно такой же схеме (от экватора к полюсам) и тоже с положительной обратной связью. Светимость Солнца тем временем продолжает расти; наступает момент, когда возможности СМ по кондиционированию среды обитания оказываются исчерпанными; температура переваливает за 40 °C, и планета опять становится безжизненной. Так вот, расчеты Лавлока показали, что на протяжении почти всего времени между этими двумя критическими моментами температура поверхности планеты будет практически постоянной – около 20 °C (рис. 15), несмотря на непрерывное возрастание светимости Солнца. Рис. 15. «Маргаритковый Мир» Лавлока. Изменения температуры поверхности планеты с изменением светимости Солнца (1,0 – нынешнее состояние) при наличии единственной морфы маргариток (а) и при двух, «светлой» и «темной», способных кондиционировать среду обитания (б) (по Lovelock, 1982) Даже такая суперпримитивная биосфера (состоящая из единственного вида растений, которые всего-то и умеют, что варьировать цвет своих лепестков) способна создавать эффект вполне космического характера – глобально менять температуру поверхности планеты. Однако более существен не факт изменения температуры, а то, что планета превращается в гомеостат и поддерживает свою температуру постоянной вопреки внешним изменениям (светимости Солнца). Замечательно и то, что система как целое работает с отрицательной обратной связью, хотя каждый из ее элементов – с положительной; это является характерной особенностью именно живых систем (вспомним, например, систему «хищник – жертва»). Следует упомянуть еще об одном обстоятельстве. Многие биологические журналы не принимают к публикации статьи по проблеме происхождения жизни (это как с проектами вечного двигателя). А журналы по лингвистике не принимают статьи о «происхождении языка». Наука имеет дело лишь с неединичными, повторяющимися явлениями, вычленяя их общие закономерности и частные особенности. Например, биологическая эволюция является предметом науки лишь постольку, поскольку представлена совокупностью отдельных эволюционных актов, хотя такие явления, как Жизнь и Разум, известны нам как уникальные, возникшие однократно в конкретных условиях Земли. И до тех пор, пока мы не разрушим эту уникальность (например, обнаружив жизнь на других планетах или синтезировав реального гомункулуса), проблема возникновения жизни обречена оставаться предметом философии, богословия, научной фантастики – чего угодно, но только не науки (невозможно строить график по единственной точке). Именно поэтому большинство биологов относится к обсуждению этой проблемы с нескрываемой неприязнью: профессионалу, заботящемуся о своей репутации, всегда претит высказывать суждения в чужой для себя области. Выдающийся генетик Н. В. Тимофеев-Ресовский, к примеру, имел обыкновение на все вопросы о происхождении жизни на Земле отвечать: «Я был тогда очень маленьким и потому ничего не помню. Спросите-ка лучше у академика Опарина». Дополнение к главе 4 Термодинамические подходы к сущности жизни. Второе начало термодинамики, энтропия и диссипативные структуры Нам придется начать издалека. В 1847 году Г. Гельмгольц сформулировал закон сохранения энергии (ЗСЭ). Следует помнить, что ЗСЭ является всего лишь эмпирическим обобщением: вообще говоря, никто не знает, почему энергию нельзя ни сотворить из ничего, ни уничтожить – просто этого не происходит ни в каких (сколь угодно хитроумных) наблюдениях и экспериментах. Однажды ЗСЭ основательно пошатнулся – когда возникла необходимость объяснить, отчего светит Солнце (см. главу 1), однако тут подоспело открытие Эйнштейном эквивалентности массы и энергии, и все опять встало на свои места. Именно поэтому ни одно патентное бюро не станет рассматривать проект устройства для получения бо?