Таинственные явления природы и Вселенной

Составитель Сергей Минаков

The opposite of a correct statement is a false statement. But the opposite of a profound truth may well be another profound truth.

Противоположностью правильного утверждения является ложное утверждение. Но противоположность глубокой истины вполне может оказаться другой глубокой истиной.

Нильс Хенрик Давид Бор

Alles war gesagt, doch alles bleibt zu sagen!

Все было сказано, лишь все сказать осталось!

Иоганн Вольфганг Гете

Чудеса жизни

Жить или не жить — вот в чем вопрос

Нам, землянам, чрезвычайно повезло с планетой. Подходя к вопросу и общекосмологически, то есть в масштабе Вселенной, и частноастрономически — в масштабе Солнечной системы и ближайших звезд, и геологически — в масштабе одной известной планеты, мы могли бы и должны констатировать: наш мир представляет собой великую удачу для жизни. Почему? Просто потому, что жизнь на Земле зародилась, она имеет место, она идет! Жизнь на нашей планете, в нашей галактике, в нашей части Вселенной состоялась. А этого могло бы (очень-очень даже могло бы) и не быть!

Можно говорить о четырех масштабных факторах жизни.

Масштаб планетарный, малый универсум жизни. Планеты служат для жизни домом. Они — то лоно, «родовое место», в уютных пределах которого может возникнуть и эволюционировать живое.

Второй масштаб — звездный. Важность звезд очевидна: они являются источником энергии, необходимой для биологической эволюции. Еще одна, но не менее значительная и фундаментальная роль звезд состоит в том, что они образуют тяжелые элементы, тяжелее гелия: углерод, кислород, кальций и другие ядра, из которых составляются известные нам формы жизни.

Третий масштаб — галактический. Галактики важны не менее, а то и более, чем звезды, хоть это и не столь очевидно. Без связующего влияния галактик тяжелые элементы, производимые звездами, — строительные кирпичики, из которых состоят как планеты, так и все, что на них может жить, — рассеялись-развеялись бы по всему пространству Вселенной. Галактики с их колоссальными массами и сильным гравитационным притяжением удерживают от рассеивания химически обогащенный газ, оставшийся после гибели звезд. Впоследствии этот газ включается в постройку будущих поколений звезд, планет и… биологической жизни. Гравитационное притяжение галактик обеспечивает доступность тяжелых элементов для последующих поколений звезд и для образования каменистых планет типа нашей Земли.

Четвертый, последний уровень — вселенский. Сама Вселенная в различных масштабах должна обладать нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. Во-первых, эволюция нашей части Вселенной (или всей Вселенной) — долгая, достаточно длительная, чтобы успело сформироваться разнообразие-многообразие объектов (в том числе астрономических) и смогла зародиться, оформиться и развиться биологическая жизнь. То есть можно сказать, что подходящее для жизни место — медленно эволюционирующая вселенная. Можно утверждать также и другое: быстрая вселенная — неживая вселенная. Во-вторых, законы и условия нашей области Вселенной достаточно сложны, чтобы имелась возможность образования сложных структур. И они при этом достаточно просты, чтобы быть устойчивыми, стабильными — «медленными». В-третьих, свойства нашей Вселенной в целом позволяют обеспечить «химию жизни». Ведь кроме тяжелых элементов вроде углерода и кислорода, синтезирующихся в звездах, очень важен (жизненно важен!) водород. Водород составляет два из трех атомов воды — H2O. А вода, как известно, — это жизнь.

Наука говорит нам о возможности мультиверса (множественности) различных миров. Если это действительно так, то мог бы возникнуть и мир, где в результате первичного синтеза ядер весь водород превратился в гелий или даже в более тяжелые элементы. И тогда нас бы, конечно, там не было! Или Вселенная могла расшириться так быстро, что протоны и электроны так и не встретились бы, чтобы образовать атомы водорода. Как бы там ни было, мир мог бы закончиться, так и не создав атомы водорода, составляющие молекулы воды, без которой не было бы обычной жизни.

Вот несколько (не полный перечень!) возможных «линий жизни» (или «линий запрета жизни»).

Галактики — один из астрофизических объектов, необходимых для жизни, — образуются, когда гравитация одерживает верх над расширением Вселенной и провоцирует сжатие некоторых областей. Если бы сила гравитации была гораздо слабее или скорость космологического расширения гораздо быстрее, то к настоящему моменту в космосе не было бы ни одной галактики. Вселенная продолжала бы рассеиваться, но не содержала бы ни одной гравитационно связанной структуры, по крайней мере, на данный момент истории космоса. С другой стороны, если бы сила гравитации оказалась намного больше, так что скорость расширения космоса была бы гораздо ниже, то вся Вселенная вновь сколлапсировала бы в Большом сжатии задолго до начала образования галактик. В любом случае в нашей современной Вселенной жизни бы не было. Значит, подходящий для жизни случай Вселенной, заполненной галактиками и прочими крупномасштабными структурами, требует достаточно тонкого компромисса между силой гравитации и скоростью расширения. И в нашей Вселенной реализован именно такой компромисс.

Что касается звезд, то здесь требуемая тонкая настройка сопряжена с еще более жесткими условиями. Реакции термоядерного синтеза, протекающие в звездах, обеспечивают два ключевых процесса, необходимых для эволюции жизни: образование энергии и производство тяжелых элементов типа углерода и кислорода. Чтобы звезды сыграли именно эту роль, они должны развиваться длительное время, достигнуть достаточно высоких центральных температур и быть достаточно распространенными объектами во Вселенной. Чтобы все эти составляющие головоломки встали на свои места, Вселенная должна быть наделена обширным диапазоном особых свойств.

Наверное, самый понятный пример может предоставить нам ядерная физика. Реакции термоядерного синтеза и ядерная структура зависят от величины сильного ядерного взаимодействия. Атомные ядра существуют как связанные структуры, потому что сильное взаимодействие способно удерживать протоны рядом друг с другом, даже несмотря на то, что сила электрического отталкивания положительно заряженных протонов стремится разорвать ядро. Если бы сильное взаимодействие было чуть-чуть слабее, то тяжелых ядер попросту не было бы. Тогда во Вселенной не было бы углерода, а следовательно, и тех форм жизни, в основе которых лежит углерод. С другой стороны, если бы сильное ядерное взаимодействие было еще сильнее, то протоны могли бы объединиться в пары — «ди-протоны». В этом случае сильное взаимодействие было бы таким мощным, что все протоны во Вселенной объединились бы в ди-протоны или в структуры покрупнее, и обычного водорода просто не осталось бы. В отсутствие водорода во Вселенной не было бы воды, а следовательно, и известных нам форм жизни. К счастью, наша Вселенная имеет как раз такую величину сильного взаимодействия, чтобы разрешить водород, воду, углерод и прочие необходимые составляющие жизни.

Аналогичным образом, имей слабое ядерное взаимодействие несколько иную величину, это значительно повлияло бы на звездную эволюцию. Если бы слабое взаимодействие было мощнее, то ядерные реакции в недрах звезд протекали бы с гораздо большими скоростями, в силу чего значительно сократилась бы продолжительность жизни звезд. Также пришлось бы поменять и название — термин «слабое взаимодействие» не годился бы. В этом вопросе у Вселенной имеется некоторая отсрочка, обусловленная диапазоном масс звезд: небольшие звезды живут дольше и могут управлять биологической эволюцией, как наше Солнце. Однако давление вырожденного газа (из квантовой механики) прекращает сжигание водорода, как только масса звезды становится слишком маленькой. Таким образом, серьезно уменьшилась бы продолжительность жизни даже самых долгоживущих звезд. У звезд, максимальное время жизни которых ниже отметки в миллиард лет, развитие жизни под угрозой. Фактическое значение слабого взаимодействия в миллионы раз меньше сильного, благодаря чему Солнце сжигает свой водород медленно, что и требуется для эволюции жизни на Земле.

Ну а далее — планеты, самые маленькие астрофизические объекты, необходимые для жизни, но, может быть, самые важные. Образование планет требует от Вселенной производства все тех же тяжелых элементов, а значит, все ограничения и условия, которые мы только что обсуждали, так же важны. Кроме того, существование планет требует, чтобы Вселенная была достаточно холодна для конденсации твердых тел. Если бы наша Вселенная была всего в шесть раз меньше, чем сейчас, и, следовательно, в тысячу раз горячее, то частицы межзвездной пыли испарились бы, и для образования каменистых планет попросту не было бы «строительного материала».

Еще одна очень важная вещь — долгосрочная стабильность Солнечной системы непосредственно с момента ее образования. В нашем галактическом пространстве сближения и взаимодействия звезд одновременно редки и слабы из-за их очень низкой плотности. Если бы наша галактика содержала такое же количество звезд, но была в сто раз меньше, повышенная плотность звезд привела бы к достаточно высокой вероятности вхождения в нашу Солнечную систему какой-то другой звезды, которая разрушила бы орбиты планет. Подобное космическое столкновение могло бы изменить орбиту Земли и сделать нашу планету необитаемой или вообще выбросить Землю из Солнечной системы. В любом случае такой катаклизм означал бы конец жизни. Но в окрестностях нашей галактики предполагаемое время наступления такого события намного превышает время, необходимое для развития жизни.

Никто никогда не наблюдал атом. Они настолько малы, что их не видно в микроскоп и нельзя сосчитать и взвесить отдельно.

И все же нас преследует тайное сомнение. Если этот мир так хорошо подобран для того, чтобы «принять роды» жизни, то можно ли сказать, что это лучший из миров? Не говоря уже о том, что жизнь жизни рознь. Одно дело — какой-нибудь из экстремофилов, обитающих в кипящих грязевых резервуарах Йеллоустона, и совсем другое дело — Леонардо да Винчи! Леонардо сварился бы, попади он в условия, в которых экстремофил чувствует себя если не прекрасно, то хорошо, и все еще хорошо. Верно, Леонардо сложнее экстремофила, он — слишком сложная система.

Спустимся из космоса на грешную и прекрасную нашу Землю. Вероятно, Земля — не слишком удобное место для обитания живых существ, даже если она — единственное такое место. Из малой толики поверхности планеты, достаточно сухой, чтобы на ней стоять, очень большая ее доля либо слишком жаркая, либо слишком холодная, слишком сухая, слишком крутая, слишком высокая, чтобы от нее была польза. Надо признать, отчасти это и наша вина. Что касается приспособляемости, человеческие существа потрясающе беззащитны. Как и большинству животных, нам не слишком по вкусу по-настоящему жаркие места, но поскольку мы так обильно потеем и легко подвержены тепловым ударам, то являемся особенно уязвимыми. В наихудших условиях — передвигаясь пешком без воды в жаркой пустыне — большинство людей не позже чем через семь-восемь часов тронется рассудком и свалится, чтобы, возможно, никогда больше не встать. Не менее беспомощны мы и перед лицом холода. Как все млекопитающие, люди хорошо выделяют тепло; однако ввиду того, что мы практически безволосы, мы не в состоянии его удерживать. Даже в сравнительно мягкую погоду половина калорий сжигается, чтобы сохранять тело теплым. Разумеется, мы в значительной мере можем противопоставить этим недостаткам одежду и жилище, но даже при этом части суши, на которых мы готовы или способны жить, представляются довольно скромными: всего 12 % общей площади суши и только 4 % всей поверхности планеты Земля.

Однако, когда думаешь об условиях в других местах известной нам Вселенной, удивляет не то, что мы используем такую малую часть нашей планеты, а то, что нам удалось найти планету, где можно пользоваться хотя бы этой малой толикой. Достаточно взглянуть на собственную Солнечную систему — или на Землю в некоторые периоды ее истории, — и станет ясно, что большинство мест намного суровее и значительно менее приспособлены для жизни, нежели наш спокойный голубой влажный шарик.

Пока исследователи Вселенной открыли за пределами Солнечной системы чуть более тысячи планет — это из, как считают, десяти миллиардов триллионов. Но тем не менее уже ясно: чтобы получить пригодную для жизни планету, требуется невероятное везение, и чем сложнее жизнь, тем больше нужно везения. Исследователи выделили около двух десятков доставшихся нам на Земле особенно благоприятных обстоятельств, но в нашем беглом обзоре мы выделим только четыре основных.

Отличное местоположение. Мы чуть ли не сверхъестественным образом оказались на нужном расстоянии от подходящей звезды, которая достаточно велика, чтобы излучать большое количество энергии, но не настолько велика, чтобы быстро сгореть. Это одна из странностей физики — чем крупнее звезда, тем быстрее она сгорает. Будь наше Солнце в десять раз крупнее, оно исчерпало бы себя за десять миллионов, а не за десять миллиардов лет, и нас бы здесь теперь не было. Нам также повезло с орбитой. Окажись мы слишком близко, и все на Земле выкипело бы. Слишком далеко — и все бы замерзло. Есть весьма правдоподобные оценки, согласно которым Земля была бы необитаемой, окажись она на 15 % дальше от Солнца или на 5 % ближе! Таковы границы обитаемой зоны в Солнечной системе.

Чтобы представить, насколько узок этот пояс, достаточно взглянуть на Венеру, которая ближе нас к Солнцу всего на 40 млн км. Солнечное тепло достигает ее всего на две минуты раньше нас. По размерам и по составу Венера очень схожа с Землей, но небольшая разница в размерах орбит явилась причиной всех существующих различий. Похоже, что в ранний период существования Солнечной системы Венера была чуть теплее Земли и, возможно, на ней были океаны. Но эти несколько лишних градусов тепла привели к тому, что Венера не смогла удержать на своей поверхности воду, что имело губительные последствия для климата.

Когда вода испарилась, атомы водорода улетели в космос, а атомы кислорода соединились с углеродом, создав плотную парниковую атмосферу из углекислого газа. На Венере стало очень душно. Были времена, когда астрономы надеялись, что под плотными облаками Венеры может найти приют жизнь, возможно даже в виде своеобразной тропической растительности. Но теперь мы знаем, что окружающая среда там невыносима для любых форм жизни, какие только можно представить. Еще бы! Температура поверхности в 470 °C достаточна, чтобы расплавить свинец! Атмосферное давление на поверхности в 90 раз выше, чем на Земле.

Вот что происходит, когда вы оказываетесь на две световые минуты ближе к Солнцу. Отодвиньтесь подальше — и проблемой станет не жара, а холод, о чем с ледяным спокойствием свидетельствует Марс. Он тоже когда-то был значительно более приемлемым местом, но не смог удержать достаточно плотную атмосферу и превратился в замерзшую пустыню.

Раскалите 30-сантиметровую стеклянную палочку посередине. Теперь беритесь за один из концов. Боитесь обжечься? Не стоит! Теплопроводность стекла так мала, что концы палочки останутся холодными.

Но находиться на нужном расстоянии от Солнца недостаточно, иначе Луна была бы прекрасным обитаемым космическим объектом, покрытым лесами, чего мы явно не наблюдаем. Для этого требуется… Подходящая планета. Мы с тревогой говорим об опасных вулканах, отлично зная, что живем на расплавленной внутри планете. Однако мы не отдаем себе отчета в том, что без бушующей под нами магмы нас бы здесь не было.

Кроме всего прочего, наши активные недра способствовали формированию атмосферы и магнитного поля, которые защищают нас от космического излучения. Они также дали нам тектонику плит, которая постоянно обновляет и корежит поверхность. Если бы Земля была совершенно гладкой, ее покрывал бы слой воды в 3 км толщиной. В этом безбрежном океане могла бы существовать жизнь, но наверняка не было бы футбола.

В дополнение к благотворной активности недр Земли мы еще располагаем нужными элементами, причем в правильных для растений, животных и человека пропорциях. В буквальном смысле мы сделаны из подходящего материала.

Есть еще одно важнейшее обстоятельство. Мы живем на двойной планете. Немногие считают Луну планетой, но, по существу, это именно так. Большинство спутников очень малы по сравнению с главной планетой. Например, спутники Марса Фобос и Деймос в диаметре всего порядка 10 км. А диаметр Луны больше четверти диаметра Земли: наша планета единственная в Солнечной системе имеет спутник столь значительного относительно нее размера (Плутон не в счет, потому что он сам слишком мал), и это имеет огромное значение. Без уравновешивающего влияния Луны Земля болталась бы, как останавливающийся волчок, и одному Богу известно, какие последствия это имело бы для климата и погоды. Устойчивое гравитационное воздействие Луны позволяет Земле стабильно вращаться с нужной скоростью и под нужным углом, обеспечивая такую устойчивость, какая необходима для длительного и благополучного развития живых организмов. Это не будет продолжаться вечно. Луна ускользает из наших объятий со скоростью примерно 4 см в год. В следующие 2 млрд лет она ретируется так далеко, что не будет поддерживать нашу устойчивость, и человечеству придется искать какое-то решение. Но пока можно размышлять о нашей спутнице как о приятной принадлежности ночного неба.

Долгое время астрономы предполагали, что либо Луна и Земля образовались одновременно, либо Земля захватила Луну, когда та пролетала мимо. Сегодня распространена теория, согласно которой около 4,4 млрд лет назад в Землю врезался объект размером с Марс, вырвав достаточно вещества, чтобы из обломков образовалась Луна. Ясно, что для нас это было большой удачей. Особенно то, что все это произошло так давно. Случись это в прошлую среду — нам всем было бы буквально мало места!

Это подводит нас еще к одному кардинальному соображению. Выбор времени. Вселенная — поразительно непостоянное и богатое событиями место, и наше существование в ней является чудом. Если бы растянувшаяся примерно на 4,6 млрд лет невообразимо сложная последовательность событий не оборачивалась бы определенным образом в определенное время: если бы астероид — взять хотя бы один очевидный пример — не стер с лица земли существовавших тогда динозавров, вы, дорогой читатель, могли бы быть размером в несколько сантиметров, с усиками и хвостиком, и читали бы все это, сидя в земляной дырке, как хоббит Бильбо. Мы не знаем этого наверняка, однако представляется вполне очевидным, что если вы хотите в конечном счете получить умеренно развитое общество мыслящих существ, то надо оказаться в нужном конце очень длинной цепи вытекающих друг из друга событий и явлений, включающих приемлемые периоды стабильности, перемежающиеся подходящим количеством сложных и напряженных ситуаций (к примеру — ледниковые периоды), и при этом полностью избежать настоящих планетарных катаклизмов. Может быть, это не лучший из миров. Но нам повезло — нам все-таки очень повезло с этим миром!

Самым распространенным элементом в земной коре является кислород. Его весовое содержание оценивается в 49 % массы земной коры.

Что такое жизнь

Что такое жизнь? Мы затрудняемся дать точное определение жизни, однако все точно могут различить живое и неживое. Как говорится, за живую и за мертвую лошадь дают разную цену.

Действительно, интуитивно мы все понимаем, что живо и что — мертво, но вот точно сформулировать различие обычно затрудняемся. Известно много попыток дать дефиницию, определение понятия «жизнь», но все они оказываются неидеальными. Поэтому умные люди вообще отказываются от определения, подменяя его тавтологией. Живое — это живое, то, в чем есть жизнь, что устроено как живое. «Жизнь — это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». Такое определение дает Фридрих Энгельс — не так уж давно оно было у нас очень популярным. Что ж, не такое уж и плохое определение. Однако достаточно ли оно? Сам Энгельс так не думал. Для него обмен веществ — лишь существенный, но не единственный критерий жизни. Он может быть присущ и неживым объектам. Допустим, у нас есть два непрозрачных ящика с дырками «на входе» и «на выходе». Что внутри — неизвестно. Но мы можем производить измерения состояния воздуха у входного и выходного отверстий. Измерения показывают, что в обоих случаях мы имеем на выходе дефицит кислорода, повышенную концентрацию углекислого газа и водяных паров. Меряем температуру и видим, что на выходе воздух теплее, чем на входе. Мы вправе заключить, что в каждом ящике содержится система, способная к обмену веществ с окружающей средой. Вскрываем ящики и обнаруживаем… в одном из них живую мышь, а в другом — горящую свечу. Критерий обмена веществ здесь не срабатывает, не позволяет отличить живое от неживого, отличить процесс горения от процесса дыхания.

Если мы перекроем кран поступления воздуха, мышь погибает. Однако и мертвые организмы могут обмениваться веществами с окружающей средой. На этом, в частности, основан процесс образования окаменелостей: остатки животных и растений в слое горной породы отдают окружающей среде органику, и ее место занимают минералы. Особенно удивительны окаменевшие деревья: внешне они до мельчайших деталей сохраняют структуру древесины, однако она миллионы лет назад заместилась кремнеземом и окислами железа.

Какой вывод можно сделать из этого? Обмен веществ — это необходимое условие, если мы говорим о живом состоянии. Но одного обмена веществ недостаточно для определения жизни! Нужно еще что-то.

Попробуем еще раз. Во-первых, жизнь характеризуется активностью. Жизнь действует. Даже если она находится «в пассиве», приспосабливается к условиям (то есть «страдает»: «страдание» у Аристотеля — это категория подчинения, категория, противоположная действию: actio — passio), все равно сохраняется активная составляющая, самостоятельный акт как бы «из себя и для себя». Эта активность обязательно происходит с затратой энергии в системе: чтобы жить, тратятся силы! Во-вторых, жизнь — это поддержание и воспроизведение всегда конкретного порядка, определенной, специфической структуры. Именно специфической. Вот на что энергия-то идет и силы тратятся!

Что такое активное воспроизведение? Это такой процесс, когда система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Пассивный процесс такого рода отнюдь не признак жизни. Птицы из года в год воспроизводят свои гнезда, бобры строят плотины, но ни гнезда, ни плотины нельзя считать живыми объектами в отличие от их строителей. Короче говоря, вряд ли птицу можно получить, воспроизвести по гнезду, бобра — по плотине, а снежного человека — по его следу…

Далее о затрате энергии. Почему это является необходимым условием при определении жизни? Потому что это позволяет отличать живые существа от других самовоспроизводящихся структур, например кристаллов.

Еще в XVIII веке проводили аналогии между ростом организмов и ростом кристаллов. Действительно, каждому кристаллу присуща своя специфическая структура, возникающая спонтанно. Хлористый натрий кристаллизуется в виде куба, углерод (алмаз) — в виде октаэдра. Скопления, сростки кристаллов порой удивительно похожи на структуры живой природы. Вспомните хотя бы морозные узоры на оконных стеклах. Они иногда настолько бывают похожими на листья папоротников и иных диковинных растений, что кажутся более реальными, чем настоящие. Даже металлы образуют подобные структуры. Металлургам всего мира хорошо известна так называемая «елка Чернова». При отливке изделия из металла могут образовываться лакуны, раковины — так их называют специалисты. И вот иногда в таких раковинах сращиваются кристаллы железа — это очень похоже на известное растение.

Тем не менее, аналогии между морозными узорами и листьями папоротника неправомерны. Хотя эти структуры внешне сходны, процессы их возникновения диаметрально противоположны энергетически. Кристалл — система с минимумом свободной энергии. Что это значит? Это значит, что при кристаллизации энергия выделяется в виде тепла. Например, при возникновении одного килограмма «морозных узоров» должно выделиться 619 ккал тепла. Столько же энергии нужно затратить на разрушение этой структуры. Листья папоротника, наоборот, при своем возникновении и росте поглощают энергию солнечных лучей. Разрушая эту структуру, мы можем получить энергию обратно. Мы, собственно, это и делаем, например, сжигая каменный уголь, образовавшийся из остатков гигантских папоротников палеозойской эры, или просто греясь у банального костра. И дело здесь не в самом листообразном рисунке, внешне объединяющем лесной папоротник и узор на стекле. Бесформенный кусок льда той же массы потребует на расплавление и испарение столько же энергии. А на образование внешней сложности листа растения расходуется энергия, ничтожно малая по сравнению с той, что законсервирована в органике.

Но как же все-таки быть с внешним сходством? Дело вот в чем. И листья папоротника, и морозные узоры обладают максимальной площадью поверхности при данном объеме. Для папоротника (и любого другого растения) это необходимо, ибо дыхание и ассимиляция углекислого газа идет через поверхность листьев. В тех случаях, когда нужно снизить расходы воды на испарение, растения, например кактусы, обретают шарообразную форму с минимальной площадью поверхности. Но платить за это нужно снижением темпов ассимиляции СO2 и соответственно замедлением роста.

Водяные пары, кристаллизуясь на холодном стекле, также образуют структуру с максимальной поверхностью, потому что скорость потери свободной энергии при этом максимальна (кристаллы растут с поверхности). Так что аналогии между кристаллами и живыми организмами не имеют, так сказать, сущностного значения. Жидкость, выплеснутая из сосуда в условиях невесомости, приобретает форму шара (минимум энергии поверхностного натяжения). Но вряд ли это означает, что законы устройства космоса похожи на правила игры с шарами за бильярдным столом!

Справедливости ради нужно заметить, что кристаллические формы не чужды жизни. Многим известны большие и совершенно безобидные комары-долгоножки с длинными ломкими конечностями. Их личинки обитают во влажном грунте, питаясь перегнивающими растительными остатками. Среди них можно встретить особей, окрашенных в голубой цвет с радужным отливом. Они кажутся вялыми, и они действительно больны — заражены так называемым радужным вирусом. В гемолимфе таких личинок под микроскопом можно обнаружить кристаллы удивительной красоты, переливающиеся, как сапфиры. Кристаллы эти сложены из частиц вируса — вирионов. Когда личинка погибнет, они попадут в почву, чтобы быть проглоченными личинками нового поколения комаров. Кстати, подобные кристаллы образуют многие вирусы, и не только вирусы насекомых. Но существенно, что это именно неактивная форма существования вируса, в отличие от активной, живой. В форме кристалла вирус не размножается, а лишь переживает таким образом свои «тяжелые времена». Известный физик Эрвин Шредингер назвал хромосому «апериодическим кристаллом». Действительно, ядерное вещество клетки в период деления упорядочено, и формально его можно назвать кристаллом. Но когда ядерное вещество (хроматин) «пакуется» в хромосому, оно, опять-таки, неактивно, и сама хромосома — лишь способ передачи хроматина от клетки к клетке.

Итак, для кристаллизации никакой внешней энергии не нужно. Но для поддержания и воспроизведения собственного порядка жизни в следующем поколении организм должен поглощать энергию (в виде квантов света или неокисленных органических соединений, простых веществ, и выделять окисленные продукты жизнедеятельности и т. д). Вот это и есть обмен веществ.

Но зачем, для чего этот обмен? «Все течет», — сказал Гераклит Эфесский. Если дело обстоит так, то более всего «течет» живой организм. Он — поток, по которому непрерывно движутся энергия и вещества — элементы для воссоздания структур. На протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся. Так, клетки крови полностью заменяются через четыре месяца. В конечном счете, это тоже ремонтные работы, но организм заменяет не только клетки, получившие дефекты, а все. Вот говорят, что нервные клетки не восстанавливаются. Это значит, новых нервных клеток организм не порождает, они не размножаются — сколько было, столько есть. Да, не образуются совершенно новые клетки. Но на протяжении всей жизни они непрерывно перестраиваются. Это как глубокий капитальный ремонт и перепланировка дома. Дом старый, но он обновлен и в отличном состоянии! Мы лишь формально можем считать нейроны, с которыми мы заканчиваем жизнь, теми же самыми клетками, с которыми мы ее начали.

И еще одно выражение: специфическая структура. Что это такое? Из поколения в поколение организмы воспроизводят характерную для видов, к которым они принадлежат, упорядоченность. Делается это с почти абсолютной точностью (слово «почти» крайне важно). Вот съел волк зайца. Разве ему нужны органы зайца, его ткани, его белки и нуклеиновые кислоты — все то, что специфично для структуры «заяц», «заячья упорядоченность»? Нет, конечно! Все это в желудке волка превратится в смесь низкомолекулярных органических веществ — аминокислот, углеводов, нуклеотидов и т. д., общих для всей живой природы, неспецифичных. Часть из них организм волка окислит до углекислого газа и воды для того, чтобы (расходуя полученную энергию!) построить из оставшихся неспецифичных веществ свою, специфичным образом упорядоченную структуру «волк» — свои белки, свои клетки и ткани. Накормите волка смесью аминокислот, синтезированных химиком, и будет то же самое.

Так ли это в отношении жизни как таковой, жизни вообще? Вопрос открытый. Но на Земле дела обстоят именно так. Земные организмы в чужой упорядоченности не нуждаются. Они изо всех сил, отчаянно борются с ней. Все знают о многочисленных медицинских попытках трансплантации животным и людям различных органов или тканей: сердца, легких, почек, поджелудочной железы и др. Можно ли назвать такие попытки удачными? Результат всегда оказывался похожим: пересаженные органы имели стойкую тенденцию к отторжению. Исключение составляли только органы, «однопорядковые» с пациентом, взятые у однояйцевого близнеца, — а это ведь «структурная» копия того же организма. Что касается тканей, то их для пересадки врачи предпочитают брать от того же организма: например, на пораженное ожогом место пересаживают кожу с ноги пострадавшего. Сохранить чужеродный пересаженный орган можно, только подавив защитные иммунные системы образования антител. Но тогда пациент окажется беззащитным против любой инфекции! Это огромный, смертельный риск, и, так или иначе, дело в конце концов идет только о продолжении жизни, но не о продлении нормальной полноценной жизни.

Даже гормоны, так сказать, просто биоактивные вещества (то есть не только сложные биологические образования) видоспецифичны. Здесь, конечно, есть зазор, есть различие по степени. Например, инсулин — единственное эффективное средство против диабета — отличается сравнительно малой видоспецифичностью, поэтому для лечения диабетиков можно использовать этот белок, выделенный из поджелудочных желез крупного рогатого скота. А вот гормон роста — соматотропин — видоспецифичен. Для лечения карликового роста у человека нужен именно человеческий соматотропин, который выделяется из гипофиза умерших людей (да, да, другого способа пока не нашли).

Кто-то заметит: есть сложные организмы, их структурная идентичность сложна, и, естественно, их структурная специфичность весьма требовательна. Но есть простые организмы, есть даже простейшие. Как же в этом случае? Казалось бы, у низших организмов отвращение к «чужому порядку» должно быть меньше. Действительно, у рыб и амфибий удаются пересадки органов между особями разных видов, и бычий соматотропин может стимулировать рост форели. Однако все это искусственно создаваемые экспериментатором положения. А значит, не вполне «нормальное», неестественное течение жизни. В конце концов, сказано же: если зайца бить, он и спички научится зажигать. Вопрос только в том, будет ли это несчастное затравленное существо все еще зайцем? Можно сказать так: заяц, погибающий в зубах у волка, гораздо больше заяц, более истинный, «правильный», чем заяц, который умеет зажигать спички! Животные, питаясь другими животными или растениями, начинают с разрушения чужой упорядоченности. Пища в их желудках и кишечниках расщепляется до простых химических соединений, и по строению, например, аминокислот глицина или фенилаланина невозможно сказать, получены ли они из белков бычьего мяса, гороха или же синтезированы искусственно умным химиком в очках. Из этих элементарных кирпичиков жизни организмы строят лишь им присущие структуры. Каждый организм характерен именно неповторимой, присущей только ему комбинацией белковых молекул. А уже на этой базе возникает комплекс всех признаков организма — на уровне клеток, тканей и органов.

У растений это выражено еще более резко. Вода, набор питательных солей, углекислый газ и свет — при этом наборе одинаковых факторов из одного семени вырастает роза, из другого — крапива, а из третьего — елка (и совсем не «елка Чернова» — помните?). Всякий раз — определенное растение с присущим ему набором свойств. Со своей упорядоченностью.

Итак, организмы берут извне не упорядоченность, а энергию. За счет этой энергии они строят свою специфичную упорядоченность «по роду их» — так, кажется, сказано в Писании, пренебрегая чужой. Из куриного яйца — однородной массы желтка и белка — возникает цыпленок с головой, ногами, крыльями. И эта простая вещь, это чудо называется жизнью.

Биосфера

По мысли академика В. И. Вернадского, развитие человеческого мышления и все возрастающее его воздействие на окружающую среду — через технику и технологии — следует рассматривать как природное явление, как неизбежное следствие того, что называют «цефализацией» — то есть «оразумливанием» земной биоты. Эти процессы привели к формированию техносферы — создаваемой самим человеком среды его обитания. Взаимоотношения биосферы и техносферы, в связи с грозящим Земле экологическим кризисом, являются сейчас объектом пристального внимания самых разных специалистов.

Итак, биосферой мы будем называть всю населяющую Землю биоту (то есть совокупность всех микроорганизмов, грибов, растений и животных) и среду ее обитания, включая почвенный покров и содержащие признаки жизни слои атмосферы. Накануне появления человека биосфера по своим основным параметрам вряд ли существенно отличалась от нынешнего ее состояния. Более того, ее основные характеристики, такие как общая масса живого вещества (порядка 2,4 × 1018 г), элементарный состав биомассы, содержание кислорода в атмосфере, количество достигающей Земли солнечной энергии и прочие условия — сохранялись неизменными на протяжении сотен миллионов лет. Система была стабильной. Но появился человек разумный, и многое изменилось.

Еще до конца XXI века нерациональная разработка месторождений приведет к тому, что практически все запасы полезных ископаемых планеты будут истощены.

Биосферу в целом можно подразделить на косные и живые компоненты. Косные компоненты — это химические соединения и физические тела, не входящие в данный момент времени в состав живых организмов. Это, прежде всего, газы, находящиеся в свободном состоянии (в атмосфере) или растворенные в водных бассейнах, вода в виде водяного пара, рек, озер, морей, океанов и ледников, различные неорганические и органические соединения, растворенные в этой воде и накапливающиеся в донных отложениях и почве, еще не претерпевшие полной деструкции отмершие компоненты живых организмов (листья, сучья, сброшенная при линьке шерсть и т. п.) и трупы самих этих организмов (от вирусов и бактерий до слонов и баобабов). По самой приблизительной оценке косные компоненты составляют более 99 %, а живые — менее 1 % общей массы биосферы. Косные компоненты распределены по всей биосфере относительно равномерно. Значительное количество их включено в постоянный биологический круговорот, то есть периодически входит в состав живого. Химические соединения, выходящие из биологического круговорота и слагающие, например, мощные осадочные породы, не включают в понятие биосфера.

В отличие от косных компонентов, живые компоненты биосферы четко структурированы. Элементарными структурами биосферы являются биоценозы (так в науке называются биосистемы), слагаемые, в свою очередь, взаимодействующими популяциями, состоящими из отдельных индивидуумов.

По примерным данным, около 1 % всей биомассы Земли приходится на микроорганизмы и животных (2,3 × 1016 г) и около 99 % — на зеленые растения (2,4 × 1018 г). Только 0,13 % биоты обитает в океанах, а остальные 99,87 % — на континентах.

В настоящее время на Земле известно около 100 тыс. видов микроорганизмов (бактерии, простейшие, грибы и водоросли), 150 тыс. видов высших растений и 1 млн видов животных, из которых более 800 тыс. приходится на членистоногих. В отдельные биоценозы входят десятки и сотни взаимодействующих друг с другом видов, представленных популяциями, состоящими из сотен (для животных), тысяч (для растений) и миллионов (для микроорганизмов) особей. Жизнедеятельность этих последних и обусловливает, в конечном счете, стабильность характеристик биосферы и ее элементный состав.

80 % всех добываемых природных богатств потребляется 20 % населения планеты. Причем бо’льшая часть ресурсов добывается в развивающихся странах, а ровно половина малоимущих всего мира живет в богатых ресурсами странах.

Круговорот живого

Биосфера не остается неизменной. Она ведь живая! Она изменяется, находится в движении, ее составляющие обмениваются между собой веществом и энергией. Особенностью биосферы, ее элементного состава является постоянный круговорот, то есть переход из косного в живое и обратно. Различные химические элементы, захваченные в период становления биосферы вихрем этого круговорота, иногда медленно вырываются из него, устремляясь в космическое пространство (молекулы газов) или выделяясь в виде водонерастворимых соединений, слагающих осадочные породы (известняки, сланцы), а также в виде залежей угля, нефти и некоторых рудных месторождений. Столь же медленно им на смену в биосферу включаются новые атомы, извлекаемые хемотрофами из основных пород. Многократное «пропускание» через биологические компоненты одних и тех же атомов вещества — один из основных законов функционирования биосферы. Но общее количество вещества, находящегося в «обороте», ограничено. Именно это, как считают ученые, налагает основные ограничения на изменения количества живого вещества на нашей планете, определяя его постоянство.

По мнению известного Гарвардского биолога Уилсона ежегодно с лица Земли исчезает около 30 000 видов живых организмов. К концу этого столетия Земля лишится около половины своего теперешнего биоразнообразия.

Круговорот атомов в биосфере определяется тремя основными факторами: метаболизмом организмов, их размножением и их отмиранием. Во время становления биосферы, когда биомасса живого вещества возрастала, стремясь к своему пределу (на котором находится и по сей день), размножение, в общем, преобладало над гибелью и сопровождалось ростом дифференциации организмов по их трофическим функциям, то есть увеличением количества видов. Этот период характеризовался вовлечением все большего количества атомов косного вещества в биологический круговорот. Однако по мере формирования биосферы, наряду с продолжающимися сменами ее видового состава и формированием все новых вариантов биоценозов, общая масса биоты возрастала все медленнее и наконец стабилизировалась на современном уровне. Произошло это не менее 2–3 млрд лет тому назад.

Чем было обусловлено окончание этого процесса? Был ли достигнут предел возможности использования солнечной энергии или предел доступности первичных источников атомов? Или это — гигантское равновесие химических реакций, когда количество вновь синтезируемого продукта сравнивается с количеством разрушающегося? Или — результат насыщения «емкости» жизненного пространства? Как бы то ни было, можно полагать, что стабилизация количества биомассы на Земле была тесно связана с ускорением образования новых видов, то есть с ускорением процесса эволюции.

Эволюционирующими единицами являются не отдельные индивиды. Это слишком малые части живого целого, они ничего не решают. Действующими агентами биоэволюции являются популяции. Они образуют так называемые информационные системы 2-го рода.

Каждый живой организм представляет собой информационную систему 1-го рода. Такая система состоит из генетической информации и кодируемых ею операторов — цитоплазматических и соматических компонентов организма. Популяции живых организмов составлены из множества информационных систем — организмов, связанных общностью происхождения и вписанных в тот или иной биоценоз, составляющий, вместе с окружающей средой, их экологическую нишу. Популяции организмов одного и того же вида могут быть включены не только в идентичные, но также в различающиеся биоценозы — в этом проявляется полипотентность присущей им генетической информации.

Каждую популяцию, из каких бы организмов она ни состояла, можно охарактеризовать двумя параметрами: средним временем удвоения количества ее особей в условиях конкретной экологической ниши и средней продолжительностью жизни этих особей в данных условиях. Если взять отношение этих показателей, получится важный параметр, который отражает надежность популяции как биосистемы в определенных условиях. Обозначим его L. Если этот параметр больше единицы (то есть время удвоения больше времени жизни особей в популяции), то, благодаря размножению организмов, происходит возрастание численности популяции. Если параметр надежности равен 1, будем иметь простое их воспроизведение, и численность популяции сохраняется на некотором постоянном уровне. А вот если этот параметр оказывается меньшим единицы — дело плохо, преобладает отмирание, и численность популяции уменьшается.

Кстати, при L = 1 дела популяции тоже не так уж хороши. Состояние системы, представленной популяцией таких организмов, становится нестабильным. А это значит, что любые флуктуации среды обитания, в том числе сдвиги внутри экосистемы, могут «качнуть» популяцию в сторону вымирания, и этот сдвиг, скорее всего, будет фатальным и приведет систему к гибели. Существует давно сформулированная теорема, согласно которой при L = 1 популяция обречена на гибель по чисто внутренним причинам. С течением времени численность такой популяции все более флуктуирует, и, когда она приблизится к нулю, популяция исчезнет. Конечно, время гибели популяции при L = 1 сильно зависит от ее исходной численности, но результат остается неизменным: даже при сколь угодно большой исходной численности популяции, если время стремится к бесконечности, вероятность ее выживания, к сожалению, будет стремиться к нулю. Уменьшение времени жизни особей в популяции ускорит наступление ее гибели. Поэтому понятно, что стабильность или надежность популяции определяется неравенством L > 1, и тем она выше, чем больше величина параметра L.

Конечно, утверждение, что при L = 1 популяция обречена, теоретическое. В самом деле, если бы это было строго-настрого так, живые существа уже давно исчезли бы! Условие L > 1 означает, что численность особей в популяции возрастает в геометрической прогрессии. Но на самом деле этого не происходит. Численность природных популяций в среднем стабильна. Скорее, дело идет о воздействии, о своеобразном «давлении жизни». Отношение L > 1 отражает ту «силу жизненного противостояния», с которой система организмов сопротивляется разрушительному воздействию на нее различных внешних «помех».

Если численность популяции, по каким-либо причинам, снизилась ниже известного критического уровня, такая популяция деградирует и исчезает. Только условие L > 1 позволяет популяции сохранять свою численность выше критического уровня при усилении давления извне и достигать оптимального значения при ослаблении такого давления. В случае же L = 1 ослабление давления среды не будет сопровождаться ростом численности популяции, а любое усиление негативного воздействия будет приводить к уже некомпенсируемому уменьшению ее численности и, в конце концов, к вырождению.

Начиная с 2006 года, по неизвестной науке причине на Земле резко сокращается популяция медоносных пчел. Если темпы сокращения популяции не изменятся, к 2035 году пчелы исчезнут с лица Земли. Это грозит утратой не только меда, но и большинства фруктов, овощей, ягод и орехов. Опыление этих растений полностью зависит от активности пчел: одна пчелиная семья опыляет за день до 3 млн цветков.

Из популяций различных видов складываются экосистемы. Любую экосистему можно определить как систему самовоспроизводящихся популяций, занимающих единый ареал обитания. Есть две важнейшие характеристики экосистемы: количество слагающих экосистему видов N и средняя численность особей в представляющих эти виды популяциях ni (i = 1, 2, …, N).

Основных функций, которые выполняет любая экосистема, также две. Первая — обеспечение прироста численности популяций (то самое «давление жизни»), или общей биомассы экосистемы V (это называют продуктивностью данной экосистемы). Вторая функция — кондиционирование, или очистка среды обитания от побочных продуктов. Очевидно, чем больше скорость утилизации отходов, тем лучше условия для прироста биомассы, то есть тем сильнее будет давление жизни.

Оптимальным, по крайней мере для замкнутых экосистем на определенных постоянных территориях, будет условие, когда, так сказать, «мощность очистки» среды экосистемы превосходит ее продуктивность, что соответствует поддержанию экосистемы в состоянии «максимальной чистоты».