льшей энергии, чем оно потребляет; такое устройство получило название вечный двигатель первого рода. Первой машиной для превращения тепла в механическую энергию стал паровой двигатель. Это устройство производит работу путем перемещения энергии в форме тепла из горячего резервуара (с паром) в холодный резервуар (с водой). Поэтому раздел физики, занимающийся взаимными превращениями работы и энергии, назвали термодинамикой, а паровой двигатель очень долго оставался его основной моделью. Первое начало термодинамики можно выразить так: если резервуар с паром содержит некоторое количество энергии, то от паровой машины нельзя получить больше работы, чем допускает запас этой энергии. Мы видим, что оно является одной из формулировок ЗСЭ. Согласно первому началу термодинамики, создать вечный двигатель первого рода нельзя. Ну а всю работу, что содержится в паре, мы можем извлечь? (Имеется в виду: если полностью устранить трение и всякие иные потери.) Увы, оказывается, нет. Даже в идеальном случае нельзя не то что выиграть, а хотя бы «получить свое». В 1824 году С. Карно установил, что доля тепловой энергии, которая может быть (даже в идеале!) превращена в работу, зависит от разности температур горячего и холодного резервуаров. Максимально возможный КПД (идеальная отдача) определяется так: где Т и Т – температура холодного и горячего резервуаров (в градусах абсолютной шкалы Кельвина). Пусть, например, Т = 400 К (= 127 °C), а Т = 300 К (= 27 °C). В этом случае ? = (400–300) / 400 = 0,25. Значит, даже в этом идеализированном случае лишь четверть энергии сможет быть превращена в работу, а остальные три четверти бесполезно пропадут. Если же у нас имеется только один резервуар (он горячий и он же холодный), то идеальная отдача будет равна нулю: энергии-то в этом резервуаре с паром сколько угодно, но никакая часть ее не может быть превращена в работу. Все это полностью относится и к другим видам энергии. Например, работа, которую может совершить камень, падающий с края обрыва, зависит от высоты последнего (т. е. от разности потенциальных энергий камня), однако камень, лежащий посреди плоскогорья на высоте 5 км, никакой работы совершить не может. В этом и состоит одна из формулировок второго начала термодинамики (ВНТ): ни одно устройство не может извлечь работу из системы, которая целиком находится на одном потенциальном уровне. Устройство, предназначенное для извлечения работы из системы, имеющей единственный энергетический уровень (и, соответственно, нарушающее ВНТ), называется вечным двигателем второго рода. Представляете, как было бы здорово – откачать, например, энергию теплового движения молекул кастрюльки с водой (кастрюлька-то пусть при этом замерзнет – закон сохранения энергии мы чтим!) и перевести ее в механическую, электрическую или еще какую-нибудь путную форму. Но ничего из этой затеи не выйдет. Вечный двигатель второго рода невозможен точно так же, как и первого. Как только в системе появляются два энергетических уровня, энергия тут же начинает перетекать от более высокого уровня к низкому: тепло переходит от горячего тела к холодному, камень падает с обрыва, ток начинает течь от анода к катоду и т. д. (поэтому существует и другая формулировка ВНТ: поток энергии всегда направлен от высокого потенциального уровня к низкому). В случае, если наша паровая машина представляет собой замкнутую систему (т. е. никакое вещество и энергия не могут ни проникнуть в нее извне, ни покинуть ее), горячий резервуар будет постепенно остывать, а холодный – нагреваться, т. е. в течение всего времени, пока в системе совершается работа, разность температур резервуаров будет неуклонно падать. Тогда, в соответствии с соотношением Карно, доля содержащейся в системе энергии, которую можно обратить в работу, будет уменьшаться, а доля той «омертвленной» энергии, что недоступна для такого превращения, – необратимо расти. Поэтому ВНТ может быть сформулировано еще и так: в любом самопроизвольном процессе (когда энергии открыт путь для перетекания с более высокого уровня на низкий) количество недоступной энергии со временем увеличивается. В 1865 году Р. Клаузиус, имея дело с этой самой необратимо теряемой (диссипированной) энергией, ввел специальную величину, названную им энтропией (S); она отражает отношение тепловой энергии к температуре и имеет размерность кал/град. В любом процессе, связанном с превращениями энергии, энтропия возрастает или – в идеальном случае (горячий и холодный резервуары разделены абсолютным теплоизолятором, ток течет по сверхпроводнику и т. д.) – не уменьшается. Поэтому ВНТ иногда называют законом неубывания энтропии. А самая краткая объединенная формулировка первого и второго начал термодинамики, предложенная тем же Клаузиусом (1865), звучит так: в любой замкнутой системе полная энергия остается постоянной, а полная энтропия с течением времени возрастает. Пусть у нас есть та же пара резервуаров – горячий и холодный. Эти резервуары соединяют, в результате чего их температуры (отражающие среднюю кинетическую энергию молекул) уравниваются. Можно описать эту картину и так: система вначале была структурирована – поделена на горячую и холодную части, а затем эта структура разрушилась; система перешла из упорядоченного состояния в беспорядочное, хаотическое. Понятиям «порядок» и «хаос» не так-то просто дать строгие определения, однако интуитивно мы подразумеваем, что порядок – это когда предметы разложены в соответствии с некой логической системой, а хаос – когда никакой системы не обнаруживается. Итак, мы видим, что когда энергия (в данном случае тепловая) перетекает в направлении, указанном ВНТ, хаос (беспорядок) в системе возрастает. А поскольку энтропия при этом растет тоже, то возникает вполне логичное предположение: а не являются ли «хаос» и «энтропия» родственными, взаимосвязанными понятиями? Так оно и есть. В 1872 году Л. Больцман строго доказал, что клаузиусова энтропия (S) действительно является мерой неупорядоченности состояния системы: S = k ln P, где k – универсальная постоянная Больцмана (3,29 · 10 кал/град), а P – количественное выражение неупорядоченности (оно определяется довольно сложным способом, который для нас сейчас неважен). Это соотношение называют принципом порядка Больцмана; оно означает, что необратимые термодинамические изменения системы всегда идут в сторону более вероятных ее состояний и в конечном счете ведут к состоянию хаоса – максимальной выравненности и симметрии. Поскольку в любой замкнутой системе энтропия непрерывно и необратимо возрастает, то со временем в такой системе, как наша Вселенная, исчезнет всякая структурированность и должен воцариться хаос. В частности, установится единая температура (которая, соответственно, будет лишь немногим выше абсолютного нуля). Такую гипотетическую ситуацию называют «тепловой смертью Вселенной». Рассуждения на эту тему были очень модны в конце XIX века. Надо сказать, что закон неубывания энтропии – со всеми его глобально-пессимистическими следствиями – вообще создает массу неудобств для мироощущения любого нормального человека. Неудивительно, что регулярно возникает вопрос: а нельзя ли найти способ как-нибудь «обмануть» ВНТ и победить возрастание энтропии? Те из вас, кто читал «Понедельник начинается в субботу», возможно, помнят работавших в НИИЧАВО вахтерами демонов Максвелла. В «Словаре-приложении» Стругацкие разъясняют, что существа эти были первоначально созданы «для вероломного нападения на Второе начало термодинамики». Суть мысленного эксперимента, осуществленного Дж. Максвеллом (1860), заключается в следующем. Есть два сосуда с газом, соединенные трубкой; система находится в тепловом равновесии – усредненные энергии молекул любых двух порций газа равны между собой. Это вовсе не означает, что все молекулы одинаковые: среди них есть более быстрые («горячие») и более медленные («холодные»), просто на больших числах это все усредняется. А что, если несколько быстрых молекул (чисто случайно!) перейдут из правого резервуара в левый, а несколько медленных – из левого в правый? Тогда левый сосуд несколько нагреется, а правый охладится (при этом суммарная энергия системы останется неизменной. В системе возникнет разность потенциалов, т. е. возрастет упорядоченность, а энтропия снизится. В реальности такие отклонения будут (по теории вероятностей) сугубо временными. Но давайте вообразим, что в соединяющей сосуды трубке сидит крошечный демон, который будет пропускать быстрые молекулы только слева направо, а медленные – справа налево. Через некоторое время все быстрые молекулы соберутся в правом сосуде, а все медленные – в левом. Левый сосуд нагреется, а правый – охладится; значит, энтропия отступила. Понятно, что такого демона в действительности не существует, но, может быть, мы со временем сумеем создать некое устройство, работающее на этих принципах? К сожалению, не сумеем. (Кстати, сам Максвелл и не думал покушаться на ВНТ: ему-то демон был нужен просто для объяснения температуры через скорость движения молекул – в противовес тогдашним представлениям о «невидимой