Оптимальное изменение (эволюция) популяций может идти двумя путями: путем расширения ареала обитания данной экосистемы (экстенсивный путь ее развития) и путем увеличения ее мощности очистки (интенсивный путь). Важно, что уменьшение продуктивности экосистемы нельзя считать приемлемым: снижение биологической массы может осуществляться лишь ценой понижения давления жизни слагающих экосистему популяций, что, мы знаем уже, чревато их деградацией и гибелью.

Так как в реальных ситуациях ареал обитания любой экосистемы всегда ограничен, то с течением времени на смену ее экстенсивному развитию, или экспансии, неизбежно должен прийти интенсивный путь.

Экосистемы, в свою очередь, соединяются в биоценозы. Биоценоз — это самоорганизующаяся система, состоящая из нескольких экосистем. Биоценоз достигает стабильности и замкнутости, когда скорость прироста биомассы в каждой экосистеме и популяции равна скорости образования побочных продуктов в режиме их реутилизации, то есть когда система успевает их переработать.

Для биоценозов стабильность наступает в том случае, когда среднее время удвоения биомассы в них совпадает со средним временем жизни особей в его популяциях. Это же справедливо и для всей биосферы, представляющей собой саморегулирующуюся и самостабилизирующуюся совокупность всех населяющих Землю биоценозов.

Надежность функционирования биосферы обеспечивается надежностью выполнения функций продуктивности и функций кондиционирования (очистки пространства жизни, как мы помним). Поэтому общая надежность может быть определена как произведение показателей надежности выполнения обеих функций.

Теперь вернемся снова к отдельным популяциям, составляющим экосистемы. Экосистемы, как и экологические ниши, для разных организмов чаще всего перекрываются, но не полностью совпадают. Для биосферы в целом характерна иерархия, иерархическая структура, так что обитатели верхних ярусов жизни, как правило, венчают собой или объединяют по несколько экосистем, представленных обитателями нижних ярусов.

Законы, управляющие динамикой популяций разных организмов, едины, независимо от того, какую функцию они выполняют в биосфере и на каком уровне организации (и ярусе жизни) они находятся. Обусловлено это тем, что, независимо от видовой принадлежности, ни один организм не в состоянии выполнять обе основные функции в своей экосистеме — и производство биомассы, и утилизацию побочных продуктов своей жизнедеятельности.

Благодаря наличию в любой экосистеме обратных связей, уменьшение численности некоторой данной популяции (если оно не ниже критического) неизбежно будет приводить к такому изменению статуса экосистемы, при котором условия обитания этой популяции опять сдвинутся в «благоприятную» сторону, что приведет к увеличению ее численности, за чем последует ее уменьшение, затем — опять увеличение и т. д. В реальной ситуации это будет проявляться как своеобразные «волны жизни». Кстати, простейшей моделью таких волн может служить система «хищник-жертва». Поэтому в любой стабильной экосистеме численность любой популяции будет всегда колебаться около некоторого постоянного значения, не выходя за определенные максимальные и минимальные пределы.

В более общем виде эту закономерность можно сформулировать как принцип, согласно которому совокупность или биомасса особей, выполняющих в данной экосистеме данную трофическую (то есть связанную с жизнедеятельностью организмов) функцию, никогда не может превзойти некоторое критическое значение без разрушения этой экосистемы. Принцип этот, как мы увидим ниже, особенно ярко выявился на примере эволюции человека.

Получается, что для любой стабильной экосистемы, биоценоза или биосферы биомасса организмов, выполняющих определенную трофическую функцию, всегда ограничена сверху некоторой критической величиной. Взаимоотношения организмов, выполняющих в данной экосистеме одну и ту же трофическую функцию, могут повлиять на их видовое разнообразие, на замену одних видов другими (за счет эволюционного процесса или миграции извне), но не в состоянии привести к увеличению их суммарной биомассы сверх некоторого предела без разрушения этой экосистемы, биоценоза или биосферы в целом.

Иначе говоря, для любой экосистемы всегда существуют два предельно допустимых максимальных уровня численности любой популяции: нижний, соответствующий максимальному видовому разнообразию организмов, выполняющих данную трофическую функцию, и верхний, соответствующий монополизации этой функции каким-либо видом. Однако, в силу того, что не существует двух разных видов, которые были бы идентичными во всех эколого-трофических отношениях, для всех биоценозов и биосферы в целом справедливо следующее правило. Первому случаю будет соответствовать максимальная стабильность, или надежность экосистемы. Второй случай, когда данная функция монополизируется представителями какого-либо одного вида, будет неизбежно сопровождаться уменьшением надежности экосистемы — уменьшением пространства режимов, где данная экосистема может стабильно функционировать.

Тогда выходит, что в достаточно развитой и достаточно обширной (то есть характеризующейся большим числом степеней свободы) биосистеме (биоценозе или биосфере) можно выделить два наиболее общих направления эволюции составляющих ее популяций и видов живого.

Первое направление: все большая специализация внутри данной экологической ниши, точнее — внутри данной экосистемы, что обогащает ее трофическими аналогами и делает тем самым более стабильной, более надежно обеспечивающей условия, необходимые для процветания данной экосистемы. Этот путь эволюции чаще всего имеет адаптивный или даже регрессивный характер, так как может быть связан с упрощением организации. В любой эволюционирующей экосистеме такое обогащение трофическими аналогами может идти до определенного предела.

Второе направление — это расширение среды обитания, вовлечение в свою экосистему все больше соподчиненных экосистем. Благодаря этому увеличивается количество потенциальных источников жизнеобеспечения и возможность более эффективной нейтрализации побочных продуктов жизнедеятельности представителей таких видов. Это направление эволюции обычно связано с повышением уровня организации живых организмов. Это — путь биологического прогресса.

В условиях реальной жизни на Земле биологическая эволюция использовала обе возможности: и формирование узкоспециализированных видов, и путь биологического прогресса, связанный со все большим расширением ареала обитания. Наиболее крупным достижением биологической эволюции, шедшей по второму пути, было… догадайтесь с одного раза. Конечно, это было возникновение человека!

В 1958 году по инициативе Мао Цзэдуна в рамках «Большого скачка» была организована кампания по борьбе с вредителями полей. В течение 3 мес. были истреблены 2 млрд воробьев и одновременно резко увеличена плотность посевов. В результате уже через год урожаи резко уменьшились. В стране начался Великий китайский голод, от которого погибло, по разным подсчетам, от 15 до 30 млн человек. Популяцию воробьев пришлось срочно восстанавливать, в том числе за счет импорта этих птиц из СССР и Канады.

Жизнь — в многообразии

Биомасса

Жизнь на планете Земля — это мощный бушующий ураган. Жизнь кипит, отвоевывает территории у неживого. Жизнь настаивает, упорствует в жажде жить.

Сколько видов животных на Земле? Точно этого не знает никто. Ученые насчитывают до 3500 видов млекопитающих и более 850 000 видов насекомых. Несмотря на то, что в течение многих веков исследуется растительный и животный мир, ежегодно публикуются сообщения об открытии новых видов (особенно это касается насекомых), которые обнаруживают даже в давно обжитых и исследованных районах. Наименее изучена жизнь в мировом океане, где сейчас нередко делаются сенсационные открытия.

Особенно велико богатство жизни в субтропической и тропической зонах. Тропики — настоящий рай для земной жизни! Круглогодичное обилие тепла способствует бурному развитию живой природы. Так, в районе реки Амазонки насчитывают около 15 тыс. видов различных животных.

12 % всей поверхности Земли имеет статус заповедников.

Как установили ученые, на участке тропического леса площадью 3–5 км^2 может произрастать до 400 видов только древесных пород и еще до 30 видов растений-эпифитов (лиан и др.). Во влажном тропическом лесу на площади 1 га растет 400–700 экземпляров деревьев, относящихся к 100 различным видам. В тропических районах Америки насчитывают до 50 тыс. видов различных растений, а в лесах Африки насчитывают до 130 тыс. видов только цветковых растений. На острове Ява растет около 1,1 тыс. различных видов деревьев, на острове Цейлон — около 1,5 тыс. видов, на Филиппинах — до 10 тыс. видов растений, а в бассейне р. Амазонки — до 2,5 тыс. древесных пород.

В Бразилии описано 500 видов птиц, при этом только мельчайших представителей мира птиц — колибри — обнаружено в этих краях около 120 видов. В окрестностях города Белена, в бассейне р. Амазонки, ученые обнаружили 700 видов бабочек. Велико и разнообразие рыб в водоемах тропиков. Только в Амазонке их обитает около 2 тыс. видов, что вдвое больше, чем в бассейне Средиземного моря.

И естественно, поскольку разнообразие жизни в тропиках очень велико, там много и видов, представляющих опасность для здоровья и жизни человека: ядовитых растений и животных, ядовитых насекомых, насекомых-переносчиков болезней, опасных и ядовитых рыб и рептилий.

Огромные и микроскопические, хорошо известные, только что открытые или вовсе неведомые, подземные и небесные, красивые и не очень, безобидные и смертельно опасные. Простые и очень сложные, зеленые, пернатые, пресмыкающиеся, насекомые, млекопитающие. Их неисчислимо много, они разные. И все это — порождение и богатство Земли, вечно земное дыхание всеохватного неба.

Самый большой синий кит в истории был выловлен норвежскими китобоями в 1926 году. При длине в 34 м кит весил 177 тонн.

Если представить, что синий кит встал на хвост, то его голову мы увидим на уровне десятого этажа многоэтажного дома. Длина синего кита составляет 33 м, вес — 150 т. Чтобы уравновесить такого исполина, на другую чашу весов нужно было бы поставить 2 тыс. человек или 40 автобусов. В теле кита 10 т крови, а одно только сердце весит около тонны. Синие киты имеют самую совершенную и хорошо развитую дыхательную систему. За пару секунд животные могут выбрасывать до 2 тыс. л воздуха. Благодаря высокоразвитой системе дыхания синие киты способны находиться под водой и не дышать в течение 40 минут.

Некоторые зоологи считают, что предками китов были копытные животные, потому что и у тех, и у других имеется многокамерный желудок, многодольчатые почки и двурогая матка.

Китообразные являются самыми «быстроходными» обитателями океана и превосходят в скорости рыб, которыми питаются. В результате исследований ученые получили данные о скоростях, которые могут развивать киты в погоне за добычей. Опыты над особями, обученными гоняться за плавучей приманкой, показали, что киты могут двигаться со скоростью 40,6 км/ч. Вероятно, еще быстрее двигаются касатки, которые иногда атакуют даже дельфинов. А ведь дельфины очень быстро плавают, их еще надо догнать! По наблюдениям с судна, замерявшего быстроту хода, максимальная скорость, которую удавалось развить касаткам в течение 20 мин, колебалась от 38 до 55 км/ч. Обтекаемая форма тела с относительно гладкой поверхностью, очень гибкий хвостовой отдел позвоночника. Имеющийся у некоторых видов спинной плавник играет роль стабилизатора, который придает телу большую устойчивость в воде. Все плавники хорошо обтекаемы и в поперечном сечении имеют форму вытянутой капли. Идеальный снаряд.

Для того чтобы нырять на большую глубину, кит должен уметь задерживать дыхание. То есть запасать энергию, необходимую для сокращения мышц, деятельности желез и всего организма. Но, несмотря на все эти трудности, киты ныряют на 20–30 мин, а то и на целый час. Зафиксированы факты, когда крупные киты проводили под водой до 1,5 часа.

Самцы гладких китов обладают самыми крупными яичками среди животных — вес каждого достигает 500 кг.

Детенышей синих китов можно считать самыми быстрорастущими малышами в мире животных. С каждым днем масса китенка увеличивается на 80—100 кг. После периода отлучения малыша от материнского молока молодой кит обычно весит около 23 т, а его рост составляет 17 м. Для того чтобы выносить и вскормить такого гиганта, матери требуется несколько лет. Вот почему малыши появляются у синих китов в среднем только один раз в два года.

Африканский слон относится к отряду хоботных млекопитающих. Он признан самым крупным наземным млекопитающим. Рост его порой достигает 3,5–4 м, а вес при этом равен 5–7 т. В ноябре 1974 года охотниками был убит самый крупный представитель вида. Это был самец, масса тела которого превышала 12 тонн.

Африканские слоны предпочитают селиться в тропических лесах, потому что там много пищи и воды, ведь слон — это травоядное животное: он питается плодами, а также листьями деревьев и кустарников.

Слоны обладают очень толстой кожей. А их визитная карточка — длинный хобот, который есть не что иное, как сросшиеся между собой и видоизмененные верхняя губа и нос. Помимо этого, у них имеются бивни, располагающиеся на верхней челюсти — видоизмененные резцы.

Вообще-то слоны — это мирные, неагрессивные животные. Но в период спаривания, во время так называемого муста, когда из кожной железы, расположенной на виске слона между ухом и глазом, начинается выделение черного секрета, они становятся раздражительными и злобными. Этот период длится примерно три недели. Размножаются слоны в любое время года. Слониха ходит беременной 20–21,5 месяца.

Слоненок рождается хорошо сформированным, покрытым довольно густой шерстью. Уже через минуту после рождения малыш встает на колени, двигает хоботом, а еще через несколько минут поднимается на ноги. Примерно через час слоненок начинает делать первые самостоятельные шаги, пытается сосать молоко, но нормально поесть он может только через 3 часа.

Слониха кормит детеныша около двух лет. Она заботливо ухаживает за ним, а если в группе есть и другие взрослые слонихи, то они помогают матери воспитывать малыша. Поэтому их иногда называют «тетушками».

Быки практически не различают цветов. Поэтому они реагируют на красный цвет точно так же, как на зеленый или синий, то есть никак. На быка раздражающе действует не красная тряпка, а то, что кто-то больно его ранит, да еще и машет чем-то у него перед носом.

Другое крупное животное тропиков, носорог, для того чтобы защитить себя от досаждающих насекомых, целый день лежит в грязной жиже у берега водоема. После захода солнца он выходит на пастбище, чтобы насытиться на весь следующий день.

Яванский носорог считается самым редким на планете видом млекопитающих. Сейчас немногочисленные представители этого вида обитают в Юго-Восточной Азии (о. Ява, Вьетнам). В настоящее время насчитывается не более 70 особей. Причиной сокращения численности яванских носорогов стало их истребление человеком, охотившимся на животных из-за рогов, идущих на изготовление сувениров и разнообразных поделок.

Белый носорог — второе по величине (после слона) сухопутное животное: его рост — 1,8 м, вес — 3 т и больше, у него даже рог длиной с небольшого человека! Но это очень редкий зверь.

Пища носорогов — это трава, ветки деревьев и кустарников, а также камыш и другие озерные и болотные растения. Они весьма неприхотливы в еде: едят и колючки, и сухие ветки, и корни. Мощные челюсти носорогов позволяют им без труда разгрызать и пережевывать сучья диаметром до 4 см.

Африканские носороги породы борелло и кейтлоа считаются самыми свирепыми. Их может раздражать что угодно. В ярости они крушат и ломают все на своем пути и убивают любое живое существо, оказавшееся на их дороге.

Сон у носорогов очень крепкий. Африканские мальчишки играют в такую игру: один тихо подкрадывается к спящему носорогу и кладет ему на спину камень. Второй должен этот камень забрать. Третий и четвертый начинают все сначала, и так до тех пор, пока носорог не проснется.

Еще одному гиганту, гиппопотаму, в день требуется 40 кг корма. Высота бегемота в холке — до 1,5 м, длина — до 4,5 м; вес взрослого самца — до 4 т, самки — до 3 т. Опубликованы данные Ветеринарного управления Кении касательно веса частей, из которых состоит бегемот. В одной туше кенийцы нашли 520 кг чистого мяса и 33 кг жира; 27 кг весила печень, 7–8 — сердце, 5 — язык, 9 — легкие, 280 кг — кости. Кожа весила почти столько же, сколько кости — 248 килограммов.

Одну часть тела бегемот использует не совсем обычным образом. Это хвост. Если, допустим, кабан вертит своим хвостиком в минуты наслаждения едой, то бегемот делает это, выбрасывая экскременты. Своим хвостом он измельчает их и рассеивает по сторонам. Экскременты животного, как и газы, выходящие через пасть, не имеют смрадного запаха. Они являются отличным удобрением для прибрежной растительности, а также способствуют развитию планктона в воде.

Бегемоты вертят хвостом по самым разным поводам. Например, встретив на пути самку, самец приветствует ее лихим разбрызгиванием, а самка отвечает ему тем же. Этот же жест может стать выражением угрозы и вызовом на бой.

Самыми крупными представителями отряда хищников считаются уссурийские бурые медведи. Длина тела отдельных особей нередко достигает 2,5 м, а масса составляет 700 кг. Самыми крупными вырастают звери, живущие на полуострове Камчатка и на Дальнем Востоке. Часто бурые медведи производят впечатление неуклюжих и медлительных существ. Но во время охоты они проявляют невероятную ловкость и подвижность.

У белых медведей темная кожа, а мех не белый, а прозрачный.

У всех медведей новорожденные детеныши очень маленькие и беспомощные: голые, слепые, 300–400 г весом, длиной 24–28 см, с обхватом груди 18–19 см. Зубов у них нет, ушные проходы закрыты. В берлоге медвежата растут очень медленно. В возрасте 1 месяца они едва достигают веса 1 кг, а в двухмесячном — 2 кг. В это время медвежата еще абсолютно беспомощны, но в 2 месяца уже покрываются волосами, начинают видеть, слышать и передвигаться по берлоге. Медведица кормит их молоком в течение полугода, хотя приобщаться к пище взрослых они начинают уже с мая. К первой осени своей жизни молодые медвежата весят примерно 16 кг, к концу второй осени — 30–40 кг.

Отпечатки пальцев австралийского сумчатого медведя коалы неотличимы от отпечатков человека даже под микроскопом.

Медведь панически боится даже следов тигра.

Тигр — это самый крупный представитель семейства кошачьих. Типичная кошка — только огромных размеров! Это один из наиболее крупных наземных хищников вообще, уступающий размерами только бурому и белому медведям. Длина его тела колеблется от 1,5 до 3 м у разных подвидов, а вес — от 120 кг у мелких островных форм до 300 кг и более у амурского тигра. По длине тела и весу тигр превосходит льва. Он очень силен. Охотники не раз становились очевидцами того, как тигр перетаскивал задушенную им лошадь на расстояние 500 м и более. Тигры — хорошие скалолазы и пловцы. Они свободно переплывают такие широкие реки, как Амударья и Амур.

Следующие хищники, львы, являются великолепными прыгунами: их тело состоит практически из одних мышц. Лев способен перепрыгнуть через ущелье шириной 10 м. Понятно, что изгороди высотой 3 м для львов — смехотворное препятствие.

Хвост у льва длинный, тонкий, но невероятно сильный. Он может вдруг стать прочным, будто из металла. Лев может бить хвостом, как мощной плетью. Самой примечательной деталью хвоста является кисточка, в которой скрыт шип — оголенный последний позвонок. Кисточка на конце хвоста, в отличие от гривы, бывает и у льва, и у львицы.

Львы умерщвляют свою жертву быстро. Они прыгают сбоку или сзади на спину добычи, наваливаясь на нее передней частью тела, при этом задние ноги остаются стоять на земле. После этого передней лапой они хватают животное за голову и рывком дергают к себе. Говорят, что при этом ломаются шейные позвонки жертвы. Они также могут впиться зубами в горло и задушить добычу таким образом. Иногда с этой же целью лев зажимает добыче нос. То, что в природе не бывает вредных животных, ясно давно. Тем не менее, интересно узнать, скольких животных должен умертвить живущий в дикой природе лев, чтобы выжить. На свободе лев способен съесть за один раз до 18 кг мяса, а по другим оценкам даже 31! Но он зачастую убивает больше животных, чем может съесть. Ученые-натуралисты подсчитали, что в среднем за год лев убивает 19 животных весом 117 кг. За 10 лет это составляет 190 жертв.

Самый большой дождевой червь на Земле — гигантский австралийский червь — достигает 2 м в длину.

Самые маленькие высшие животные нашей планеты — землеройки. Чемпионкой по минимальному весу является крошечная бурозубка — ее вес составляет в среднем 1,6–2,9 г! Между тем, землеройки сами являются хищниками, причем ночными. Тонкий слух и обоняние помогают им безошибочно находить пищу, а эхолокация имеет определяющее значение для ориентировки в пространстве. Жертвами землероек становятся не только насекомые, но и мыши, земноводные, мелкие птицы и даже рыбы.

Землеройки отличаются особой прожорливостью. Вряд ли еще в природе можно отыскать существ, съедающих за сутки количество пищи, равное весу их тел. Причем пища поглощается как днем, так и ночью. Мучимая голодом землеройка способна съесть даже собственных детей. Землеройки погибают уже через 1,5–2 часа, если за это время им не посчастливилось поймать добычу — червя или лягушку. Почему же тогда землеройки такие маленькие?! А дело в том, что малые размеры тела этих животных связаны со значительным расходом тепла, приходящегося на единицу веса. Видимо, их необыкновенная прожорливость тоже объясняется высокими энергетическими затратами на теплоотдачу и ведение активного образа жизни.

Самый маленький из известных науке динозавров был ростом 4 дюйма и весил меньше собаки породы чихуахуа.

Игрунковые обезьянки считаются самыми общительными среди представителей класса приматов. Свои эмоции они выражают с помощью мимики, двигая губами, веками, ушами и даже пучками волос, растущих на голове. Однако главным средством общения для игрунок остаются обонятельные сигналы. В качестве таких меток используются слюна, моча, выделения кожных желез. А наносят их обезьянки не только на понравившиеся им предметы, но и на своих сородичей и на себя.

В борьбе с самой ядовитой гадюкой еж всегда одерживает победу. Схватив змею за хвост, он сразу же сворачивается в тугой клубок, и все попытки гадюки атаковать противника оказываются безрезультатными. Постепенно еж затягивает змею под себя и съедает ее. Примечательно, что яд гадюки не оказывает на маленького колючего хищника никакого действия. Еж нечувствителен к различным ядовитым веществам: кантаридину шпанских мушек, яду пчел, шмелей, едкой крови божьих коровок и волосатых гусениц.

Иглы защищают ежей от холода не хуже, чем шкуры защищают других животных.

Джейраны являются самыми выносливыми среди парнокопытных, обитающих в пустынных и полупустынных районах. Они населяют полукустарниковые и солянковые пустыни и злаково-солянковые полупустыни, найти воду на территории которых удается крайне редко. Чтобы утолить жажду, они могут пройти расстояние в несколько десятков километров, и при этом пить не только пресную, но и солоноватую воду.

Характерной особенностью внешнего вида сайгаков является наличие на передней части морды своеобразного вздутия, напоминающего недоразвитый хобот. Такой некрасивый нос играет важную роль в жизни животного. Оснащенный многочисленными кровеносными сосудами, этот «минихобот» помогает сайгаку очищать, согревать и увлажнять воздух, поступающий сначала в бронхи, а затем в легкие. Кроме того, во время бега животного нос вступает своеобразной насосной трубой, поставляющей необходимое количество воздуха. Можно сказать, что у сайгака «двигатель с турбонаддувом». Благодаря особенности строения внешнего дыхательного органа животное стало одним из самых быстрых среди парнокопытных. Сайгаки способны развивать скорость 72–75 км/ч, не затрачивая при этом особых усилий. А скорость сайгаков при беге на длинные дистанции нередко достигает 50–60 км/ч, причем с такой скоростью животные способны бежать до 1,5 часа.

Рекорд долгожителя среди всех живых существ принадлежал слоновой черепахе Аддвайту, которая умерла в зоопарке Калькутты в 2005 году в возрасте 250 лет.

Пресмыкающиеся, или рептилии, — непосредственные предки птиц и зверей. Они являются первыми настоящими наземными позвоночными, эволюционными потомками земноводных. Жили представители данного класса уже в каменноугольном периоде палеозоя, примерно 300 млн лет назад. В мезозое рептилии доминировали всюду: на суше, в воде и в воздухе — не случайно мезозойская эра получила название «век ящеров».

Рептилии покрыты роговыми чешуйками, или щитками. Они пойкилотермны (ранее использовался термин «холоднокровность»): это значит, что температура их тела зависит от температуры окружающей среды. Продолжительность жизни пресмыкающихся рекордна для животного мира. Так, гигантские черепахи живут до 200 лет.

Крокодилы — старейшие представители земной фауны. Их тоже можно назвать долгожителями: они могут жить 80—100 лет, но при благоприятных условиях и больше. В 1903 году в Восточной Африке убили старого крокодила длиной 7,6 м, при этом у него не хватало четверти хвоста. Туловище этого гиганта составляло в обхвате около 4 м. Однажды в желудке убитого крокодила охотники обнаружили полуразложившиеся останки носорога.

Крокодилы появляются на свет из яиц, напоминающих по размерам гусиные. В зависимости от вида в одной кладке насчитывается от 10 до 100 яиц, причем ко времени кладки в них уже находятся эмбрионы, развитие которых начинается еще в материнской утробе.

Комодских варанов зовут драконами неспроста. По размерам они уступают разве что крокодилам, да и то только некоторым видам. Средняя длина взрослых варанов составляет 3 м, вес достигает 150 кг. Во время трапезы дракон хватается зубами за край грудной клетки жертвы и отрывает от туши крупные куски мяса с костями. За 17 мин животное способно уничтожить 27 кг мяса.

При заглатывании крупных, 2—3-килограммовых кусков комодский варан помогает себе передними лапами, иногда он вытягивает вперед голову, способствуя тем самым быстрому прохождению пищи в желудок. Случалось, что большие куски мяса или оторванная оленья нога застревали в глотке. Тогда дракон начинал сильно мотать головой из стороны в сторону, это продолжалось до тех пор, пока кусок не выскакивал из пасти.

Если курице сунуть голову под крыло и перевернуть ее вверх тормашками, она заснет.

Варан целиком проглатывает кур — вздрагивающие, еще живые птицы лучше скользят по пищеводу в желудок! Что касается более крупных животных, например свиней и водяных буйволов, то он не стремится проглотить их сразу целиком, а сначала сильно кусает и таким образом инфицирует высокопатогенными, разлагающими белок бактериями, которые содержатся в его слюне. Жертвы пытаются убежать, но убегают совсем недалеко. В течение нескольких часов они заболевают и становятся настолько слабыми, что либо умирают, либо уже не оказывают варану никакого сопротивления. Часто к такому пиршеству присоединяются еще несколько варанов.

Насытившись, комодский варан идет отдыхать. В укромном тенистом местечке он наслаждается прохладой и спокойно переваривает проглоченную еду. Однако через 2–3 ч животное вновь готово к приему пищи.

Известны 20 видов мухи цеце. Многие из них являются переносчиками трипаносом. Трипаносомы, встречающиеся в крови диких обитателей африканских лесов, в частности антилоп, не приносят существенного вреда своим хозяевам. Однако напившаяся крови такого животного муха цеце становится очень опасной для жизни человека. Трипаносомы, переносимые цеце и попадающие в кровь человека при укусе, вызывают у жителей тропических районов развитие сонной болезни — тяжелого заболевания, сопровождающегося лихорадкой, сонливостью и полным истощением организма. Ежегодно от сонной болезни погибает значительное количество темнокожего населения Западной Африки, и эффективного средства борьбы медицина до сих пор не знает!

Паук-крестовик каждое утро съедает свою паутину, а затем плетет ее заново.

Личинки жуков-дровосеков очень выносливы, при наступлении неблагоприятных для развития условий они делают все возможное, чтобы выжить. Известен ряд случаев, когда в подсохшей или малопитательной древесине на протяжении 40–45 лет обитали личинки усачей, превратившиеся затем в карликовых жучков-мутантов. Точность этих наблюдений не вызывает сомнения, поскольку насекомые появлялись из мебели и стен старых домов, построенных почти полвека назад.

Скорее всего, личинки попали в предметы домашнего обихода и деревянные конструкции домов еще во время заготовки строительного материала. Неблагоприятные условия замедлили их развитие, но личинки сумели выжить.

Жуки-дровосеки способны прогрызать металлические вещи. Долгое время исследователи полагали, что насекомые выделяют какие-то вещества, способствующие разложению цинка или свинца. Однако, в конце концов, было установлено, что жуки воздействуют на металлы механически.

Среди крупнейших представителей данного семейства особого внимания заслуживает дровосек-титан, встречающийся в долине Амазонки и на значительной территории Южно-Американского континента. Это насекомое достигает 180 мм в длину. Лишь немногим уступает ему бразильский дровосек-большезуб, длина которого составляет 140 мм.

Жуки-дровосеки являются представителями самого многочисленного семейства усачей. Представитель этого семейства яванская батоцера получила известность благодаря своим огромным усам, достигающим в длину 220 мм.

Тараканы — очень древняя группа насекомых, которые жили на Земле еще 350 млн лет назад: в породах этого возраста найдены их окаменевшие останки. В настоящее время их известно около 2500 видов, большая часть которых (около 80 %) обитает в тропических лесах. В Европе насчитывают порядка 55 видов.

Тараканы могут сплющивать тело до толщины листа бумаги, чтобы пролезть в узкие трещины. Они могут находиться в замерзшем состоянии неделями и, оттаяв, вернуться к жизни без всяких последствий. Экспериментально подтверждено, что тараканы могут жить без головы несколько недель.

В настоящее время ученые насчитывают примерно 8663 вида птиц и около 100 млрд особей.

Африканские страусы — самые крупные птицы. Самцы весят до 150 кг и могут достигать роста 3 метра.

Страусы никогда не прячут голову в песок. В случае опасности они просто убегают, развивая скорость до 70 км/ч.

Самка страуса несет самые большие яйца. Длина страусиных яиц достигает 25 см, диаметр их может составить до 20 см. Весит такое яйцо иногда около 2 кг (сварить вкрутую его можно за 2 ч). Сколько же это обычных куриных яиц? Проверьте!

В Ботсване и Зимбабве пастухи часто вместо собак используют обученных страусов.

Пингвин — одна из самых крупных птиц на Земле. До сих пор исследователи не могут точно установить, каковы родственные связи пингвинов с другими видами пернатых. Иногда даже предлагают выделить пингвинов в совершенно особый подотряд или даже подкласс.

Пингвины могут пить морскую воду. Избыток солей концентрируется в специальных солевых железах и выводится через ноздри.

Пеликаны размером чуть больше вороны. Но они очень тяжелые: иногда их вес может достигать 15 кг. Пеликаны славятся своими огромными крыльями, размах которых бывает больше 3 метров!

Самый крупный среди альбатросов — странствующий. По величине с ним может сравниться только лебедь. Это длиннокрылая птица. Размах плоских белых крыльев альбатроса достигает 4 метров.

Очень старые, очень большие и толстые

Любители деревьев не устают рассказывать о самых высоких деревьях, самых толстых и о самых старых. И тема эта никогда не исчерпывается, потому что их рассказы никогда не совпадают.

В Сенегале были найдены деревья, чей возраст насчитывает более 5 тыс. лет! Одно из таких деревьев видел исследователь Мишель Адансон, когда путешествовал по Сенегалу в 1794 году. Он измерил диаметр дерева — получилось более 9 м, и определил его возраст как 5150 лет. Растения рода «адансония», названного в его честь, обычным людям знакомы как баобабы. Нам они известны по детским стихам Корнея Чуковского и по смешным, но недетским песенкам Владимира Высоцкого. Подтверждать возраст баобабов — сложная научная задача, ведь годовых колец, как у других деревьев, у них нет. Но ученые справляются. Самым знаменитым среди адансоний является африканский баобаб. Именно он тиражируется в сознании людей как «классический баобаб». Это определенная, вполне специфическая и уникальная внешность. Высота относительно небольшая — 12–20 м. Зато толщина ствола — вне всякой конкуренции и впечатляет: в поперечнике она достигает у африканской адансонии 10 м, а окружность ствола — 30–40 м. В Книге рекордов Гиннесса есть упоминание о баобабе обхватом 54,5 м. По легендам бушменов, безумным «садовником», впервые посадившим баобаб «вверх ногами» — не кроной, а корнями к солнцу, был не иначе, как черт, злой дух.

Древесина баобабов мягкая и пористая. В сезон дождей она накапливает огромное количество воды — до 120 тыс. л! Из-за этого слоны почти целиком поедают удивительные деревья, получая при этом и корм, и воду. Когда начинается засуха, баобаб «худеет» по мере расходования накопленной жидкости. Вследствие этого внутри дерева образуются многочисленные, довольно крупные лакуны. Местные жители приспособили эти полости под кладовки, склады, а иногда и под жилища. Что делать, квартирный вопрос во все времена был одним из главных — так, кажется, замечал булгаковский Воланд? Случается, что для особо крупных полых экземпляров баобаба придумывают и более оригинальное применение. Например, в одном из поселков Северной Австралии и в местечке Касане (Республика Ботсвана) дупла зеленых гигантов использовались как тюрьмы. В Республике Зимбабве баобаб служил автобусной остановкой (он вмещал до 40 человек). А в Намибии в полом стволе живого растения устроили баню, со всеми удобствами.

За год зеленые исполины становятся толще примерно на 3 см. Они на редкость живучи: корни баобаба в поисках воды проникают вглубь земли на сотни метров, содранная кора нарастает снова, а при уничтожении сердцевины гиганта он не гибнет. Даже если дерево повалится на землю, но при этом хоть один его корень сохранит контакт с почвой, оно будет продолжать расти.

Аборигены находят применение любой части баобаба. Кору, листья, плоды и семена растения употребляют в пищу, из них изготавливают специи, прохладительные напитки, посуду, кофе, мыло, пищевое масло, репелленты, краски, клей, лекарства, ткани, нитки, струны, рыболовные сети и веревки. Последние, кстати, настолько прочны, что их не может разорвать даже слон!

Не только баобаб, но и другие деревья могут иметь колоссальный диаметр ствола и «древнеисторический» возраст. Известно свидетельство, что знаменитое драконово дерево (Dracaena draco) на о. Тенерифе, которое было повалено ураганом в 1868 году, имело в высоту 21 м, в обхвате 13,5 м, а его возраст составлял 6 тыс. лет. На Канарских островах сохранилось еще несколько больших драконовых деревьев, однако местные жители теперь называют их просто «очень старыми». Никаких достоверных данных об их подлинном возрасте, конечно, нет.

Маслина (Olea europaea) — дерево, растущее чрезвычайно медленно, необычайно выносливое и необычайно долговечное. Настолько, что, может быть, деревья, которые мы видим теперь, в наши дни, в Гефсиманской долине, были уже взрослыми на заре нашей эры, во времена Иисуса Христа.

Мексиканский кипарис (Taxodium mucronatum) также достигает значительного возраста. «Дерево Монтесумы» (Cupressus) в парке Чапультепек в Мехико имеет в высоту 60 м и в обхвате 13,5 м и его возраст оценивают в 6 тыс. лет. Гигантское дерево в Эль-Туле имеет в обхвате более 48 м, а его возраст исчисляют в 2 тыс. или даже в 4 тыс. лет. Есть сведения и о других деревьях-долгожителях. Священная смоковница (Ficus religiosa) в Анурадхапуре на Цейлоне считается самым старым исторически известным деревом. Ее, как говорят, саженцем привезли из Индии в 288 году до н. э., и она все еще живет.

Все это только свидетельства, более или менее достоверные. Однако ученые, потратившие много времени на подсчет годовых колец, пришли к выводу, что возраст самых старых секвой равен 2200 годам, а самые старые из мамонтовых деревьев насчитывают от 3200 до 3500 лет. Один исследователь писал, что в 1880 году он насчитал у одной секвойи 4000 колец, но проверить его подсчеты оказалось невозможным, так как найти этот пень не удалось.

Старые тисы (Taxus baccata) в Британии достигают чудовищной толщины благодаря дополнительным стволам, развивающимся впритык к первоначальному. У одного из этих толстяков в полутора метрах над землей окружность ствола равна 11 м. Он и сейчас растет в графстве Херфордшир.

Веерной кокосовой пальме, произрастающей на Сейшельских островах в Индийском океане, принадлежат самые крупные семена на свете. Вес одного семени может достигать 18 килограммов.

Итак, бывают деревья очень толстые. Но бывают деревья почти такие же толстые, но вдобавок и очень высокие.

Гиперион — так назвали гигантскую секвойю (Sequoia sempervirens) — был обнаружен 25 августа 2006 года натуралистами Крисом Аткинсом и Майклом Тейлором. Дерево точно измерили: его высота составила 115,55 м в высоту! Эта секвойя была найдена в отдаленном районе Национальных и Государственных Парков Редвудс, приток Редвуд-Крик, Калифорния, США. Сейчас гиперион подрос еще: он имеет высоту 115,61 м и весьма солидный диаметр в 4,84 м. Площадь дерева оценивается в 502 м^2, а его возраст — примерно в 700–800 лет. Точное местоположение дерева держится в строжайшем секрете, дабы толпы недалеких и нахальных туристов, с их безудержной «жаждой впечатлений», не навредили исполину, не нарушили экосистему жизни великого дерева.

Однако самые высокие деревья, какие когда-либо видела Земля, — это не калифорнийские секвойи и не гигантские австралийские эвкалипты. Это — обезьянья колючка (Acacia galpinii), которая росла прежде по берегам реки Магалаквини, притока Лимпопо, на северо-западе Трансвааля в Южной Африке. Наблюдения проводились в 1907 году, когда Эжен Маре, известный южноафриканский натуралист, посетил эту отдаленную область, чтобы обследовать упомянутые деревья. Он обнаружил, что многие большие акации либо засохли, либо были повалены, либо уничтожены огнем. В одном случае ствол дерева полностью сгорел, так что на том месте, где он уходил в землю, остался абсолютно круглый кратер с окружностью 32,5 м. Заполненная золой яма была исследована до 20-метровой глубины — ниже уже никакие измерения были невозможны. Очевидно, огонь пожирал подземный ствол до тех пор, пока его не задушила собственная зола. Дальнейшие исследования на песчаных отмелях реки привели Маре к выводу, что стволы этих гигантских деревьев веками заносились речным песком, в результате чего они ушли под землю на глубину более 30 метров…

Самое большое из уцелевших деревьев было тщательно измерено местным землемером. Оно имело в высоту 82 м, а в обхвате в метре над землей 23,2 м, диаметр его кроны достигал примерно 55 м. Исходя из данных о глубине песка, о выгоревшем дереве, о сужении ствола и т. д., Маре рассчитал, что это дерево, если бы оказалось возможным полностью его откопать, имело бы у основания периметр около 44 м и в высоту примерно 122 метра!

«Глупые и странные» корни

Обычный человек, как мы с вами, даже если он имеет сад, полагает, что корни всех деревьев начинаются где-то под стволом и уходят вниз, глубоко в землю. Но и то и другое оказывается неверным. Деревья, как и люди, бывают странными. Есть корни, которые растут прямо вверх, есть и такие, которые разрастаются вокруг веток и ствола дерева, а не углубляются в землю. Короче говоря, корни могут возникнуть где угодно и расти почти как угодно! Например, Ficus religiosa и Ficus benghalensis: именно они изображены на культовых рисунках и скульптурах в индийских храмах как бы вверх тормашками. А они просто так и выглядят — они могли бы сказать о себе: «Корни вверх!»

Многие растения имеют воздушные корни. У эпифитных орхидей бывают корни-прицепки на всех ветках, а кроме того, более или менее прямые корни, врастающие в перегной из опавших листьев, который скапливается среди листьев орхидеи. То же бывает и у эпифитных папоротников. Вслед за этими растениями сбиваются с пути истинного и деревья. У многих пальм короткие питающие корни прорастают из почвы вверх, в перегной, окружающий растение, и даже в воздух. Корни пальм рафия (Raphia ruffia) развиваются между сухими черешками опавших листьев. Они загибаются вверх и, как полагают, функционируют в качестве дыхательных органов. Обычные корни растут вниз под влиянием силы тяжести и благодаря действию гормонов роста ауксинов. Стебли, наоборот, растут вверх — также под влиянием силы тяжести и, по-видимому, благодаря действию тех же гормонов. Корень и стебель ведут себя диаметрально противоположным образом, реагируя на один и тот же стимул — как два неодинаковых грузика, подвешенные к пропущенной сквозь блок веревке, движутся в противоположных направлениях под воздействием одной и той же силы — силы тяжести.

Однако всякое обобщение заставляет нас тут же указать на исключения. У некоторых пальм (так называемых «бесстебельных бразильских пальм») стебель растет вниз и, таким образом, играет роль корня. По мере углубления стебля в землю почка выгибается вверх, но сам стебель пальмы оказывается перевернутым. А вот дыхательные корни черных мангров (Avicennia nitida) прорастают сквозь ил в воздух и ведут себя словно стебли.

Дерево, у которого всего два листа

В Африке произрастает дерево, которое в течение всей жизни обходится одними и теми же двумя листьями. Не всякий человек назовет вельвичию деревом, так как ее ствол едва достигает в высоту 30 см. Однако этот ствол может иметь в диаметре метр и больше, его древесина так же плотна и тверда, как у самой высокой секвойи, а живет вельвичия не одну тысячу лет.

Сколько листьев на «нормальном» дереве? У вельвичии их… два. Листья появляются на свет из глубоких борозд в широком приземистом стволе, они, как и полагается, очень невелики. По мере роста они становятся широкими, толстыми, кожистыми и ребристыми. Идут годы, столетия и даже тысячелетия, а они продолжают расти, громоздясь бесчисленными складками на песке. Их зеленовато-коричневый цвет не меняется, они не опадают. Со временем ветер пустыни распарывает их вдоль, но все те же два листа продолжают и продолжают расти на стволе.

Методом радиоактивного углеродного анализа было установлено, что, во всяком случае, одна вельвичия имеет возраст в 2 тыс. лет (экземпляры помоложе можно увидеть во многих ботанических садах). Эти любопытные растения, количество которых очень ограниченно, были открыты около ста лет назад в песках безводных областей Юго-Западной Африки, где почти не выпадает дождей. Местные жители называют это растение «отджи-тумбо», что значит «большой господин». Открыл его немецкий ботаник Фридрих Вельвич, и в науке закрепилось Welwitschia mirabilis.

У себя на родине «тумбо» выпускает твердый темный стержневой корень, иногда метров на пять в глубину почвы. Ствол растет преимущественно в ширину и в конце концов приобретает сходство с круглым растрескавшимся столом больше метра в поперечнике. Один наблюдатель сравнил его с пригоревшим караваем. Рваные листья, грудой лежащие на песке пустыни, придают старому дереву сходство с кучей мусора. А влагу эти растения получают исключительно из африканских туманов.

Растущая кукуруза поскрипывает — будто надувные шарики трутся боками.

История ядов

Сок «дерева-людоеда» смертельно ядовит. Поэтому анчар нередко называют именно так. Но это — лишь одно из тысячи деревьев, чей сок способен убивать. Растительные яды издавна использовались для приготовления отравленных стрел и дротиков.

Десятки деревьев содержат в себе наркотические или одурманивающие вещества, и жители областей, где еще сохраняется первобытная культура, используют их для ловли рыбы. В речную заводь бросают толченые листья или кору таких растений, и одурманенная рыба всплывает вверх брюхом прямо в ожидающие ее руки. Неподобранная рыба быстро оживает, а использованное наркотическое средство никак не влияет на съедобность добычи.

Самым сильным ядом является ботулинический токсин типа А. Он в 750 раз токсичнее отравляющего газа зарина.

Детьми мы любили совать в рот всякие неизвестные листья, соцветия и плоды. Потом, правда, у нас болели животы и расстраивался кишечник. Однако иногда опасным может быть даже соприкосновение с едким соком и слишком близкое соседство деревьев, пыльца которых может вызывать кожные сыпи или раздражение дыхательных путей. Скорлупа орехов Anacardium occidentale (это наши любимые орехи кешью) очень ядовита, если ее хорошенько не прожарить, а испарения, поднимающиеся от жарящихся орехов, вызывают сильное раздражение дыхательных путей и могут даже привести к смерти. Плоды манго (Mangifera indica) очень вкусны, но их кожица, сок дерева и запах цветков вызывают у многих людей сильнейшие аллергические реакции. К этому же семейству принадлежит сумах (Rhus). Некоторые его родственники-деревья смертельно опасны. Бирманское лаковое дерево (Melanorrhoea usitata) принадлежит к числу тех пяти деревьев, которых особенно опасаются жители лесов Юго-Восточной Азии. Почему же? Потому что их пыльца и легко испаряющийся сок вызывают очень сильные сыпи, сопровождающиеся болями и повышением температуры, а иногда и смерть.

Желтый цветок «куриная слепота» — так в народе называют лютик едкий — действительно ядовит: попадание сока этого растения в глаза вызывает острую резь и боль. Своим названием лютик обязан тому, что куры, как известно, не видят в темноте.

Многие лесные деревья имеет смысл избегать из-за их обжигающего прикосновения. Это в первую очередь относится к таким «древовидным крапивам», как гигантское жгучее дерево Laportea gigas в дождевых лесах северного Квинсленда. Ф. Бейли сообщал об экземпляре с диаметром ствола 3 м. Местные жители боятся этих деревьев, как чумы, так как молодые листья и веточки покрыты жалящими волосками, которые впрыскивают муравьиную кислоту в кожу тех, кто к ним прикоснется. Такое прикосновение на редкость болезненно. Высушенные листья этого дерева вызывают сильнейшее чихание.

Вот достоверное описание: «Кто боится крапивы? Всех нас она когда-нибудь да обжигала. Неприятное ощущение держится некоторое время, а потом исчезает. Вот что я подумал, когда меня предупредили, чтобы я не дотрагивался до листьев Laportea lusonensis, родственницы так нам известной крапивы жгучей. Дабы показать свое к ней пренебрежение, я коснулся указательным пальцем одного из ядовитых волосков. Мою руку пронизала дикая боль. Это нельзя было ни с чем сравнить! Я, разумеется, ожидал, что она скоро пройдет, однако палец продолжал болеть несколько дней, а кончик его совсем онемел. Лапортея — очень красивое растение: листья ярко-зеленые с лиловой главной жилкой, а плоды великолепного синего цвета. Но мне сообщили, что вид, с которым я познакомился, не идет по жгучести ни в какое сравнение с тем другим — с Laportea subclausa. Он обжигает так сильно, что один натуралист… ощущал ожог жалящих волосков еще спустя несколько месяцев. Лошади… переносят такие ожоги очень тяжело, но рогатый скот к ним нечувствителен. Это, возможно, указывает на наличие какого-то сильного белкового яда, воздействие которого удастся, быть может, объяснить, когда химики установят молекулярную структуру нервных волокон».

Смешение фактов и выдумок в отношении смертоносных деревьев не ограничивается какой-либо одной частью света. Когда дело касается историй о ядах, нередко бывает трудно разобраться, какая доля в них приходится на всевозможные суеверия и вымыслы. Некоторые такие истории просто нелепы. В Южной Родезии растет дерево, которое на языке племени баротсе называется мути-узинацита — «дерево без имени» (Schrebera mazoensis), потому что членам племени под страхом смерти запрещается называть это дерево или хотя бы указывать на него. Возможно, оно считается священным потому, что под ним новый вождь племени обычно принимает атрибуты своей власти. В некоторых областях Западной Африки считается кощунством сажать колу (Cola sp.): согласно поверью, тот, кто это сделает, умрет, когда дерево зацветет. Там, где суеверие не позволяет сажать семена, на плантации пересаживают дикие деревца. В других областях кощунством считается обрезка колы, а в третьих владельцы колы рассекают кору и бьют дерево дубинкой, чтобы ускорить плодоношение.

В Перу индейцы приписывают одному ядовитому дереву, Jacaratia digitata, всяческие зловещие свойства. Они даже боятся спать под ним, чтобы не покрыться гноящимися язвами, которые якобы вызывает его сок. Жители Нижней Калифорнии утверждают, что их hierbe de flecha (Sapium biloculare) — очень опасное дерево, и предостерегают путешественников, чтобы они не ложились под ним спать, если не хотят ослепнуть. Листья этого дерева используются для одурманивания рыбы. В Гане местные жители называют некое дерево «закрой глаза» («катав’ани» на языке туи). Считается, что оно «оказывает одурманивающее действие на тех, кто сидит или спит под ним», а потому к нему относятся с опаской.

В Северной Нигерии приписывают волшебные свойства кроталярии (Crotalaria aschrek): она поставляет «любовные зелья», с помощью которых можно вернуть сбежавшую жену, если она неведомо для себя съест или выпьет их. «Особенно могучее действие оказывают личинки, которых иногда можно найти в стебле; из них — с помощью надлежащих заклинаний и добавления некоторых других веществ — изготовляют мазь. Если мужчина потрет ею глаза, то он станет неотразим для женщин».

Плоды земляники, клубники и малины — не ягоды, а орехи. А вот арбуз, тыква и дыня — настоящие ягоды.

В Западной Африке растет также бобовое дерево из рода лоеснерия — Loesnera kalantha. К нему относятся с таким суеверным почтением, что срубившему его грозит суровая кара. Из него изготавливают чрезвычайно могучие амулеты и, что самое интересное, оно — отличный собеседник!

Потребовалась бы длинная полка, чтобы вместить книги с описанием всех деревьев, которым приписывалось страшное, опасное или мистическое воздействие на человека, а также все связанные с ними мифы и суеверия. В наше научно— технологическое время человек научился относиться к деревьям, которые ему чем-либо угрожают, не со страхом, а просто с уважением. Это уважение распространяется и на деревья, наделенные не опасными, а привлекательными свойствами.

По грибы

Грибы (Fungi, Mycetes) занимают промежуточное положение между растениями и животными. Грибы вездесущи: их можно встретить и на земле, и под водой, и в воздухе. Всего в природе насчитывается свыше 100 тыс. видов грибов. Это группа живых организмов, лишенных хлорофилла и питающихся готовыми органическими веществами. Все необходимое для жизни — воду и питательные вещества — они получают путем всасывания (осмоса). Большинство грибов — сапрофиты, то есть они живут за счет разложения отмерших организмов, но встречаются среди них и паразиты, вызывающие серьезные заболевания животных и человека.

Царство грибов подразделяется на три отдела: настоящие грибы, оомицеты и слизевики. Кроме видовой классификации существует также экологическая, зависящая от условий жизни тех или иных грибов. В почве обитают почвенные грибы, в воде — водные (как правило, они паразитируют на животных и растениях), известны также грибы, которые развиваются на древесине, бумаге и даже на современных синтетических материалах.

Обычные грибы устроены «просто». Под землей располагается грибница (мицелий), а над поверхностью почвы появляются только плодовые тела, которые, как правило, состоят из ножки и шляпки. В строгом смысле называть грибом плодовое тело — примерно то же самое, что называть шишку сосной или яблоко яблоней. Гриб — это, прежде всего, мицелий. И его размеры иногда бывают просто невообразимыми. Один из крупнейших почвенных грибов, относящийся к виду Armillaria ostoyae, согласно научным измерениям, имеет мицелий площадью 890 га. Это 1750 футбольных полей!

Формы и оттенки грибов настолько разнообразны, что могут служить пособием в художественных школах. Впрочем, многообразие форм и красок — далеко не самое интересное в царстве грибов. Намного более загадочны другие их свойства. Скажем, гриб-слизевик Dictyostelium discodeum в зависимости от внешних условий может быть либо единым многоклеточным организмом, либо скоплением независимых одноклеточных существ. Когда в окружающей среде достаточно питательных веществ, клетки этого удивительного гриба живут поодиночке. Но если запасы истощаются, часть свободноживущих клеток начинает выделять особое вещество (циклический аденозинмонофосфат). Остальные клетки воспринимают это как сигнал к действию и сползаются к «начальнику». Дальше — интереснее! Клетки объединяются в единый плазмодий, который начинает двигаться. Причем делает он это намного быстрее, чем могли бы одиночные организмы. Плазмодий перемещается до тех пор, пока не найдет среду, богатую питательными веществами. Если же это ему не удается, то он образует плодовое тело, на конце которого появляется мешочек со спорами. Споры с силой выбрасываются в воздух. Они пролетают до 12 м (а слизевик-то маленький)! Так появляются новые колонии клеток.

Грибы, как и растения, тоже бывают ядовитыми. Все мы знаем, как можно отравиться грибами, — доходит до смертельных случаев. Однако некоторые грибы пользовались дурной славой задолго до того, как была установлена их принадлежность собственно к грибам. Например, спорыньевые грибы Ascomycetes (Clavicipitales). Спорынья — гриб-паразит. Его споры разносятся ветром. Если они попадают на злаки, то сразу же прорастают, внедряются в завязь, и вместо зерна развивается мицелий. После этого гриб начинает выделять сладкий сок — так называемую медвяную росу, чтобы привлечь насекомых. Привлеченные «угощением» насекомые разносят новые споры гриба на соседние колосья. В конце своего развития гифы (нити мицелия) срастаются и образуют удлиненный рожок черного цвета. Если хотя бы один такой рожок по недосмотру попадет на мельницу, мука окажется негодной, отравленной. Впервые спорыньевые грибы были описаны в 1863 году, но их народные названия (волчий зуб, черное зерно) известны с древности. Спорынья паразитирует на ржаных колосьях и способна вызывать массовые отравления людей. Первые достоверные сведения о непонятном отравлении, вызванном спорыньей, относятся к IX–X векам. В то время заболевание приписывали вмешательству нечистой силы и называли его «ведьмины корчи» или «адамов огонь». В 922 году в Испании и Франции жертвами массовых отравлений стало около 40 тыс. человек. Начинался сильнейший зуд, вслед за ним развивалась глухота, нарушались функции кишечника, затем шли болезненные судороги и психические расстройства. Как правило, при этой форме отравления люди выздоравливали, хотя последствия болезни сказывались еще долго. Другая форма также начиналась с зуда, но потом наступало омертвение пальцев и позже — всех конечностей. Это заболевание чаще всего заканчивалось смертью.

Не менее опасны грибы, вызывающие различные заболевания у животных. От таких паразитов страдают рыбы, птицы, да и человек не может избежать знакомства с ними. Впрочем, именно поэтому отдельные виды грибов-паразитов используют для создания препаратов против вредителей сельского хозяйства (щитовок, свекловичного долгоносика).

Оригинальными природными «боеприпасами» являются и ядовитые грибы-дождевики, растущие в Южной Америке. Среди местного населения бытует множество легенд, в которых рассказывается, как в сложных ситуациях людей выручали эти необычные создания природы. Например, однажды «боевые» грибы спасли безоружных индейцев от военного отряда колонизаторов. Когда до зубов вооруженные солдаты подошли к первым строениям туземной деревушки, им на головы посыпались какие-то плоды, внешне напоминающие тыквы. Самое неприятное заключалось в том, что «бомбы» оказались довольно сильным «химическим оружием»: разрываясь от удара, они выбрасывали плотное облако черного удушающего газа, от которого нестерпимо резало глаза и слезы лились буквально ручьем. Попавшие под «артобстрел» европейцы неудержимо кашляли и чихали. Негостеприимную деревню наемники вынуждены были обойти стороной…

Европейские грибы-дождевики более миролюбивы и не обладают зарядом нервно-паралитического действия, однако испугать человека или зверя могут. Например, шиповатый дождевик, который растет на замшелых древесных стволах и своей симметрией похож, скорее, на инженерное сооружение, недаром получил прозвище «дедушкин табак». Созревая, этот гриб приобретает буро-коричневую окраску и при нажатии на него «выстреливает» плотным дымным облачком спор, напоминающим табачную пыль. Причем взрывается дождевик чаще всего неожиданно, когда на него неосторожно наступают (в осеннем лесу «дедушкин табак» из-за своей маскировочной окраски обычно незаметен). Вреда человеку или зверю такая «газовая атака» не приносит, зато гриб получает возможность выбросить споры, которые с ветром или на одежде разносятся на большое расстояние. Иногда дождевики достигают поистине гигантских размеров. Например, в Румынии на участке одного фермера всего за три дня вымахало такое чудо, имевшее 1,5 м в окружности и весившее более 4 кг. Но так далеко за гигантскими дождевиками ходить не обязательно. В Украине, в Одесской области, в городе Измаиле автор строк, которые вы сейчас читаете, видел, как на городском рынке продавали гигантские дождевики. Один из белых красавцев весил более 7 кг! Продавцы рассказывали, что гиганты растут прямо на полях, и уверяли людей в прекрасных гастрономических свойствах своего товара.

Хозяйки знают, что на продуктах, оставленных в теплом сыром месте, может появиться характерный белый (или сероватый) «пушок». Это — плесневый гриб мукор. А интересен он тем, что вся его грибница состоит из одной-единственной сильно разросшейся и разветвленной клетки, в цитоплазме которой расположено множество ядер. Еще один плесневый гриб — пеницилл — известен всем: он произвел революцию в медицине. В отличие от мукора, он состоит из множества клеток, разделенных перегородками. В клетках пеницилла образуются вещества, способные убивать некоторые виды болезнетворных бактерий, — антибиотики. Самый известный из них — пенициллин. Кстати, пеницилл — это не отдельный вид, а род грибов, насчитывающий около 250 видов.

Многие помнят увлечение чайным (японским) грибом. Его считали чудотворным, панацеей от множества недомоганий. Его выращивали в банках, на подслащенном чайном настое, на поверхности которого он образовывал толстую слизистую пленку. На самом деле это не отдельный организм, а симбиоз дрожжевого гриба с уксуснокислой бактерией. В результате жизнедеятельности «чайного гриба» жидкость приобретает кисло-сладкий вкус и слегка газируется. И, без сомнения, «чайный квас» хорош как освежающий напиток. Но никакими особенными целебными свойствами он, к сожалению, не обладает — медицинский факт!

Далеко не все загадки грибов разгаданы. Вполне возможно, что в будущем грибы наряду с водорослями станут одним из основных продуктов питания, — по крайней мере, в этом убеждены некоторые микологи. Грибы неприхотливы, устойчивы к погодным условиям, достаточно вкусны. Кроме того, уже имеется опыт искусственного выращивания грибов. А возможно, из них будут получены новые лекарственные вещества… Но так или иначе, эти удивительные посредники между растительным и животным миром заслуживают уважения. Ведь они живут на нашей планете по меньшей мере 500 млн лет…

Челюсти!

О существовании в морях и океанах опасных животных люди знали еще в далекой древности, хотя наряду с вполне реальными представлениями были широко распространены рассказы о фантастических морских чудовищах. Известно было об опасных уколах, о ядовитых укусах, об отравлениях при употреблении в пищу морских обитателей, о мелких хищниках и крупных агрессивных созданиях. По данным исследователей, только ядовитых рыб насчитывается около 500 видов, большинство из которых обитают в соленых водах.

Акулы принадлежат к древнейшему классу хрящевых рыб. Точное количество разновидностей акул, обитающих в мировом океане, окончательно не установлено. В настоящее время их насчитывают около 300–350 видов.

Не все акулы опасны. Потенциально опасными следует считать 50–60 видов, а несомненно опасными — 20–25 видов. Впрочем, среди последних имеются такие, нападение которых на людей было зарегистрировано лишь однажды.

Акулы могут размножаться «непорочно». В 2007 году было проведено исследование ДНК детеныша акулы, которое показало, что у него присутствуют только гены матери. То есть не обнаружено никакого участия мужского пола!

Комфортная для акул круглогодичная температура моря — 18 °C и выше. Однако опасных акул нередко встречают и в водах умеренных широт, особенно летом. Акулы нападают в разное время суток, и хотя обычно говорят, что их агрессивность возрастает в сумерки, большинство зарегистрированных нападений акул (94,3 %) приходится на дневное время.

Акулы — отменные нюхачи. Когда они охотятся, именно обоняние играет главную роль. Известно, что акул привлекает наличие в воде крови, даже в очень незначительных количествах. Так вот, важен именно запах крови. То же относится и к другим выделениям. Вибрации, возникающие при резких движениях раненой рыбы или находящегося в воде человека, также возбуждают акул. Акулы — полиция моря. Они чутко ощущают даже на далеком расстоянии звук бросаемого якоря и шум нырнувших в море людей. И вот они тут как тут! Поведение акул еще не изучено полностью. Некоторые виды в одних районах океана считают очень опасными, а в других относят к числу безобидных. Иногда обитающие в каком-либо районе океана акулы в течение многих лет считаются вполне мирными. И вдруг, внезапно — кровавое нападение.

Есть данные, согласно которым в период Второй мировой войны резко возросло число зарегистрированных случаев нападения акул на людей, особенно на членов экипажей судов, терпящих бедствие, и летчиков, сбитых над морем. Известны случаи увеличения агрессивности акул в районах, где производятся подводные работы, сопровождающиеся взрывами.

Как часто акулы нападают на людей? В 1959 году было зарегистрировано 36 случаев. В 1961 году произошло 30 неспровоцированных случаев агрессии акул. По данным Национального музея США, в 70-е годы было зарегистрировано 1410 нападений акул, из которых 447 оказались смертельными для жертв. Некоторые ученые считают, что опасность акул значительно преувеличена, указывая на то, что на дорогах гибнет гораздо больше людей, чем в зубах морских хищниц. Другие говорят, что частота случаев нападения акул на людей, по-видимому, выше, так как далеко не все они регистрируются, особенно в отдаленных от центров информации районах. И к тому же, человеку, пострадавшему от акулы, ничуть не легче от того, что количество жертв автомобильного транспорта гораздо больше!

Существует несколько видов особенно опасных акул-людоедов. Большая белая акула кархародон. Эта акула одна из наиболее крупных — длина взрослой особи достигает 6–8 м и более. Свинцово-серая, иногда почти черного цвета. Спинной плавник тоже черный. Крупные особи иногда бывают полностью окрашены в свинцово-белый цвет. Встречается преимущественно в открытом море тропических и субтропических широт. В теплое время года может заходить в воды умеренных широт. Особенно часто большую белую акулу встречают в морях южного полушария. В Австралии нападения акул на человека чаще всего относят на счет большой белой акулы, которую там называют «белой смертью». Она заглатывает свою добычу целиком. В желудке акулы, пойманной вблизи Калифорнии, обнаружили целого морского льва массой 45 кг.

Серо-голубая акула мако принадлежит к тому же семейству, что и большая белая акула. Длина 2–4 м. Спина синяя (кобальт, ультрамарин), брюхо снежно-белое. Встречается в открытом море, а также в прибрежной зоне тропических и субтропических широт всех океанов и в Средиземном море. В летнее время мигрирует в воды умеренных широт. Считается наиболее быстрой из акульей братии. Ученые указывают на ее агрессивность в нападении и стойкость в обороне. Неоднократно наблюдались случаи нападения этих акул на лодки. Однажды в результате нападения мако на лодку погибло 3 человека. Такими же опасными считают тихоокеанскую сельдевую, белоперую и темноперую акул.

Тигровая акула. Длина 3–4 м и более. Окраска спины — серая или серовато-коричневая, брюхо более светлое. Тигровую акулу повсеместно считают одной из самых опасных. Прозвище «людоед» по праву должно принадлежать тигровой акуле: количество ее жертв настолько превосходит все случаи людоедства, лежащие на совести, скажем, белой акулы, что всякое сравнение просто немыслимо. Так считают ученые.

Эмбрионы тигровой акулы борются друг с другом в чреве матери. Рождается лишь один, съевший всех остальных.

Голубая, или синяя, акула. Принадлежит к тому же семейству, что и тигровая акула. Длина 3–4 м, но попадаются экземпляры длиной до 6 м и даже более. Окраска спины синяя (цвет индиго), бока голубые, брюхо снежно-белое. Окраска очень яркая, блестящая. Встречается преимущественно в открытом море тропических и субтропических, а также умеренных широт. Считается наиболее распространенной акулой Тихого океана. Мнения о ее агрессивности в отношении человека противоречивы, однако многочисленные случаи нападений голубых акул дают основание причислять эту акулу к опасным.

Акула-молот. Длина 3–5 м. Характерная молотообразная форма головы не позволяет спутать ее с другими видами. Встречается как в открытом море, так и у побережья. Обитает повсюду в тропических и субтропических широтах, летом заходит в умеренные. Считается одной из наиболее распространенных акул мирового океана. Часто нападают на пляжах, вблизи берега.

В одном из наставлений военно-морского флота США рекомендовалось при встрече с акулой хватать ее за плавник и мчаться вместе с ней. Считалось, что акула в результате этого «постепенно утратит злобу». В другой инструкции отмечалось, что сведения о поведении акул по отношению к человеку, находящемуся в воде или пользующемуся индивидуальными спасательными средствами, в значительной мере носят умозрительный, теоретический характер.

Широко распространено мнение, что акулы в момент нападения на человека обязательно переворачиваются на спину. Однако серьезные исследователи отмечают, что утверждение о том, будто акулы не опасны на мелководье, так как им не хватает места, чтобы перевернуться на спину, — опасное заблуждение. Они считают схватку с акулой один на один безнадежным для человека делом.

Необходимо соблюдать осторожность при обращении с акулами даже когда их поймали и изолировали от водной стихии. Даже небольшие экземпляры (до 1 м) способны в момент раздражения нанести значительные раны. Удары хвоста бьющейся на палубе крупной акулы могут вызвать переломы, а контакт с жесткой, похожей на наждачную бумагу, шкурой — привести к обширным и глубоким повреждениям кожи. Акулы очень живучи, и поэтому опытные рыбаки советуют быть осторожным с акулой и тогда, когда она внешне кажется уже мертвой.

Колючие и ядовитые

Большая группа морских рыб, а также некоторые моллюски, иглокожие и другие обитатели океана обладают колющими и режущими шипами, нередко снабженными ядовитыми железами. Некоторые животные несут на своих колючках яд экзогенного (внешнего) происхождения (микроорганизмы, токсины).

Скорпены. Распространены скорпены в прибрежных водах многих морей и океанов различных широт, в районах с каменистым дном. Обитают в Черном море. Это малоподвижные донные рыбы. Более опасны уколы тропических видов скорпен.

Рыба-камень (каменная рыба, бугорчатка, бородавчатка, страшная рыба и др.) является ближайшим родственником скорпены. Длина тела до 40 см. Уродливая крупная голова, голое, без чешуи, тело со множеством нитевидных бородавок и листовидных выростов. Глаза посажены высоко и сближены между собой. Рыло повернуто кверху, нижняя челюсть выдается вперед. Рот большой. Это одна из наиболее ядовитых рыб. Т. Рефли считает, что каменная рыба не имеет ни одной приятной особенности. Это, пожалуй, не только ядовитая, но самая неуклюжая и некрасивая рыба. Она стоит в ряду наиболее отвратительных и отталкивающих существ. Сильный быстродействующий яд каменной рыбы оказывает двоякое воздействие на раненую жертву: разрушает красные кровяные тельца и парализует нервные окончания, а затем и всю нервную систему.

Морской дракончик (морская змейка, скорпион) не превышает 50 см в длину. Ядовитые железы расположены в 6 колючках переднего спинного плавника и в шипах жаберных крышек. Эта рыба часто зарывается в песок и поэтому трудноразличима на дне. Распространены в прибрежных водах умеренных и тропических широт. Тропические виды наиболее ядовиты.

Симптомы отравления после уколов колючек и шипов различных скорпеновых рыб и морского дракончика сходны. Непосредственно после укола возникает резкая жгучая боль. Интенсивность ее бывает настолько велика, что пострадавший кричит или теряет сознание. Боль продолжается в месте укола в течение нескольких часов. Кожа вокруг ранки вначале бледная, затем синюшная и воспаленная. Спустя некоторое время область ранки и вся пораженная часть тела сильно отекают. При уколе руки или ноги боль постепенно распространяется, и в ряде случаев возможен паралич пораженной конечности. Из других симптомов могут наблюдаться: сердечная недостаточность, судороги, лихорадочное состояние, бред, тошнота, боли в суставах, расстройство дыхания. Симптомы отравления нарастают в течение 6–8 ч. Возможен смертельный исход.

Скат-хвостокол, или морской кот. Хвостоколы — одна из наиболее многочисленных групп скатов: их насчитывают около 30 видов. Размеры этих рыб различны. Так, гигантский хвостокол достигает в длину 2,5 м. Туловище скатов-хвостоколов имеет дисковидную форму, хвост хлыстообразный, длинный. На хвосте, ближе к его основанию, расположен шип (или шипы), имеющий ядовитые железы. Длина шипа может достигать 30 см. Края шипа имеют зубчики, направленные к его основанию. Рыба донная. Обитает в прибрежных водах всех широт. В тропических широтах встречаются наиболее крупные экземпляры. Как правило, на человека хвостокол сам не нападает, а большинство несчастных случаев вольно или невольно вызваны самим человеком. Раны, нанесенные хвостоколом, могут быть значительными и сопровождаются симптомами отравления. В США, например, ежегодно насчитывают около 1500 пострадавших. Чаще всего человек наступает на хвостокола, неподвижно лежащего на мелководье и присыпанного песком, и тот немедленно наносит удар хвостом.

Конусы. Эти моллюски чрезвычайно опасны для человека. Их насчитывают более 400 видов. Раковины достигают 10–11 см в длину и часто имеют красивую расцветку, обычно в виде волнообразных полос, иногда по типу сложной вязи («текстильный конус» и др.). Некоторые виды конусов вооружены длинным мясистым хоботком, который они могут выдвигать далеко за край раковины. На конце хоботка имеется несколько острых зубов, устроенных по типу терки, у основания которых расположены ядовитые железы. Укол зубов хоботка конуса вызывает острую боль и онемение места поражения. Место укуса бледнеет, синеет. Ощущение онемения может распространиться на другие участки тела. В тяжелых случаях возможны обмороки, спастический паралич скелетной мускулатуры, сердечная недостаточность и др. Уколы некоторых видов конусов смертельны. Известны случаи, когда жертв просто не успевали довезти до больницы.

Осьминоги. Эти моллюски относятся к семейству головоногих. Кто не знает, как выглядит осьминог? Мешковидное тело, 8 щупальцев с двумя рядами присосок, круглые, крупные глаза. Но не всякому известно, что рот осьминога вооружен крепкими роговыми челюстями, напоминающими клюв попугая. Укусы этим самым «клювом» представляют серьезную опасность, особенно если осьминог обретается поближе к тропикам. Мальчик, поймавший на мелководном побережье Австралии осьминога, понес его на сушу. Пока он шел, животное доползло у него по руке до затылка и укусило. Через два часа мальчик умер… Это был мелкий осьминог массой всего-навсего 30–50 г, с длиной щупалец не более 10 см, обитающий в водах Тихого и Индийского океанов. В момент раздражения на его теле появляются голубые фосфоресцирующие пятна и кольца. Встретив такого осьминога, нужно бежать, и поскорее. Яд его имеет сильнейшее и молниеносно быстрое действие. Паралич конечностей, нарушение сердечной деятельности и дыхания… Помимо всего прочего, нарушается свертываемость крови, так что даже микроукуса довольно, чтобы кровь струилась ручьем! Вдобавок яд очень сложен химически, и противоядия медицина не знает до сих пор!

Всегда ли права природа

Френсис Бэкон, один из великих основателей научного мировоззрения, критикуя средневековую веру в вездесущность божественного провидения и в авторитет древних, говорил, что разум и дух склонен видеть в природе больше порядка, нежели присутствует в ней на самом деле. Интересно, что новая (то есть нынешняя) наука, которую Бэкон так неистово призывал и формировал взамен старой, «оперившись» и «набрав вес», сама стала грешить другой, не менее безраздельной верой в абсолютную мудрость не Бога, на сей раз, а природы. Природа всегда целесообразна, природа всегда знает, что и зачем делает!

Вы, наверное, помните еще со школы старую схему эволюции. Жизнь там двигалась рационально, по «идеальному плану» и только в одном направлении, вверх: примитивные представители животного мира, одноклеточные и беспозвоночные, зависимые от температуры рыбы, земноводные и рептилии, теплокровные птицы и млекопитающие. В самом конце и вместе с тем на самой вершине стояли приматы (не зря так названные) и, наконец, человек, который должен был представлять не только венец творения, но и высшую точку эволюции. Никаких ошибок, никаких просчетов, никаких провалов!

Действительно, эволюция жизни обнаруживает глубокую системность. Тому есть многочисленные подтверждения в популяциях, во внутривидовых и межвидовых отношениях живого, в экосистемах, в биоценозах, наконец, на уровне биосферы в целом. И, конечно, нельзя рассматривать жизнь на земле как скопище недостатков!

Защищая термитник, в качестве крайней меры термиты-защитники взрываются, обездвиживая нападающих клейким содержимым своих тел.

Однако, между тем, природе (как и человеку) свойственно ошибаться. Суслики во сне теряют память. Не только мощные и не имеющие врагов носороги, но и некоторые ящерицы разучились спасать свою жизнь бегством. Птицы иногда уверенно летят… в неправильном направлении. А человек, попадая в природную среду и оказываясь «на равных» с животными, вообще не может свести концы с концами и оказывается «очень-очень плохим животным». Далее. Допустим, что биоэволюция на Земле «запрограммирована» прийти к прогрессивной форме человеческого существа. Такие представления подразумевают, что рыбы, например, образуют лишь первую ступень на пути к Homo sapiens. Но ведь они существуют и по сей день. Численность их видов — свыше 30 тыс., и они составляют более половины всех позвоночных животных. Это же модель эволюционного успеха! Но в распространенных представлениях об эволюции рыбам отводится лишь роль переходного звена на пути к другим, высшим видам животных.

«Спусковой крючок» эволюционного процесса — мутация. А мутация никак не запланирована. Она произвольна. Она не направлена от «худшего» к «лучшему». Это произвольное изменение наследственного материала, и весь смысл в том, чтобы обеспечить жизнь биологической инновацией, ведущей только к тому, чтобы у потомства могли появиться возможности и задатки, которых еще не имели их родители. Но никакой конкретной цели мутация при этом не преследует.

На каждого человека на Земле приходится более 250 млн насекомых.

Во время студенческих экспериментов у мушки-дрозофилы (на биологических факультетах с ее помощью всегда изучают генетику) из глаза в принципе может вырасти крылышко. Ну что ж, можно отпустить муху в свободный полет, и, возможно, естественный отбор решит, есть ли у нее эволюционное будущее. Скорее всего — нет. Но может и быть! Если бы эта самая муха была умным созданием и нашла бы в своем уникальном приобретении преимущества в борьбе за выживание, она бы выжила и начала производить потомство. И когда-нибудь, возможно, мы имели бы новый вид мух. Так что же, ошибка природы? Или нет никакой ошибки, а есть тайный план?

Млекопитающие — сложные животные — здесь тоже «не пасут задних». У жирафа длинные ноги и еще более удивительная шея — и он может есть листву с верхушек деревьев. Это что, бесспорное решение? Ведь известно, что жираф чрезвычайно неуклюж в движениях. Поэтому обычно он движется медленно, плавно. А если подступает опасность? Он вынужден сразу, с места переходить в галоп, иначе рискует просто, что называется, запутаться в собственных ногах, споткнуться и упасть прямо в пасть своим врагам! Представьте, что у вас в авто есть первая передача и потом сразу пятая. Что будет с коробкой передач?

Однако все эти и многие другие «проблемные» животные существуют до сих пор. Почему? Потому что они тем или иным способом научились обращать себе на пользу свои же недостатки. Они превращают свои особенности в преимущества. Например, дельфину как млекопитающему животному необходимо постоянно подниматься на поверхность воды для получения воздуха, и поэтому ему нельзя спать. Но, с другой стороны, именно поэтому он всегда видит своих врагов. В конце концов, в эволюции важно не совершенство (да его там и нет!), а талант принимать свои недостатки и делать из них неоспоримые достоинства. И для нас, людей, этот настрой тоже может быть весьма полезным.

Собаки, обнюхав след, точно понимают, в какую сторону бежало животное.

Маленькие водяные медведи

Самыми потрясающими жителями песка являются, пожалуй, маленькие водяные медведи — так их называют. Под микроскопом они выглядят, как мармеладные мишки — ну очень похожи на известные кондитерские изделия. Их нельзя отнести ни к какой существующей группе животных. Маленькие водяные медведи не относятся ни к беспозвоночным червям, ни к членистоногим, таким как насекомые и крабы, а принадлежат сами к себе! Научное наименование — тихоходки. И эти существа являются просто рекордсменами упорства в выживании.

Они живут не только в пляжном песке, но и в жестких условиях водосточных желобов, и даже в лужах. Они выживают в тропических лесах и в арктическом льду. Состоят эти уникумы из головы и четырех сегментов, каждый из которых снабжен втягивающейся парой ног. Причем понятие «нога» использовать в данном случае довольно смело — речь идет скорее об обрубке. Тем не менее, на нем имеются когти или хватательные мембраны, так что тихоходки могут крепко держаться, если вдруг вода вокруг становится бурной, или, к примеру, начинается отлив.

Тихоходки не уплывают вместе с водой, а остаются на суше (хотя являются, собственно говоря, водными животными) — этот факт указывает на то, что они могут оптимально адаптироваться к радикальным изменениям окружающей их среды. Если становится холодно, или крайне жарко, или наступает засуха — они просто останавливают свой обмен веществ. Содержание воды в теле опускается до минимального процентного соотношения, и тихоходка принимает форму бочонка. Возникает вопрос, живы ли еще, в самом узком смысле слова, эти «усохшие» йоги. Ведь по определению (мы помним) существо без активного обмена веществ не отличается от неодушевленной природы и, собственно говоря, мертво.

Так или нет, но в воде тихоходка за 15 мин снова может пробудить себя к жизни! Что же, чудо? Они воскресают! Святые отцы могли бы сделать из этого хороший «мотив уверования». Секрет трюка, во время которого тихоходка сначала превращает клетки своего тела в сухую массу, а затем снова наполняет их жизнью, ученые не смогли объяснить даже приблизительно!

Эти маленькие водяные звери выживают при температуре +125 °C, что гораздо выше точки кипения воды. Обычно достаточно просто прокипятить воду, чтобы очистить ее от вредных бактерий, но в случае с тихоходками придется добавить еще жара.

Ну а устойчивость тихоходок к холоду — разговор вообще особый! Маленькие водяные медведи выживают при температуре –272 °C, что не только удивительно, но и едва ли объяснимо с точки зрения эволюции. Действительно, в нормальных условиях таких температур на Земле не существует — их не было на протяжении последних миллионов лет. В длительный период своей эволюции маленькие тихоходки никогда не ощущали таких низких температур и поэтому не могли иметь возможности приспособиться к ним. Поэтому появляются самые различные предположения появления этих существ на Земле. Говорят даже, что, может быть, они возникли совсем не на нашей планете, а когда-то приземлились здесь как посланцы внеземной формы жизни, возможно, на какой-то комете или же на НЛО. Правда, большинство ученых это предположение отвергает.

Но существует одно более тривиальное объяснение: эволюция просто перестаралась в стремлении к своей конечной цели, как это с ней часто бывает. Было бы достаточно выдерживать температуру в –100 °C для защиты от холода, но –272 °C? Роскошь, которая не приносит тихоходке никакой пользы! То же самое можно сказать о ее способности выживать под большой дозой рентгеновских лучей: мощность излучения в 570 тыс. рентген убивает примерно 50 % облучаемых тихоходок. Получается, что далеко не все, внедренное природой в жизнь, имеет смысл.

Рогоносец

Без сомнения, жуки являются самой успешной моделью эволюции. Они существуют более 280 млн лет, в течение которых появилось около 400 тыс. их видов. Никакой другой род из класса насекомых не может похвастаться таким многообразием. Только в одной неуютной для холоднокровных животных Центральной Европе имеется 8 тыс. видов жуков.

Говоря биологическим языком, «букашка» (по-английски «bug») — это «насекомое, которое сосет».

На первый взгляд, этот успех кажется удивительным. Жук неуклюж: если перевернуть его на спину, то зачастую ему очень непросто снова принять правильное положение. В полете он со своими жесткими надкрыльями и мягкими крылышками похож на гибрид старого моноплана с неподвижными крыльями и трескучего вертолета со слишком маленьким пропеллером. При движении по воздуху он не так элегантен, как стрекоза, не так проворен, как комнатная муха, и он совсем не такой виртуозный, как пчела. Поэтому некоторые виды жуков не летают совсем — в обычной жизни это не дает им никаких преимуществ.

Семейство животных с таким большим количеством видов приобрело и различные странности. Так, например, бразильский гигантский жук-усач достигает длины в 17 см — представьте, что будет, если он появится на грядке с капустой! Этот жук и сам испытывает довольно большие трудности из-за своего огромного размера. Как и все насекомые, он обладает трахеями, но примитивная система трубок не так эффективна для транспортировки кислорода, как система кровоснабжения у птиц и млекопитающих. Чем больше жук, тем больше у него проблем с насыщением организма кислородом. Поэтому гигантский жук-усач чрезвычайно медлителен и является легкой добычей для каждого, на кого не способен произвести впечатление своими размерами.

У такого же гигантского жука-голиафа из Центральной Африки проблема иная. Его личинки достигают веса в 110 г… и это бесценный источник белка для местного населения. Совершенно очевидно, что не всегда гигантские размеры защищают от врагов — часто они, наоборот, только привлекают внимание некоторых неприятелей.

Среди насекомых встречаются настоящие гиганты: тропический палочник достигает в длину 33 см, а размах крыльев мотылька Attacus Atlas больше, чем у ласточки, — до 24 сантиметров.

Жуки рода Onthophagus являются еще одним ярким примером того, как эволюционные изменения могут одарить и преимуществами, и недостатками. Этих животных также называют навозниками (или калоедами), что объясняется их любимым местом пребывания. Но не этот факт произвел сильное впечатление на Чарльза Дарвина, а их рога. Да, у этих толстых жужжащих жуков имеются настоящие рога, которые могут варьироваться в зависимости от рода и вида жуков. Рога прорастают то впереди на лбу, то на затылке, то на туловище, непосредственно около головы. Дарвин так и не смог объяснить это явление. Для него так и осталось загадкой, какие преимущества должно было дать различное положение рогов в ходе неотъемлемого от эволюции естественного отбора. Исследователь отложил проблему навозных жуков в долгий ящик.

Современный вывод таков: различное расположение рогов связано с определенной атрофией на теле животных. Эволюция — это не концерт по заявкам, и нельзя иметь все. У кого рога растут спереди на голове, у того меньше усики. Если рога расположены на затылке, тогда размер глаз соответственно меньше. А у кого рога находятся на туловище, тот должен обходиться маленькими крыльями. В общем, рога растут всегда рядом с тем органом, от которого данный вид жуков может отказаться с наименьшими для себя потерями. Расположение рогов соответствует стилю жизни данного вида жуков. У кого рога расположены на затылке и, соответственно, имеются маленькие глаза, тот в своей жизни может обходиться почти без зрения — он ориентируется в мире с помощью других органов чувств. В этом случае эволюция хорошо поработала: жуки за свои рога платят отмиранием иных органов, но из-за этого им не приходится опасаться за свою жизнь.

Еще один феномен навозных жуков имеет такое же объяснение. Дело в том, что мужские особи с большими рогами имеют совсем небольшие яички. В общем, правило для всех навозных жуков одно: чем больше украшение, растущее на голове, тем меньше резервуар для семенных клеток. Это, конечно же, значительно ограничивает способность к размножению. Нечто подобное мы видим у некоторых мужских особей Homo sapiens, для которых дорогой элегантный спортивный автомобиль иногда должен служить компенсацией за посредственный половой аппарат.

И раз уж речь зашла о половой силе и возможной плате за нее, скажем здесь о рыжих вечерницах (это такая разновидность летучих мышей). Здесь ситуация складывается с точностью до наоборот. Эволюция изрядно потрудилась над их яичками. Но вот мозг этих животных стал значительно меньше. Он мал и плох в работе, вследствие чего эти летучие мыши плохо летают, очень неуклюжи. Они мучительно долго выбирают себе место поселения, не способны быстро ориентироваться. Не правда ли, в этом случае тоже возможна аналогия с родом человеческим? Да еще какая! Половые гиганты среди мужских особей homo sapiens встречаются не так уж часто. Но еще реже они бывают наделены при этом высоким IQ.

Это только в кино вампиры злобно и жадно высасывают кровь у своих жертв. Настоящие вампиры не умеют сосать кровь; это просто такие летучие мыши, которые прокалывают кожу жертвы острыми зубками и не сосут, а слизывают выступившие капельки.

Но вернемся к нашим навозным жукам. Не слишком понятен «биовитальный» смысл подмены. Ведь ситуация выглядит довольно странно: тот, кто с помощью больших рогов изгоняет конкурентов с поля боя и тем самым впечатляет женскую особь, оказывается потом несостоятельным в оплодотворении завоеванных объектов?! Так он вряд ли сможет успешно передавать свои гены. Впрочем, может быть, если посмотреть на дело с другой стороны, это не так уж и плохо. Возможно, здесь мы имеем яркий символ надежды, что однажды на наших дорогах станет спокойно, поскольку вымрут все водители спортивных автомобилей.

Рыбы — это не «рыба»!

Рыбы — это древние позвоночные животные, существующие более 400 млн лет. В настоящее время известно примерно 30 тыс. видов рыб, и каждый год открываются все новые. Кто пережил ледниковый период, извержения вулканов и падения метеоритов, кто видел, как приходили и уходили динозавры, тот может поговорить с рыбами о выживании.

Даллия — самая живучая рыба в мире. В пресных водоемах Чукотки и Аляски она выживает, вмерзая в лед на несколько месяцев.