жидкости-теплороде».) Ведь наши резервуары с газом не являются полной системой; полная же система состоит из газа плюс демона. «Отлавливая» молекулы с соответствующими параметрами, наш демон вынужден будет пахать, как трактор. Поэтому повышение собственной энтропии демона с лихвой перекроет то понижение энтропии, которое он произведет в газе. Ясно, что мы имеем дело с классическим вечным двигателем второго рода. Однако постойте: энтропию газа-то демон, как ни крути, понизил… А ведь это идея!.. Пусть суммарная энтропия некой системы (скажем, Вселенной) необратимо возрастает – ну и ладно. Мы же займемся тем, что будем локально понижать энтропию и повышать упорядоченность – настолько, насколько нам нужно. Конечно, в других частях системы энтропия при этом вырастет, но нам-то что за дело? Реализуем ли такой сценарий? Разумеется. Сама жизнь вполне может рассматриваться как пример такого локального нарушения закона неубывания энтропии. Основатель квантовой механики Э. Шредингер в своей замечательной книге «Что такое жизнь с точки зрения физика» именно так и определяет ее – как работу специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды. Этот подход стал достаточно традиционным, но он таит в себе ряд подводных камней – не научного, правда, а скорее философского плана. В рамках такого взгляда на проблему энтропия (вполне заурядная физическая величина) незаметно приобретает отчетливые черты некоего Мирового Зла, а нормальное функционирование живых систем вдруг разрастается до масштабов глобального противостояния сил Света и Тьмы. (Следует заметить, что оные живые системы выглядят при этом отнюдь не толкиеновскими рыцарями, обороняющими Пеленорские поля от воинства Черного Властелина, а перепуганным мальчишкой, который безнадежно вычерпывает ржавой консервной банкой воду, бьющую из щелей лодки.) Поэтому нет ничего удивительного в том, что некоторые ученые на полном серьезе считают второе начало термодинамики физическим воплощением Дьявола. Ну а раз есть Дьявол, то возникает необходимость для равновесия ввести в картину мира и Бога (как некое антиэнтропийное, организующее начало); с этого самого момента весь комплекс проблем, строго говоря, изымается из сферы науки и переходит в сферу богословия. В любом случае, жизнь в своем противостоянии закону неубывания энтропии выглядит обреченной на сугубо оборонительную стратегию, что исключает повышение сложности ее организации. В рамках такого подхода дилемма, сформулированная Р. Кэллуа (1973) – «Могут ли и Карно, и Дарвин быть правы?», действительно кажется не имеющей решения. Здесь необходимо подчеркнуть одно фундаментальное различие между термодинамикой (связанной «кровным родством» с химией), с одной стороны, и всей прочей физикой (выросшей, так или иначе, из классической механики) – с другой. В классической динамике все процессы являются обратимыми (это формулировали в явном виде все ее основатели, например, Галилей и Гюйгенс), а картина мира – детерминистической: если некое существо (демон Лапласа) будет знать все параметры состояния Вселенной в некий момент времени, то оно сможет и точно предсказать ее будущее, и до мельчайших деталей реконструировать прошлое. Из обратимости же физических процессов следует, что время не является объективной реальностью, а вводится нами лишь для собственного удобства – как нумерация порядка событий: планеты могут обращаться вокруг Солнца как вперед, так и назад по времени, ничего не изменяя в самих основах ньютоновской системы. Революция, произведенная в физике Эйнштейном, этой сферы не затронула, а его окончательное суждение на сей предмет гласит: «Время (как и необратимость) – не более чем иллюзия». Случайности также не нашлось места в той картине мира, что создана Эйнштейном; широко известна его чеканная формулировка God casts the die, not the dice (Бог не играет в кости). Даже квантовая механика, наиболее отличная по своей «идеологии» от всех прочих физических дисциплин, сохраняет этот взгляд на проблему времени: в лежащем в ее основе уравнении Шредингера время остается однозначно обратимым. Принципиально иную картину мира рисовала термодинамика. Здесь аналогом Вселенной являлся не часовой механизм с бесконечным заводом, а паровой двигатель, в топке которого безвозвратно сгорает