Однако на людей это не производит никакого впечатления. Они считают рыб глухими, немыми и глупыми. Бедняг огромными сетями вылавливают из моря — подсчет ведется в тоннах. Если мы держим их в качестве «питомцев» в аквариумах, то серьезно думаем, что двум дюжинам тропических рыбок для жизни достаточно одного смехотворного кубического метра воды. Мы думаем, что дельфины умеют обманывать акул. А на самом деле «глупые рыбы» не проигрывают «умным млекопитающим»: игра между теми и другими уже многие миллионы лет идет вничью, иначе акулы давно перестали бы интересоваться дельфинами в качестве пищи.

Рыбы — это нечто иное, нежели просто неразумные животные. Они любопытны и исследуют новые объекты в своих окрестностях. К примеру, они очень любят прыгать над плывущими черепахами, а рыба-врач выдувает изо рта воздух, чтобы поиграть с уплывающими наверх пузырями. Акулы подслушивают эхолот дельфинов, а рыба-слон с удовольствием играет с улитками на своем хоботе. Но этот вид рыб и без того является особенным. Шведские исследователи установили, что рыба-слон половину вдыхаемого воздуха использует для работы мозга. Для сравнения: прочие позвоночные используют от 2 до 8 %, и даже человек — всего лишь 20 %. Это должно дать нам пищу для размышлений.

На земле сохранилось всего 6 видов двоякодышащих рыб протоптеров. Когда вода в реках и озерах пересыхает, протоптеров спасает то, что у них есть легкие. Они выкапывают себе в мягком илистом дне гнезда и спят в них до начала следующего сезона дождей, иногда дольше года. Дышат они при этом воздухом, поступающим через верхушку гнезда. А рыбаки вместо удочек и сетей отправляются на рыбалку с мотыгами и лопатами.

Хамелеон

Олицетворением медлительности является хамелеон. Его крайне экономные поступательные движения с отрывистыми шагами объясняются его маскировкой — он подражает листве и ветвям деревьев, слегка шевелящимся от ветра. Но свою походку хамелеон может сделать еще медленнее. Если возникает опасность быть обнаруженным врагом, он застывает, как мертвый, в том положении, в котором находился, и напоминает музейное чучело. Как только хамелеон чувствует прикосновение, он может моментально упасть вниз. Не важно, как долго придется падать: он надувает легкие, которые, как парашют, помогают сократить скорость падения и, как надувная подушка безопасности, облегчают удар.

Еще более исключительной особенностью хамелеона является способность его кожи за несколько секунд принимать полностью новую расцветку. От зеленоватой, защитного цвета, до ярко-желтой расцветки пятнистой райской птицы — такое преображение не составляет никаких проблем для этой рептилии, управляющей своими пигментами непосредственно через нервные волокна. Первоначально зоологи предполагали, что и эта сноровка вырабатывалась в целях маскировки. Но, как установили австралийские исследователи, изменение цвета применяется не для того, чтобы ввести в заблуждение врагов, а чтобы договориться с собратьями.

В частности, самцы хамелеона с удовольствием предстают в образе кричаще пестрых драконов, чтобы произвести впечатление на своих конкурентов или привлечь самку. Это очень легкомысленный поступок, который в диких природных условиях вызывает появление таких прожорливых врагов, как куницы, совы, лисицы и одичавшие домашние кошки, и влечет за собой серьезные последствия. Именно кошки в течение последних лет сильно сократили численность хамелеонов. В животном мире снова и снова получается так, что мужские особи должны платить жизнью за свое пижонство. Они перестали спасаться бегством — это своеобразная «шутка» эволюции.

Глаза хамелеона двигаются независимо друг от друга, поэтому он может смотреть в двух направлениях одновременно.

В отличие от хамелеонов, морские ящерицы с Галапагосских островов устроились очень удобно: в качестве основного цвета они предпочитают черный. Причина заключается в том, что они питаются абсолютно нетипичной для ящериц пищей — водорослями, которые добывают в холодных водах океана. Возвращаясь на сушу, они греются на солнце, чтобы снова запастись теплом. А такой метод работает эффективнее, если кожа темного цвета и больше поглощает солнечные лучи, нежели отражает.

Однако будни морской ящерицы с таким образом жизни становятся очень однообразными: она греется на солнце и дремлет, после чего от 15 до 30 мин ищет водоросли в море, а затем снова греется на солнце и дремлет, потом приходит время ужина и т. д. Уже многие миллионы лет все происходит именно так. Почти целую вечность у морских ящериц практически не было врагов, отчего их далекие прародители не только спокойно расплодились, но и отказались от естественного инстинкта — спасения бегством. Когда Чарльз Дарвин находился на Галапагосских островах, он мог брать этих ящериц голыми руками и бросать в море — и они снова возвращались к нему. Есть в этом какая-то ирония, тонкая и грустная. Дарвин бросает ящериц в море… Может быть, кому другому ящерицы ответили бы иначе — к примеру, вспомнили бы об инстинкте самосохранения и сбежали бы. Но Дарвину ящерицы отвечают со вкусом и стилем, достойным их великого vis-à-vis: они возвращаются обратно и тем опровергают дарвинизм! И ученому ничего не остается, как квалифицировать это поведение как «неповторимый пример очевидной глупости». Утверждение Дарвина могло бы звучать так: «Я не прав с моим радикальным и прогрессистским эволюционизмом». Но нет. Так уж устроена наука: если ящерицы не подчиняются эволюционному учению Дарвина, то это просто глупые ящерицы…

Однако, в любом случае, это очень опасно — в ходе эволюции потерять инстинкт спасения бегством, ведь окружающая среда находится в непрерывном изменении. Так, на Галапагосских островах становится все больше одичавших собак и кошек, которые не знают, что кто-то просто не хочет убегать. Организм морских ящериц, правда, вырабатывает гормоны стресса. Но если к ним кто-то приближается, «…все же они не предаются бегству», — отмечает Томас Редль из Института орнитологии Макса Планка. Причину объясняют тем, что в ходе эволюции больше всего выжило тех животных, которые избегали чрезмерного напряжения. Все может быть. Но кому нужно энергосбережение, если оно приводит вас в желудок врага?

Во время рывка на ипподроме скаковая лошадь может развить мощность в 13 лошадиных сил.

Два переезда равны одному пожару

Путешествия были привлекательны во все времена. Иоганн Вольфганг фон Гёте писал: «Рассудительный человек получает лучшее образование в путешествиях». А примерно столетие спустя Оскар Уайльд утверждал: «Путешествия облагораживают дух и ликвидируют наши предрассудки». Понятно, ни один из этих великих поэтов не знал и понятия не имел, что такое большой туристический лайнер, когда все его пассажиры разом, толпой высаживаются где-нибудь на Майорке. Но, между тем, для нас путешествие есть символ романтической свободы. Не зря мы с тоской смотрим на перелетных птиц, когда они улетают на юг, — не только потому, что пернатые летят к теплу, но и потому, что они просто отправляются в путь. Мы с удовольствием делали бы то же самое, но мы не можем: работа, заботы, долги, условности, недостаток воли.

Однако эстетизация процесса далека от эволюционно-биологического смысла ситуации. А факт остается фактом: перелетные птицы отправляются в путь по необходимости, а не по доброй воле. Когда становится холодно, они уже не могут найти себе никакой пищи и поэтому улетают в более теплые страны, где для них найдется разнообразное питание. Их перелеты полны сложностей и лишений, так что об интересных образовательных путешествиях можно говорить с большой натяжкой.

Перелетных птиц делят на летающих на короткие и на длинные расстояния. Коротким расстоянием, к примеру, является перелет от побережья Северного моря в Грецию, а к длинным расстояниям относится полет из Центральной Европы в Южную Африку. Мировой рекорд в перелете на большое расстояние был поставлен в сентябре 2007 года самкой веретенника по имени «Е7» (при выборе имени ученые не проявили никаких поэтических талантов!). Эта птица без перерыва пролетела из Аляски в Новую Зеландию целых 11,5 тыс. км! Черные крачки одолевают гораздо большие расстояния между Северным и Южным полюсами, но при этом они чаще делают остановки.

Конечно, такие успехи зависят не от оперения. Веретенник незадолго до начала путешествия наедает жировые запасы, которые настолько велики, что с этим дополнительным балластом он едва может держаться в воздухе. Поэтому для выравнивания веса он уменьшает желудок, кишки, печень и почки на 25 %, так как во время беспосадочного полета они ему не нужны. Когда он, наконец, достигает места назначения, резервы израсходованы чуть ли не до последнего грамма. Однако их еще хватает, чтобы дотянуть до ближайшего побережья и подкрепиться несколькими червями и крабами.

В целом экстремальное путешествие веретенника очень рискованно. Оно может обернуться катастрофой из-за самых небольших изменений погоды, как, например, встречного ветра или резкого падения температуры. Или же из-за того, что птица к своей цели прибывает в момент прилива, и подкрепиться на побережье никак не удается. Возникает вопрос: почему веретенник не выбирает более короткие дистанции? Так, во время полета из Аляски в Новую Зеландию он пролетает мимо многочисленных мест, в которых имеется достаточное количество корма, однако он не выбирает такой вариант. Мотивы приключенческих путешествий загадочны, как погружения кашалота, которому на глубине приходится вести опасные сражения с гигантскими каракатицами, хотя сверху имеются большие запасы рыбы, и питаться ими было бы намного безопаснее.

Другой проблемой перелетных птиц является сон. Понятно, что они, как и человек, не могут от него отказываться. Тем не менее, непонятным остается то, спят ли они во время своих беспосадочных полетов, которые иногда длятся сутками, или бодрствуют и восполняют сон позже. И то и другое очень рискованно. Первый вариант опасен потому, что у спящего пилота возникает большая вероятность аварии. И второй вариант небезопасен, так как в сонном состоянии птицы становятся легкой добычей хищников. Возможно, летающие на длинные расстояния птицы имеют такую структуру мозга, которая позволяет его половинам спать попеременно, как это происходит у дельфинов — из-за нехватки воздуха им постоянно приходится подниматься на водную поверхность, что не позволяет спать обоим полушариям сразу. Но пока эти предположения не доказаны, так как птицы неохотно позволяют подключить к себе электроды для изучения деятельности их мозга во время полета.

Для ориентации перелетные птицы используют звездное небо или солнце или же придерживаются магнитного поля Земли, которое даже при облачном небе не бросит их на произвол судьбы. Ученые обнаружили у почтовых голубей на клюве пучок нервных клеток с окисью железа, который реагирует на магнитное поле Земли, как стрелка компаса. Нейроны обладают трехмерным устройством, так что птицы могут определять свое географическое положение точно в любой момент движения.

Но даже отточенные методы «навигации» не исключают ошибок. Так, зимой на баварском озере Аммер можно увидеть различных птиц, которых никак не ожидаешь здесь встретить в это время года, например серебряную цаплю — ей было бы гораздо теплее в своей летней резиденции в юго-восточной Европе. А как понять поведение утки, которая осенью прилетает из теплой Испании в холодную Баварию? Ученые гадают о мотивах такого странного поведения перелетных птиц. Некоторые предполагают, что их запутало изменение климата, другие — что они потеряли ориентацию в вызванном человеком хаосе электромагнитных волн.

Грифы иногда наедаются до такой степени, что не могут взлететь. Птицам приходится ждать, пока их масса не уменьшится естественным путем.

Но возможно, эти птицы так же умны в своем нецикличном поведении, как и успешные биржевые брокеры. Это значит, что зимой они летят с юга на север, так как там у них не будет никаких конкурентов, которые могли бы претендовать на их пищу. Правда, здесь возникает вопрос: могут ли журавль и утка рассуждать настолько разумно?

Недавно исследователи обнаружили, что мозг перелетных птиц меньше, чем у тех, кто остается на зимовку дома. Причина в том, что «домоседки» в холодное время года должны думать, как остаться в живых. Например, черный дрозд, чтобы добыть себе пищу, сметает веткой снег. Или снегирь, который зимой переключается на мох (что совершенно нетипично для снегирей!). Перелетные птицы используют абсолютно иную стратегию: если им становится неуютно, они просто улетают. Для ориентации в пространстве необходимо несколько больше нейронов, но это возможно и при небольшой массе мозга.

Имеется достаточно причин, чтобы выразить уважение птицам-домоседам и не считать их консервативными и негибкими. Ведь они пришли к соглашению с окружающей средой и нашли возможность жить в ней. А перелетные птицы до сих пор с успехом улетают от своих проблем. Но поскольку изменение климата обострилось, они могут сильно пострадать из-за своей недостаточной гибкости.

Умные и игривые

Одни птицы красивы внешне, а другие чудесно поют. Некоторые даже блестят, как звезды эстрады. Но ворóны не относятся ни к одной из этих категорий. Они черные или серо-черные, а если открывают клюв, кажется, будто открывается крышка гроба Дракулы. Однако если оставить без внимания эти факты и отступить от предубеждений, ворона предстанет в совершенно ином свете и покажется райской птицей.

В семейство врáновых входят 42 вида, среди которых хорошо известные нам черный вóрон, серая ворóна, галка и грач. В древние времена эти птицы пользовались доброй славой и считались мудрыми. Но в течение уже многих столетий христианство не принимает этих птиц (хотя даже в Библии рассказывается об их положительных качествах), и их рейтинг опустился на самое дно. Давным-давно сформировалось поверье, что они являются предвестниками несчастья: так, одна легенда гласит, что британской монархии придет конец, если вороны покинут лондонский Тауэр. Поэтому живущим там птицам и в наши дни подрезают крылья, чтобы они не смогли оставить в беде королевскую семью.

В Германии существует квота на отстрел ворон. Они якобы очень сильно расплодились и наносят вред сельскому хозяйству, а из-за их разбойничьих налетов на гнезда других птиц нарушается экологическое равновесие. Научно это не доказано, и чрезмерное распространение ворон также является чистой воды выдумкой: ведь численность каждого вида в экосистеме регулируется естественным образом — иначе в Европе уже давно из птиц жили бы одни вороны. Как видите, и в животном мире дурная слава может быть тяжким бременем.

Вероятно, в распространении этих предрассудков виноваты и всеядность (точнее, расклевывание падали), и высокий интеллект этих птиц, иногда пугающий человека. Самый большой размер мозга среди птиц имеет словоохотливый попугай, но птицы, о которых мы ведем речь, ко всему подходят новаторски. Ученые установили, что они могут планировать совместные действия, пускать в ход инструменты и красть добычу у других животных. Они даже бросают камни в сосуд с водой, чтобы уровень воды поднялся и они могли дотянуться до воды и попить — такой находчивости подчас напрасно ждать от представителей вида Homo sapiens.

Одна из интересных сторон интеллекта ворон — чрезмерное, на взгляд человека, озорство. Нейтрально это можно было бы назвать влечением к играм, но у ворон оно настолько развито и противоречит законам эволюции, что действительно лучше назвать его озорством.

Английский исследователь поведения животных Джонатан Балкомб изучает стремление птиц к удовольствию и играм, поэтому он часто имеет дело с воронами. В Нью-Йорке он наблюдал, как они несколько минут летали вокруг колокольни, не преследуя при этом определенных целей: это не было, например, брачными играми или добычей пищи. «Это просто доставляло им удовольствие», — установил Балкомб. Фокусы вообще являются страстью этих птиц. В бухте Хадсон вороны любят скатываться с крыш и виснуть вниз головой на электрических линиях, чтобы затем в воздухе проделать сальто.

С таким же удовольствием вороны летают спиной вперед, даже на длинные расстояния.

Так как преимущественно это делают мужские особи, некоторые ученые предполагают, что речь идет о типичном мужском хвастовстве. Но против этого предположения говорит тот факт, что большинство самок вообще не смотрит в их сторону. Когда большое количество таких авантюристов собирается на верхушке дерева и полеты заканчиваются большим тарарамом, то, конечно, самки обращают внимание на этот шум, но дополнительные баллы для выбора их в качестве партнера эти пилоты-экстремалы вряд ли набирают.

С точки зрения эволюции сомнительна также манера ворон сердить других животных, например волков, которых птицы зачем-то клюют в хвост. Так, проводились наблюдения за галками, которые иногда без всякой определенной цели летают очень низко над головами собак, а те, в свою очередь, конечно, гоняются за пролетающими птицами. Даже если вороны являются хорошими летунами, подобное поведение для них очень опасно. В любом случае оно не приносит никаких преимуществ для выживания, то есть только доставляет удовольствие.

Самка галки при выборе партнера действует целенаправленно и выбирает самца на ранг ниже, чтобы он не промотал свои силы в каких-нибудь стычках с конкурентами, а вместо этого самоотверженно заботился о подрастающем поколении. Он усердно доставляет супруге пойманных насекомых и личинок майского жука, которых она распределяет маленькими кусочками между своими птенцами. Гармоничная культура простого обывателя вместо шумной жизни мачо — нам, людям, иногда тоже хочется сделать такой выбор. Однако предполагают, что самки галок выбирают эту стратегию только тогда, когда по соседству имеется много гнезд и, соответственно, приходится выносить большое количество стычек самцов. А если местность заселена менее плотно, они предпочитают самого сильного.

Венец эволюции?

Белокурые, близорукие, мучимые зубной болью, подверженные ревматизму… Сколько оплошностей допустила матушка-природа, создавая Homo sapiens?

Считается, что человек находится на самой верхней ступени развития. Он — воплощение триумфа эволюции земной жизни, создание, которое по своей сложности значительно превосходит все другие живые существа. Имеется один человеческий орган, работоспособность которого действительно огромна, — это головной мозг. Он большой и мощный, и потому, вероятно, должен уравновешивать многочисленные физические недостатки человека.

Многое из того, что отличает человека, не совпадает с трактовкой «естественного отбора». К примеру, у нас есть волосы на голове, а основная часть тела безволосая, и нам приходится защищать тело от солнца и холода. А почему у нас разный цвет волос? Почему у многих северных народов преобладают рыжие или белокурые волосы?

У блондинов, как полагают ученые, светлые волосы являются прежде всего результатом «интерсексуальной селекции». Это значит, что мужчины находят блондинок более привлекательными, из-за чего женщины поддаются в ходе эволюции адаптационному давлению и меняют цвет волос на более светлый. С данной гипотезой можно согласиться, если, скажем, почитать объявления о знакомствах, в которых мужчины указывают желаемый цвет волос партнерши. Например, у четырех американских женщин из десяти волосы обесцвечены. Они делают это, в первую очередь, для того, чтобы понравиться противоположному полу.

Почему же мужчины предпочитают блондинок? Красивые, привлекательные детали внешности в природе, как правило, говорят о биологической эффективности особи. Почему мужчины помешаны на правильных чертах лица женщин, большой груди и широких бедрах? Потому что они свидетельствуют о хорошей наследственности и высокий плодовитости! Но эти признаки никак не связаны с цветом волос, и у белокурых женщин совершенно нет биологических преимуществ перед брюнетками и шатенками. Мужская слабость к блондинкам биологически бессмысленна. Однажды был проведен интеллектуальный тест, перед которым мужчины встречались с блондинками. Оказалось, что последние способны не только вскружить голову мужчинам, но и лишить их работоспособности!

При среднем размере тела в 3 мм блоха может прыгнуть на расстояние до 32 см. Если бы люди могли так прыгать, они могли бы перескочить через 2 футбольных поля.

Загадкой остается «маниакальное упорство» природы, продолжающей производить на свет рыжих людей. Рыжие волосы являются продуктом мутации гена МСР-1, который неизменно дает бесцветный тип кожи, сильно реагирующий на солнечный свет. С биологической точки зрения он не дает никаких преимуществ, а в эпоху растущих озоновых дыр даже становится серьезным недостатком. Несмотря на то что количество белокожих и рыжих людей в мире составляет всего 2 %, об уменьшении этой доли говорить не приходится.

Объяснение с помощью интерсексуальной селекции в этом случае не работает, поскольку внешность рыжей женщины и тем более рыжего мужчины далеко не всегда находят привлекательной. Более того, «огненноволосых» принято считать излишне вспыльчивыми. Это не более чем предрассудок, но его достаточно, чтобы значительно снизить шансы представителей данного типа в поиске партнера. И сексуальное адаптационное давление не оказывает ни малейшего воздействия на генетику рыжих представителей человечества.

Ученые обнаружили, что рыжеволосые меньше других чувствуют боль. С точки зрения эволюции это может быть только преимуществом: устойчивость к боли нужна не только во время драки, болезни или при несчастных случаях — страдания женщины при родах тоже облегчаются. Но почему природа дала это качество исключительно рыжим?

Человек обладает обонянием, слухом и другими чувствами. Но равновесие развито у него хуже, чем у лазающих по деревьям обезьян и кошек. Со вкусом Homo sapiens продвинулся дальше, потому что как всеядное животное он располагает исключительно разнообразным меню. Около 10 тыс. вкусовых рецепторов, помогающих в выборе того или иного блюда, находятся на его нёбе и языке — это намного больше, чем у собак (1700) и у кошек (около 500). Рецепторы имеют форму сосочков, но не все из них являются именно вкусовыми определителями: часть из них служит для различения тактильных раздражителей и определения консистенции пищевого продукта, важную для вкусового впечатления в целом.

Около 80 % информации человек получает благодаря оптическому восприятию — он доверяет в основном своим глазам. Механизм преобразования световых лучей в сигнал, который благодаря работе мозга трансформируется в зрительные образы, без сомнения, заслуживает уважения. Недаром Чарльз Дарвин сказал: «Мысль о глазе будоражит все тело». Этот механизм настолько сложен, что едва ли мог бы возникнуть в результате спонтанных мутаций, — здесь теория эволюции вызывала сомнения. Но сегодня Дарвин мог бы быть спокоен. Во-первых, устройство глаза наглядно демонстрирует множество проб и ошибок эволюции, во-вторых, этот механизм все-таки остается несовершенным.

Сетчатка нашего глаза сконструирована «неправильно»: во время эмбрионального развития она никак не связана с центральной нервной системой. Находящиеся внутри черепа зрительные клетки достаточно близки к поверхности, но все же они остаются глубже, чем следовало бы. В результате свет должен проходить через роговицу и различные нервы и кровеносные сосуды, прежде чем он встретится с чувствительными зрительными клетками. Разумеется, это влияет на качество нашего зрения. У значительно более примитивных существ — щетинистых червей — данный процесс выглядит намного проще: свет у них попадает на слой чувствительных клеток напрямую, и для них это серьезное преимущество.

Человек может различать довольно много цветов спектра и всевозможные их комбинации. Более того, он очень хорошо различает цвета. Мыши и собаки не имеют понятия, что такое красный цвет, у китов и тюленей вообще отсутствует способность распознавания цветов, так как в их среде обитания преобладает синий цвет.

Человеческий глаз различает 10 млн оттенков цвета.

Цвета цветами, но острота человеческого зрения чувствительна к помехам. Каждый четвертый европеец страдает близорукостью, потому что его глазное яблоко начинает хуже функционировать с возрастом. Но благодаря человеческой силе духа и это можно пережить. Достоверно установлено, что у близоруких людей интеллектуальные показатели на четыре пункта выше, чем у дальнозорких. Делают даже вывод, что IQ и близорукость зависят от одинаковых генов.

Факт наличия близорукости у человека уже говорит о том, что он генетически несовершенен, если брать в сравнение шимпанзе, эволюционный путь которых 6 млн лет тому назад отделился от нашего. Ученые сравнили 14 тыс. генов человека и обезьяны. В результате был сделан вывод о том, что у шимпанзе с помощью непрекращающегося отбора 233 гена настолько усовершенствовались, что ни одна мутация не смогла бы их улучшить, а у человека лишь 154 таких совершенных гена. Неблагоприятные признаки у шимпанзе на протяжении эволюции отбраковывались эффективнее, чем у человека.

Если принять во внимание генетическое превосходство обезьян, станет понятно, почему они менее восприимчивы к болезням, чем мы. У людей от онкологических заболеваний умирает каждый пятый, у шимпанзе — 2–4 %. А как обстоят дела со СПИДом? Обезьянам эта болезнь незнакома, несмотря на то что они могут быть ВИЧ-инфицированными, как и люди. Их иммунная система, очевидно, нашла способ противостоять таинственным вирусам. Также у обезьян вообще не зафиксированы болезнь Альцгеймера, малярия и ревматизм.

Ярко выраженная предрасположенность человека к заболеваниям суставов является результатом прямохождения. Оно, конечно же, дает нам много преимуществ: благодаря прямохождению развивались мозг и органы чувств человека, и он приобрел значительно более широкие перспективы. Вспомним еще об одной важной отличительной черте человека — о его руках, с помощью которых выполняется основная часть человеческой деятельности. Список черт, отличающих человека от других животных, весьма обширен!

Следует, однако, отметить, что ходьба на двух ногах исключительно медленна, энергоемка и неэффективна. Все четвероногие, достигшие габаритов человека, быстрее и выносливее, чем он. Необходимо предпринять много усилий или хитрых трюков, чтобы вывести их из равновесия, в то время как среднестатистическому человеку достаточно одного толчка.

Большой проблемой является и циркуляция крови по телу, находящемуся в вертикальном положении. Иногда, резко вставая, человек испытывает головокружение, потому что его кровь в этот момент доставляет мозгу недостаточно кислорода. Бывает ли что-то подобное у млекопитающих, находящихся преимущественно в вертикальном положении, — неизвестно. Однако у жирафов из-за их длинной шеи тоже определенно есть проблемы с кровообращением.

Легкие человека также не блещут совершенством. Особая проблема человеческого дыхательного органа состоит в том, что он разбазаривает часть своего потенциала. Воздух попадает внутрь, задерживается на некоторое время для газообмена, а затем выдыхается. Причем кислород поглощается легкими не полностью, и в дыхательных путях происходит смешивание насыщенного кислородом и истощенного воздуха. В результате нашим легочным пузырькам приходится довольствоваться таким смешанным воздухом. Подобную проблему переживают и другие млекопитающие — в отличие от птиц, которые лучше используют насыщенный кислородом воздух. Их организм может получать в течение равного промежутка времени втрое больше чистого воздуха, чем млекопитающее таких же габаритов.

Комары являются самыми опасными для человека животными на Земле. Перенося более сотни смертельных заболеваний (включая малярию, желтую лихорадку и энцефалит), они ежегодно убивают до 3 млн человек.

Список недостатков человека можно продолжать, если не до бесконечности, то довольно долго. Почему, например, мы должны мучиться с зубами, в сердцевине которых находится очень чувствительный нерв, остро воспринимающий боль? И зубы наши покрыты такой нежной эмалью, что ее можно повредить даже конфетой? И вообще, почему, собственно, мы столь восприимчивы к боли? Ужасные страдания онкологических больных приносят мучения и близким им людям.

Почему мы не можем быть бесчувственны к боли, как маленький подземный грызун с забавным названием «голый землекоп» — ведь он не ощутит боли, даже если сожжет на солнце свою гладкую кожу или сломает зуб, копаясь в земле, и спокойно продолжит заниматься своим делом? Почему эволюция обделила нас малым раем, в котором живут эти самые землекопы?

При всем при том у нас есть орган, который мы всегда считали бесполезным и при его заболевании без сожаления удаляли. Но не так давно ученые обнаружили, что слепая кишка является резервуаром для кишечных микроорганизмов, которые могут там продержаться даже во время тяжелейшей диареи. Если наша кишечная флора после диареи или воздействия антибиотиков повреждена, она может быть снова восстановлена благодаря наличию этого резервуара. Для нее червеобразный отросток играет важную роль, являясь хранилищем пробиотиков — живых микроорганизмов, оказывающих оздоровительное влияние на организм человека.

Что ж, один мудрый человек заметил, что ошибки возникают не только потому, что люди не знают истины, но и потому, что люди берутся осуждать то, чего еще не знают.

Все же с анатомической точки зрения человек устроен довольно неудачно. У него нет меха, который предохранял бы его от холода. Он недостаточно быстр и силен. Женщине требуется много времени и сил, чтобы произвести на свет потомство. А после рождения оно настолько слабое, что не может ни бегать, ни самостоятельно питаться. Не зря Иоганн Готфрид фон Гердер (1744–1803) дал человеку определение — «существо, полное недостатков». Чтобы суметь выжить, человеку необходима собственная, приспособленная под его потребности среда, отчасти заменяющая ему настоящий мир: одежда, отапливаемые дома, механические средства передвижения, дороги и т. п.

Создать такое нам вполне по силам, потому что у Homo sapiens огромный мозг, требующий для своей работы 20 % общего количества вдыхаемого кислорода. Но действительно ли огромный мозг — удача для нас и для мира? Какой может оказаться эта искусственная «вторая природа»? Теодор Адорно (1903–1969) и Макс Хоркхаймер (1895–1973), находясь под впечатлением от событий Второй мировой войны, говорили, что коварство мозга и сознания состоит в том, чтобы «делать людей все большими бестиями». Интеллектуалы сомневаются, что после человека вообще возникнет следующий естественный вид. Человек никак не может быть венцом творения, но после него вряд ли появится более совершенное создание, потому что он со своей жаждой власти над природой уничтожает все, что необходимо для появления этого существа.

Немецкий антрополог Гельмут Плесснер (1892–1985) назвал историю человечества «отрицательным натурализмом». Развитие коры больших полушарий мозга человека — ошибка, из-за которой человек вышел из своей естественной колеи и жизненного равновесия. Человек «стал жертвой паразитического развития одного органа, — пишет Плесснер. — Паразитизм головного мозга, возможно, основываясь на нарушениях секреции, одарил его умом, проницательностью, знанием и осознанием мира. Может быть, это осознание всего лишь грандиозная иллюзия, самообман биологически вырождающегося, высосанного полипами мозга живого существа».

Если дальше развивать идею о «вредителе» в голове, нужно обратить внимание на то, что мозг человека сформировался невероятно быстро. По отношению к другим похожим драматическим изменениям эволюции он стал таким, какой он есть сейчас, за «секунду». Так сказать, квантовый переход в истории развития. Киту потребовалось около миллиона лет, чтобы из неуклюжего обитателя суши превратиться в отличного специалиста по фонтанам, человеку же понадобился всего десяток тысяч лет, чтобы раздуть свой мозг до нужной величины и работоспособности. Темп, захватывающий дух. В любом случае, возникает вопрос: развитие мозга следует рассматривать как здоровое явление или как ошибку эволюции? Развитие в быстром темпе часто приводит к погрешностям!

Бактерии составляют от 2 до 5 кг веса человеческого тела.

Но нет причины впадать в уныние. Если мы считаем мозг «паразитом в голове», это еще не означает конец света. Ученые уверены, что даже вирус СПИДа за последние годы развил склонность к самообладанию и оставляет свои жертвы в покое. Не потому, что он смилостивился. А просто потому, что «понял», пройдя жестокую школу эволюции и отбора, что смерть его хозяина одновременно будет означать и его конец. Так что в его интересах, чтобы мы оставались в живых. Почему бы не осознать это «главному паразиту», живущему в нашей голове? Разве он не может понять, что для него же лучше позволить нам управлять собой и меньше настаивать на обязательном осуществлении своих притязаний на власть?

Конечно, нельзя пускать на самотек «очистку мозга». Вирус достаточно примитивен, и он может рассчитывать на то, что когда-нибудь, после разных ошибок и тупиков, эволюция укажет ему путь к выживанию. Мозг не может этого знать. Как орган с большими или меньшими желаниями, он не может ждать милостей от природы. Он хочет и должен взять инициативу в свои руки. Первым шагом было бы осознание того, что все, что живет, имеет на это право, независимо от того, отлично оно создано эволюцией или как попало. Сумасшествием может обладать не только человек, но и сама природа!

Человек

Горизонты жизненного пространства

Так получилось, что мы принадлежим к той части живых существ, которые 400 млн лет назад приняли довольно поспешное, но смелое решение выползти из моря на твердь земную и дышать кислородом. В результате, согласно одной из оценок, нам закрыт доступ не менее чем в 99,5 % обитаемого пространства. Но не только потому, что мы не можем дышать в воде, а в силу того, что мы не смогли бы выдержать ее давление. Из-за того, что вода в 800 раз тяжелее воздуха, давление при погружении быстро растет: приблизительно на одну атмосферу каждые десять метров глубины. Если на суше мы поднимемся на вершину 358-метровой горы Меганом в Крыму, то никакого изменения давления не ощутим.

Давление в бутылке шампанского — более 6 атмосфер — втрое больше, чем в автомобильной шине, а скорость выстрела пробки — 13 м/с. Если выстрелившая пробка попадет человеку в лицо, неприятностей не избежать!

Однако на такой же глубине под водой наши вены сплющились бы, а легкие сжались до размеров столового стакана. Поразительно, что люди по собственной воле, ради интереса, без аппаратуры для дыхания ныряют на эти глубины. Есть даже специальное название для таких забав — фри-дайвинг. Видимо, ощущение, как собственные внутренние органы грубо деформируются, вызывает приятное возбуждение (и надо полагать, ощущения еще интереснее, когда они возвращаются к первоначальным размерам при подъеме на поверхность). Однако чтобы достичь таких глубин, ныряльщикам нужно погружаться довольно быстро. Для этого используют различные приспособления: лебедки, грузила. Без них самое глубокое самостоятельное погружение, после которого ныряльщик остался в живых, чтобы потом об этом рассказывать, составляет порядка 80 м. По меркам перемещений на поверхности — что такое 80 м? На поле такой длины играют в футбол. «По морю плавать — не по суше гулять», — как поется в одной песенке! В море у человека минимум возможностей, и выглядит он там беспомощно. Вот вам и «царь природы»!

Многие морские обитатели справляются с давлением на глубине много лучше, хотя как это им удается, остается тайной. Самой глубокой точкой является, как известно нам из школьного курса географии, Марианская впадина в Тихом океане. Там, на глубине приблизительно 11,3 км, давление достигает более 1,1 т на квадратный сантиметр. Лишь однажды удалось на короткое время опустить на эту глубину человека, естественно, не «голого», а в прочнейшем батискафе. А между тем, там прекрасно себя чувствуют колонии бокоплавов. Это такие прозрачные ракообразные, похожие на черноморских креветок. И ни в каких толстых панцирях они не нуждаются. Конечно, большинство океанов намного мельче, но находиться на обычной океанской глубине в 4 км равносильно тому, что на вас наехало разом полтора десятка груженых самосвалов!

Почти все, включая авторов некоторых популярных книг по океанографии, полагают, что человеческое тело в таких условиях будет смято чудовищным давлением океанских глубин. В действительности, похоже, все не совсем так. Дело в том, что мы сами состоим в основном из воды. А почему работают гидравлические приспособления? Потому что вода практически несжимаема, и значит, в теле поддерживается то же самое давление, что и в окружающей воде. Поэтому ничто нас на глубине не раздавит в лепешку. Причиной неприятностей служит не вода — она людей не губит, несмотря на то, что так поется еще в одной старой песенке. Причина в газах, находящихся внутри человеческого тела, особенно в легких. Это они сжимаются, хотя на какой стадии сжатие становится фатальным, неизвестно. До недавнего времени считалось, что любой ныряющий на глубину 100 м или около того погибнет в мучениях, когда сожмутся легкие или будет раздавлена грудная клетка, однако ныряльщики неоднократно доказывали обратное. У людей больше сходства с китами и дельфинами, чем мы думаем.

Шум, который мы слышим, поднося морскую раковину к уху, это вовсе не звук океана, а эхо от окружающих нас шумов. В изолированной от шумов комнате никаких звуков из раковины не раздается.

На больших глубинах может случиться множество других неприятностей. Во времена жестких водолазных костюмов — тех, что были связаны с поверхностью длинными шлангами, — водолазы знали о таком явлении, как «выдавливание». Давление в скафандре могло резко упасть (по причине отказа помпы и т. д.), и это приводило к катастрофе. Воздух вырывался из скафандра с такой силой, что несчастного его владельца в самом прямом смысле высасывало в шланг (как резиновый мячик, который всасывает в шланг пылесоса). Когда водолаза поднимали на поверхность, в скафандре оставались лишь его кости с клочками разорванной плоти.

Однако больше всего неприятностей доставляет ныряльщикам кессонная болезнь. Это не так экзотически ужасающе, но зато случается довольно часто и по совершенно естественным причинам. Воздух, которым мы дышим, на 80 % состоит из азота. Когда человеческое тело в толще воды оказывается под давлением, этот азот растворяется в крови и разносится по сосудам и тканям. Если при поспешном подъеме дайвера давление будет снижаться слишком быстро, этот находящийся в теле азот образует пузырьки, которые будут вести себя так же, как пузырьки в бокале шампанского. Закупорив мелкие кровеносные сосуды и лишив клетки кислорода, они заставят страдальца корчиться от мучительной боли. Кессонной болезнью с незапамятных времен страдали сборщики губок и искатели жемчуга, но до XIX века она не привлекала особого внимания в западном мире. А вот потом появилась у людей, которые даже почти не намокали (во всяком случае, не больше, чем по колено): у кессонщиков.

Кессоны — это замкнутые сухие камеры, создававшиеся на речном дне для облегчения строительства опор мостов. Их наполняли сжатым воздухом, и часто бывало, что рабочие после длительного пребывания под повышенным давлением испытывали легкие симптомы вроде шума в ушах или кожного зуда. Но некоторые — нельзя было заранее предсказать, кто — испытывали более сильную боль в суставах, а иногда падали с ног в мучениях и порой больше уже не поднимались. Все это было абсолютно непонятным. Бывало, рабочие ложились спать, чувствуя себя прекрасно, а утром просыпались парализованными. А случалось, вообще не просыпались.

Кроме полного отказа от работы в среде высокого давления существует всего два надежных способа избежать кессонной болезни. Первый — подвергаться воздействию высокого давления очень короткое время. Именно благодаря этому фри-дайверы, о которых было написано немного выше, без вреда могли опускаться на глубину до 150 м: они не остаются на глубине достаточно долго, чтобы находящийся в организме азот растворился в их тканях. Другое решение заключается в том, чтобы подниматься осторожно — медленно и с остановками. Это позволяет пузырькам азота рассеиваться без вреда для тела, жизни, самочувствия и настроения.

Общая длина кровеносных сосудов в организме человека — около 100 тыс. километров.

Так или иначе, ясно, что под водой нам не слишком комфортно. А что же в небесах?

Как известно каждому побывавшему в горах, наш организм начинает протестовать при подъеме не так уж на много сотен метров над уровнем моря. Даже опытные альпинисты, обладающие преимуществами общефизической и специальной подготовки и использующие баллоны с кислородом, на высоте могут достаточно быстро почувствовать тошноту, усталость, подвергнуться переохлаждению и обморожению, утратить ориентацию, страдать от мигреней, утраты аппетита и многих других функциональных расстройств. Сотней убедительных способов человеческий организм напоминает своему хозяину, что он не приспособлен действовать высоко над уровнем моря. Альпинисты говорят, что даже при самой благоприятной обстановке каждый шаг на большой высоте требует колоссального усилия воли; ты должен заставлять себя делать любое движение, например что-нибудь взять. Постоянно одолевает свинцовая, смертельная усталость. Описан случай, когда альпинист «почувствовал, что задыхается насмерть». Огромным усилием ему удалось откашляться. Оказалось, что это был просто «фрагмент слизистой его собственной гортани».

Физические страдания особенно тяжелы начиная с высоты 7500 м — уровня, известного среди альпинистов как зона смерти, но многие тяжело переносят уже высоту более 4500 м и даже могут опасно заболеть. Такая чувствительность имеет мало отношения к тренированности. Порой бабули резво скачут по высоченным горкам, тогда как их крепкие отпрыски беспомощно стонут, лежа пластом, пока их не спустят пониже. Считается, что абсолютный предел высоты, на которой еще возможно постоянное пребывание человека, примерно 5500 м, но даже люди, прошедшие специальную высотную подготовку, не могут переносить подолгу такие высоты. К примеру, серные рудники в Андах находятся на высоте 5800 м, но горняки предпочитают каждый вечер спускаться на полкилометра вниз и на следующий день снова подниматься наверх, вместо того чтобы постоянно жить на этой высоте.

У коренных обитателей высокогорья за тысячелетия зачастую развиваются непропорционально большие грудная клетка и легкие. И почти на треть возрастает концентрация переносящих кислород красных кровяных клеток, хотя существует предел их концентрации, ибо кровь может стать слишком густой, чтобы свободно течь по сосудам. Кроме того, на высоте больше 5500 м даже самые адаптированные женщины из-за нехватки кислорода не могут до конца выносить плод.

Родословие человеческое

Если бы ваши родители не вступили в связь именно в тот момент — возможно, в пределах секунды, даже наносекунды, — вас бы здесь не было. И если бы их родители не вступили в связь точно вовремя, вас тоже бы не было. Если бы не получилось подобным же образом и у родителей этих родителей и у тех, которые были до того, и так далее до бесконечности, то вас бы на этом свете не было. Продвигайтесь сквозь время в обратном направлении, и эти обязательства предков перед вами будут возрастать. Вернитесь назад всего на восемь поколений, примерно в то время, когда родился Чарльз Дарвин, и вы уже насчитаете более 250 человек, от своевременной интимной встречи которых зависит ваше существование. Двигайтесь дальше, во времена Шекспира, и у вас будет не менее 16 поколений предков, ревностно обменивавшихся генетическим материалом таким образом, что в результате, в конечном счете, чудесным образом появились вы. Двадцать поколений назад количество лиц, производивших потомство ради вас, возрастает до 1 048 576 человек. Еще пять поколений до этого — и получаем 33 554 432 мужчин и женщин, от чьих любовных игр зависит ваше существование. К тридцати поколениям назад общее количество предков — имейте в виду, это не кузены, тетушки и другие второстепенные родственники, а только родители и родители родителей в родословной, неотвратимо ведущей к вам, — превышает миллиард. А если подобным образом дойти до шестидесяти четырех поколений, до времен римлян, количество людей, от чьих совместных усилий в конечном счете зависит ваше существование, возрастет до числа с 18 нулями, что в несколько миллиардов раз превышает общее количество людей, когда-либо живших на свете.

Только один человек из миллиарда доживает до 116 лет. Среди долгожителей, переживших 100-летний рубеж, 85 % — женщины.

Очевидно, с нашей математикой что-то не так. Ответ заключается в том, что ваша родословная не является чистой. Вас бы не было, не будь некоторой доли кровосмешения — в действительности довольно значительной, хотя на генетически благоразумном отдалении. При таком множестве миллионов предков неизбежно наблюдалось обилие случаев, когда какой-нибудь родственник по вашей материнской линии произвел потомство в паре с отдаленной кузиной, числившейся по отцовской линии. Фактически, если вы со своим партнером или партнершей одной расы и жители одной страны, у вас отличные шансы быть в той или иной степени родственниками. Вообще-то если вы оглянетесь вокруг в автобусе, парке, кафе или другом людном месте, большинство окружающих вас людей, по всей вероятности, являются родственниками. Если кто-нибудь похвастается, что он потомок Ярослава Мудрого или Вильгельма Завоевателя, отвечайте не задумываясь: «Я тоже!» В самом буквальном, самом прямом смысле все мы — одна семья.