топливо. Согласно ВНТ, эта мировая машина постепенно сбавляет обороты, неотвратимо приближаясь к тепловой смерти, а потому ни один момент времени не тождествен предыдущему. События в целом невоспроизводимы, а это означает, что время обладает направленностью, или, согласно выражению А. Эддингтона, существует стрела времени. Осознание принципиального различия между двумя типами процессов – обратимыми, не зависящими от направления времени, и необратимыми, зависящими от него, – составляет саму основу термодинамики. Понятие энтропии для того и было введено, чтобы отличать первые от вторых: энтропия возрастает только в результате необратимых процессов. При этом, как заключает И.Пригожин, «стрела времени» проявляет себя лишь в сочетании со случайностью: только если система ведет себя достаточно случайным образом, в ее описании возникает реальное различие между прошлым и будущим, и, следовательно, необратимость. Картина мира становится стохастической – т. е. точно предсказать изменения мира во времени принципиально невозможно, а потому демона Лапласа следует отправить в отставку за полной его бесполезностью. В XIX веке изучали лишь наиболее простые (замкнутые) системы, не обменивающиеся с внешней средой ни веществом, ни энергией; при этом в центре внимания находилась конечная стадия термодинамических процессов, когда система пребывает в состоянии, близком к равновесию. Тогдашняя термодинамика была равновесной термодинамикой. Именно равновесные состояния (в разреженном газе) изучал Больцман, с чем и была связана постигшая его творческая неудача: горячо восприняв идею эволюции (хорошо известна его оценка: «Девятнадцатый век – это век Дарвина»), он потратил массу сил и времени на то, чтобы дать дарвинизму строгое физическое обоснование, но так и не сумел этого сделать.[11 - Стоявшую перед Больцманом проблему в 1983 году удалось решить Ю. Л. Климонтовичу, строго доказавшему возможность уменьшения энтропии в процессе самоорганизации – но только для открытых систем. S-теорема Климонтовича является аналогом существующей для закрытых систем H-теоремы Больцмана, гласящей, что энтропия системы монотонно возрастает и остается неизменной при достижении равновесного состояния.] Более того, введенный им принцип порядка налагает прямой запрет на возникновение организованных (и потому менее вероятных) структур из неорганизованных, т. е. на прогрессивную эволюцию. На неравновесные же процессы в то время смотрели как на исключения, второстепенные детали, не заслуживающие специального изучения. Ныне ситуация коренным образом изменилась; как раз замкнутые системы теперь рассматривают как сравнительно редкие исключения из правила. При этом было установлено, что в тех открытых системах, что находятся в сильно неравновесных условиях, могут спонтанно возникать такие типы структур, которые способны к самоорганизации, т. е. к переходу от беспорядка, «теплового хаоса», к упорядоченным состояниям. Создатель новой, неравновесной термодинамики Пригожин назвал эти структуры диссипативными, стремясь подчеркнуть парадокс: процесс диссипации (т. е. безвозвратных потерь энергии) играет в их возникновении конструктивную роль. Особое значение в этих процессах имеют флуктуации – случайные отклонения некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения (одна из книг Пригожина так и называется – «Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядочению через флуктуации»). Одним из простейших случаев такой спонтанной самоорганизации является так называемая неустойчивость Бенара. Если мы будем постепенно нагревать снизу не слишком толстый слой вязкой жидкости, то до определенного момента отвод тепла от нижнего слоя жидкости к верхнему обеспечивается одной лишь теплопроводностью, без конвекции. Однако когда разница температур нижнего и верхнего слоев достигает некоторого порогового значения, система выходит из равновесия и происходит поразительная вещь. В нашей жидкости возникает конвекция, при которой ансамбли из миллионов молекул внезапно, как по команде, приходят в согласованное движение, образуя конвективные ячейки в форме правильных шестиугольников. Это означает, что большинство молекул начинают двигаться с почти одинаковыми скоростями, что противоречит и положениям молекулярно-кинетической