Мы также поразительно похожи. Сравните свои гены с генами любого другого человека, и в среднем они будут примерно на 99,9 % одинаковыми. Это то, что делает нас видом. Незначительные различия в остающейся 0,1 % — приблизительно одно нуклеотидное основание на тысячу, — это то, что наделяет нас индивидуальностью.

В среднем человек, достигший 75 лет, провел 6 лет жизни во сне.

За последние годы много сделано для сбора по кусочкам полного генома человека. На самом деле такой вещи, как четко определенный геном человека, не существует. Есть разные геномы. У каждого из нас. Иначе все мы ничем не отличались бы друг от друга. Именно бесчисленные рекомбинации наших геномов — каждый почти идентичен всем остальным, но не совсем — делают нас такими, какие мы есть, и как личности, и как вид.

Но что это за штука, которую мы называем геномом? И что, собственно говоря, такое гены? Начнем снова с клетки. Внутри каждой клетки находится ядро, а внутри каждого ядра имеются хромосомы — сорок шесть спутанных пучков, из которых двадцать три достались вам от матери и двадцать три от отца. За очень редкими исключениями каждая клетка вашего организма — скажем, 99,999 % — содержит один и тот же набор хромосом. (Исключением являются красные кровяные тельца, некоторые клетки иммунной системы, а также яйцеклетки и мужские половые клетки, которые по различным причинам строения несут неполный генетический набор.) Хромосомы содержат полный набор инструкций, необходимых для создания вас и поддержания вашего существования. Они сделаны из длинных нитей крошечного чуда химии, называемого дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК, — как говорят, самой удивительной молекулы на Земле. ДНК существует только ради одного — создавать еще больше ДНК. И внутри вас их великое множество: почти во все клетки их втиснуто почти по два метра. Каждая нить ДНК содержит 3,2 млрд знаков кодирования. Достаточно, чтобы обеспечить 101900000000 возможных комбинаций. Это огромное количество возможностей — их число выражается единицей с двумя миллиардами нулей. Чтобы напечатать это число, потребуется более пяти тысяч томов!

Поглядите на себя в зеркало, поразмыслите над тем, что перед вами десять тысяч триллионов клеток, почти каждая из которых содержит два метра плотно упакованной ДНК, и тогда вы поймете, сколько этого добра вы носите с собой. Если все ваши ДНК спрясть в одну тонкую нить, ее будет достаточно, чтобы протянуть от Земли до Луны и обратно, причем не раз и не два, а множество раз. Всего же, согласно подсчетам, внутри вас уложено ни много ни мало — 20 трлн км ДНК. Короче говоря, ваш организм очень любит вырабатывать ДНК. Без ДНК вы не смогли бы жить, но сама она не живая. Все молекулы неживые, но у дезоксирибонуклеиновой кислоты это особенно выражено. Она «относится к числу самых химически инертных молекул живого мира». Потому-то при расследовании убийств ее можно извлечь из давно засохшей крови или спермы или же, при определенном терпении, добыть из костей древнего неандертальца. Этим также объясняется, почему ученым потребовалось так много времени, чтобы разгадать, каким образом столь интригующе пассивное — другими словами, безжизненное — вещество может находиться в самой сердцевине жизни.

О существовании ДНК известно дольше, чем вы могли бы подумать. Ее открыл еще в 1869 году швейцарский ученый, работавший в Тюбингенском университете в Германии, Иоганн Фридрих Мишер. Разглядывая под микроскопом гной на перевязочном материале, Мишер обнаружил неизвестное ему вещество и назвал его нуклеином (потому что оно находилось в ядрах клеток). Однако продолжение следовало.

В Рождество Санта-Клаус должен за 48 ч посетить 2,5 млрд детей (конечно, все они вели себя хорошо). Таким образом, на обслуживание каждой семьи он сможет потратить только 34 микросекунды. Сани Санта-Клауса должны передвигаться по небу минимум со скоростью 2060 км/с. Для этого они должны быть изготовлены из невиданного чудесного материала, иначе они мгновенно сгорят в атмосфере. Кроме того, если подарок каждому ребенку будет весить 800 г, то эти сани должны нести груз в 2 млн т. Понятно, что олени для всего этого тоже требуются незаурядные.

Биоsoftware: ДНК и гены

Даже сегодня нам едва понятно очень многое из того, что относится к ДНК. Например, то, почему значительная ее часть, как представляется, остается не у дел: 97 % нашей ДНК не содержат ничего, кроме длинных последовательностей бессмысленного биохимического «мусора», или «некодирующих фрагментов», как предпочитают выражаться биохимики. Только в отдельных местах каждой нити то тут, то там находятся участки, управляющие жизненными функциями и организующие их. Это и есть те удивительные гены. Именно поэтому они так долго ускользали от обнаружения.

По сути, гены — это не больше и не меньше, чем инструкции по синтезу белков. И эту функцию они осуществляют с неизменной цифровой точностью. Гены довольно похожи на клавиши или лады музыкального инструмента: каждая клавиша, каждый лад издает одну ноту и только ее — бом, бом, бом. Но комбинируйте гены, как клавиши, и вы получите бесконечное разнообразие мелодий. Соедините все эти гены, и получите красивую симфонию — под названием «геном». Геном хорошо сравнить с программным протоколом — набором программных инструкций для компьютера.

Как всем известно, молекула ДНК формой походит на винтовую лестницу или на скрученную веревочную лесенку — знаменитая двойная спираль: вертикальные «нитки» и горизонтальные «перекладины». Вертикальные элементы этой структуры состоят из разновидности сахара, дезоксирибозы, а вся спираль представляет собой нуклеиновую кислоту — отсюда и ее название. Перекладины образуются соединениями нуклеотидов: гуанин (Г) всегда соединяется с цитозином (Ц), тиамин (Т) — всегда с аденином (А). Последовательность, в которой эти буквы появляются, если двигаться вверх или вниз по лестнице, составляет генетический код. Именно его точным считыванием занят международный проект «Геном человека».

Самая же яркая особенность ДНК заключается в способе ее самовоспроизведения. Когда приходит время создавать новую молекулу ДНК, обе нити расходятся, подобно молнии на куртке, и половинки разделяются, чтобы образовать новую компанию. По большей части наша ДНК самовоспроизводится со строжайшей точностью, но изредка — примерно один раз из миллиона — буква становится не на то место. Эти явления известны как однонуклеотидный полиморфизм, или SNР. Биохимики немного фамильярно называют их снипами. Они обычно теряются в некодирующих звеньях ДНК и не вызывают заметных последствий для организма, но порой оказываются важными. Они могут сделать нас предрасположенными к какому-нибудь заболеванию, но в равной мере могут даровать какое-нибудь небольшое преимущество, например более эффективную защитную пигментацию или способность вырабатывать больше красных кровяных телец, эритроцитов — у кого-нибудь, обитающего на высокогорье. Со временем эти небольшие изменения накапливаются и в индивидуумах, и в популяциях, способствуя отличиям тех и других.

Каждый четвертый житель Земли ведет жизнь, характерную для человеческого рода 6 тыс. лет назад. Таких людей 1,5 млрд — больше, чем все вместе взятое население богатых стран.

Равновесие между точностью и ошибками при самовоспроизведении весьма деликатное. Слишком много ошибок — и организм не может функционировать, слишком мало — и он поступается приспособляемостью. Подобное же равновесие должно быть в организме между устойчивостью и изменчивостью. Оно также помогает объяснить, почему мы все так похожи. Эволюция просто не даст вам слишком сильно измениться — во всяком случае, без того, чтобы стать новым видом. Так что неправильно говорить не только о каком-то определенном, едином для всех геноме человека, но, в известном смысле, даже вообще — о геноме человека. Все мы на 99,9 % одинаковы, но в равной мере можно утверждать, что между всеми представителями рода человеческого нет ничего общего, и это было бы тоже верно.

Все организмы в некотором смысле рабы своих генов. Потому-то лососи, пауки и, можно сказать, бесчисленное множество других существ готовы умереть при спаривании. Страстное желание плодиться, рассеивать свои гены — самый могучий импульс в природе. С эволюционной точки зрения радости секса — это всего лишь награда, поощряющая нас к передаче своего генетического материала. Ученые только-только освоились с поразительным известием, что большая часть наших ДНК ничего не делает, как получили еще более неожиданные результаты. Исследователи провели ряд довольно странных экспериментов, которые дали совершенно неожиданные результаты. В одном из них взяли ген, управляющий развитием глаза мыши, и ввели его в личинку плодовой мушки. Думали, что в результате получится что-то гротескное. На деле же ген мышиного глаза не только создал у мухи жизнеспособный глаз, но это был… мушиный глаз. Налицо были два существа, не имевшие общего предка 500 млн лет, и тем не менее способные обмениваться генетическим материалом, словно родные. То же самое наблюдалось всюду, куда заглядывали исследователи. Они обнаружили, что можно ввести ДНК человека в определенные клетки мух — и мухи примут ее как свою собственную. Оказывается, более 60 % человеческих генов в основном те же, что найдены у плодовых мушек. По меньшей мере 90 % на том или ином уровне соотносятся с генами мышей. (У нас даже есть гены для создания хвоста, но они не включаются в работу.) В одной области за другой исследователи обнаруживали, что с каким бы организмом они ни работали, будь то черви-нематоды или люди, они часто изучали одни и те же гены. Жизнь, казалось, была создана по одному набору чертежей. Дальнейшие исследования привели к открытию существования группы мастер-генов, каждый из которых руководит развитием части тела; их окрестили гомеотическими (от греческого, означающего «подобный»). Эти гены дали ответ на давно ставивший в тупик вопрос: каким образом миллиарды эмбриональных клеток, появляющиеся из одной оплодотворенной яйцеклетки и содержащие одинаковую ДНК, «знают», куда направляться и чем заниматься: той стать клеткой печени, этой вытянуться в нервную клетку, этой стать частицей крови, а этой — частицей блестящего в крыле перышка. Вот эти гены и дают им указания — и делают это во многом одинаково во всех живых организмах.

Интересно, что количество генетического материала и его организация не обязательно отражают, даже, как правило, не отражают, степень сложности содержащего его живого существа. У нас 46 хромосом, а некоторые папоротники насчитывают более шестисот. У двоякодышащей рыбы, одного из наименее эволюционировавших среди сложных животных, в сорок раз больше ДНК, чем у нас. Даже обыкновенный тритон генетически куда богаче нас — примерно впятеро. Правда, важно, думается, не количество генов, а то, что вы с ними делаете. Это очень хорошо, потому что в последнее время с количеством генов у людей произошли изменения. До недавнего времени считалось, что у нас по крайней мере 100 тыс. генов, а возможно, значительно больше, однако эта оценка сильно уточнена после первых результатов программы «Геном человека»: порядка 35–40 тыс. генов — столько же, сколько «нашли в траве». Это явилось полной неожиданностью и вызвало разочарование.

Гены причастны к ряду человеческих слабостей. Ученые в разное время с ликованием провозглашали, что нашли гены, ответственные за ожирение, шизофрению, гомосексуализм, склонность к преступлениям и насилию, алкоголизм, даже за воровство в магазинах и бродяжничество. Была работа, опубликованная в 1980 году в журнале Science, в которой утверждалось, что женщины генетически менее способны к математике. На самом деле, как теперь понятно, почти ничего, что касается человека, нельзя определить так легко и просто. Конечно, если бы у нас были отдельные гены, определяющие рост, предрасположенность к диабету или к облысению или какое-либо другое отличительное свойство, было бы легко — во всяком случае, сравнительно легко — выделить их и попытаться починить. К сожалению, 35 тыс. функционирующих независимо генов даже с большой натяжкой недостаточно для создания такого сложного существа, как человек. Некоторые болезни — например гемофилия, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона и кистозный фиброз (муковисцидоз) — вызываются одиночными нарушенными генами. Но, как правило, вредоносные гены выпалываются естественным отбором задолго до того, как они начнут причинять систематический ущерб виду или популяции. По большей части наша судьба и наше благополучие — и даже цвет глаз — определяются не отдельными генами, а группами генов, действующих объединенными усилиями. Потому-то так трудно разобраться, как все это стыкуется, и потому мы еще не скоро будем производить на свет младенцев по заказу.

В сущности, чем больше мы узнаем в последние годы, тем более сложные возникают вопросы. Оказывается, что даже размышления влияют на характер работы генов. Скорость, с какой растет борода у мужчины, например, отчасти зависит от того, как много он думает о сексе (потому что мысли о сексе вызывают выброс тестостерона). В начале 1990-х годов ученые сделали еще более значительное открытие, когда обнаружили, что могут изъять из эмбрионов мыши гены, которые предположительно считались жизненно важными, и тем не менее мыши часто рождались не только здоровыми, но порой более здоровыми, чем их братья и сестры, которых не трогали. Оказалось, что когда уничтожались отдельные важные гены, их место занимали другие, закрывая брешь.

Волосы и ногти не продолжают расти после смерти. Это легенда. Немедленно после смерти деление всех клеток организма прекращается.

Это отличная новость для нас как живых организмов, но не такая хорошая для понимания того, как же все-таки работают клетки, поскольку она добавляет еще один уровень сложности к явлению, в котором мы только-только начали разбираться. В значительной степени из-за этих усложняющих факторов вдруг оказалось, что мы только начинаем понимать геном человека. Геном, по выражению одного ученого, это вроде сборочного листа человеческого тела: в нем говорится, из чего мы сделаны, но ничего нет о том, как мы функционируем. Теперь нам требуется руководство по эксплуатации — указания, как его запустить. Нам до этого нужно пройти долгий путь! А еще стоит задача расшифровать протеом человека. Самого термина «протеом» десяток лет назад еще не было: это библиотека, содержащая информацию, по которой строятся белки́. «К сожалению, — отмечал журнал Scientific American весной 2002 года, — протеом намного сложнее генома». Белки — это рабочие лошадки всех живых организмов. Они перекручиваются, сворачиваются в петли и спирали, сминаются, принимая замысловатые сложные формы. Они скорее походят на сильно скомканные проволочные плечики для одежды, нежели на сложенные полотенца. Но за всем этим скрывается простота, в основе которой лежит единый характер жизнедеятельности. Все эти незаметные искусные химические процессы, дающие жизнь клеткам (совместные усилия нуклеотидов, транскрипция ДНК в РНК), развились лишь единожды и с тех пор оставались довольно устойчивыми во всей природе. Как полушутя заметил один генетик: «Все, что верно в отношении кишечной палочки, верно и в отношении слонов, разве что в большей степени». Все живые существа — это реализации одного первоначального плана. Как человеческие существа мы всего лишь надстройка: каждый из нас представляет собой заплесневелый архив приспособленностей, адаптации, модификаций и удачных переделок, уходящих в глубь времен на 3,8 млрд лет. Как ни удивительно, мы довольно близкие родственники фруктов и овощей. Около половины химических процессов, протекающих в бананах, принципиально те же самые, что протекают внутри вас. Не будет лишним чаще повторять: все живое едино. Это есть, и, вероятно, будет всегда самой глубокой из существующих истин.

Антропометаморфозы

«Мы узнали, что в Равенне родилось чудовище, изображение которого прислали сюда: на голове у него торчит рог — прямой, как меч, вместо рук — два крыла, как у летучей мыши, на уровне груди с одной стороны рубец в виде буквы «У», с другой — крест, а ниже, у талии, — две змеи. Это гермафродит, на правом колене у него глаз, а левая ступня — как у орла. Я видел, как его рисовали, и всякий, кто пожелает, может посмотреть на этот рисунок во Флоренции». Так писал в своем дневнике флорентийский аптекарь по имени Лука Ландуччи. Шел март 1512 года…

Ландуччи в действительности никогда не видел монстра: того уморили голодом по приказу Папы Римского Юлия II. Рассказ же основан рисунке, выставленном на публичное обозрение во Флоренции. Свидетельства, рассказы, пересказы, аллегории… Под этим пологом трудно распознать, кем же в действительности был монстр. Вероятно, это был просто ребенок, родившийся с тяжелым, редким, но отнюдь не загадочным генетическим расстройством. Скорее всего, у него был синдром Робертса — уродство, встречающееся у детей, родившихся с исключительно вредоносной мутацией. Это, по крайней мере, объясняет аномалии конечностей и половых органов, а также появление двух змей на талии и лишнего глаза на колене.

Поседеть за несколько часов физически невозможно, даже в результате сильнейшего потрясения. Это не более чем поэтическое преувеличение.

В XVI и XVII веках уроды встречались не так уж редко. Правители коллекционировали их, натуралисты каталогизировали, теологи использовали для религиозной пропаганды. Ученые мужи рисовали карты их распространения и включали пассажи об их значении в изысканно иллюстрированные книги.

То, что для людей средневековой и классической эпохи было «монстрами» и «необыкновенными рождениями», для нас является частью спектра биологических форм вида homo sapiens. За прошедшие двадцать лет этот спектр, как никогда ранее, исследовался и изучался. По всему миру ученые выявляли людей, в той или иной степени отличающихся от обычных по своим физиологическим или внешним особенностям. Составлялись их списки, накапливались фотографии, выяснялись родословные. Таких людей находили в Ботсване и Бразилии, Балтиморе и Берлине. У них брали образцы крови и отправляли в лаборатории для анализов. Их биографии, анонимные и сведенные к простым биологическим фактам, заполняли научные журналы. И они стали, вряд ли о том догадываясь, исходным материалом для грандиозного биомедицинского предприятия, возможно, величайшего в наше время, в котором коллективно задействованы десятки тысяч ученых и которое имеет целью ни много ни мало — выяснение законов развития человеческого организма.

1 % людей может видеть в инфракрасном и еще 1 % — в ультрафиолетовом диапазоне.

Большая часть этих людей имеет мутации, то есть дефекты некоторых генов. Мутации происходят из-за ошибок в механизмах копирования или репарации ДНК. Ко времени написания этой книги мутации, заставляющие некоторых из нас выглядеть, чувствовать или вести себя иначе, чем почти все остальные люди, обнаружены более чем в тысяче генов. Некоторые из таких мутаций уничтожают или, наоборот, добавляют к уже имеющимся целые куски хромосом. Другие поражают всего лишь один нуклеотид — одну структурную единицу ДНК. Физическая природа и степень мутации не столь, однако, важны, сколь ее последствия. Наследственные заболевания вызываются мутациями, которые изменяют генную последовательность ДНК, так что кодируемый ею белок приобретает иные, часто дефектные формы или вовсе не продуцируется. Мутации меняют «смысл» генов.

Изменение значения одного гена может иметь исключительно далеко идущие последствия для генетической грамматики организма. Существует мутация, которая сделает человека рыжеволосым и толстым. Другая вызовет частичный альбинизм, глухоту и склонность к запорам. Еще одна снабдит короткими пальцами на руках и ногах и неправильно сформированными гениталиями. Меняя смысл генов, мутации показывают, чем в первую очередь являются эти гены для организма. В совокупности они представляют собой удивительный инструмент, который позволяет выявить скрытое значение генов. В сущности, мутации — это скальпель, который врезается в структуру генетической грамматики и обнажает ее логику.

Для интерпретации значения мутаций потребуется использование обратной логики (контрлогики). Если мутация заставляет ребенка родиться без рук, то, хотя и есть соблазн сказать о гене «безрукости», такая мутация в действительности свидетельствует о гене, который помогает обеспечить наличие рук у большинства людей. Это происходит потому, что большинство мутаций уничтожают смысл гена: на языке генетики это мутации «утраты функций». Но незначительная часть из них добавляет смысл и называется мутациями «приобретения функций». При интерпретации значения мутации важно знать, с которой из них мы имеем дело. Один из способов состоит в том, чтобы узнать, как они наследуются. Мутации «утраты функций», как правило, рецессивны: они поражают организм ребенка только тогда, когда он наследует дефектные гены от обоих родителей. Мутации «приобретения функций» тяготеют к доминантности: для проявления должного эффекта ребенку нужна только одна копия гена. Хотя это разграничение нельзя считать окончательным (некоторые доминантно наследуемые мутации приводят к утрате функций), оно дает хорошую изначальную ориентацию. Обретения или утраты — оба вида мутаций рассказывают нечто о функции поражаемых ими генов и тем самым объясняют небольшую часть генетической грамматики. Мутации позволяют деконструировать тело.

Не все из этих мутаций меняли смысл генов или вообще затрагивали их. Некоторые вносили в обширные участки генома изменения, казалось бы, лишенные смысла. Не содержащие генов, которые воздействовали бы на грамматическую структуру организма, эти области вновь и вновь подвергаются мутациям. Наш метафорический скальпель все так же работает, делает свое дело, но без последствий для тела или разума человека. Другие мутации поражают кодирующие области генов, фактически не изменяя последовательности кодируемых ими белков. Они также хранят молчание.

Из всех мутаций, меняющих смысл генов, небольшая часть окажется выгодной для организма, и с течением времени эти мутации станут более частыми. На самом деле настолько частыми, что будет едва ли справедливо вообще именовать их мутациями. Вместо этого мы называем их вариантами, или, более научно, аллельными формами генов (полиморфизмами).

В отличие от человека, у животных не вырабатывается фермент для расщепления алкалоида теобромина. Если собака съест плитку шоколада, она погибнет.

Однако многие из поражающих геном мутаций, согласно любому критерию, наносят организму вред. Каждый новый эмбрион имеет около сотни мутаций, которых не было у его родителей. Эти изменения, уникальные для данного сперматозоида или яйцеклетки, были приобретены в то время, пока эти клетки находились в гонадах родителей, и не присутствовали тогда, когда родители эмбриона сами пребывали в зародышевом состоянии. Из этой сотни мутаций около четырех меняют значение генов путем изменения аминокислотных последовательностей белков. Из этих четырех меняющих смысл мутаций примерно три окажутся вредоносными. Или, выражаясь точнее, они окажут влияние на окончательный репродуктивный успех эмбриона.

Мы не располагаем точными величинами: доля вредных мутаций может быть рассчитана только непрямыми методами. Но даже оценки, если они верны, выглядят устрашающе. Они говорят нам, что нашему здоровью и счастью постоянно угрожает неиссякаемый запас генетических ошибок. Между тем, дело обстоит еще хуже. Каждый из нас отягощен не только своим собственным уникальным набором вредных мутаций, но должен справляться с тем, что мы унаследовали от родителей, а они — от своих родителей и так далее. Каков общий груз мутаций, испытываемый в среднем человеком? Период, в течение которого данная мутация будет передаваться от одного поколения к другому, зависит от тяжести ее воздействия на организм. Если предположить, что средняя мутация оказывает лишь незначительный вредоносный эффект на репродуктивный успех и поэтому сохраняется в течение сотен поколений, то оценка в три новые мутации на поколение приведет нас к довольно-таки печальному выводу, что любое вновь зачатое человеческое существо в среднем несет в себе триста мутаций, в той или иной степени ухудшающих его здоровье. Ни один из нас полностью не свободен от этой «мутационной бури». Но не все мы в равной степени подвержены ее воздействию. Некоторые из нас по воле случая рождаются с необычно большим количеством умеренно вредных мутаций, тогда как у других их довольно мало. И хотя одни из нас, опять-таки по воле случая, рождаются с единственной мутацией полностью разрушительного действия, большинство людей с ней не знакомы. Так кто же в таком случае они такие — мутанты? Ответ может быть только один, и он полностью согласуется с нашим каждодневным опытом разграничения нормы и патологии. Мы все мутанты, но некоторые из нас — в большей степени, чем другие.

Игры разума

«Капитал-то у маво Вани в голове!»

Речь пойдет о нашем видовом отличии, нашей гордости, о том, из-за чего мы считаем себя венцом творения (или биологической эволюции), — да, да, о нашем биологическом капитале. Мы разрезаем поперек кочан цветной капусты, и вот — voilá! — так же выглядит горизонтальное сечение человеческого мозга.

Успехи в изучении мозга, достигнутые за последние пятьдесят лет, позволили узнать о нем значительно больше, чем удалось выяснить за весь предшествующий период развития науки. Особенно заметны успехи в изучении деятельности самой маленькой структурной единицы мозга — нейрона. Открытия, сделанные на нейрональном и молекулярном уровнях, позволили понять самые общие, основные механизмы функционирования мозга и перейти к расшифровке механизмов элементарных психических реакций у животных с наиболее просто устроенной нервной системой.

Мозг человека содержит более 100 млрд нейронов. Каждый нейрон соединен с 25 тыс. других нейронов. Во время внутриутробного развития у эмбриона ежеминутно образуется 250 тыс. новых нейронов.

Сейчас уже не приходится сомневаться в том, что мы сумеем разобраться в тонкостях работы несложного нервного ганглия моллюска, но мозг человека имеет массу своих специфических тайн и секретов.

Мозг разделен на две половины: левое и правое полушария. Их связывает мозолистое тело. Поверхность мозга чрезвычайно складчатая — таким образом увеличивается площадь наружного слоя мозга, или известной всем коры.

Продолжим «растительную» аналогию. Вот, у нас есть лук, не репчатый, правда, зеленый лук. Стебельки устроены «послойно». Так же и мозг. Внутренняя часть мозга — центральное ядро — отвечает за базовые функции: дыхание, сон, потребление пищи и воды, контроль температуры и функции половой сферы.

В среднем слое располагается так называемая лимбическая система, которая контролирует наши эмоции.

Наружный слой — это кора головного мозга, которая управляет всеми остальными функциями, включая движения, ощущения, речь, зрение, слух и даже личностные проявления человека.

Мозг содержит примерно 100 млрд нервных клеток, или нейронов, преимущественно расположенных в первых нескольких миллиметрах коры. Нейроны окружены большим количеством глиальных клеток, отвечающих за опорную и защитную функции. Некоторые нервные клетки очень длинные. Они имеют отростки, которые начинаются в мозге и простираются вниз по позвоночнику.

Нервные клетки обладают удивительным механизмом высокоскоростной передачи импульсов, или сигналов. Передача нервных импульсов от одной нервной клетки к другой происходит электрохимическим путем, благодаря выделению мельчайших объемов особых веществ — нейротрансмиттеров (или нейромедиаторов) — в синаптическое пространство (а синапс — это место контакта между двумя нервными клетками). Этот «впрыск» активирует следующий нейрон. Поэтому такая связь называется в науке синаптической связью.

У мозга в распоряжении целый набор нейротрансмиттеров. Этот набор подразделяется на «семьи». Каждый из трансмиттеров относится к какому-либо семейству и «распознается» специальным рецептором в синапсе. Так замок «распознает» свой ключ и открывается. Вставьте в хороший замок другой ключ, не от него: даже если ключ протиснется в скважину, в дверь вы не войдете.

Нейроны могут одновременно взаимодействовать с несколькими другими нейронами, включая и те, что находятся в удаленных отделах мозга. Это говорит о сложности системы — о возможности объединения очень сложных сигналов. Например, если вы вынимаете из микроволновки горячее блюдо, мозг воспринимает информацию о факторе, потенциально разрушительном и причиняющем боль, и посылает руке сигнал бросить предмет. Однако эту информацию может скорректировать второй сигнал из другой части мозга, потому что ваша жена кричит: «Это подарок моей мамы!» Вам больно, очень больно, но тут в вашем сознании появляется образ тещи, воспоминание о том, что происходит с окружающим миром, когда супруга бывает в гневе, и о том, что случится с вами, если вы, именно вы окажетесь причиной этого гнева. Воспоминание о будущем… После этого вы можете передумать и подавить первичный импульс бросить блюдо на пол.

Теперь рассмотрим мозг «по частям».

Если взять вид мозга со стороны (вид черепа в профиль), мы заметим, что каждое полушарие разделено на четыре доли.

У большинства людей левое полушарие доминирует над правым. Доминирующее полушарие обрабатывает языковые и математические или логические проблемы, а другое отвечает за такие функции, как восприятие музыки, зрительных образов и умение видеть относительность явлений.

Затылочная доля, расположенная в задней части мозга, обрабатывает поступающую зрительную информацию и воссоздает все образы, которые мы видим.

Височная доля обрабатывает информацию, поступающую в мозг через органы слуха, и вместе с затылочной долей помогает определить, что мы видим. Эта часть мозга связана с памятью: правая доля обычно работает с визуальной, левая — с вербальной информацией. Наконец, в левой височной доле звуки речи преобразуются в слова, и мы понимаем, что нам говорят.

Теменная доля выполняет две основные функции. Во-первых, здесь обрабатывается вся информация о тактильных и болевых ощущениях. Во-вторых, эта область связана с анализом зрительных данных, помогая понять, что именно мы видим.

В этой доле мозг хранит карту поверхности тела, так что информация о каждом прикосновении поступает в свою собственную область для обработки. На этой карте в теменной доле больше всего места отведено для информации о самых чувствительных участках тела, к которым относятся пальцы, ротовая полость и половые органы.

Эта доля контролирует также дополнительные функции, свойственные именно человеку. Часто их называют организующими функциями и относят к ним концентрацию, планирование, аргументацию и суждение — способности, направленные на принятие сложных решений и поиск выхода из проблем.

Большая область лобной доли зарезервирована для посылки сигналов в мышцы тела, приказывая им двигаться, когда это необходимо. Левая лобная доля управляет речью и связана с областью в левой височной доле, отвечающей за восприятие речи.

Лобная доля связана с лимбической системой и контролирует поведение человека в различных ситуациях. Лимбическая система расположена в среднем слое мозга, играет огромную роль в регуляции наших эмоций и помогает хранить воспоминания. Она контролирует и примитивное центральное ядро, облегчая нашу приспособляемость и снижая зависимость от голода и сексуальных позывов.

Итальянский кардинал, главный хранитель библиотеки Ватикана (1833–1849) Джузеппе Меццофанти свободно говорил на 39 языках и еще столько же мог понимать, хотя никогда не покидал пределов Италии. Утверждают, что однажды кардинал выучил новый язык за одну ночь только для того, чтобы утром принять исповедь чужеземного преступника, приговоренного к смертной казни.

Гиппокамп является частью лимбической системы, участвуя в сохранении новых воспоминаний. Хотя воспоминания находятся не в самом гиппокампе, информация должна пройти через него, чтобы память консолидировалась, то есть перешла из кратковременной в долговременную. Люди, у которых разрушена эта часть мозга, не могут накапливать новые воспоминания, хотя способны помнить большинство фактов, запомнившихся им до повреждения.

Еще одна часть лимбической системы, миндалевидная железа, играет важную роль в переживании определенных эмоций, таких как страх. Она вносит свой вклад в создание положительных и отрицательных эмоциональных воспоминаний благодаря своим тесным связям с гиппокампом.

Существует теория, что у людей с посттравматическим стрессовым расстройством могут возникать проблемы в гиппокампе и миндалевидной железе. Это объясняет яркие вспышки воспоминаний и тревоги, которую эти люди пережили в состоянии стресса.

Мозг постоянно получает входящие сигналы от тела, чтобы держать нас в курсе того, как мы себя чувствуем и что происходит вокруг. Явные сигналы (которые человек фиксирует) поступают от органов пяти чувств, а неявные проходят мимо сознания, например факторы, контролирующие частоту дыхания или мигание. Скажем, человек читает книгу. Его рука касается страниц. Информация об этом идет по нервным волокнам руки в спинной мозг, по нему через отверстие в основании черепа достигает головного мозга и в конце концов прибывает в кору теменной доли. Входные сигналы проходят через таламус — область центрального ядра, действующая как сортировщик и направляющая импульсы к нужным адресатам. Таламус регулирует интенсивность (или силу) сигналов от различных органов чувств в соответствии с информацией коры головного мозга о большей или меньшей важности того или иного сообщения.

Возможно, человек не осознает, что его рука касается страницы, пока специально не обратит на это внимание. То есть, пока кора мозга не прикажет таламусу прибавить таким сигналам «громкость», сделать их более интенсивными.

Если представлять дело упрощенно, мозг посылает мышцам сигналы о сокращении или расслаблении. Например, мысль о каком-либо действии — это сигнал для произвольного движения (скажем, удержать наше горячее блюдо). Однако многие исходящие сигналы мы не осознаем, и в этом случае наши действия являются непроизвольными — к ним относятся функции дыхательных мышц или учащение сердечных сокращений. Если бы нам приходилось постоянно думать и помнить о дыхании, мы бы просто ничем больше не смогли заниматься, так что разделение на произвольные и непроизвольные действия — очень важное свойство организма.

Произвольными движениями управляет область, расположенная в лобной доле. Непроизвольные движения контролируются центральным ядром. Важную роль в поддержании позы, равновесия и координации движений играет мозжечок — особый участок центрального ядра.

Чихнуть с открытыми глазами невозможно! Это медицинский факт.

Но кроме ощущений есть еще эмоции. И это важно! Эмоции не сводятся к ощущениям. Эмоциональное восприятие связано со многими факторами. Существуют физические ощущения (например, в ситуации угрозы ваше сердце бьется быстрее), осознание эмоции (вы испытываете страх и понимаете, что боитесь), а также мысли и воспоминания от коры головного мозга, связанные с аналогичным опытом и влияющие на ваши чувства и окончательные действия.

Само по себе физическое ощущение не скажет, как вы себя чувствуете. Ваше тело не может отличить страх от восторга: обе эти эмоции вызывают учащение сердцебиения и расширение зрачков. Именно миндалевидная железа в лимбической системе распознает, страх это или восторг. Люди с травмами этой части мозга не способны бояться и могут совершать крайне рискованные поступки.

Лобная доля связана с эмоциями и обусловливает адекватные реакции в определенной социальной обстановке, а также помогает считывать эмоциональные подсказки, напоминает о последствиях наших прошлых поступков и способствует пониманию того, что морально и социально приемлемо. Вероятно, это наиболее сложная часть нашей эмоциональной реакции.

Мы знаем уже, что мозг передает информацию электрическим или химическим путем. Есть нейротрансмиттеры — вещества, участвующие в синаптической передаче сигналов. Здесь мы исследуем их более детально, поскольку в работе нашего мозга они играют очень важную роль. Известно по крайней мере семьдесят различных нейротрансмиттеров. Они распределяются в мозге неравномерно, варьируясь в зависимости от функций определенных его участков.

Человеческий мозг принимает 11 млн бит информации в секунду, но осознает лишь 40 бит.

Возьмем для примера серотонин. Это нейротрансмиттер, регулирующий настроение — отвечающий за ощущение счастья, грусти или уныния. Он находится в лимбической системе. Лекарства-антидепрессанты взаимодействуют именно с этим веществом.

Другой нейротрансмиттер, дофамин, действует в нейронных связях, которые обусловливают мотивацию и стремление к удовольствию (награде). Проще говоря, чем больше дофамина, тем сильнее мы чего-то хотим. Это касается «естественных» наград, таких как еда, и искусственных, например кокаина. Считается, что переизбыток дофамина в некоторых областях лимбической системы приводит к шизофрении, а его недостаток в других участках мозга — к болезни Паркинсона.

Эндорфины — естественные нейротрансмиттеры, облегчающие боль и увеличивающие удовольствие. Наркотики на основе опиума — героин и морфий — имитируют действие эндорфинов и создают схожий эффект. К безопасным способам увеличения «естественного кайфа» относятся физические упражнения, шоколад и острая пища. Кроме того, уровень эндорфинов в мозге повышают некоторые альтернативные методы лечения, например акупунктура.

Научное понимание работы мозга все еще отстает от понимания функционирования всего организма в целом. Но ученые имеют здесь оправдание: мозг — это гораздо более сложный орган по сравнению с любым другим. Мозг — самый сложный объект в известной нам Вселенной!

Имеет ли смысл обвинять в нашем поведении мозг, утверждая, что миндалевидная железа, обычно порождающая ощущение счастья, на этот раз вызвала в нас представление об исходящей от другого человека угрозе и поэтому мы на него напали? В судах США для помощи подсудимым используются результаты мозгового сканирования: известно, что снимки мозга осужденных за так называемые немотивированные убийства отличаются от снимков мозга других преступников.

Психическое здоровье подразумевает способность отвечать за свои эмоции (а значит, и за свой мозг), чтобы не стать их жертвой. Согласно недавнему открытию, изменения мозга, возникающие при лечении депрессии антидепрессантами, удивительно схожи с теми, что появляются в результате психотерапии, поэтому обучение влиянию на мозг может быть связано более чем с одной техникой воздействия.

Вероятность умереть в день рождения на 14 % выше, чем в любой другой день.

Мозг и тело

Взаимоотношения между телом и сознанием интересовали человека на протяжении столетий. Много лет западная медицина, уходящая корнями в естественные науки, рассматривала физические недомогания как биологическое явление, узнаваемое по аномальным признакам. Эмоции в практике медиков до сих пор не принимались во внимание. Заболевание без аномальных признаков до сих пор приводит врачей в недоумение. Однако заявления о «необъяснимых с медицинской точки зрения симптомах», то есть тех, конкретную причину которых найти невозможно, представляют как минимум 30 % среди всех обращений к врачам. Примеры этих болезненных состояний — хроническая усталость, хроническая боль и синдром раздраженного кишечника.

Сегодня исследователи наконец осознали, что необходимо разобраться во взаимоотношениях между телом и сознанием и тем самым пролить свет на факторы здоровья и источники заболеваний, понять, как сознание (мышление, воображение, чувства и память) может менять физические процессы в мозге и влиять на тело (и наоборот). Последствия открытий в этом направлении для медицины просто невероятны, и они уже вносят свой вклад в создание новых способов сохранения здоровья.

Мозг, как мы уже знаем, состоит из 10 млрд специализированных клеток — нейронов. Нейронная связь (передача информационных импульсов) осуществляется с помощью особых веществ — нейротрансмиттеров. Такие нейротрансмиттеры, как серотонин, адреналин и дофамин, оказывают влияние на многие физические и психологические функции, влияя на настроение, аппетит, энергию, сексуальное влечение, сон и поведение. Уровень нейротрансмиттеров зависит от генофонда человека и его жизненного опыта (мыслей, настроения, поведения, отношений и т. д.). Связь между мозгом и телом может быть и гормональной. Мозг посылает сигналы о необходимости выделения гормонов, которые попадают в кровь и участвуют в различных функциях организма.

Некоторые из этих систем регуляции нарушаются под воздействием стресса и депрессии. Изменения могут повлиять на синтез таких веществ, как адреналин и кортизол, а также на иммунную систему и функцию нейротрансмиттеров (например, серотонина). Нарушение баланса половых гормонов влияет не только на активность мозга, но и на его структуру. Постоянные гормональные нарушения оказывают негативное воздействие на мозг и тело.

Открытие цитокинов — информационных молекул, регулирующих межклеточные и межсистемные взаимодействия, определяющих выживаемость клеток и работу иммунной системы — произвело революцию в понимании связи между сознанием и телом. Цитокины регулируют размножение нервных клеток, влияют на гормональный уровень и на иммунную систему. Найдено более сотни цитокинов, и на многие из них оказывают воздействие стресс, тревога и депрессия.

Цитокины, гормоны и нейротрансмиттеры способны влиять на мозг, мышление, настроение и поведение, а также создавать широкий спектр физических симптомов. Эти естественные химические вещества иногда называют молекулами эмоций.

В среднем у большинства людей друзей меньше, чем у их друзей — это так называемый «парадокс дружбы» (friendship paradox).

Но как конкретно, по каким «магистралям» осуществляется связь между телом и мозгом? Мозг подает сигналы и воспринимает информацию от тела при участии центральной нервной системы. Вегетативная (автономная) нервная система (ВНС) является важной частью центральной нервной системы и не находится под произвольным контролем человека. ВНС участвует в регуляции многих процессов, включая давление, сердечный ритм и температуру тела. Стресс вмешивается в целостную систему, вызывая физические симптомы. Эмоции «заряжают» тело и потому могут властвовать над человеком, управляя его мыслями и поведением.

Реакция на мысли, образы или события у каждого человека индивидуальна и зависит от времени. Например, многим людям гораздо сложнее справляться с беспокойством, проснувшись среди ночи. Если несколько отрицательных событий происходит одновременно, если человек устает или обессилен, снижается его способность справляться даже с незначительными проблемами.

Настроение зависит и от интерпретации происходящего. Когда человек раздражен, он легко переходит на гнев, когда огорчен — вспоминает печальные события и погружается в негативные мысли; когда счастлив — обращает внимание на положительные стороны жизни. Стиль мышления может поддерживать позитивное или негативное эмоциональное состояние.

У нас есть не только мышление — есть также память. Если попросить человека вспомнить основные «выдающиеся» события его жизни, он с большей вероятностью расскажет о тех, что вызвали у него сильные эмоции: страх, печаль, гордость или счастье. «Воспоминания-вспышки» часто связаны с высоким уровнем эмоций, поэтому соответствующие ситуации запоминаются хорошо и подробно. Здесь нужно вспомнить уже вошедшее в повседневный обиход слово адреналин. А слово, между прочим, вполне медицинское! Адреналин — это гормон, который улучшает память, а также поступает в клетки мозга и тела, когда человек испуган или напряжен.

Мысли и воспоминания могут сопровождаться одним очень важным чувством и состоянием: это страх. Страх бывает полезным, когда он направлен на выживание: вызывает важные изменения в работе мозга и в организме, влияет на степень проявления реакции «дерись или беги». Эти изменения помогают человеку отреагировать в виде одного из трех типов поведения: драться, замереть или бежать.

Но если система страха запускается слишком легко, несвоевременно или чересчур долго остается активной, у человека возникают трудности. Например, женщину ограбили в метро: грабитель приставил ей нож к горлу, и она испытала сильнейший страх, считая, что может умереть. В ее памяти откладывается множество контекстуальной информации — запах лосьона грабителя, его акцент, музыка, играющая в его плеере. Если через полгода, стоя в очереди, она ощутит запах того же лосьона, то почувствует страх и соответствующую физическую реакцию еще до того, как осознает сам запах.

Одна из наиболее трудноизлечимых фобий — фобофобия, или боязнь страха.

Регулярные отрицательные размышления о проблемах способны вызывать не только страх, но также некоторые другие неприятные вещи: депрессию и тревогу. Когда человек обеспокоен, он чаще всего рассматривает худшие исходы ситуаций, и такие воображаемые сценарии только повышают уровень тревоги. Если негативные мысли регулярно возвращаются, они образуют устойчивые межнейронные связи. Таким образом, человек «замыкает» собственную модель мышления в мозговой сети и формирует к ней быстрый доступ.

Настоящим бичом современной человеческой цивилизации является стресс. Реакция организма на стресс нормальна и полезна для человека. Ситуации, требующие большого напряжения сил, подталкивают его к активности (например, при подготовке к экзаменам). Но что создает стресс для одного, может не оказаться стрессом для другого. Некоторые стремятся к определенным стрессовым ситуациям (таким, как затяжные прыжки с парашютом или прыжки с моста на эластичном тросе), а другие активно избегают их. Поэтому определение стресса зависит не только от контекста, но и от его значения в жизни конкретного человека.