теории, и принципу порядка Больцмана из классической термодинамики. Если в классической термодинамике тепловой поток считается источником потерь (диссипации), то в ячейках Бенара он становится источником порядка. Пригожин характеризует возникшую ситуацию как гигантскую флуктуацию, стабилизируемую путем обмена энергией с внешним миром. Еще более удивительны явления самоорганизации, происходящие в неравновесных химических системах (например, в так называемых химических часах). Если в ячейках Бенара речь шла о согласованных механических движениях молекул, то здесь мы имеем дело со столь же согласованными, «как по команде», их химическими превращениями. Предположим, что у нас имеется сосуд с молекулами двух сортов – «синими» и «красными». Движение молекул хаотично, поэтому в любой из частей сосуда концентрация «синих» и «красных» молекул будет несколько отклоняться от средней то в одну, то в другую сторону, а общий цвет реакционной смеси должен быть фиолетовым с бесконечными переходами в сторону синего и красного. А вот в химических часах мы увидим нечто совершенно иное: цвет всей реакционной смеси будет чисто-синий, затем он резко изменится на чисто-красный, потом опять на синий и т. д. Как отмечает Пригожин, «столь высокая упорядоченность, основанная на согласованном поведении миллиардов молекул, кажется неправдоподобной, и если бы химические часы нельзя было наблюдать „во плоти“, вряд ли кто-нибудь поверил бы, что такой процесс возможен». (По поводу последнего следует заметить, что первооткрывателю этого типа реакций Б. П. Белоусову пришлось на протяжении многих лет доказывать, что демонстрируемые им – причем именно «во плоти»! – химические часы не являются просто фокусом.) Помимо химических часов, в неравновесных химических системах могут наблюдаться и иные формы самоорганизации: устойчивая пространственная дифференциация (в нашем примере это означало бы, что правая половина сосуда окрасится в красный цвет, а левая – в синий), или макроскопические волны химической активности (красные и синие узоры, пробегающие по фиолетовому фону). Однако для того, чтобы в некой системе начались процессы самоорганизации, она должна быть как минимум выведена из стабильного, равновесного состояния. В ячейках Бенара неустойчивость имеет простое механическое происхождение. Нижний слой жидкости в результате нагрева становится все менее плотным, и центр тяжести смещается все дальше наверх; по достижении же критической точки система «опрокидывается» и возникает конвекция. В химических системах ситуация сложнее. Здесь стационарное состояние системы представляет собой ту стадию ее развития, когда прямая и обратная химические реакции взаимно уравновешиваются и изменения концентрации реагентов прекращаются. Вывести систему из этого состояния очень трудно, а в большинстве случаев – просто невозможно; не зря реакции типа «химических часов» были открыты лишь недавно, в 50-е годы минувшего века (хотя их существование было теоретически предсказано математиком Р. Вольтеррой еще в 1910 году). Для того, чтобы устойчивость стационарного состояния оказалась нарушенной, есть одно необходимое (но не достаточное) условие: в цепи химических реакций, происходящих в системе, должны присутствовать автокаталитические циклы, т. е. такие стадии, в которых продукт реакции катализирует синтез самого себя. А ведь именно автокаталитические процессы, как мы знаем из главы 4, составляют основу такого процесса, как жизнь. Итак, жизнь можно рассматривать как частный случай в ряду процессов химической самоорганизации в неравновесных условиях, происходящих на основе автокатализа. Интересно при этом сопоставить функционирование живых объектов и самоорганизующихся неорганических систем. В примерах самоорганизации, известных из неорганической химии, участвующие в реакциях молекулы просты, тогда как механизмы реакций сложны. Например, в реакции Белоусова – Жаботинского (окисление малоновой кислоты броматом калия, катализируемое солями церия) насчитывается около тридцати промежуточных продуктов. В примерах же самоорганизации, известных из биологии, схема реакции, как правило, проста, а участвующие в ней молекулы (белки, нуклеиновые кислоты) очень сложны и специфичны. Это различие представляется Пригожину чрезвычайно