Пока давление или стресс не превышают определенного уровня, они стимулируют работоспособность и другие факторы, но когда граница перейдена, порождаются отрицательные эффекты (раздражение, плохой сон, слабость).

Стресс и тревога воспринимаются как физические симптомы, поскольку приводят к естественным биологическим реакциям и физическим изменениям в организме. Любитель прыжков с моста интерпретирует их как восторг, а человек, боящийся высоты, испытает чистый ужас.

В состоянии стресса и тревоги человек теряет много энергии, оставаясь эмоционально истощенным и уставшим. Тяжелые стрессовые события могут вызвать депрессию. В состоянии стресса человек избегает проявлений активности и отходит от привычных занятий.

Наверное, всякий знает: когда мы понервничаем, частенько появляется боль в животе. Это трудно объяснить нам, и это не менее трудно объяснить медикам. Действительно, где желудок и кишечник, а где нервы! В современном мире такие «необъяснимые симптомы», возникающие в пищеводе, желудке или кишечнике, наблюдаются у каждого пятого взрослого. Так говорит медицинская статистика. А почему? Оказывается, стресс тесно связан с болью в брюшной полости и изменениями в работе пищеварительной системы.

На внутренних оболочках кишечника находятся рецепторы для так называемых «молекул эмоций», поэтому неудивительно, что эмоции и стресс могут вызывать изменения в пищеварении и перистальтике, а также в кровоснабжении кишечника. Множество эмоций создают внутреннюю реакцию, и недаром говорят — «нутром чую».

Беспокойство и тревога — естественные эмоции, и человеческий организм способен справиться с периодами стресса. Однако физические симптомы тревоги могут оказаться неприятными и пугающими. Их внезапное возникновение часто становится источником страха и беспокойства, создавая замкнутый круг. Так что будьте ответственны по отношению к образу и качеству собственной жизни, не переживайте по пустякам!

Автомобильный выхлоп повинен в большем количестве смертей, чем автокатастрофы.

Шизо

«Что такое норма? — заметил в беседе с автором этих строк один хороший врач. — Ни один человек не похож на другого. У одного на щеке есть родинка, а у другого нет. И спрашивается, кто из них нормален? В медицине норма — это не определенный набор качеств и состояний, а широкий интервал: от сих до сих — нормальные, среди которых нет ни одного, схожего с прочими». Действительно, кто из нас нормален? Мы просто разные, мы отличаемся друг от друга. Кто-то весел, кто-то задумчив, кто-то решителен, кто-то осторожен, кто-то любит апельсины, а кто-то — свиной хрящик! А это значит, что и мозг (причем, в первую очередь мозг, именно мозг) у нас, разных, работает по-разному. Вполне нормальное положение дел.

Однако мозг тоже болеет. Иногда болеет тяжело. Здесь речь о серьезных сбоях, о дисфункции всей системы личности. Собственно «мозговых», «нетелесного» происхождения болезней довольно много. Для примера мы рассмотрим самую известную и, одновременно, самую неизвестную — шизофрению.

Большинство людей очень мало знают о том, что такое шизофрения, что ее вызывает и как ее лечить. Также существует множество заблуждений, когда шизофренией называют то, что не относится к этому заболеванию. Шизофрения — это не «расщепление личности». Шизофрению не вызывает плохое отношение родителей, личные слабости или человеческая несостоятельность. Чаще всего это заболевание понимают неправильно, что ставит его на первое место среди самых осуждаемых недугов. Шизофрения встречается в пять раз чаще рассеянного склероза. Она поражает примерно одного человека из ста, а это значит, что в Украине, например, ею страдает примерно полмиллиона человек!

Шизофрения — прогрессирующее заболевание, которое сопровождается психотическими симптомами: извращением процессов мышления и нарастающими изменениями личности в виде замкнутости, нарушения связности мышления и речи. Искажение чувства не позволяет пациенту ясно различать реальное и воображаемое — он испытывает галлюцинации, слышит «голоса». Больной убежден, будто люди слышат его мысли, говорят о нем всякие гадости. Это приводит к потере концентрации и уверенности в себе, к увольнению с работы, уходу от друзей и из семьи. Многие больные испытывают такое напряжение, что начинают пить и принимать наркотики, чтобы облегчить свое состояние. Если ничего не предпринимать, проблемы только усилятся, и очень важно как можно раньше обратиться за помощью, поскольку лечение вполне возможно.

Синдром Стендаля — это психическое расстройство, которое проявляется как сильнейший приступ паники, наступающий в местах сосредоточения большого количества произведений искусства.

Шизофрения почти всегда приводит к изменениям в социальной жизни и личности человека. Поначалу они могут быть незначительными и незаметными, однако в конце концов симптомы становятся очевидны для семьи, друзей, одноклассников и сотрудников. Заболевшему человеку сложно отличить реальное от вымышленного, и он нередко пытается сгладить или полностью отрицает симптомы своей болезни.

А симптомы серьезные и малоприятные.

Расстройство мышления. Мысли формируются медленно, или возникают слишком быстро, или вообще не появляются. Они перепрыгивают с темы на тему, человек путается и с трудом принимает даже простые решения. Мышление часто подвержено сильному влиянию бредовых заблуждений.

Бредовые заблуждения. Эти ложные убеждения не соответствуют социальной и религиозной жизни человека. Он полностью уверен в их истинности. Больной считает, что его преследуют, шпионят за ним, что-то замышляют против него. Может возникать бред величия, когда больной полагает себя всемогущим, способным на все. Иногда он верит, что наделен миссией исправить царящее в мире несовершенство.

Идеи связей. Человек начинает видеть глубинный смысл в самых обычных событиях. Например, он может быть уверен, что в радио— или телепрограммах, в Интернете говорится или пишется о нем или что люди посылают ему сообщения какими-нибудь необычными способами — например, через цвета проезжающих по улице машин.

Изменения личности возникают довольно часто. Больной утрачивает эмоции, интересы, мотивацию; общительный человек становится замкнутым, тихим и мрачным. У него могут возникать не соответствующие моменту эмоции (например, смех в печальной ситуации или рыдание над шуткой), а иногда он вообще не способен выражать свои чувства.

Изменения в восприятии переворачивают мир больного человека с ног на голову. Сенсорная информация, идущая к мозгу от глаз, ушей, носа, кожи и вкусовых сосочков, становится путаной, и человек начинает действительно слышать, видеть, чувствовать или обонять то, чего не существует. Это называется галлюцинациями.

Следует помнить, что подобное ложное восприятие является для человека «истинным». Наиболее распространенная проблема — слуховые галлюцинации, или «голоса в голове». Иногда эти голоса угрожают, осуждают или отдают прямые приказы, и это явление может иметь очень серьезные последствия, толкая на совершение поступков, которых человек не допустил бы, находясь в здравом уме. Эти ложные ощущения порождают ужас, панику, страх, депрессию и тревогу — вполне естественные реакции на столь пугающие события. В такое время возрастает риск суицида или нанесения себе травм.

У шизофрении сложилась репутация неизлечимого и пугающего заболевания, однако на самом деле благодаря активному подходу и ранней диагностике перспективы выздоровления могут оказаться великолепными. Многие выдающиеся люди страдали шизофренией.

Вследствие неадекватной организации медицинского обслуживания подходящее лечение часто предлагают только тем, кто уже серьезно болен. Однако психиатры способны распознать гораздо менее заметные признаки, предсказывающие появление шизофрении, иногда за несколько лет до того, как болезнь проявит себя полностью. Эти признаки не такие явные, как голоса или странные идеи, и связаны с изменениями в суждениях и мышлении. Очень жаль, что на подобные «предупреждающие» сигналы, дающие возможность излечения в самом начале и даже предотвращения заболевания, медицинские учреждения и службы больше не обращают внимания. Вместо этого врачи начнут помогать человеку только тогда, когда заболевание уже развилось и вошло в серьезную стадию.

Что было, что будет и на чем сердце успокоится

Грядущая эволюция человека

При ответе на вопрос о том, как могли бы выглядеть люди будущего, мы прежде всего склонны гиперболизировать развитие мышления и, соответственно, размер головы человека. По этой логике у наших потомков должна быть огромная голова, очень высокий лоб, увеличенный объем мозга и высокоразвитый интеллект. Судя же по палеонтологическим исследованиям размеров головы у последних нескольких сотен поколений, времена быстрого увеличения объема нашего черепа давно прошли. Что же, физическая эволюция человека все-таки закончена?

В 1800 году только 3 % населения Земли проживало в городах. В 2008 году количество городских жителей составило 50 % всего человечества. К 2030 году 60 % всех людей Земли будет проживать в городах.

Еще несколько лет назад наука склонялась именно к такому выводу. Однако новые методы работы с ДНК, позволяющие производить анализ геномов различных поколений, совершили переворот в изучении эволюции человека: они создают абсолютно иную картину! Изменилось, так сказать, качество эволюции. Со времени возникновения homo sapiens в нашем организме произошла не просто основательная «перетасовка» генов: увеличилась и скорость эволюции вида. В дополнение к тому, что за прошедший срок у нас, как и у других биологических организмов, резко изменилась форма тела, сегодня наша физиология, а возможно, и поведение, продолжают подвергаться генетически обусловленным изменениям. Так, вплоть до самого последнего периода нашей истории в разных частях света происходило вполне отчетливое обособление человеческих рас. Даже сегодня под влиянием условий современной жизни генетические факторы могут обусловливать появление новых особенностей поведения у людей.

Это подтверждается глубокими исследованиями. Так, Пардис Сабети и ее коллеги из Гарвардского университета, используя обширные данные по наследственной изменчивости, попытались найти взаимосвязь между естественным отбором и геномом человека. В результате более чем в 300 частях генома были найдены следы недавних изменений, повышавших шансы людей на выживание и деторождение. Например, сопротивляемость одному из тяжелейших бедствий Африки — вирусу, вызывающему геморрагическую лихорадку Ласа; определенная устойчивость части африканского населения к таким заболеваниям, как малярия; изменение окраски кожи и активный рост волосяных фолликул у азиатов; постепенное осветление кожи и приобретение голубого цвета глаз у жителей севера Европы.

Исследовательская группа Харпендинга и Хокса пришла к выводу, что в последние 10 тыс. лет эволюция человека происходила в 100 раз быстрее, чем в любое другое время после отделения самого раннего гоминида от предков современных шимпанзе. Подобное ускорение исследователи объяснили разнообразием видов окружающей среды, в которые перебирались люди, а также изменениями в условиях существования, вызванными появлением сельского хозяйства и строительством больших городов. Главными результатами превращения дикой естественной среды в обрабатываемые угодья стали не развивающееся земледелие и трансформации ландшафта, а зачастую смертельное сочетание антисанитарных условий проживания, нового пищевого рациона и различных заболеваний (которые передавались от других людей и одомашненных животных).

Группа ирландских ученых из Смафитского института генетики Тринити-колледжа Дублина обнаружила в генетическом коде человека три новых гена, которые появились совсем недавно (а ранее это считалось невозможным). Какие особенности нашего организма или внешности кодируют эти новые гены, исследователи пока не определили. Но выяснили, что созданы они из наследственного материала, который прежде представлялся «генетическим мусором».

Хотя некоторые исследователи не вполне согласятся с этими оценками, основная идея понятна: люди превосходно эволюционируют.

Итак, биологическая эволюция продолжается и сегодня, хотя размеров головы это никак не касается. И что с нами будет? Станем мы крупнее или мельче, умнее или глупее? Могут ли возникнуть новые заболевания и как они на нас скажутся? Как будет воздействовать на нас глобальное повышение температуры? Появится ли однажды новый вид человека? Или, может быть, будущая эволюция человечества зависит уже не от наших генов, а от уровня развития техники, от внедрения в наш мозг и тело кремниевых и стальных элементов? А вдруг наше предназначение — быть всего-навсего создателями машин, следующей цивилизации, которая будет господствовать на планете Земля?

В далеком будущем человечества перечень возможных определяющих факторов эволюции можно пополнить весьма экзотическими (пусть и гипотетическими) пунктами.

Если бы один вампир питался один раз в день и всякий раз обращал своих жертв в вампиров, все население планеты превратилось бы в вампиров чуть больше чем за месяц.

Во-первых, разделение человеческой общности на отдельные группы после катаклизма космического масштаба. Здесь же стоит упомянуть (хотя этот пункт, конечно, имеет и техногенные, а не только естественные аспекты) «космические» эволюционные факторы, связанные, допустим, с колонизацией человеческим видом ближайших планет.

Во-вторых, влияния «геосистемного» порядка — изменение климата, физических, биологических условий существования человека; иначе говоря, изменение среды обитания человеческого вида, во многом и за счет последствий преобразования материальных структур планетарного масштаба самими людьми, в процессе их жизнедеятельности.

В-третьих, «внутренние» техногенные влияния, обусловленные непосредственно человеческой интеллектуальной практикой, например эксперименты в области генной инженерии, нанотехнологий, биокибернетики, искусственного интеллекта и т. п.

Алхимики столетиями искали способ превращать неблагородные металлы в золото. В 1947 году это «безнадежное» предприятие все-таки завершилось успехом. В ядерном реакторе лаборатории ядерной химии в Лос-Аламосе, штат Невада, из 100 мг ртути было получено 35 мкг золота. Сегодня это золото можно увидеть в Чикагском музее науки и промышленности.

Евгеника

Все популярные учения с начала прошлого века выдвигали на первый план неограниченную пластичность и программируемость биологического вида homo sapiens. Вновь и вновь разъяснялось, что человеческие существа мало отличаются друг от друга своими врожденными качествами, и что разница объясняется воспитанием и образованием. В последние десятилетия, по аналогии с компьютером, говорили, что программное обеспечение — это все, а «железо» — всегда одно и то же, и, стало быть, имеет меньшее значение. Дорога к счастливому будущему пролегает через улучшение окружающей среды, и только. Можно было довольно свободно говорить об эволюции, но эта свобода не распространялась на будущую эволюцию человечества. Любопытно, что замалчивание этой темы совпало с революцией в генетике.

Вплоть до середины XIX столетия западный мир в своих представлениях об устройстве Вселенной опирался на Книгу Бытия. Но открытие эволюции представило совершенно иное объяснение происхождения человека. Пытаясь согласовать религию с наукой, мы создали новую мифологию. Миф, как известно, не задает вопросов, он просто уверен, что дело обстоит «так-то и так-то». Но вопросы возникают. Вот несколько «почему».

1. В то время как другие виды животных и растений могут подвергаться существенным изменениям в течение всего лишь нескольких поколений, мы почему-то считаем, что тысячи поколений людей в самых разных условиях отбора и выборочного спаривания оставили только незначительный генетический разброс в нашем виде.

2. Интеллектуалы (в отличие от иного среднего обывателя) не сомневаются, что мы — продукт эволюции. При этом, однако, они также убеждены, что человеческие существа — единственный вид, более не подверженный этой самой эволюции.

3. Из поколения в поколение семьи становятся все малочисленнее. Люди, умственно одаренные, часто не оставляют себе замену (этого как раз и опасались ученые еще в XIX веке). Но мы спокойно принимаем это.

4. Мы все больше и успешнее уходим от естественного отбора с помощью медицины — и при этом твердо убеждены, что будущие поколения нисколько от этого не пострадают.

5. Мы закрываем глаза на то, что наш вид можно безошибочно охарактеризовать как патологический. Освободившись (это — ненадолго) от оков естественного отбора, забыв об ограниченности природных ресурсов, мы разрушаем экологию, угнетая не только другие биологические виды, но и себя самих.

6. Наша экономика нестабильна. Она основана на истощении ресурсов. Мы потребляем все больше и больше. Этот процесс проедания накопленных богатств Земли мы провозгласили целью нашего общества.

7. Человеческое общество в целом ни биологически, ни психологически никак не назовешь обществом равных условий и равных возможностей.

Условия, управляющие отбором в популяции homo sapiens — очень молодом звене в цепочке эволюции, — претерпели за последнее столетие революционные изменения. Правда, технологическая революция не повлекла за собой развенчания мифов, даже превратила их в оружие против биологии. И в конце концов мы должны решить, в какой степени мы довольны собой как видом.

Если носить джинсы две недели подряд, на них поселяется колония в тысячу бактерий — спереди, 1,5–2,5 тыс. — сзади и 10 тыс. — в промежности.

Между тем, судя по общему состоянию гуманитарной мысли на сегодня, участь будущих поколений не принимается в расчет, когда речь идет о наших сегодняшних проблемах. Здесь и хочется вспомнить о самой идее евгеники. Это зародившееся в XIX веке весьма неоднозначное учение о селекции применительно к человеку, а также о путях улучшения его наследственных свойств, призванное бороться с явлениями вырождения в человеческом генофонде. Евгенику можно представить как человеческую экологию, и она всегда выступала от имени будущих поколений! Нам, конечно, не стоит быть слишком самонадеянными относительно нашей способности предсказывать будущее. Но мы, во всяком случае, хотим иметь здоровых, умных детей, которые станут эмоционально уравновешенными альтруистами в полном смысле этого слова.

Сейчас, когда большинство людей живет много дольше своего репродуктивного возраста, населять планету будут потомки не тех, кто просто уцелел в горниле естественного отбора, а тех, у кого больше детей. Таким образом, основой отбора становится скорее рождаемость, чем смертность. Изменение поистине революционное.

По крайней мере, в теоретическом плане мы сейчас — наконец-то! — достигли согласия в том, что равенство возможностей — желанная цель. Но в то же время мы зажаты в тисках просвещенческого мировоззрения, которое настаивает не только на том, что люди должны обладать равными правами, но и что все люди одинаковы — разница только в воспитании.

К нашему счастью и радости, все мы все-таки разные — и как отдельные личности, и как группы. Мы отнюдь не идентичные устройства с разным программным обеспечением. И наш моральный долг в том, чтобы передать детям не одну и ту же наследственность, а разную, и притом лучшую из всех возможных для каждого.

Но есть и другие взгляды, которые указывают на то, что мы легко можем причинить непоправимый вред, разбив драгоценную вазу, передаваемую из поколения в поколение. В самом деле, многое в нашей обыденной жизни чревато генетическими последствиями. Кому иметь детей и сколько? Все, что влияет на продолжение рода, является фактором нового отбора. К этому можно отнести поход в ближайшую аптеку за противозачаточными средствами — просто из желания снизить, а то и вовсе прекратить деторождение ради успешного образования или карьеры. Предоставляя свободные дни для ухода за детьми и финансовую поддержку лишь беднейшей части населения, правительства государств стимулируют рождаемость в одних социальных группах и поощряют другие заводить поменьше детей. Такая политика уже теперь стала важным фактором в генетическом отборе.

Однако нам нужно осознать нашу принципиальную ситуацию в физическом мире как биологических существ. Не должны ли мы тогда заменить естественный отбор научным? Сэр Фрэнсис Гальтон, отец евгеники и статистики, сказал: «То, что природа делает слепо, медленно и безжалостно, человек может делать осмотрительно, быстро и гуманно… Работать в этом направлении — его долг». Может быть, нам стоило бы прислушаться? Человечество вступает в новую фазу понимания механизмов наследственности, в эпоху новых биотехнологий. Научное объяснение получили многие аспекты здоровья и поведения человека, на которые до сих пор смотрели лишь сквозь призму морали.

Современная революция в генетике, близкая перспектива овладеть геномом человека — все это пугает и вдохновляет. Нам придется принять как данность, что открытия в области генетики предоставят человечеству такие возможности, о которых сейчас мы едва ли догадываемся. Разногласия по поводу того, что принадлежит наследственности (nature), а что относится к влиянию среды (nurture), покажутся устаревшими.

Здесь нужно сказать о трех основных инструментах.

Цель позитивной евгеники — повышение рождаемости у тех, кто наделен генетическими преимуществами, путем финансового поощрения, целевых демографических анализов, оплодотворения in vitro, пересадки яйцеклеток, клонирования. В пронаталистских странах (то есть там, где хотят поднять рождаемость) уже занимаются позитивной евгеникой в умеренных формах.

Негативная евгеника, направленная на снижение рождаемости среди генетически менее удачливых, в основном, существует лишь в виде семейных консультаций, предусматривая, в частности, своевременное прекращение беременности или стерилизацию. Чтобы сделать услуги такого рода общедоступными, евгеники выступают за то, чтобы люди с низкими доходами по крайней мере получали их бесплатно.

Генетическая инженерия, не известная прежней евгенике, представляет собой активное вмешательство в развитие эмбриона — без преимущественного поощрения тех или иных групп людей.

Экспериментально доказано, что комаров в большей степени привлекают люди, выпившие пива или поевшие бананов.

Как известно, Творец создал траву, рыб, птиц небесных, пресмыкающихся по земле и много-много других биологических видов. Но также известно, что к биологическим видам неприменимо понятие неизменности. С каждым новым поколением особи наследуют новые гены — мутируют. Далеко не всегда, а только изредка мутация может улучшить шансы индивидуума на выживание. И тогда с некоторой вероятностью в следующих поколениях ген, несущий новое свойство, широко распространяется во всей популяции. Подавляющее большинство мутаций, однако, приводит к сокращению потомства. Это и есть классическое равновесие мутации и смерти, называемое естественным отбором. Так завещал великий Дарвин: отбор — центральный механизм эволюции.

Но успехи медицины таковы, что у вида homo sapiens естественный отбор свелся почти к нулю. К примеру, есть данные, что сегодня 98 % американцев доживают по меньшей мере до 25 лет. Это означает, что почти исключена детская смертность, чего никогда ранее в истории человечества не было: раньше слабенькие и страдающие серьезными врожденными заболеваниями малыши в основном не выживали. Медицина по преимуществу «горизонтальна»: упор делается на борьбу с заболеваниями среди ныне живущих людей, а не на генетическое здоровье в поколениях, то есть, «по вертикали». Экономически и прагматически это вполне понятно: в конце концов, врачу и фармацевту очень сложно взимать плату с еще не рожденных людей. Медицина в нашем обществе — бизнес, ориентированный на платных пациентов; а ведь те, кто может и хочет платить, — это люди, которые больны сейчас.

Генетическая угроза

Пусть так, медицина «горизонтальна» и не дает действовать естественному отбору, поскольку это подрывает бюджет врачей. Однако, вместе с тем, человек с удовольствием (и, надо сказать, с довольно большой сноровкой) управляет эволюцией многих видов растений и животных. Почему бы не попытаться теперь контролировать свою собственную эволюцию (а не сводить ее к нулю впечатляющими успехами медицины)? Зачем ждать, когда все сделает естественный отбор, если мы можем справиться с этим быстрее и во многих отношениях с большей для себя пользой? Например, ведя исследования в области поведения человека, ученые сегодня ищут генетические компоненты, связанные не только с медицинскими проблемами и нарушениями, но также с характером, различными аспектами сексуальности и конкурентоспособности личности. Многое из этого, хотя бы частично, может передаваться по наследству. Есть вероятность того, что со временем станет привычным проводить тщательное обследование людей для определения организации их генома и по результатам назначать лекарства.

Следующим шагом ожидается непосредственное воздействие на гены и геном человека. Возможны два пути: замена генов в каком-то отдельном органе (генная терапия) или же изменение всего генома пациента (зародышево-потомственная терапия). Пока что исследователи стараются решить промежуточную задачу по применению генной терапии для лечения некоторых заболеваний. Но если когда-нибудь ученые овладеют терапией зародыша, то это будет означать, что мы сможем оказывать помощь не только самому пациенту, но и его детям. Главное препятствие для использования генной инженерии в этих целях — исключительная сложность человеческого генома. Гены в организме человека выполняют обычно более чем одну функцию. А функции, в свою очередь, бывают обычно закодированы более чем в одном гене. Из-за этой особенности, известной как плейотропия, воздействие на какой-то один ген может иметь самые неожиданные последствия.

Зачем вообще пытаться это делать? Да ведь большинство родителей захочет гарантировать рождение детей нужного пола, наделить их физической красотой и силой, умом, музыкальным талантом или приятным характером, а кроме того — попытаться избавить свое потомство от, допустим, депрессивности, гиперактивности, скупости, безрассудности или даже склонности к правонарушениям! Побудительные мотивы здесь очевидны, и они очень сильны.

Столь же мотивированной, как и попытки родителей генетическим путем обеспечить социальную защищенность своих детей, станет борьба с человеческим старением. Как подсказывают многие недавние исследования, старение человека — не просто износ частей его организма, а запрограммированное разрушение, которое в значительной мере контролируется генетически. Если это так, то рано или поздно генетические исследования помогут выявить многочисленные гены, управляющие различными аспектами этого процесса, и с такими генами можно будет производить необходимые манипуляции.

Крайне редкая аномалия — люди с голубой кожей. Можно считать это забавой природы, но во многих случаях этой странности можно дать биологическое объяснение. Так, аномалии в генетическом развитии, обусловленные продолжавшимся на протяжении нескольких десятилетий близкородственным скрещиванием, придало голубоватый оттенок коже некоторых южноамериканских индейцев.

Если представить, что генные изменения войдут в практику, то стоит подумать: а как это может повлиять на дальнейшую эволюцию человечества? Вероятно, очень сильно. Предположим, родители воздействуют таким образом на еще не родившихся детей, способствуя их умственному развитию, приобретению определенного внешнего вида и большей продолжительности жизни. Если такие дети вырастут умными, проживут много лет, то они смогут иметь больше детей и зарабатывать больше любого из нас. Вероятно, такие схожие люди захотят общаться и заводить семьи с себе подобными. В условиях их добровольной географической или социальной самоизоляции может произойти дрейф генов, а впоследствии и новое видообразование. Иначе говоря, однажды люди смогут встретить на улице человеческое существо нового вида. Захотим ли мы избрать такой вариант развития событий? Впрочем, от нас это не зависит — выбор сделают наши потомки!

Но есть и еще кое-какие серьезные факторы. Дело в том, что потомки эти должны как минимум родиться и быть здоровыми, умными и активными. Между тем, Британская энциклопедия кратко перечисляет некоторые из характерных фактов, относящихся к 3500 известным в настоящее время аутосомным доминантным и рецессивным заболеваниям, а также заболеваниям, сцепленным с полом (список этот, впрочем, постоянно растет): «Эпидемиологические исследования дают основания предполагать, что примерно 1 % всех новорожденных страдает одним генным дефектом и 0,5 % имеют хромосомные аномалии, способные привести к серьезным физическим дефектам и умственной отсталости. По меньшей мере половина из 3–4 % младенцев с врожденными дефектами несет в себе значительные генетические недостатки. Как минимум 5 % всех регистрируемых зачатий имеют серьезные хромосомные аномалии, а в 40–50 % самопроизвольных абортов речь идет об эмбрионах с хромосомными аномалиями. Около 40 % детской смертности обусловлено генетической патологией; 30 % детских и 10 % взрослых пациентов нуждаются в больничном уходе из-за генетических расстройств. Генетические дефекты, хотя бы и небольшие, имеются у 10 % всех взрослых…. Пятая часть мертворождений и смертей в раннем детском возрасте вызвана серьезными врожденными аномалиями, и около 7 % всех новорожденных страдают от умственных или физических дефектов».

Это далеко не все. Показатели спонтанных мутаций свидетельствуют, что такого рода генетических «опечаток» ныне приходится до двухсот (!) на каждого человека. Помимо генетических аномалий, необходимых и достаточных для появления соответствующих нарушений, существует намного больше многофакторных заболеваний, в которых соучаствуют определенные гены, создавая ту или иную степень предрасположенности к конкретным заболеваниям, например к большинству разновидностей рака, сахарному диабету, гипертонии.

Слепые от рождения люди не видят снов. Но они их слышат, осязают и ощущают на вкус и запах.

Ранние евгеники наивно полагали, что достаточно будет просто не позволять людям с наследственными заболеваниями иметь детей, чтобы с каждым поколением появлялось все больше здоровых людей. Но патологические гены чаще всего рецессивны. То есть количество носителей нежелательных генов намного превышает количество активно больных, и отказ больных людей производить потомство мог бы дать лишь крайне медленный спад заболеваемости в последующих поколениях. Например, если та или иная наследственная патология проявила себя у 1 % населения, потребуется девяносто поколений, чтобы снизить этот показатель до 0,01 %, и девятьсот (!) поколений — при условии произвольного спаривания, — чтобы понизить этот показатель до одного случая на миллион. Но и тогда естественные спонтанные мутации будут продолжаться, так что воевать с ними придется до бесконечности.

Сегодня, конечно, быстро развивается генная инженерия. В случае, если один или оба будущих родителя являются носителями генетических заболеваний, врач может осуществить искусственное осеменение in vitro и затем провести так называемый эмбриональный скрининг — доимплантационную генетическую диагностику, чтобы выбрать здоровый эмбрион для имплантации в матку. Подобные «чудеса» уже теперь предпринимаются на добровольной основе. В недалеком будущем станет возможным вносить изменения в эмбриональные, а не только соматические (не участвующие в размножении) клетки. Это включается в общую перспективу евгенических возможностей, которую иногда называют терапией зародышевого пути.

Вопрос заключается в следующем: имеют ли родители моральное право производить на свет детей с нездоровой наследственностью? Философ и теолог Эммануил Левинас говорит: «Мой сын — не просто мое создание, как стихотворение или вещь. Он — не моя собственность».

Есть серьезные основания относиться к возможности искусственного конструирования детей очень осторожно. Сразу же можно назвать фактор, связанный с риском медицинских ошибок. Ошибки всегда возможны. Вместе с тем, это не мешает нам пользоваться медицинскими услугами.

Но есть более общий фактор — этический. В самом деле, не является ли самым главным в обсуждении евгеники тот момент, что кто-то, основываясь на локальных критериях, берет на себя право решать, какие свойства и способности человека имеют право на существование, а какие — нет? Ключевой вопрос: как общество (социальная евгеника) или личность (личная евгеника) могут решить, какие свойства допустимы у потомства? Вправе ли общество влиять на решения социальной и личной евгеники, можно ли их регулировать? Именно этот вопрос, его открытость, а не всегда «фанатизм и мракобесие», работает, когда терапию зародышевого пути считают противоестественной. В самом деле, имеем ли мы право играть роль Творца?

Только 10 % земной поверхности находится более чем в 48 ч пути от ближайшего крупного города. Самым удаленным уголком Земли является Тибет.

Эволюционно возможное прошлое: боскопы

Следить за ходом эволюции всегда было делом не футурологов, а палеонтологов — они занимаются изучением окаменевших костей, сохранившихся с древнейших времен. Как выяснили специалисты, возраст человеческого семейства гоминидов составляет по меньшей мере 7 млн лет. Именно столько времени прошло с тех пор, как появился небольшой по размеру проточеловек sahelanthropus tchadensis. С той поры наше семейство пополнилось (этот вопрос все еще активно обсуждается специалистами) рядом новых, довольно своеобразных видов. Сегодня нам известно о девяти, хотя где-то, безусловно, скрываются и другие персонажи этой истории.

Некоторые из этих видов представляют настоящую загадку.

В 1913 году в Африке близ городка Боскоп (Boskop) были найдены странные кости черепа — непропорционально большие. Позднее, описывая их в журнале Nature, исследователь Фредерик Фитцсимонс сообщил: останки принадлежали людям, которые жили около 30 тыс. лет назад. И объем их мозга доходил до 1900 см^3. Это на 30 % больше, чем у современного человека. Этих ископаемых людей так и назвали — боскопами.

Известные американские нейрофизиологи Гари Линч и Ричард Грэйнджер написали, что боскопы благодаря своим огромным мозгам обладали и высочайшими умственными способностями. Они были разумнее нас настолько, насколько мы разумнее обезьян. Исследователи подчеркивают, что боскопы обладали сильно развитыми лобными долями — по объему в полтора раза превосходившими соответствующие отделы нашего мозга, — а как раз они в основном отвечают за интеллект. Как предполагают Линч и Грэйнджер, боскопы благодаря своим лобным долям могли параллельно обрабатывать несколько потоков информации, анализировать сложные ситуации с большим количеством возможных исходов. Могли размышлять о какой-нибудь проблеме и одновременно вести беседу. Боскопы гораздо лучше людей хранили воспоминания — вплоть до самого раннего возраста, могли их восстановить целиком, что нам почти никогда не удается.

Ко всему прочему, у боскопов были удивительные лица — почти детские: с маленькими подбородками, крошечными носами и большими глазами. Словом, их внешний облик вполне соответствовал идеям антропологов о человеке будущего. Откуда появились боскопы и отчего исчезли примерно 20 тыс. лет назад — до сих пор загадка.

Во всяком случае, можно утверждать, что палеонтологическая история гоминидов неполна. Следы человека более давнего периода практически не сохранились в осадочных породах. Однако научная картина ежегодно меняется, складываясь из публикуемых сообщений о вновь обнаруженных окаменелостях или новых интерпретациях прежних находок.

Эволюционно возможное будущее

Не исключено, что в прошлом в нашем роду уже появлялись новые виды. А как насчет будущего?

Люди в целом сохранят свой привычный облик и через миллион лет, — успокаивает итальянский антрополог Джорджио Манци. Если не случится какого-нибудь катаклизма, — поправляет коллегу Стив Джонс из London University College. Глобальная катастрофа, по мнению ученого, может дать старт суровому естественному отбору. А он, в свою очередь, будет способен сильно повлиять на человеческую внешность. Других же «побудительных мотивов», кроме существенного изменения среды обитания, вроде бы и нет.

Мнения специалистов неоднозначны. Одни считают, что более вероятны изменения, касающиеся трансформации процессов внутри организма и психики. Исчезновение таких болезней, как рак, СПИД и им подобных может ослабить нашу иммунную систему и, как следствие, сделать жизненной необходимостью прием различных препаратов. Постоянное лечение превратится в норму. Можно сказать, что люди будут всю жизнь лечиться, не болея.

Питание тоже может превратиться в раздел медицины. В организм каждого человека будут поступать только те вещества и микроэлементы, которые необходимы только ему и никому более. У каждого члена семьи будет что-то вроде персональной карты, в память которой занесены индивидуальные характеристики организма. Для того чтобы вместе с необходимыми микроэлементами человеку не попали микроэлементы, которые уже имеются в избытке, пища будет готовиться на молекулярном уровне, то есть будет напоминать коктейль, составленный из молекул.

Нет никаких научных доказательств того, что прием пищи в позднее время суток приводит к большему отложению жира по сравнению с дневной трапезой.

Некоторые продукты питания будут выращиваться непосредственно у нас дома, в автоматизированных искусственных экосистемах. Функционирование этих искусственных экосистем будет идентично естественному. Пищевые цепи и замкнутый круговорот веществ будут стабильно обеспечивать людей пищей, оказывая минимальное воздействие на окружающую среду.

Развитие информационных технологий скажется на психике. Интернет будущего, виртуальная реальность, разнообразные гаджеты и девайсы позволят быстро и без душевных усилий устанавливать и развивать отношения, удовлетворять многие потребности. Вплоть до сексуальных. Даже сидя в одиночестве. Но от подобной легкости притупятся чувства любви, симпатии, доверия, уважения. Люди будут все менее способны заботиться о других и перестанут понимать, что такое солидарность, взаимная поддержка, самопожертвование. Они могут вообще стать похожими на домашних животных, невосприимчивых и равнодушных. В связи с этим, кроме прочего, снизится физическая активность и избыточный вес может стать нормой.

Другие ученые, наоборот, прогнозируют существенные анатомические перемены. Но единого мнения по поводу грядущего человеческого облика нет. Равно как и согласия по срокам.

Эволюция человека будет продолжаться рядом радикальных изменений, предсказывает Оливер Карри, ученый из Центра натурфилософии и социальных наук в Лондонской экономической школе.

К началу четвертого тысячелетия улучшения в системе питания, медицины, а также достижения в области генной инженерии приведут к тому, что мы дорастем до 1 м 90 см и будем жить в среднем 120 лет, причем в 80 мы будем выглядеть на 40. Человек будет иметь только один цвет кожи — коричневатый, кофе с молоком, из-за неизбежного смешения рас.

К тому времени сексуальные предпочтения подтолкнут эволюцию в направлении более красивого человечества, чем нынешнее, и еще более привлекательного в сексуальном плане: симметричные лица, пышная грудь у женщин, более крупные мужские половые органы.

В еще более отдаленном будущем, через 100 тыс. лет, как предполагает ученый, естественный отбор приведет к созданию двух «раздельно существующих племен»: с одной стороны — каста красивых, умных и благополучных, которые предпочитают размножаться внутри своей группы; с другой стороны — своего рода «генетический мусор»: дегенеративная, вырожденная, слабая, глупая популяция. «Отдаленное будущее человека, — отмечает профессор, — будет историей добра, зла и уродства».

В XIX и начале XX века удаление всех зубов с заменой их вставными было популярным подарком на 21-летие.

К анатомии человека будущего

Однако многие антропологи и футурологи полагают, что изменения, касающиеся всех, начнутся гораздо раньше — в ближайшую тысячу лет. И они будут не особенно эстетичными.

Лицо. Привычка пережевывать все более легкую пищу сделает наши лица похожими на детские: круглыми, с маленькими подбородками. Со временем станут мельчать зубы — пока вовсе не исчезнут.

Нос. По мнению некоторых ученых, нос тоже исчезнет: от него останутся две дырочки и едва заметный бугорок. Ведь человек за тысячелетия эволюции уже потерял три четверти своего обоняния. Но другие «провидцы», напротив, полагают, что нос увеличится в размере и будет снабжен системой отсеков и пещерок, чтобы лучше очищать воздух. По той же причине волосы в носу станут более густыми и длинными.

Уши. На ушных раковинах появятся складки-клапаны, которые можно будет закрывать для защиты от шума.

Голова. Обилие информации потребует более крупного мозга. И, соответственно, черепа. Голова увеличится и округлится.

Глаза из-за обилия всякой грязи и пыли в атмосфере станут раскосыми и приобретут второе веко или защитную темную пленку.

Шоколад не вреден для зубов. Более того, он замедляет развитие кариеса. Правда, речь идет не о молочном, а о черном шоколаде.

Пальцы. Вообще, культура и техногенная среда во многом станут определять нашу биологию, — утверждает философ Франческо Кавалли Сфорца. Например, у всех людей со временем будут длинные тонкие пальцы — чтобы было удобно пользоваться всевозможными сенсорными устройствами. Возможно, пяти пальцев на руке не понадобится: хватит двух-трех.

Волосы. И сильный, и слабый пол напрочь лишатся волос, даже на половых органах. Не говоря уж о голове, подмышках и подбородке. Ученые полагают, что так будет сказываться необходимость экономии воды для помывки и бритья.

Скелет. Некоторые ученые предполагают, что у человека останется один шейный, один грудной, один поясничный позвонок и два-три крестцовых. Исчезнут кости плечевого пояса. О сокращении количества пальцев мы уже говорили. Скелет будущего человека представляется необыкновенно уродливым в сравнении с настоящим. Человек окажется беззубым существом небольшого роста, с огромной головой и коротким туловищем.

Мышцы. Мышечная масса тела заметно снизится (мышцы окажутся ненужными из-за развития техники).

Кожа огрубеет, чтобы противостоять неблагоприятным техногенным факторам вроде атмосферных загрязнений или космических излучений. Причем ее цвет не обязательно будет иметь благородный кофейный оттенок. Она вполне может сделаться зеленой или розовой из-за техногенных особенностей питания и постоянного приема химических препаратов. Грубая, дубленая, чешуйчатая кожа может стать необходимой еще в одном отношении. Если люди будут жить в условиях безвоздушного пространства, вдалеке от Земли (в рукотворных межпланетных городах, например), такое строение кожи обеспечит сохранение давления крови внутри организма. Ведь с такой кожей, какая есть у человека сейчас, в космосе кровь будет просто закипать и разрывать сосуды. Важным может оказаться и зеленый цвет кожи — когда мы попадем в условия, где кислород для крови должен будет вырабатываться самим организмом с помощью фотосинтеза. Тем более что солнечного света в космосе с избытком. Это объясняет, почему инопланетяне могут оказаться «зелеными человечками».

Население Токио с пригородами насчитывает 35 млн человек. Это больше, чем население всей азиатской части России, включающей Сибирь и Дальний Восток и занимающей около 80 % ее территории.

По приведенному выше описанию будущий обитатель Земли похож на инопланетянина, каким его традиционно представляют. Неужели между тем и другим есть связь?

Внутренние органы. Новыми биологическими условиями будут вызваны к жизни новые функции внутренних органов, а также возобновлены или развиты старые функции.

Легкие. Легкие увеличатся в размере и разовьют более густую кровеносную систему, чтобы извлекать из воздуха то небольшое количество кислорода, которое в нем останется.

Печень, поскольку ее функцией является очищение крови, вырастет до огромных размеров, чтобы более успешно фильтровать отравляющие вещества.

Аппендикс. Снова станет рабочим органом, помогая перерабатывать пищу, которая к тому времени станет исключительно растительной (поскольку мясо станет непригодным к употреблению из-за загрязнения окружающей среды).

Почки. Дефицит водных ресурсов будет провоцировать новые функции органов, например функцию почек извлекать воду из мочи и сохранять ее в организме.

Могут появиться и совершенно новые внутренние органы.

Однако, конечно же, не все ученые согласны с подобным гипотетическим конструированием. Ведь прошлую историю человека нельзя переносить на будущее. Его выход из животного мира протекал в суровой борьбе за существование. В человеческом обществе, где действуют социальные законы, складываются совершенно иные условия жизни. Современная наука накопила большое количество фактов, которые указывают на то, что многие отклонения от нормы в разных аспектах анатомии не имеют никакого отношения к эволюции ни в прошлом, ни в будущем.

Из всех живых существ только люди, шимпанзе и дельфины занимаются сексом ради удовольствия.

Законы эволюции животного мира не распространяются полностью на человека, и поэтому предсказания строения будущего человека — чистая «научная фантастика». Наукой доказано, что скелет человека, жившего 50 тыс. лет назад, ничем не отличался от скелета современных людей. За этот период не возникло никакого нового признака, который дал бы право говорить о новом этапе развития человека. Дальнейшее совершенствование человека связано только с развитием его интеллекта, а также с гармоническим развитием духовных и физических сил.

Здесь необходимо сказать еще об одной современной составляющей эволюционного процесса вида homo sapiens. Какими удивительными и невероятными ни представлялись бы факторы эволюции человека в будущем, мы склонны представлять себе эту эволюцию как нечто, связанное со структурными изменениями в организме. Однако она способна затрагивать и такие области, как поведение человека. Человеческий вид вполне может накапливать другие, нежели интеллектуальные способности (которые по наследству не передаются), наследуемые особенности, не сулящие нам вообще-то ничего хорошего. Например, такие нарушения поведения, как синдром Туретта или синдром дефицита внимания и гиперактивности, могут, в отличие от интеллекта, быть закодированы всего лишь в нескольких генах — и этого окажется достаточно для их высокой наследуемости. Если подобные нарушения еще и увеличат вероятность рождения детей, то они с каждым новым поколением будут становиться все более распространенными.

Многие люди носят в себе гены, делающие их предрасположенными к алкоголизму, потреблению наркотиков и другим пагубным пристрастиям. Большая часть людей успешно этому противостоят, поскольку гены — это не всегда неотвратимость, и их действие определяется окружением человека. Однако, разумеется, есть люди, которые поддаются влиянию наследственности, и возникающие проблемы влияют на то, смогут ли они выжить и сколько у них будет детей. Подобных изменений уровня рождаемости вполне достаточно для продолжения действия естественного отбора. Дальнейшая эволюция может в значительной мере зависеть от ситуаций, в которых будут проявляться специфические формы поведения людей. Точно так же она зависит от различных человеческих реакций на изменчивые социальные и прочие внешние условия. Однако, в отличие от других биологических видов, мы не собираемся пассивно принимать эту логическую схему Дарвина.

Разговоры во сне, с медицинской точки зрения, считаются нормой. Интересно то, что немые тоже разговаривают во сне, но языком жестов.

Мы еще люди или уже машины?

Еще менее предсказуемыми, чем генные манипуляции, представляются наши взаимоотношения с машинами. Или их с нами. Не может ли быть следующей ступенью (или даже конечной целью) эволюции нашего биологического вида симбиоз с техникой, синтез органического и неорганического начал? Многие писатели-фантасты уже предсказывали, что возможно сочетание человека и робота, или, например, загрузка данных из мозга человека в компьютер.

На вершине Эвереста действует скоростной беспроводной Интернет.

Фактически мы уже находимся в зависимости от машин. Чем активнее мы создаем их для удовлетворения собственных нужд, тем больше наша жизнь оказывается приспособленной уже к их потребностям. С увеличением сложности и взаимосвязанности техники для нас возрастает необходимость попытаться наладить с ними некое взаимодействие. В книге «Дарвин среди машин» американский писатель Джордж Дайсон заметил: «Все, что делают люди для облегчения управления компьютерными сетями, становится одновременно, хотя и по иным причинам, облегчением для компьютерных сетей задачи управления людьми: дарвиновская эволюция может пасть жертвой собственного успеха, поскольку не будет успевать за порожденными ею самой недарвиновскими процессами».

Наше совершенствование в технических областях угрожает размыть старые пути, по которым двигалась эволюция.

Рассмотрим два различных взгляда на будущее, изложенные в 2004 году в очерке философом-эволюционистом Ником Бостромом из Оксфордского университета.

Вначале он настраивает нас на оптимистический лад: «Развернутая картина показывает общую тенденцию к повышению уровней сложности, знания, понимания и целенаправленной организации. Тенденцию, которой мы можем дать название «прогресс». Представляя себе все это в радужном свете, можно утверждать, что эволюция (биологическая, миметическая — связанная с мышлением — и техническая) будет продолжаться и пойдет в желательном для нас направлении».

Как доказывал Стивен Дж. Голд, окаменелости — в том числе оставшиеся от наших предков — свидетельствуют о том, что эволюционные перемены не были непрерывными. Они происходили рывками, которые, конечно же, нельзя считать «прогрессивными» или целенаправленными: к примеру, биологические организмы могли как уменьшаться, так и увеличиваться в размерах.

Однако прошлая эволюция имела по меньшей мере один неизменный вектор: в направлении возрастания сложности. Вероятно, таковой будет и дальнейшая эволюция человечества: увеличение сложности через некое сочетание анатомических, физиологических или поведенческих изменений.

В настоящее время один-единственный безобидный поисковый запрос в Google обходится нашей планете в 0,2 г углекислого газа, оказывающимся в атмосфере. Немного? А если учесть, что услугами поисковой системы Google ежемесячно пользуется более полумиллиарда человек?

Если мы продолжим приспосабливаться и произведем умелое терраформирование (изменение климатических условий планеты для приведения ее атмосферы, температуры и экологических условий в состояние, пригодное для обитания земных растений и животных; термин впервые использовал американский писатель-фантаст Джек Уильямсон в 1942 году), то у нас будут все генетические и эволюционные предпосылки к тому, чтобы жить на нашей планете даже в эпоху угасания Солнца.

Но возможен менее благополучный вариант. Как считает Ник Бостром, загрузка нашего сознания в компьютер могла бы означать конец человечества. Совершенный искусственный разум получил бы возможность извлекать различные элементы наших знаний, а затем собирать из них нечто, что уже не будет иметь отношения к человеку. Это сделало бы нас морально устаревшими.

Итак, Бостром прогнозирует следующий сценарий развития событий: «Некоторые человеческие индивидуумы будут производить загрузку в компьютер и делать несколько собственных копий. Между тем благодаря постепенному прогрессу в нейронауке и создании искусственного интеллекта впоследствии появится возможность помещать знания каждого человека в индивидуальный модуль, а затем соединять его с модулями других людей. Модули, соответствующие общему стандарту, могли бы лучше общаться и взаимодействовать с другими модулями, что было бы более экономичным и продуктивным и вызывало бы потребность в дальнейшей стандартизации. Для умственной структуры человеческого типа могло бы тогда попросту не найтись места».

Но моральное устаревание человеческого вида как такового — не такая уж большая беда по сравнению с еще одной перспективой, обсуждаемой Ником Бостромом. Если бы новым критерием эволюционной приспособленности стала эффективность машин, то в нашей жизни было бы уничтожено очень многое из того, что мы считаем глубоко человеческим. Философ пишет: «Существуют такие сумасбродные и приятные вещи, которые в значительной мере условно наполняют человеческую жизнь смыслом: юмор, любовь, игры, искусство, секс, танцы, светские беседы, философия, литература, научные открытия, еда, дружба, воспитание детей, спорт. Исходя из своего вкуса и возможностей, мы занимаемся всем этим, и в эволюционном прошлом нашего вида подобные предпочтения носили приспособительный характер. Но какие у нас основания для уверенности, что эти же или подобные им вещи по-прежнему будут нужны нам для адаптации в будущем? Вероятно, тогда добиваться максимальной эволюционной приспособленности станет возможным лишь путем непрерывного, тяжелого и монотонного труда с помощью повторяющихся и изматывающих рабочих операций, главная цель которых — крохотное улучшение какого-нибудь производственно-экономического показателя».

Что же мы имеем в итоге? Предположив, что оно выживет, человечество может пойти по одному из трех вероятных путей:

•застой — преимущественное сохранение нынешнего положения с некоторой коррекцией в период смешения человеческих рас;

• видообразование — появление нового вида человека на нашей или какой-либо другой планете;

• симбиоз с машинами — в результате соединения машин и человеческого сознания образуется коллективный разум, в чьих границах могут сохраниться или не сохраниться качества, которые мы рассматриваем как человеческие.

Остается только, затаив дыхание, спрашивать: Quo vadis Homo?

На пересылку спама ежегодно затрачивается 33 млрд кВт/ч электроэнергии, что сопровождается выбросом в атмосферу около 17 млн т углекислого газа (как 3 млн автомобилей). Такого количества затрачиваемой электроэнергии достаточно для электроснабжения 2,4 млн домов.

Вселенная

Удивительная наука космология

Мы живем на осколках Большого взрыва. Это событие вселенского масштаба случилось около 14 млрд лет назад. Все пространство превратилось в горячий, быстро расширяющийся огненный шар из вещества и излучения. По мере расширения он остывал, его свечение постепенно слабело, Вселенная медленно делалась темной. Так пролетел примерно миллиард лет. Но постепенно благодаря гравитации сформировались галактики. В них образовалось несметное количество звезд, и Вселенная вновь стала светлой. Поблизости звезд образовались планеты, то есть «земли» — так это переводится с ученой латыни. Вследствие той же гравитации они стали обращаться вокруг некоторых звезд. На немногих из планет, которые вращаются вокруг некоторых звезд, возникла жизнь, и даже разумная жизнь. Некоторые разумные существа, которые жили на некоторых планетах, которые вращаются вокруг некоторых звезд, стали космологами и поняли, что Вселенная началась с Большого взрыва.

Сама Вселенная накладывает определенные ограничения на жизнь и деятельность своих порождений, и в том числе ученых-космологов. Например, хотя мы можем проследить историю космоса до моментов, менее чем на секунду отстоящих от Большого Взрыва, сам он остается окруженным тайной. Почему он произошел? Был ли он в подлинном смысле началом мира? А если нет, то что же тогда было раньше?! Может быть, «в начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог» — так ведь написано в Библии?

Только в 1992 году Ватикан официально признал, что Земля вращается вокруг Солнца.

Существует также фундаментальный предел того, что мы можем видеть в пространстве. Наше видение простирается максимум на расстояние, которое может пройти свет за время от Большого взрыва до настоящего момента. То, что находится дальше, принципиально нельзя увидеть, ни прямо, ни косвенно, потому что свет из тех далеких мест находится еще в пути, и еще не добрался до наших глаз, даже если они самые пытливые и внимательные. Есть абсолютный горизонт зрения. Каковы области за этим горизонтом? Что в них происходит? Простирается ли Вселенная до бесконечности или она замкнута, подобно поверхности земного шара? Нам остается только писать по этому поводу фантастические рассказы.

Конечно, космология — дисциплина, хоть и вполне научная, но совсем не практическая. Вряд ли человечеству в ближайшем, да, по-видимому, и в очень отдаленном будущем удастся с какой-нибудь практической пользой употребить космологические знания. Но этого и нельзя требовать от космологии, поскольку не в этом ее цель и задача. Главное очарование этой науки в извечной притягательности звезд. Оно коренится в постоянном интересе к пределам и основам, в интересе, который представляет, может быть, главную, определяющую черту человеческого существа. Космология принимает вызов предельных вопросов, на которые вряд ли можно окончательно ответить. А принимать подобные вызовы — не в этом ли состоит чудо человека?

Пути познания

Все в мире относительно

Альберт Эйнштейн создал две поразительно красивые теории, которые навсегда изменили наши представления о пространстве, времени и гравитации. Первая из них получила название специальной теории относительности.

Слово «специальная» в названии теории относительности указывает на то, что она применима только к особым условиям, когда сила гравитации не принимается во внимание. Это ограничение сняла другая работа Эйнштейна — общая теория относительности, которая, по сути, является теорией гравитации.

Согласно СТО (так в научной среде принято называть специальную теорию относительности) выходило, что отрезки пространства и промежутки времени сами по себе не имеют абсолютного смысла, но зависят от состояния движения наблюдателя, который их измеряет. Если вы и ваш приятель движетесь друг относительно друга, каждый из вас обнаружит, что часы второго тикают медленнее, чем его собственные. Одновременность тоже относительна. События, которые одновременны для одного наблюдателя, для другого могут происходить в разное время. Конечно, в повседневной жизни мы не замечаем таких эффектов, поскольку при обычных скоростях они совершенно ничтожны. Но если относительное движение наблюдателей происходит со скоростью, близкой к скорости света, результаты их измерений могут очень сильно разниться.

Но все же существует одна вещь, по поводу которой вы, ваш приятель и все наблюдатели всегда сойдутся между собой: свет всегда распространяется с одной и той же скоростью — примерно 300 тыс. км/с. Скорость света — это абсолютный предел скорости во Вселенной. Когда вы прикладываете силу к физическому объекту, он ускоряется. Его скорость растет, и если вы будете продолжать прикладывать силу, он, в конце концов, подойдет к скорости света. Эйнштейн доказал, что по мере приближения к световой скорости для ускорения этого объекта требовалось бы все больше и больше энергии, так что скорости света ему все равно не достигнуть.

Из СТО следует одна формула, которая очень важна в физике, но которая также является, наверное, самой известной и, осмелимся сказать, любимой «в народе» физической формулой. Конечно, вы догадались: это формула Е = тс2.

Скорость света зависит от среды его распространения. В вакууме, понятно, это 300 тыс. км/с. А в охлажденном до –269 °C натрии — менее 60 км/ч.

Если нагреть предмет, его тепловая энергия возрастет, а значит, его вес тоже должен увеличиться. Это может навести на мысль, что перед взвешиванием лучше принять холодный душ. Но такая хитрость, скорее всего, уменьшит наш вес не больше, чем на несколько миллионных долей грамма. Если пользоваться привычными единицами измерения, такими как метры и секунды, коэффициент с2 для перевода энергии в массу оказывается очень большим, и, чтобы существенно изменить массу макроскопического тела, требуется громадное количество энергии.

Есть еще одна вещь, как выражаются ученые, инвариант, относительно которой будут согласны все наблюдатели, движущиеся с самыми разными скоростями. Эту вещь очень изящно сумел выразить профессор Герман Минковский, чьи лекции по математике слушал Эйнштейн и который, кстати, считал последнего (впрочем, тогда не без оснований) большим лентяем и полагал, что из него не выйдет ничего путного. Минковский предложил (и математически очень красиво обосновал свое предложение) описывать пространство и время в СТО не отдельно, а как общую сущность — пространство-время. Точки в нем были названы событиями. Пространство-время четырехмерно (а не трехмерно, как обычное пространство). История каждой частицы представляется линией в пространстве-времени, которая называется мировой линией этой частицы. Эту линию будут видеть одинаково все наблюдатели. Получается, что в СТО такие линии как раз и не являются относительными: с их формой согласны все.

Общая теория относительности (ОТО) выросла из простого наблюдения: движение тел под действием гравитации не зависит от их массы, формы и любых других свойств. Эта идея не давала Эйнштейну покоя. И вот в один счастливый для всей науки день Эйнштейн понял: гравитация есть особая, единственная в своем роде сила. Она является физическим следствием природы самого пространства-времени! Соответственно, движение тела под действием гравитации не является свойством этого тела, а относится исключительно к пространству и времени.

Теперь вспомним снова о мировых линиях. Равномерное движение частиц в отсутствие гравитации представляется прямыми мировыми линиями в пространстве-времени. Но гравитация заставляет частицы отклоняться от этих простых траекторий, так что мировые линии перестают быть прямыми.

Гравитация — это не сила, которая действует внутри пространства-времени и делает прямые траектории искривленными. Гравитация — это в известном смысле само пространство-время, которое искривлено, и поэтому находящимся в нем массам некуда деваться — они вынуждены идти по кривым траекториям. Но в искривленном пространстве-времени эти мировые линии — самые что ни на есть короткие пути! Допустим, вы держите путь по горной тропе. Вы хотите найти самый короткий путь. Но будет ли он прямой линией? Конечно, нет! Он будет очень-очень кривой линией! А почему? Потому что вы в горах, и самый короткий путь пролегает по самому крутому склону. И далее. Если вы все-таки решились идти этим наикратчайшим путем, что заставляет вас двигаться по очень-очень крутой кривой? Разве траекторию вашего движения искривляет какая-то специальная сила? Да нет, это сама гора ведет вас так, и тут ничего нельзя сделать, ибо крыльев у вас нет!

Это привело Альберта Эйнштейна к поистине удивительной гипотезе. Пространство-время и физические тела не существуют отдельно друг от друга, сами по себе. Они составляют одно динамическое целое. Массы, находящиеся в пространстве-времени, искривляют его. Чем больше масса тела, тем сильнее искривление пространства-времени вблизи этого тела. А искривленное пространство-время, в свою очередь, принуждает массивные тела двигаться по кривым путям. Это принуждение и проявляется как гравитация. Такой вот космический круговорот имени Эйнштейна!

Получается, что гравитация — это как бы реакция пространства-времени на присутствие в нем массивных тел, а не таинственная сила, заключенная в самих телах. Когда пространство-время плоское, то и никакой гравитации нет. Но плоским оно может быть только в том случае, если внутри нет никаких объектов, обладающих массой. Если хотя бы один такой объект появляется, пространство-время искривляется, и при помещении в него еще какой-нибудь массы дело будет выглядеть так, как будто два массивных тела притягиваются друг к другу взаимным гравитационным притяжением.

Искажение геометрии пространства-времени массивным телом часто объясняют на одном классическом примере: представьте себе тяжелый предмет, лежащий на горизонтально натянутом мягком резиновом коврике. Поверхность резины искривляется вблизи предмета. Так и пространство-время искривляется вокруг массивного тела. Если вы попробуете сыграть в бильярд на этом резиновом поле, то обнаружите, что шары отклоняются на искривленной поверхности, особенно когда проходят вблизи больших масс. Важно заметить, что данная аналогия не идеальна: она иллюстрирует искривление только пространства, а не пространства-времени. Но суть идеи она передает хорошо.

Уравнения ОТО связывают геометрию пространства-времени и материальное наполнение Вселенной. В случае медленных движений и не очень сильных гравитационных полей эта теория повторяет закон тяготения Ньютона, который мы более или менее успешно изучаем в средней школе.

Из ОТО выводится много следствий, которые блестяще подтверждаются в ходе экспериментов. Однако, может быть, самая замечательная черта этой теории — то, как мало она требует экспериментальных предпосылок. Ключевой факт, который Эйнштейн положил в ее основу, — то, что движение тел под действием гравитации не зависит от их массы, — был известен уже Галилею. На этой скромной основе он построил теорию, которая в соответствующем предельном случае воспроизводила закон всемирного тяготения Ньютона и объясняла отклонения от этого закона. При этом ОТО не оставляет свободы выбора: представление гравитации как кривизны пространства-времени с неизбежностью ведет к уравнениям Эйнштейна. В этом смысле теория относительности не описывает, а объясняет гравитацию.

Логика теории была столь убедительна, а ее математическая структура столь изящна, что она просто обязана была оказаться верной. Выходило, что новая теория есть, по существу, самое убедительное доказательство самой себя. Обращаясь к своему старшему коллеге Арнольду Зоммерфельду, Эйнштейн писал: «Вы будете убеждены в правильности общей теории относительности, как только изучите ее. Так что я не собираюсь защищать ее ни единым словом».

Так что же такое Вселенная?

Альберт Эйнштейн был великим физиком. Великий физик отличается от обычного физика не просто эрудицией или компетентностью в математике (Эйнштейн, кстати, не был отличным математиком), а каким-то особым ви́дением и вкусом к глобальным, «общевселенским» вопросам. Эйнштейна мало интересовали «мелкие подробности» вроде положения и движения планет. Его теория гравитации — ОТО — дает возможность впервые в истории человеческого познания вести вполне научный разговор о Вселенной в целом! Можно сказать, что в рамках общей теории относительности открывается новый невиданный объект: «Вселенная как целое»! До сих пор в науке можно было рассматривать устройство тех или иных более или менее локальных областей мира. Но вопросы о мире как целом всегда отдавались на откуп философии, теологии или мифотворчества. Так было во времена Ньютона, во времена Галилея и ранее. Так было до Эйнштейна.

Конструируя с помощью ОТО теорию Вселенной в целом, Эйнштейн сделал три допущения. Первым было предположение о том, что материя распределена в космосе в среднем однородно. Конечно, во Вселенной существуют места, где концентрация звезд немного выше или ниже средней. Но в достаточно больших масштабах, как предполагал Эйнштейн, Вселенная с хорошей точностью может считаться однородной. Это, кстати, подразумевает, что наше положение в космосе ни в малейшей степени не является выделенным: все места во Вселенной более или менее одинаковы.

Эйнштейн также предположил, что Вселенная в среднем изотропна, то есть из любой точки она выглядит примерно одинаково во всех направлениях.

О третьем допущении нужно говорить особо. Оно состояло в том, что в среднем свойства Вселенной не меняются во времени. Иными словами, Вселенная статична или, как выражаются ученые, стационарна. Хотя у Эйнштейна не было наблюдательных подтверждений этого тезиса, картина вечной неизменной Вселенной казалась ему естественной и единственно возможной. Это было не физическое, а настоящее метафизическое допущение: просто представить дело как-нибудь иначе, что называется, «ум не поворачивался»! И в самом деле, какой же быть Вселенной в целом, как ни вечной, простирающейся без конца и края и неизменной?

Теперь Эйнштейн мог переходить к поиску тех решений уравнений своей космологической теории, которые описывали бы мир с определенными им характеристиками.

Однако он очень скоро выяснил нечто, что внушало ему сильное беспокойство: теория не допускает подобных решений. Причина была очень проста: массы, распределенные по Вселенной, отказывались оставаться в покое и отчаянно стремились друг к другу под действием собственного гравитирования.

Из постоянства скорости света вытекает знаменитый парадокс близнецов теории относительности. Время в быстро движущейся системе отсчета замедляет свой ход по сравнению с покоящейся системой. Из этого следует, что космонавт, совершивший полет с околосветовой скоростью, вернувшись на Землю, окажется моложе своего брата-близнеца, все время остававшегося на Земле.

Это обстоятельство сильно озадачивало и сбивало Эйнштейна с толку. Наконец он решил, что уравнения ОТО следует модифицировать так, чтобы они допускали существование статической Вселенной. Не нарушая общей структуры теории, Эйнштейн включил в свои уравнения дополнительный член, но не дал ему никакого особого названия и никак его не интерпретировал. Это добавление (которое по смыслу уравнений ОТО оказывалось неким «гравитационным отталкиванием») просто уравновешивало гравитационное притяжение масс так, чтобы Вселенная в целом оставалась стационарной. Из своих уравнений Эйнштейн вывел, что такой баланс достигается, когда новая постоянная равняется половине плотности энергии вещества во Вселенной.

Поразительным следствием модифицированных уравнений было то, что пространство статической вселенной должно быть искривленным и замыкаться само на себя подобно поверхности сферы. Космический корабль, движущийся прямо вперед в такой замкнутой вселенной, в конце концов, вернулся бы в исходную точку. Это замкнутое пространство называется трехмерной сферой. Ее объем конечен, хотя у нее нет границы.

Эйнштейн описал свою замкнутую модель Вселенной в статье, опубликованной в 1917 году. Он признавал, что у него нет наблюдательных подтверждений ненулевого значения космологической постоянной. Единственной целью ее введения было спасение статической картины мира.

Забегая немного вперед, скажем, что более десяти лет спустя, когда расширение Вселенной было уже открыто, Эйнштейн называл идею введения в уравнения ОТО новой постоянной величайшей ошибкой в свой жизни. Это странное гравитационное отталкивание почти на полвека исчезает с переднего края физических исследований, но возвращение его окажется поистине триумфальным.

О, этот Фридман!

«Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной», — когда-то сказал еще один великий физик, датчанин Нильс Бор. Безумность как критерий истинности! Однако для того, чтобы генерировать, а тем более отстаивать подобные идеи, требуется немалая научная смелость и даже дерзость.

В 1913 году Александру Фридману было двадцать пять. Он работал ассистентом на кафедре математики в Институте корпуса инженеров путей сообщения (позднее — Санкт-Петербургский институт инженеров железнодорожного транспорта) и читал лекции в Горном институте. Большинство его работ имело прикладной характер. В одном из своих исследований по гидродинамике он применил тензорный анализ, и поэтому обратился к теории Эйнштейна, в которой использовался тот же метод.

Из статей Эйнштейна Фридман знал, что без космологической постоянной теория не имеет статических решений, однако заинтересовался тем, какие варианты решений все же возможны. И вот тут он совершил радикальный шаг, обессмертивший его имя. Вслед за Эйнштейном Фридман предположил, что Вселенная однородна, изотропна и замкнута, то есть имеет геометрию трехмерной сферы. Но при этом отбросил условие статичности: позволил Вселенной двигаться. Размеры пространства и плотность вещества, по его допущению, могли изменяться во времени. Как только этот вариант был просчитан, Фридман обнаружил, что уравнения Эйнштейна имеют решение. Это решение соответствует неплоской — сферической Вселенной, которая начинается с точки, расширяется до некоторого максимального размера, а потом вновь сжимается в точку! В начальный момент (который мы теперь называем Большим Взрывом) все вещество Вселенной упаковано в единственную точку, в которой плотность вещества бесконечна. Она убывает, пока Вселенная расширяется, и растет, когда та сжимается обратно, чтобы опять стать бесконечной в момент, когда Вселенная вновь становится точкой.

Из-за исчезающе малого размера и бесконечной плотности материи математические величины, фигурирующие в уравнениях Эйнштейна, становятся неопределенными, а пространство-время не может продолжаться за этими точками. Такие точки называют сингулярностями пространства-времени (слово «сингулярность», собственно, и означает особенность, инаковость).

Сферическую вселенную можно представлять расширяющимся и сжимающимся воздушным шаром. По мере расширения шара расстояния между любыми соседними точками или объектами на его поверхности (например, двумя галактиками) будут расти. Таким образом, наблюдатель в любой галактике видит, что остальные галактики разбегаются. Расширение постепенно замедляется гравитацией и, в конце концов, останавливается, сменяясь сжатием. В фазе сжатия расстояния между галактиками будут уменьшаться, и все наблюдатели увидят, что галактики приближаются к ним.

Заметим, что спрашивать, куда расширяется наш мир, просто не имеет смысла. Мы привязаны к поверхности шара и не представляем себе иного измерения (никакого «снаружи» и «внутри» сферы). Подобным образом для наблюдателя в замкнутой вселенной трехмерное сферическое пространство — это все существующее пространство, и вне его ничего нет.

Все это представлялось большинству ученых захватывающей и красивой, но все же чисто теоретической спекуляцией до тех пор, пока в 1929 году в далекой обсерватории Маунт-Вилсон в Америке, после нескольких лет напряженной работы, астроном Эдвин Хаббл не объявил свой потрясающий экспериментальный результат: Вселенная расширяется. Сами галактики не изменяются, но расстояние между ними линейно увеличивается со временем. Это означало, что галактики удаляются от нас, и чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. К 1931 году после тщательной проверки в этом больше не осталось сомнений: наблюдения Хаббла показали четкую зависимость между расстоянием до галактик и их скоростью.

Древние инки выделяли на небосводе и давали названия не только звездам и созвездиям, как это привычно нам. Они также именовали черные пятна в Млечном Пути. Среди названий таких межзвездных участков — Лама, Детеныш ламы, Пастух, Кондор, Куропатка, Жаба, Змея и Лиса.

Большой взрыв

Несмотря на изящество идеи Фридмана и высочайшую степень надежности ОТО, и даже невзирая на блестящее подтверждение факта разлета галактик Хабблом, физическое сообщество не торопилось принимать картину нестационарной, расширяющейся Вселенной, начавшейся в некоторой особой точке конечное время назад. Это притом, что против существования вечной и недвижной Вселенной в целом имелись весьма серьезные чисто физические аргументы, которые были известны давно. Но таковы уж были предписания самой классической системы мышления: движению и изменению могут быть подвержены отдельные вещи или даже части мира; однако мир как целое должен оставаться вечным и неизменным. Что можно еще сказать, если даже сам Эйнштейн, как мы уже знаем, стоял на подобных позициях!

Самой известной попыткой согласовать идею стационарной Вселенной с фридмановскими космологическими моделями была, без сомнений, теория стационарного состояния, выдвинутая в 1948 году в Кембриджском университете британским астрофизиком Фредом Хойлом и двумя австрийскими эмигрантами Германом Бонди и Томасом Голдом. Они настаивали, что в своих общих чертах Вселенная всегда остается неизменной, так что во всех местах и во все времена она выглядит более или менее одинаково. Но чтобы компенсировать расширение Вселенной (поскольку после открытия Хаббла в этом нельзя было сомневаться!), Хойл с коллегами постулировал, что вещество постоянно создается из вакуума. Это вещество заполняет пустоты, открывающиеся между удаляющимися галактиками, так что на их месте могут формироваться новые. Конечно, не было никаких подтверждений спонтанного рождения материи, и Хойл, Бонди и Голд это признавали. Однако требуемый теорией темп ее возникновения был всего несколько атомов на кубический сантиметр в столетие, так что не было и наблюдений, свидетельствующих об обратном. Защищая свою теорию, Хойл с коллегами говорили, что непрерывное возникновение материи ничуть не более сомнительно, чем одномоментное рождение всей материи в Большом взрыве.

Кстати, сам термин «Большой взрыв» был придуман именно Хойлом, когда он высмеивал конкурирующую теорию в популярном ток-шоу на радио «Би-би-си».

Между тем, ироническому термину Хойла было суждено стать обозначением одного из основных мотивов современной космологии. Как бы физики ни относились к моделям вселенной Фридмана, их эпохальное значение для науки, а может быть, и для человеческого познания вообще состоит в наличии в них начальной сингулярности, где перестает работать ОТО. В сингулярности вещество сжимается до бесконечной плотности, и становится невозможно распространить решение на более ранние моменты времени. Таким образом, если воспринимать все буквально, Большой взрыв должен рассматриваться как начало Вселенной. Возможно ли, чтобы вся Вселенная началась с единственного события, случившегося конечное время назад?

Многие специалисты считали сингулярность Большого взрыва чисто формальным следствием предположений о строгой однородности и изотропности, которые Фридман использовал для решения уравнений Эйнштейна. Если в коллапсирующей Вселенной все галактики приближаются к нам, то неудивительно, что они столкнутся в одном большом схлопывании. Но если движение галактик будет хоть немного отличаться от радиального, можно предположить, что они «промахнутся» друг мимо друга и начнут снова разлетаться. В таком случае сингулярности удастся избежать, а вслед за сжатием последует новое расширение. Была надежда, что таким способом удастся построить так называемую «осциллирующую» модель Вселенной без начала с чередующимися периодами расширения и сжатия.

Оказалось, однако, что притягивающая природа гравитации делает такой сценарий невозможным. Британские физики Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг, тогда еще аспиранты, доказали серию теорем, показывающих, что в очень широком диапазоне условий космологической сингулярности избежать нельзя. Основные предположения, использованные в этих доказательствах, состоят в том, что ОТО Эйнштейна верна и что материя во всей Вселенной обладает положительной плотностью энергии, так что гравитация не может стать отталкивающей. Таким образом, пока мы держимся в рамках ОТО и не предполагаем существования экзотической гравитационно-отталкивающей материи, сингулярность будет неизбежной, а вопрос о начальных условиях останется неразрешенным.

7 января 1610 года Галилео Галилей впервые в истории человечества направил построенный им телескоп на небо.

Теория Большого взрыва, которая не описывает Большой взрыв

Так теория Большого взрыва стала основанием новой физической науки — космологии.

Самый сильный аргумент в пользу теории Большого взрыва — это расширение Вселенной, открытое в 1929 году Эдвином Хабблом. Он, как мы уже знаем, обнаружил, что далекие галактики стремительно разлетаются от нас. В таком случае выходит, что если проследить движение галактик назад во времени, то в некоторый момент в прошлом все они сливаются вместе, что и говорит о взрывном возникновении Вселенной.

Другим важным подтверждением Большого взрыва служит космическое микроволновое излучение. Космос заполнен электромагнитными волнами, примерно такими же, что и в привычных микроволновках. Интенсивность этого излучения снижается по мере расширения Вселенной, так что мы сейчас наблюдаем лишь слабый отсвет раскаленного первичного огненного шара.

Теория Большого взрыва помогает космологам в изучении того, как этот огненный шар расширялся и остывал, как возникали атомные ядра и как из бесформенных газовых облаков возникали грандиозные спирали галактик. Результаты этих исследований прекрасно согласовывались с астрономическими наблюдениями, и это практически не оставляло сомнений в том, что теория развивается в правильном направлении. Однако было одно занятное обстоятельство: теория Большого взрыва описывала только последствия Большого взрыва и ничего не говорила о нем самом!

Вдобавок ко всему при ближайшем рассмотрении Большой взрыв выглядит весьма странно. Дело в том, что окружающий нас огромный мир, полный звезд и галактик, образуется только при том условии, что энергия первичного состояния выверена с немыслимой точностью. Ничтожное отклонение приводит либо к тому, что огненный шар «схлопывается» под действием собственного тяготения, либо к тому, что Вселенная оказывается почти пустой.

Космология Большого взрыва просто постулирует, что Вселенная в начальном состоянии обладала требуемыми свойствами. Физическая наука в состоянии лишь описать, как развивалась Вселенная из заданной начальной конфигурации. Но попытки разобраться, почему все началось именно с этого конкретного состояния, выходят за рамки физики. Вот какой показательный случай описывает Стивен Хокинг, один из самых знаменитых ученых-космологов современности. В 1981 году Хокинг участвовал в конференции по космологии, организованной орденом иезуитов в Ватикане: «В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселенной после Большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам Большой взрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественный акт. Я был очень рад, что Папа не знал темы только что сделанного мной доклада о возможности того, что пространство-время… не имеет границ, то есть что оно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения».

Попробуйте умножить 37 037 на любое число от 1 до 9, а затем умножьте полученный результат на 3. Сами увидите, что выйдет!

Горячая Вселенная

Идея первичного огненного шара родилась в голове Георгия Гамова, очень колоритного физика русского происхождения, работавшего во многих ведущих исследовательских лабораториях Европы и США. Его коллега Леон Розенфельд писал, что Гамов «был ярок во всем, даже в своей физике». Еще аспирантом Гамов прослушал курс лекций Фридмана по общей теории относительности, так что знал об идее расширяющейся Вселенной, можно сказать, из первых рук. Кроме того, за очень короткое время Гамов стал мировым авторитетом в области ядерной физики.

Гамов утверждал, что ранняя Вселенная была не только сверхплотной, но также и очень горячей. Причина в том, что газы разогреваются, когда их сжимают, и охлаждаются при расширении.

Представьте, что в большой ящик помещено много-много маленьких шариков. Шарики беспорядочно движутся и отскакивают от стенок ящика. Теперь представим себе, что стенки ящика раздвигаются в стороны. Если мы бросим в стену мяч, он отлетит к нам с такой же скоростью, с какой мы его бросили. Но если стена удаляется от мяча, его скорость будет меньше после столкновения с ней. Так же и молекулы в расширяющемся пространстве будут замедляться. Конечно, в расширяющейся Вселенной нет никаких стен! Но молекулы отталкиваются друг от друга, так что расширение влияет на скорость их движения аналогичным образом. А температура по определению не что иное, как мера энергии движения молекул. Ясно, что в расширяющемся пространстве она будет убывать, и Вселенная будет становиться все холоднее. Ну а если двигаться в прошлое, мы, наоборот, заметим, что Вселенная будет становиться все горячее, и, в конце концов, в точке космологической сингулярности — в момент Большого взрыва — окажется бесконечно горячей. Собственно, поэтому космологическую сингулярность и называют Большим взрывом.

Гамов также понял, что уравнения Фридмана можно использовать для определения температуры и плотности Вселенной в любой момент времени. Например, спустя секунду после Большого взрыва температура составляет 1010 °C (10 млрд), а плотность — около 1 т/см^3. Самая насыщенная событиями часть истории горячей Вселенной, для которой характерна быстрая смена поколений экзотических частиц, приходится как раз на первую секунду ее существования. В течение нескольких следующих минут образуются простейшие атомные ядра: водород, дейтерий, тритий, гелий-3 и гелий-4 (цифры обозначают число нуклонов — протонов и нейтронов, частиц, из которых состоят все атомные ядра). Процесс образования гелия начинается примерно через три минуты после Большого взрыва и завершается менее чем за минуту. Вселенная продолжает расширяться в жутком темпе, а плотность и температура очень быстро падают. После насыщенных событиями первых 3–4 мин темп космической драмы замедляется. С частицами вещества мало что происходит. Но зато существенные изменения происходят с излучением, наполняющим огненный шар.

Как нам известно еще из школьного курса физики, на макроскопическом (то есть на «человеческом») уровне излучение можно представить состоящим из электромагнитных волн — колеблющихся сгустков электрической и магнитной энергии. Волны разной частоты вызывают разные физические эффекты, и мы знаем их под разными названиями. Видимому свету соответствует лишь узкая полоска во всем электромагнитном спектре. Волны с более высокой частотой называют рентгеновским излучением, а еще более высокочастотные — гамма-лучами. Двигаясь по частотам вниз, мы встретим микроволны, а за ними радиоволны. Все они распространяются со скоростью света.

По мере остывания огненного шара интенсивность излучения снижается, а его частота постепенно сдвигается от гамма-лучей к рентгеновскому диапазону и далее, к видимому свету. Через 300 тыс. лет после Большого взрыва температура становится достаточно низкой, и электроны и ядра объединяются в атомы. До этого электромагнитные волны часто рассеивались на заряженных электронах и ядрах. Однако с нейтральными атомами излучение взаимодействует очень мало, так что теперь волны начинают свободно распространяться по Вселенной, практически ни на чем не рассеиваясь. Свет и вещество разделяются. Другими словами, Вселенная вдруг становится прозрачной для света.

Что происходит дальше с космическим излучением? Ничего особенного. Частота электромагнитных волн и соответствующая ей температура продолжат уменьшаться по мере расширения Вселенной. В момент образования нейтральных атомов температура излучения составляла 4000 °C, приблизительно как на поверхности Солнца. Окажись мы там (правда, было бы немного жарковато), мы бы увидели Вселенную залитой ярко-оранжевым светом. К моменту около 600 тыс. лет после Большого взрыва цвет сменился бы на красный. Еще через 400 тыс. лет излучение уходит за пределы видимого диапазона, в инфракрасную часть спектра. Так что для нас Вселенная погрузилась бы в полную темноту. Частота волн продолжает медленно уменьшаться, и к настоящему времени — то есть приблизительно через 14 млрд лет после Большого взрыва — она опускается до микроволнового диапазона.

Это то самое космическое микроволновое излучение с температурой около 3–5 К (градусов Кельвина), которое было открыто двумя американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Рудольфом Вильсоном в 1965 году. Таким образом, теория Большого Взрыва (которую можно назвать космологией Фридмана — Гамова), предсказавшая это излучение, получила блестящее экспериментальное доказательство.

Эта история подтверждается многочисленными данными наблюдений, и нет особых оснований сомневаться в том, что в целом она верна.

Поистине удивительно, что мы можем наблюдать Вселенную такой, какой она была 14 млрд лет назад, и точно описывать события, происходившие спустя долю секунды после Большого Взрыва. Очень, очень близко к точке начала. Что в действительности случилось в тот момент, по-прежнему остается загадкой. Но мы все-таки рискнем пойти дальше, вооружившись самыми последними достижениями космологической теории.

В 1671 году Исаак Ньютон представил на суд Королевского общества телескоп нового типа — рефлектор.

Инфляция: в экономике — плохо, в космологии — хорошо!

Картину эволюции Вселенной, которую мы только что описали, можно называть классической космологической теорией. Это название будет вполне правомерным. Ведь до Эйнштейна, Фридмана и Гамова никто из физиков даже не пытался заговорить об эволюции Вселенной в целом. А если пытались, то только как агностики. Они просто замечали: физика этими вопросами заниматься не может и не должна, здесь начинаются территории философии и теологии. И это несмотря на то, что физика в строгом научном, «теоретико-экспериментально-математическом» виде существовала уже более трех веков!

Классическая теория эволюции Вселенной, как мы убедились, очень хороша. Но и она не универсальна.

Представьте себе, что вы получаете сообщение с далеких звезд: вашей тете нездоровится! Вы поворачиваетесь в разные стороны, еще и еще, и отовсюду получаете одно и то же сообщение. Как это можно объяснить? Одно из двух. Либо везде во Вселенной живут существа, которые почему-то очень беспокоятся о здоровье и самочувствии вашей тети. Довольно невероятно, не так ли? Либо все они как-то коммуницируют между собой. Иначе почему сообщения из разных, далеких областей Вселенной выглядят совершенно одинаковыми?

Как ни странно это звучит, но перед вами точное описание так называемой проблемы горизонта, которая возникает в классической космологии. Дело в том, что интенсивность микроволнового излучения, приходящего к нам со всех сторон, в высшей степени постоянна, а значит, распределение плотности и температуры Вселенной в те времена, когда испускалось это излучение, были исключительно однородными. Из этого наблюдения вытекает наличие определенного взаимодействия между излучающими областями, которое приводит к выравниванию плотностей и температур. Однако физические взаимодействия не могут распространяться быстрее света!

Со времени Большого взрыва электромагнитные волны (то есть, собственно, «свет») удалились от места, где они были испущены, на 40 млрд световых лет. Это так называемый радиус горизонта. Он ставит предел тому, как далеко мы можем видеть Вселенную, и задает максимальное расстояние, на котором могла бы быть установлена связь. Космическое излучение, которое мы наблюдаем, как раз и приходит к нам с расстояний, примерно равных радиусу горизонта.

Теперь пусть мы принимаем космические микроволны с двух противоположных направлений. Тогда области, где эти волны были испущены, находятся друг от друга на расстоянии двух радиусов горизонта. Но из этого следует, что они никак не могли бы взаимодействовать! Они не могли бы иметь одинаковую температуру, плотность и т. д. Тогда получается, что незадолго после Большого взрыва та часть Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем, была разбита на тысячи маленьких областей, которые не могли сообщаться друг с другом. То есть никакой физический процесс не мог сделать огненный шар однородным, если бы он не был таким с самого начала.

Можно, конечно, сказать, что такой сделал Вселенную в самом ее начале Большой взрыв. Но мы знаем уже, теория Большого взрыва не определяет физических условий в самой точке взрыва. А раз никакой определенности нет, можно постулировать любые следствия. Поэтому здесь нет и никакого объяснения. В то, что Большой взрыв сам установил гармонию между множеством несвязанных областей Вселенной, можно только верить. Можно, например, заменить слова «Большой взрыв» словом «Бог» — и мало что изменится.

Точно так же трудно объяснить, что сила, которая после Большого взрыва заставляет частицы разлетаться, находится в тончайшей гармонии с гравитационным притяжением, замедляющим расширение огненного шара. Если бы плотность материи во Вселенной была больше, ее гравитационного притяжения хватило бы, чтобы остановить расширение и в итоге заставить Вселенную вновь сжаться до точечных размеров (сколлапсировать). Наоборот, при совсем не намного меньшей плотности Вселенная расширялась бы бесконечно и в ней не могли бы появиться какие бы то ни было неоднородности — звезды, галактики, планеты… Такая Вселенная оказалась бы заполненной только очень разреженным газом. Наблюдаемая плотность с точностью до нескольких процентов равна «критическому» значению, которое соответствует границе между этими двумя режимами. Чтобы спустя 14 млрд лет — то есть при нынешнем возрасте Вселенной — ее плотность оставалась почти равной критической, начальное состояние должно быть выверено с хирургической точностью. Вычисления показывают, что она не должна отличаться больше чем на одну десятитриллионную долю процента! Ясно, что таких совпадений по воле случая не бывает. Тогда почему это так?