важным, соответствующим фундаментальному различию между биологией и физикой: «У биологических систем (в отличие от физических. – К. Е.) есть прошлое. Образующие их молекулы – итог предшествующей эволюции, они были отобраны для участия в автокаталитических механизмах». Этот вывод впрямую перекликается с известными нам по главе 4 построениями М. Эйгена о самоорганизации молекул на основе матричной репродукции и естественного отбора. Думаю, не будет ошибкой сказать, что бурно развивающаяся неравновесная термодинамика буквально на наших глазах меняет всю картину мира, в котором мы живем. Например, второе начало термодинамики приобретает в ней совершенно иной философский смысл, ибо именно энтропия является тем самым «сырьем», из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать – это дело случая!) более высокую, чем прежде, упорядоченность. Для нас же здесь наиболее существенно то, что в ее рамках процесс происхождения жизни теряет свою абсолютную уникальность (а вместе с нею – и сопутствующий мистический ореол) и становится обычной, хотя и чрезвычайно сложной, научной проблемой. Как пишет Пригожин, «старая проблема происхождения жизни предстает в новом свете. Заведомо ясно, что жизнь несовместима с принципом порядка Больцмана, но не противоречит тому типу поведения, который устанавливается в сильно неравновесных условиях». И далее: «Разумеется, проблема происхождения жизни по-прежнему остается весьма трудной, и мы не ожидаем в ближайшем будущем сколько-нибудь простого ее решения. Тем не менее при нашем подходе жизнь перестает противостоять „обычным“ законам физики, бороться против них, чтобы избежать предуготованной ей судьбы – гибели». Глава 5 Ранний докембрий: древнейшие следы жизни на Земле. Маты и строматолиты. Прокариотный мир и возникновение эукариотности В «Происхождении видов» Ч. Дарвин честно и четко сформулировал вопросы, на которые его теория не давала (при тогдашнем уровне знаний) удовлетворительного ответа. Это можно поставить в длинный ряд научных заслуг Ч. Дарвина. Одним из самых серьезных вопросов основатель эволюционной теории считал такой. Известно, что в кембрийских отложениях (возраста 540 млн лет) практически одновременно появляются ископаемые представители почти всех основных подразделений животного царства. По идее, это их появление должно было предваряться длительным периодом эволюции, однако реальные следы этого процесса почему-то отсутствуют: в предшествующих кембрию слоях ископаемых остатков нет. Никаких. Ну чем тебе не «акт творения»? Один из ведущих специалистов по древнейшим формам жизни У. Шопф (1992), приводя соответствующую цитату, отмечает, что на протяжении почти ста лет после публикации в 1859 году «Происхождения видов» ясности в этом вопросе не прибавлялось. Это, пожалуй, некоторое сгущение красок (в конце XIX – начале XX веков из докембрийских слоев были все-таки описаны гигантские одноклеточные водоросли акритархи и высказывались гипотезы о биологическом просхождении строматолитовых известковых построек – см. далее), но сгущение не слишком сильное. В целом протерозойская и архейская эры, объединяемые в криптозой, или докембрий (см. рис. 2), действительно оставались «Темными веками», откуда практически не было «письменных источников». Все сведения об этом периоде (а это как-никак семь восьмых времени существования нашей планеты!) представляли собой домыслы, проверка которых казалась невозможной. Как известно, осадочные породы можно разделить по их происхождению на биогенные, т. е. образующиеся при непосредственном участии живых организмов (например, писчий мел), и абиогенные (например, песчаник). В 1922 году В. И. Вернадский, исходя из структуры и геохимических особенностей различных осадочных пород, высказал такое суждение: в геологической истории Земли не удается обнаружить периода (сколь угодно древнего), когда образование всех известных для него осадков происходило бы заведомо абиогенным путем. Следовательно, заключал он, если мы будем твердо стоять на почве эмпирических обобщений (а не всякого рода «общих соображений»), то нам придется признать, что жизнь существовала на Земле всегда – «биосфера геологически вечна». Этот несколько ошарашивающий вывод можно строго переформулировать в виде презумпции (см. дополнение к главе 1): «следует считать, что жизнь на Земле существовала изначально – до тех пор, пока не доказано обратное» (до того презумпция была противоположной). Так вот, в последние десятилетия в области изучения древнейших форм жизни произошла подлинная революция, в ходе которой точка зрения Вернадского получила весьма весомые фактические подтверждения. Как мы помним из главы 1, древнейшие из известных минералов имеют возраст 4,2 млрд лет (оценка возраста Земли в 4,5–4,6 млрд лет основана на анализе вещества метеоритов и лунного грунта). Возраст же древнейших пород, в которых найден углерод заведомо органического происхождения (в углероде, принимавшем когда-либо участие в реакциях фотосинтеза, необратимо меняется соотношение изотопов C и C) составляет… 3,8 млрд лет. Цифра, согласитесь, неслабая и сама по себе, однако тут есть еще важное дополнительное обстоятельство. Дело в том, что формацию Исуа Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/kirill-eskov/udivitelnaya-paleontologiya/?lfrom=390579938) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом. notes Примечания 1 Подробнее см. в дополнении к главе 1. 2 Самым точным продолжает оставаться уран-свинцовый метод – когда соотношение этих элементов определяют в зернах минерала циркон. 3 Недавняя (в 2000 году, опять же в Австралии) находка минералов с возрастом 4,4 млрд лет нуждается в подтверждении. 4 Американские палеонтологи предпочитают делить каменноугольный период, или карбон, на два – миссисипий (соответствующий европейскому раннему карбону) и пенсильваний (средний и верхний карбон), что отражает неполную адекватность событий на разных континентах. 5 Радиоуглеродный метод позволяет датировать древесину и ее производные (например, древесный уголь); он основан на содержании в углероде древесины нестабильного изотопа С. Этот изотоп возникает в верхних слоях атмосферы при воздействии космического излучения на атом обычного азота ( N), а затем в виде CO ассимилируется растениями. Доля С в живом растении стабильна (и равна доле С в атмосферном углекислом газе), а после гибели растения начинает закономерно уменьшаться. 6 Отсюда и всю методологическую концепцию Поппера называют фальсификационализмом. Слова «фальсифицируемость» и «фальсифицированный» употребляются здесь, разумеется, не в обиходном их значении («Таможня обнаружила партию фальсифицированной водки…»). 7 Такыры – возникающие в зоне пустынь гладкие и ровные глинистые поверхности, похожие на мостовые: они разбиты трещинами на отдельные плитки (часто правильные шестиугольники) площадью около 1 м . 8 Желающие могут ознакомиться в дополнении к главе 4 с весьма популярным в наши дни термодинамическим подходом к проблеме жизни. 9 В последние годы российскими и американскими учеными был сделан ряд новых находок ископаемых микроорганизмов в метеоритах – по более строгой, чем прежде, методике (см., например, статью А. Ю. Розанова с соавторами в журнале «Природа», № 6 за 1997 год). Оппоненты, правда, утверждают, что ситуация изменилась непринципиально и вероятность земных загрязнений материала по-прежнему чрезвычайно высока (ледники Антарктиды, откуда извлекли эти метеориты, конечно, самое «чистое» место нашей планеты, но все-таки не стерильное). Им кажется подозрительным и чрезвычайное сходство этих микроорганизмов – «космических» и «марсианских» – с земными. С другой стороны, появились неподтвержденные пока сообщения о находке на Марсе углерода со смещенным изотопным соотношением (см. главу 6), что может свидетельствовать о его участии в биологических реакциях. Если эти результаты подтвердятся, то отношение к концепции панспермии, несомненно, придется серьезно пересмотреть. 10 Альбедо – величина, характеризующая отражательную способность любой поверхности; выражается отношением отраженного потока лучистой энергии ко всему упавшему на поверхность потоку. 11 Стоявшую перед Больцманом проблему в 1983 году удалось решить Ю. Л. Климонтовичу, строго доказавшему возможность уменьшения энтропии в процессе самоорганизации – но только для открытых систем. S-теорема Климонтовича является аналогом существующей для закрытых систем H-теоремы Больцмана, гласящей, что энтропия системы монотонно возрастает и остается неизменной при достижении равновесного состояния.