Все это тесно соотносится с вопросом о геометрии Вселенной. Благодаря Александру Фридману мы знаем о связи между плотностью Вселенной и ее крупномасштабной геометрией. Вселенная будет замкнутой, если плотность выше критической, открытой — при более низкой плотности и плоской, если плотность в точности равна критической. Таким образом, вопрос, почему плотность Вселенной так близка к критической, можно заменить вопросом, почему геометрия пространства так близка к плоской. Физики так и поступили и стали говорить о проблеме плоской геометрии Вселенной.

Фактически и проблема горизонта, и проблема плоской геометрии ведут к одному и тому же фундаментальному и волнующему вопросу: что же в действительности произошло тогда, в момент Большого взрыва? Долгие десятилетия физикам даже не было понятно, как начать разговор на эту тему. Поэтому данные проблемы почти не обсуждались, пока на небосклоне космологической науки не появился похожий на студента-старшекурсника американский физик-теоретик Алан Гут.

Если на одну шахматную клетку положить 1 зернышко риса и далее на каждую следующую клетку класть удвоенное количество от того, что лежит на предыдущей (то есть на вторую — 1 × 2 = 2 зернышка, на третью 2 × 2 = 4 зернышка, на третью 4 × 2 = 8 зернышек и т. д.), то в итоге общий вес риса на шахматной доске составит более 460 млрд т. Это примерно в тысячу раз больше, чем годовой урожай риса на всей Земле.

Алан Гут в 1981 году просто подумал: а что если на ранних стадиях эволюции Вселенной существует некое космологическое гравитационное отталкивание? Ведь это как раз то, что нужно! Тогда Вселенная будет очень-очень быстро раздуваться, от размеров атома до размеров, во много раз превосходящих всю наблюдаемую ныне область! Этот этап эволюции Вселенной назвали инфляционной стадией, или просто инфляцией.

Однако если для Эйнштейна природа космологической постоянной оставалась совершенно неведомой, и «антигравитационный» член был просто формальным добавлением в уравнениях ОТО, то для объяснения природы инфляции к услугам Гута и его последователей была вся мощь современной теории элементарных частиц!

Мироздание не терпит пустоты

Вакуум

Мы привыкли считать и твердо уверены в том, что вакуум — это пустота. Вакуум — это когда мы «вытряхиваем» из пространства (из некоторой камеры или из всего пространства — не имеет значения) все частицы и все излучения. Что же остается? Ничего, пустое пространство, о котором нечего больше сказать. Так приучила нас думать классическая физика. Однако с точки зрения современной теории элементарных частиц вакуум — это особый физический объект. И главное заключается в том, что вакуум обладает ненулевой энергией.

Пойдем далее. Вакуум может находиться в разных состояниях — физики называют их просто «разными вакуумами». Типы элементарных частиц, их массы и взаимодействия определяются соответствующим вакуумом. Отношения частиц и вакуума чем-то напоминает круги на воде: круги — это частицы, вода — это вакуум. От материальных свойств воды во многом зависит, какие будут круги, как они будут расходиться и т. д.

Вакуум, которым заполнена Вселенная вокруг нас, находится в наинизшем энергетическом состоянии. Его называют «истинным вакуумом» — он, как бы это сказать… наиболее пуст. Физики собрали массу знаний о частицах, которые населяют этот тип вакуума, и силах, действующих между ними. К примеру, сильное ядерное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Электромагнитные силы удерживают электроны на их орбитах вокруг ядер. А слабое взаимодействие отвечает за поведение легчайших частиц, называемых нейтрино. В соответствии со своими именами эти три взаимодействия обладают очень разной силой, причем электромагнитное взаимодействие занимает промежуточное положение между сильным и слабым.

Свойства элементарных частиц в других вакуумах могут быть совершенно иными. Энергия (и, соответственно, масса) вакуума может быть невообразимо большой. Скажем, так называемый электрослабый вакуум, в котором электромагнитное и слабое взаимодействия проявляются как составляющие одной объединенной силы, имеет около 1019 т/см^3 (десять миллионов триллионов тонн массы на один кубический сантиметр). Это примерно масса Луны.

Для вакуума так называемого Великого объединения (то есть когда объединяются три фундаментальных взаимодействия) плотность массы оказывается еще больше, причем чудовищно больше — в 1048 раз. Ясное дело, этот вакуум никогда не создавался в лаборатории: на это потребовалось бы много больше энергии, чем доступно при современных технологиях.

По сравнению с этими ошеломляющими величинами энергия обычного истинного вакуума ничтожна. Долгое время считалось, что она в точности равна нулю. Однако сегодня есть данные, которые свидетельствуют в пользу того, что вакуум может обладать очень-очень небольшой положительной энергией, которая эквивалентна массе трех атомов водорода на кубический метр.

Вакуумы, обладающие высокой энергией, называют «ложными». Это потому, что, в отличие от истинного вакуума, они нестабильны. Спустя очень короткое время (малые доли секунды) всякий ложный вакуум превращается в истинный, а его избыточная энергия высвобождается в виде огненного шара из элементарных частиц. Такое превращение в современной физике называется распадом вакуума.

Современные представления о вакууме — достояние теории элементарных частиц, теории «самого малого». Но идея инфляции удивительна тем, что она соединила, казалось бы, несоединимое: теорию «самого малого» и теорию «самого большого» — теорию Вселенной в целом, космологию.

У Эйнштейна не было никаких физических причин оставлять в уравнениях ОТО космологический член. Экспериментальные данные, которыми он располагал, не только не подтверждали, но и противоречили идее неизменной, неподвижной (стационарной) Вселенной. Некоторые существенные теоретические соображения также делали эту идею неправдоподобной.

Однако оставались сами уравнения. Удивительная вещь, но уравнения великой теории способны жить своей собственной жизнью, и, помимо представлений, гипотез и воли их создателя, их стрела пущена в будущее, в неизведанные дали.

По смыслу уравнений ОТО космологический член — не что иное, как энергия пустого пространства, отличная от нуля энергия самого вакуума. В каждом «кусочке» вакуума заключено некоторое строго определенное количество энергии. Эти же уравнения предписывают, что энергия вакуума — это что-то вроде энергии натянутой резиновой ленты: пока лента в натянутом состоянии, в квадратном сантиметре ее заключено некоторое фиксированное количество энергии. Чтобы представить себе пространство, заполненное вакуумом, хороша другая «резиновая» аналогия — оно будет походить на надутый воздушный шарик: натяжение вакуума стремится сжать, «схлопнуть» пространство, которое он заполняет.

С другой стороны, согласно ОТО, что угодно, обладающее энергией (а это значит, по формуле Е = mc^2, и массой), вносит вклад в гравитацию. Однако энергия вакуума оказывается «гравитацией навыворот»: она дает отрицательный вклад в гравитацию. Иными словами, по отношению к гравитации это гравитационное отталкивание.

Тут Эйнштейн получал то, что ему было нужно: антигравитация, создаваемая энергией вакуума, оказывается намного больше, чем «схлопывающая» энергия его натяжения, и может уравновесить гравитационное стремление масс друг к другу. Этот баланс и дает в итоге стационарную Вселенную.

Но энергосодержащая пустота — это то, что нужно также и для инфляции! В самом деле, если Вселенная очень ранняя, в ней нет еще ничего, никаких частиц, полей, никаких масс. Есть только вакуум и его гравитационное отталкивание. Тогда пространство в один миг чудовищно раздувается и Вселенная из очень-очень маленькой станет очень, очень большой!

Темп такого расширения остается постоянным (так как плотность энергии вакуума — величина постоянная). По смыслу эта величина очень похожа на процентный годовой рост цен — на то, что называется инфляцией. Аналогично, постоянный темп расширения Вселенной означает, что есть постоянное время, за которое размер Вселенной увеличивается вдвое. Рост, который характеризуется постоянным временем удвоения, называют экспоненциальным. Он очень быстро приводит к гигантским числам. Скажем, если упаковка зубочисток сегодня стоит 1 грн, то через 10 интервалов удвоения ее цена будет 1024 грн, а через 330 циклов — 10100 грн, гугол гривен!

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Это — гугол. Как видите, его довольно трудно написать. Еще труднее писать его всякий раз, когда этого требует космология. Но дело не только в этом. Дело в том, что гугол — колоссальное число! Попробуем взять любую совокупность, любое знакомое нам множество предметов, и сопоставим с гуголом. Заметьте, совокупности можно брать, какие заблагорассудится — разрешено все, что только ни придет на ум, самые большие множества, которые мы знаем. Вот число песчинок на всех-всех пляжах мира. Его можно оценить как 1023. Нужно что-нибудь «помногочисленней». С давних времен мерой неисчислимости было число звезд на небе — как насчет этого? В нашей галактике где-то 100 млрд звезд. Это 1011 — очень мало по сравнению с гуголом! Хорошо. Видимая область Вселенной вплоть до горизонта содержит «всего-навсего» 1022 звезд. Идем дальше. Количество всех частиц в известной нам части Вселенной (а большего количества реальных объектов в ней просто не существует), согласно некоторым предположениям, составляет от 1079 до 1081. Все равно до гугола не дотягивает!

Время удвоения для Вселенной, заполненной ложным вакуумом, невероятно короткое. И чем выше энергия вакуума, тем оно короче. В случае электрослабого вакуума Вселенная расширится в гугол раз за 0,333 × 10–5 с (одна тридцатая микросекунды), а в случае вакуума Великого объединения это случится в 1026 раз быстрее.

Поскольку ложный вакуум нестабилен, он в конце концов распадается, и его энергия зажигает огненный шар из частиц. Это событие обозначает конец инфляции и начало классической космологической эволюции. Тем самым, из крошечного исходного зернышка мы получаем горячую расширяющуюся Вселенную громадных размеров.

А в качестве бонуса в инфляционном сценарии удивительным образом исчезают проблемы горизонта и плоской геометрии, характерные для классической космологии!

Во Вселенной с ложным вакуумом гравитация отталкивающая. Вместо того чтобы замедлять расширение, она очень сильно ускоряет его. А если расширение ускоряющееся, то те области, которые сейчас абсолютно не связаны, вначале могли взаимодействовать и, следовательно, могли быть равными по температуре и плотности. Проблемы горизонта просто не возникает!

Проблема плоского пространства разрешается столь же легко. Поскольку инфляция увеличивает Вселенную в колоссальное число раз, нам видна лишь крошечная ее часть. Эта наблюдаемая область выглядит плоской подобно Земле, которая тоже кажется плоской, если стоять на ее поверхности. Но это совсем не значит, что пространство всегда было плоским. Как раз наоборот!

Итак, короткий период инфляции делает Вселенную большой, горячей, однородной и плоской, создавая как раз такие начальные условия, которые требуются для классической или, как говорят ученые, стандартной космологии Большого взрыва. Правда, для того, чтобы инфляционная теория работала, нужен специальный тип ложного вакуума, и он должен распадаться особым образом. В противном случае инфляционное раздувание Вселенной никогда не могло бы закончиться. Эта проблема даже получила в кругах специалистов собственное имя: проблема изящного выхода. Но она была с успехом решена в 1982 году «универсальным солдатом» современной космологии Андреем Линде, который тогда еще работал в Москве, а не в Стэнфорде. Так инфляционная стадия заняла свое незаменимое и почетное место в летописи эволюции Вселенной.

Но и это еще не все! В стандартной модели понятия Большого взрыва и сингулярности означали, по существу, одно и то же. Теперь, с учетом инфляционной стадии, их можно терминологически строго различать. Под Большим взрывом теперь можно понимать просто саму инфляционную стадию; это действительно похоже на колоссальный взрыв: Вселенная молниеносно и очень-очень сильно увеличивается в размерах по отношению к начальному сверхплотному вакуумоподобному состоянию, затем вакуум распадается, и она становится очень горячей. Большой взрыв перестает быть таинственным, хотя не становится от этого менее удивительным и поражающим воображение событием. Что же касается космологической сингулярности — «нулевого» момента времени, когда пространство стягивается в точку, когда плотность энергии стремится к бесконечности и перестают работать законы физики этого мира, — ее тайна так и остается неразгаданной.

2520 — самое маленькое число, которое можно делить без остатка на любое число от 1 до 10.

Ни в сказке сказать…

До сих пор мы предполагали, что начальной точкой инфляции была маленькая замкнутая Вселенная в состоянии ложного вакуума. Но почему бы не начать с небольшого кусочка ложного вакуума в бесконечной Вселенной? Такое начало тоже приводит к инфляции. К инфляции, которая порождает удивительную картину Вселенной. Как говорится, ни в сказке сказать!

Ложный вакуум имеет огромное натяжение, которое вызывает его отталкивающую гравитацию. Если он заполняет все пространство, то натяжение повсюду одинаково и нет никаких физических проявлений, кроме гравитационных. Но если ложный вакуум окружен истинным вакуумом? Тогда натяжение внутри больше не уравновешивается никакой внешней силой и заставляет кусочек ложного вакуума сжиматься. Можно подумать, что натяжению противостоит отталкивающая гравитация, но на самом деле это не так.

С помощью все той же ОТО Эйнштейна можно показать, что гравитационное отталкивание является чисто «внутренним». Так что, если вы выложите на стол кусочек ложного вакуума, предметы не будут отталкиваться от него. Вместо этого они станут притягиваться. Иными словами, снаружи от ложного вакуума сила гравитации проявляется как обычное тяготение.

Общий результат зависит от размеров кусочка. Если он меньше некоторой критической величины, побеждает натяжение и кусочек съеживается, как растянутая резинка. Затем, после нескольких колебаний, он распадается на элементарные частицы. Если размер больше критического, побеждает отталкивающая гравитация, и тогда ложный вакуум начинает раздуваться. В ходе этого процесса он искривляет пространство наподобие воздушного шарика. Во Вселенной, заполненной истинным вакуумом, появляется «приросток»: быстро-быстро раздувающаяся область!

Расширяющийся шар соединен с внешним пространством узкой «кротовой норой». Снаружи она видна как черная дыра, и внешний наблюдатель никогда не сможет увидеть, что внутри этой черной дыры скрывается огромная раздувающаяся вселенная. Аналогично, наблюдатель, который находится внутри раздувающейся вселенной-пузыря, увидит только крошечную часть всего пространства и никогда не узнает, что его вселенная имеет границу, за которой имеется другая большая вселенная.

Судьба пузыря из ложного вакуума принципиально зависит от того, превышает ли его радиус критическое значение. Его, как всегда, определяет энергия вакуума: чем больше плотность энергии, тем меньше критический радиус. Для электрослабого вакуума он составляет около 1 мм, а для вакуума Великого объединения — в 10 трлн раз меньше.

А что же дальше? Когда пузырь достаточно раздуется, в нем станет возможным образование новых областей с разными типами ложных вакуумов. Некоторые из них «сожмутся», и их энергия превратится в вихрь элементарных частиц. Но в некоторых начнется процесс инфляции, и они превратятся в громадные вселенные. Однако извне пузыря никто, увы, не сможет их увидеть: они будут выглядеть как темная пасть черной дыры.

Делом управляют два конкурирующих процесса: распад ложного вакуума и его «воспроизведение» в результате расширения инфляционно раздувающихся областей. Эффективность распада можно охарактеризовать временем, в течение которого распадается половина ложного вакуума. Эффективность воспроизведения задается «временем удвоения» — периодом, за который объем расширяющегося пространства, заполненного ложным вакуумом, увеличивается в два раза. Объем ложного вакуума будет сокращаться, если период полураспада короче времени удвоения, и расти — если ситуация противоположна.

Но анализ показывает, что период полураспада много превышает время удвоения. А значит, во Вселенной в целом инфляция никогда не заканчивается и рост инфлирующих областей продолжается беспредельно! Прямо сейчас, когда вы читаете эти строки, далеко-далеко в мановение ока раздуваются миры, заполненные ложным вакуумом. Но вместе с этим постоянно формируются области, подобные нашей, где инфляция закончилась. Там начинается классическая эволюция, подобная той, которую описали Фридман и Гамов. Там из огненной кутерьмы элементарных частиц образуются ядра атомов, складывающиеся в элементы, звезды, галактики. Там вокруг звезд кружат планеты, и на некоторых из них кипит жизнь. И мысль. В этом описании нет никакой фантастики, как может показаться. Только строгая наука!

Здесь теория инфляции вносит еще одну поправку в классическую космологическую картину. Если Большой взрыв — это просто инфляционная стадия, то нам уже не надо считать его одномоментным событием в нашем прошлом. Множество больших взрывов отгремело до него в отдаленных частях Вселенной, и бессчетное число других еще произойдет повсюду в будущем. Поэтому становится довольно нелогичным обозначать нашу область как Вселенную — с прописной буквы. Множество таких классических вселенных продолжают свою эволюцию, окруженные бездной ложного вакуума. Но из-за инфляции пространство между этими локальными вселенными быстро расширяется, создавая место для рождения все новых, подобных им. И вот вся эта грандиозная бесконечная картина называется Вселенной — Вселенной с большой буквы, Вселенная в целом.

В 1997 году шведские и американские астрономы, изучая туманность Бумеранг с помощью крупного телескопа, установленного в Чили, обнаружили, что окраины этой туманности — самое холодное место во Вселенной. Температура газа составляет здесь менее 3 К, то есть ниже –270 °C. В земных лабораториях получены и более низкие температуры, но в природе большего холода не найдено. Туманность Бумеранг представляет собой облако газа и пыли, выбрасываемое умирающей звездой со скоростью более 150 км/с. Это облако охлаждается по тому же принципу, что и камера компрессионного холодильника — в результате быстрого расширения газа.

Начинается все с маленького участка ложного вакуума. Далее появляются первые островки истинного вакуума. Это — классические вселенные; самые «старые» классические области в пределах данного рассмотрения. По мере того как границы этих вселенных раздвигаются в море инфляции, они быстро увеличиваются в размерах. Однако беспрерывно инфлирующая область ложного вакуума расширяется еще быстрее, так что пространство между классическими вселенными становится все больше, а во вновь образованных областях возникают новые и новые классические вселенные. Математики называют такую структуру фрактальной — похоже на капусту романеско: старые классические миры окружаются подобными им меньшими, вокруг которых располагаются еще меньшие, и так далее. И в отличие от капусты, этому нет и никогда не будет конца.

Нашествие наших собственных «клонов»

Если бы каким-то образом нам удалось извне наблюдать бесконечную инфляцию Вселенной, что бы мы увидели? Множество вселенных, разбросанных по безбрежному морю ложного вакуума. Это похоже на Землю, как ее видят космонавты. Колоссальный шар с континентами и архипелагами, окруженными океаном (правда, трехмерный), расширяющийся с невообразимой скоростью. Континенты-вселенные, тоже увеличивающиеся, а между ними постоянно появляются очень-очень маленькие новые острова — и немедленно начинают расти. Количество вселенных быстро умножается и стремится к бесконечности в бесконечном будущем.

Но обитатели этих «карманных», как назвал их однажды Алан Гут, вселенных, подобно нам, видят совершенно иную картину. Их вселенная не воспринимается ими как конечного размера остров. Изнутри это бесконечная вселенная, единственная, уникальная, все, что есть. Граница между этой вселенной и инфляционной частью пространства-времени — это Большой взрыв, случившийся для ее обитателей в определенный момент в прошлом. Мы не можем добраться до инфляционного моря просто потому, что невозможно переместиться в прошлое. Дело просто в том, что понятие времени в «островных» вселенных отличается от «глобального» времени, которое надо использовать для описания пространства-времени в целом (иначе не получается!).

Идем дальше. Поскольку каждая островная вселенная бесконечна с точки зрения ее обитателей, она может быть разделена на бесконечное число областей. Для определенности положим, что каждая из этих областей такого же размера, как наблюдаемая часть нашей вселенной. Выходит бесконечное пространство, разделенное на куски размером по 80 млрд световых лет каждый.

Как и в любой конечной системе, количество различных состояний (или конфигураций материи) в каждой из таких областей ограничено. Можно, конечно, надеяться вносить в систему все более и более мелкие изменения, чтобы породить бесконечное количество вариантов. Но это не получится, поскольку изменения, мало различающиеся по величине, будут неразличимы даже теоретически из-за квантово-механической неопределенности. В классической ньютоновской механике состояние физической системы можно описать, указав положения и скорости всех составляющих ее частиц. В квантовом мире частицы по самой своей природе очень странные. Они как бы размытые, как на фото без резкости, и не могут быть локализованы точно. В таком случае четко определенными (и отличимыми от других) могут быть только те состояния системы, которые собраны из достаточно крупных «зерен». Это как фото, снятое в не слишком большом разрешении: если мы будем просматривать картинку, увеличивая и увеличивая разрешение, будет все менее и менее понятно, что же на ней изображено. В конце концов, оно превратится в бесформенное размытое пятно.

Теперь, если историей называть цепочку состояний в последовательные моменты времени, тогда то же самое можно сказать о различных историях выделенной области вселенной.

В квантовом мире будущее не определяется однозначно прошлым. Одни и те же начальные условия могут вести ко множеству разных исходов, и мы можем подсчитывать лишь вероятности. В результате диапазон возможностей значительно расширяется. Но квантовая неопределенность вновь не позволяет нам различить истории, которые слишком похожи одна на другую. История состоит из конечного количества шагов, и любая ограниченная во времени история должна состоять из конечного количества моментов. В каждый момент система может находиться лишь в конечном числе состояний, а значит, и число различных историй системы должно быть конечным.

Количество возможных историй такой области от Большого взрыва до наших дней, как и следовало ожидать, огромно, порядка 10^150. Это фантастически огромное число. Только для того, чтобы его записать, не хватило бы не то что страниц этой книжки, но и всего тиража, и, вероятно, всех тиражей издательства «Клуб семейного досуга» за всю его историю! Впрочем, само количество не так уж важно. Важно, что оно конечно.

Что же выходит? Если, согласно естественным следствиям из теории инфляции, «вложенные» вселенные бесконечны с внутренней точки зрения и если, с другой стороны, согласно квантовой теории, для конечного региона не может быть реализовано бесконечное количество историй, тогда каждая конкретная история должна повторяться в каком-то из других подобных регионов. Повторяться бесконечное число раз!

Среди этих бесконечно повторяемых сценариев должны быть весьма странные истории. Например, планета, такая же, как наша Земля, может вдруг сколлапсировать в черную дыру. Или она может совершить скачок на другую орбиту, значительно ближе к центральной звезде. Такие происшествия чрезвычайно маловероятны, но это лишь означает, что придется перебрать очень много областей, прежде чем найдется такая, в которой это случилось.

Также должны существовать области, где истории довольно похожи на нашу, но все же имеют небольшие по космическим меркам и существенные для нас вариации. Скажем, должны существовать планеты, в точности такие же, как Земля, под таким же небом, со всеми океанами и материками, горами и равнинами, деревьями и животными. Эти земли вращаются вокруг точных копий звезды по имени Солнце, и каждое Солнце находится на окраине огромной спиральной галактики — точной копии Млечного Пути. Но в 1991 году Советский Союз здесь не развалился, потому что генеральный секретарь ЦК компартии, председатель Президиума Верховного совета СССР, товарищ Леонид Ильич Брежнев все еще жив и продолжает систематически произносить свои речи! Он уже семижды герой, а мы продолжаем ходить на демонстрации, ездить на картошку, гордиться нашими ракетами и балетом и наслаждаться лучшей в мире колбасой по 2 рубля 20 копеек.

Однако, наверное, самым волнующим следствием этой картины является существование бесконечного количества миров, полностью идентичных нашему. Да, дорогой читатель, множество ваших абсолютных двойников держат сейчас в руках эту книгу.

Как далеко находятся все эти земли, населенные нашими двойниками? Мы знаем, что материя, содержащаяся в видимой области нашей вселенной, может находиться в 10 в степени 10^90 различных состояний. Тогда объем, содержащий, скажем, гуголплекс (10 в степени 10^100) подобных областей, должен исчерпать все возможности. Такой объем будет иметь поперечник порядка гуголплекса световых лет. На больших расстояниях области, включая нашу, будут повторяться.

Все это, конечно, при банальном уточнении, что в этой картине должны существовать миры, которые очень сильно отличаются от нашего, и таких миров будет в огромное количество раз больше, чем точных и неточных повторений…

Какая-то чепуха! Почему мы должны всему этому верить?!! Ибо это выглядит не безобидно-фантастически, а весьма драматично. В самом деле, как же быть с нашей идентичностью, с нашей личной неповторимостью и ценностью, с нашей бессмертной душой? И согласились бы мы, чтобы так выглядело то, что называется бессмертием?

Но давайте придержим эмоции. Мы видели, что картина, которая была описана выше, возникает как следствие теории инфляции, согласно которой локальные вселенные бесконечны внутри и каждая из них содержит бесконечное множество конечных областей заданного размера. Она также опирается на квантовую механику, говорящую, что существует лишь конечное количество историй любой конечной области, а также что все сколько-нибудь вероятные истории обязательно реализуются в пределе бесконечного времени. Объединяя эти утверждения, мы с неизбежностью приходим к выводу, что каждая конкретная история должна повторяться бесконечное число раз.

Что этому может помешать? Прежде всего, есть вероятность, что теория инфляции неверна. Идея инфляции очень убедительна и подтверждается наблюдениями, но, конечно, далеко не в той мере, как, например, теория относительности Эйнштейна.

Далее, можно допустить, что даже если наша Вселенная является продуктом инфляции, сама инфляция не вечна. Это сразу же потребует довольно серьезных натяжек в теории. Чтобы избежать вечной инфляции, «энергетический ландшафт» соответствующего ложного вакуума должен быть специальным образом подогнан под наши требования.

Большая цена! Теория инфляции — это самое лучшее из имеющихся у нас объяснений Большого взрыва. Если мы не станем ее калечить, добавляя совершенно произвольные свойства, у нас не будет иного выбора, кроме как признать инфляцию вечной, со всеми вытекающими из этого последствиями, нравятся они нам или нет.

Ладно. Но не является ли банальностью, что в бесконечной Вселенной должно случиться абсолютно все? Нет, не является! Бесконечность пространства сама по себе не гарантирует, что реализуются все возможности. Например, по всему пространству могла бы бесконечно повторяться одна и та же галактика.

Существование наших копий в нашей вселенной, таким образом, не самоочевидно, а опирается на предположение о пространственной бесконечности и о квантовой обязательности осуществления всех мало-мальски возможных событий во Вселенной. Важно, что в случае бесконечной инфляции эти свойства не нужно вводить как дополнительные предположения. Из самой теории вытекает, что локальные вселенные бесконечны и что начальные условия в момент Большого взрыва задаются случайными квантовыми процессами во время инфляции. Существование клонов, таким образом, является неизбежным следствием физической теории.

Для оценки межзвездных расстояний применяют две единицы измерения: световой год и парсек. Световой год равен расстоянию, которое проходит свет за год, то есть приблизительно 9460 млрд км. Парсек определяется как такое расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну секунду дуги. Это очень маленький угол: под таким углом монета в одну копейку видна с расстояния в 3 км. Один парсек (пк) составляет около 3,26 светового года, то есть приблизительно 30 трлн км.

Пустота имеет вес

Теория инфляции объясняет, как видимая область нашей вселенной может получиться плоской (то есть пространство должно иметь всем нам хорошо знакомую из средней школы эвклидову геометрию). Если вы летите над Землей на очень большой высоте, вы видите, что Земля — шар. Но когда вы стоите на поверхности Земли, она представляется вам плоской, насколько глаз хватает, вплоть до горизонта, ведь Земля очень большая, и ее шарообразности с высоты человеческого роста не заметишь.

Теоретически «эвклидовость» пространства равнозначна тому, что плотность массы или энергии во вселенной с очень высокой точностью равняется некоторому критическому значению.

Из чего же складывается этот необходимый критический уровень энергии? Обычное вещество дает только несколько процентов! Есть, конечно, так называемая «темная материя». Название довольно зловещее, но оно никак не связано с «темными силами», «нечистым» и тому подобным «злом». Просто эту материю нельзя наблюдать непосредственно — она проявляется в гравитационном воздействии на наблюдаемые объекты: звездные скопления, галактики и т. д. Согласно современным данным, «темной материи» во вселенной примерно в 10 раз больше, чем обычного вещества. Однако если сложить плотность массы или энергии того и другого, получится всего лишь порядка 30 % нашего критического значения. 70 % не хватает!

В 1998 году две независимые исследовательские группы, измерявшие яркость взрывов сверхновых в далеких галактиках и с помощью этих данных уточнявшие темп космологического расширения, объявили о поразительном открытии. Оказалось, что вместо замедления под действием гравитации (звезды и галактики ведь притягиваются друг к другу!) скорость расширения в действительности возрастает. Это открытие говорило о том, что Вселенная заполнена некой гравитационно отталкивающей субстанцией. Проще всего было предположить, что истинный вакуум, в котором мы обитаем, имеет ненулевую плотность массы. (Как нам сообщил Эйнштейн, вакуум является гравитационно отталкивающим, и если плотность превышает половину плотности массы вещества, суммарным результатом будет отталкивание.)

Плотность массы истинного вакуума — это то, что Эйнштейн называл космологической постоянной, идея, которую он сам (мы помним) признал величайшей ошибкой своей жизни. Подчеркнем, речь идет об истинном, именно об истинном вакууме. Физика высокоэнергетичного ложного вакуума — дело сейчас довольно понятное, но совсем другое. А то, что абсолютная пустота обладает ненулевой энергией, было полным удивлением для научного сообщества. Но не для теории инфляции. Для инфляционной теории это был настоящий триумф! Ведь, согласно данным наблюдений, плотность массы пустого пространства оказалась в точности такой, какая необходима, чтобы оправдать недостающие 70 % критической плотности и тем самым объяснить предсказанную плоскую геометрию видимой области нашей вселенной. Конечно, вряд ли это могло быть простым совпадением.

Однако проблема была гораздо более серьезной. Дело в том, что вся теоретическая физика элементарных частиц базировалась на том условии, что энергия пустоты скомпенсирована некоторыми противоположными влияниями, так что в сумме строго должна равняться нулю. Из теории следовало, что на микроскопическом уровне флуктуации (то есть случайные всплески энергии) квантовых полей дают мощный вклад в энергию вакуума, но таким образом, что в сумме точно уравновешивают друг друга. Данные о ненулевом значении космологической постоянной рушили все здание физики элементарных частиц (а оно было очень недурно построено)! Более десяти лет напряженных поисков выхода ни к чему не привели. То обстоятельство, что эти же данные являются подтверждением какого-то там инфляционного сценария в космологии, никак не могло служить компенсацией. Дело доходило до того, что физики (причем физики «первого дивизиона») просто отказывались верить им и даже заключали пари с коллегами о том, что энергия вакуума — сплошное недоразумение и это очень скоро выяснится. Но время шло, пари проигрывались, и все мало-помалу понимали, что «ошибка» Эйнштейна превратилась в проблему. Ее назвали «проблема космологической постоянной». Однако мало кто ожидал, что космологическая постоянная очень скоро станет триумфом Эйнштейна!

Космическое радиоизлучение было открыто в декабре 1931 года американским физиком Карлом Янским, который изучал природу шумов, мешающих радиосвязи, а также причины помех в дальних телефонных линиях. С помощью 30-метровой антенны он неожиданно обнаружил радиоизлучение на волне 14,7 м, исходящее из обширной области в центре Млечного Пути. Астроном-любитель и радиолюбитель Грот Ребер, узнав о работах Янского, сконструировал параболическую антенну диаметром 9 м и открыл источники радиоизлучения в созвездиях Стрельца, Лебедя, Кассиопеи, Малого Пса, Кормы и Персея. Он же установил, что Солнце также является источником радиоволн. Так родилась радиоастрономия, позволившая открыть радиогалактики, пульсары, межзвездный газ и реликтовое излучение.

Из данных новых наблюдений выходило, что энергия вакуума, в котором мы живем, или космологическая постоянная не просто не равняется в точности нулю, но что она сравнима с плотностью вещества во Вселенной. А это выглядело очень странным! Всякому даже без физики понятно, что пустота — это одно, а материя — это совсем другое. И действительно, в процессе расширения Вселенной плотность энергии вакуума не должна изменяться, тогда как плотность вещества, конечно, падает (объем-то Вселенной растет). Причем диапазон изменения плотности материи оказывается ну очень большим. Приблизительные оценки говорят, что если сегодня две обсуждаемые плотности примерно равны, то через секунду после Большого взрыва плотность материи была в 1045 раз выше! С другой стороны, через триллион лет она будет в 1050 раз меньше. Сорок пять или пятьдесят нулей после десятки… Одна из величин постоянна, другая изменяется в таких «сумасшедших» пределах. Но мы наблюдаем Вселенную как раз в тот самый момент, когда эти величины одинаковы. Можно просто «не заметить» этого обстоятельства. Но для настоящего ученого это «точка остановки». Здесь нужно остановиться и думать, ибо таких совпадений не бывает! Здесь, скорее всего, зашифровано нечто важное и глубокое.

Фундаментальные постоянные, или Слава тебе, Господи!

Есть переменные величины, есть постоянные. Но существует особый класс величин, которые называют фундаментальными постоянными. Почему наука их выделяет? Потому что эти несколько чисел определяют, так сказать, «общую схему» всех возможных в природе явлений. К числу этих постоянных относятся массы некоторых элементарных частиц и параметры, характеризующие четыре фундаментальных взаимодействия — сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Соотношение масс протона и электрона равно 1/1836 — ни больше, ни меньше. Нейтрон тяжелее протона на 0,14 %. Если мы возьмем два протона, то их взаимная гравитация будет в 1040 раз слабее их электрического отталкивания.

Можно ли считать список фундаментальных констант исчерпывающим? Нет, вряд ли. Значения некоторых неизвестны, хотя ясно, что они есть. Не исключено, что список изменится, если будут открыты новые элементарные частицы.

Однако гораздо более важным и волнующим является другое. Исследования в различных областях физики обнаружили, что многие существенные особенности нашей Вселенной чувствительны к точному значению некоторых чисел. Предположим, например, что нейтрон стал весить немного меньше протона. Тогда протоны окажутся нестабильными и станут распадаться на электроны и позитроны. Электроны на орбитах держать будет нечем, и атомы тоже распадутся. Свободные электроны начнут активно соединяться с позитронами и взаимоуничтожаться, испуская фейерверк фотонов. В итоге мы останемся в так называемом «нейтронном мире», состоящем из изолированных нейтронных ядер и излучения. В этом мире не будет химии, не будет сложных структур, не будет жизни.

Теперь, наоборот, чуть-чуть увеличим массу нейтрона. В таком случае нейтроны в атомных ядрах превратятся в протоны, ядра разорвутся из-за электрического отталкивания протонов, а свободные протоны «сольются» с электронами и образуют атомы водорода. Получится «водородный мир», в котором будет только водород, много-много водорода, но никаких других элементов. Довольно уныло!

Изменим силу слабого взаимодействия между частицами — и мы больше не увидим взрывов сверхновых. Ладно, скажете вы, сверхновые же очень далеко, это нас не касается. Касается! Без вспышек сверхновых тяжелые элементы оставались бы замурованными внутри звезд, и мы бы имели только легкие элементы, образовавшиеся во время Большого взрыва: водород, гелий, дейтерий и немножечко лития — жизнь из таких кубиков никак не образовать!

Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация намного слабее всех остальных. Так может быть, от величины гравитационной силы ничего не зависит? Зависит! Но влияние гравитации становится существенным, только если у вас есть то-то вроде звезд или галактик. Именно слабость гравитации делает звезды большими. Если сделать ее сильнее, звезды станут меньше и будут прогорать быстрее. Даже небольшого усиления гравитации довольно для того, чтобы сделать время жизни звезд много меньше тех нескольких миллиардов лет, которые, как ни крути, требуются для появления разумной жизни.

Примеры можно приводить и дальше. Впрочем, и так уже ясно: налицо тончайший баланс между всего лишь несколькими величинами — свойствами Вселенной, от которого зависит, будет ли кому написать и прочитать о ней хоть слово или она окажется «безвидная и пустая». Речь идет о нашем присутствии в мире. Может быть, это указание на существование Творца? Он не лепит людей из глины, но производит тонкую настройку мира, с тем, чтобы существование людей стало физически возможным событием. И если нет, существует ли другое объяснение?

Самые яркие объекты во Вселенной — квазары. Это ядра активных галактик.

Антропный принцип

Как сказал однажды Михаил Жванецкий, вначале было слово, но судя по тому, что случилось дальше, слово было непечатным.

Представьте обезьяну, молотящую по клавишам пишущей машинки. Конечно, произведения, вышедшие «из-под пера» такого писателя, вряд ли кто-нибудь захочет напечатать — никакого смысла, только беспорядочный набор букв. Но если обезьяна будет «трудиться» достаточно долго, есть вероятность, что среди этих никчемных текстов окажется «Я помню чудное мгновенье».

Может быть, Создатель ничего специально не настраивал и не подгонял? Может быть, Он не слишком-то и заботился о нас? Может быть, Он, подобно нашей обезьяне, в беспорядке «надувал» вселенную за вселенной, как надувают мыльные пузыри, в огромном количестве, с различными наборами фундаментальных постоянных, и следовательно, с различными наборами свойств и внутренних возможностей. Подавляющее большинство из них вышли весьма унылыми, мрачными и тоскливыми. Однако среди них встретились и такие, которые обладали набором параметров, удобных для возникновения и продолжения жизни. Слава Богу! Счастливый случай!

Но тогда нет никакого божественного чуда в том, что все разумные существа станут наблюдать вокруг себя миры с редкими, удивительно удачно подобранными и выверенными свойствами. Штука в том, что других миров они никогда не увидят просто потому, что их возникновение и существование в этих мирах будет решительно невозможным; эти вселенные некому будет наблюдать!

Этот ход рассуждений известен как антропный принцип. Название было придумано в 1974 году кембриджским астрофизиком Брэндоном Картером, который сформулировал его так: «…все наши ожидания в отношении возможных наблюдений должны быть ограничены условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей».

Антропный принцип — это хороший критерий отбора физических теорий. Теории, которые не допускают существование в мире живых и разумных наблюдателей — это неудачные теории. Они противоречат сами себе, ибо если мир действительно таков, то их просто некому было бы придумать! Но физики антропную аргументацию очень не любят, прежде всего потому, что следствия из нее нелегко ни подтвердить, ни опровергнуть посредством эксперимента. Почему так? Да потому, что антропное предсказание требует существования того, что не так давно стали называть Мультиверсом.

Понятие Мультиверса было введено Мартином Рисом, английским королевским астрономом и, кстати сказать, бывшим одноклассником Брэндона Картера. «Universe» по-английски значит «вселенная», а «Multiverse» — «много вселенных». Это грандиозный ансамбль, который включает много, очень много или даже бесконечное множество различных «доменов» или «вселенных» с различными наборами фундаментальных постоянных и физических свойств. Рассматривают три вида мультиверсных ансамблей. Первый — это когда одно пространство-время, одна Вселенная разделена на множество регионов. Второй вид состоит из отдельных, не связанных и независимых вселенных. И третий — смешанный: множество вселенных, состоящих из множества регионов.

Мультиверс сам по себе похож на фантастический сюжет. До недавнего времени таковым он и оставался: даже надеяться на то, чтобы получить его в рамках научной теории, представлялось ненаучным. Но теория вечной инфляции описывает именно Мультиверс — вспомним «глобальную Вселенную», «Вселенную вселенных». Описывает научно, а не фантастически, хотя, как мы убедились на предыдущих страницах, иногда описание это выглядит совершенно фантастическим!

В 1910 году Земля прошла через хвост кометы Галлея, одной из составляющих которого является ядовитый газ циан. Один из ведущих астрономов того времени Камиль Фламмарион заранее предсказал, что этот газ отравит атмосферу и может убить все живое на планете. В связи с этим население усиленно покупало защитные маски, а также выпущенные предприимчивыми производителями противоциановые пилюли и зонты. В итоге оказалось, что ядовитый газ в хвосте кометы был очень разрежен и не оказывал никакого влияния на живых существ.

Применение антропного принципа — все еще крайняя мера в физике. Но если какая-то проблема и требовала применения крайних мер, то это проблема космологической постоянной. А теперь подумаем. Ведь у нас есть теория Мультиверса — это теория вечной инфляции. Квантовые процессы во время вечной инфляции неизбежно порождают огромные области со всеми возможными значениями фундаментальных постоянных. А это значит, что вечная инфляция естественным образом создает условия для применения антропного принципа! Если мы, исходя из теории инфляции, вычислим распределение значений космологической постоянной по разным вселенным, то, используя антропные соображения, сможем сделать проверяемые предсказания для значения этой постоянной у нас, в нашей вселенной.

Так мы убиваем сразу не двух, а трех «зайцев». Во-первых, мы можем объяснить, почему значение космологической постоянной у нас ненулевое. Во-вторых, если наши предсказания совпадут с наблюдениями (а так оно и выходит, пусть только статистически), теория вечной инфляции получает экспериментальное подтверждение. А это дорогого стоит, учитывая то, что речь идет о Мультиверсе, а не о булках и елках! И наконец, в-третьих, посредством теории инфляции мы переводим антропные аргументы из метафизических во вполне физические, в такие, на основе которых можно делать проверяемые в эксперименте предсказания.

Неужели Творцу, глядя на все это, и вправду доведется уйти на покой? Не уподобляться же Ему, в самом деле, пускающей мыльные пузыри обезьяне?

Последние пределы

Когда речь идет о предельных величинах и событиях, о самых последних пределах, теория самого большого требует согласования с теорией самого малого. Космология тогда ищет поддержки у теории элементарных частиц, а та, в свою очередь, использует результаты космологии. Согласованная теория всего — мечта физика: теория, одной математической структурой определяющая принципы всех физических явлений. В чем отличительные черты такого согласования? Это не только сложность и разнообразие параметров. Это в большей степени глубина и соединение несоединимого, выраженные с большим изяществом. Здесь трудно подобрать примеры…

Теория вечной инфляции открывает путь к прояснению проблемы космологической постоянной и тонкой настройки других фундаментальных констант. Но что же с физикой элементарных частиц?! Она по-прежнему предсказывает, что космологическая постоянная точно равна нулю. Вычисленные на основе так называемой Стандартной модели вклады в плотность энергии вакуума (между прочим, вычисленные на основании тончайших измерений фундаментальных констант) как будто сговорились компенсировать друг друга с высочайшей, порядка 1/10120 точностью!

Разработка Стандартной модели была завершена в 1970-е годы. Получившаяся теория дала точную математическую схему, которая могла использоваться для определения результатов столкновения любых известных частиц. Эта теория проверена в бесчисленных экспериментах на ускорителях, и на сегодня она подтверждается всеми имеющимися данными. Стандартная модель также предсказала наличие и свойства новых элементарных и субэлементарных частиц, которые все были позднее открыты. По любым меркам это феноменально успешная теория. Но и у нее есть проблемы, причем касающиеся не только космологической постоянной.

Прежде всего, Стандартная модель слишком громоздкая. Мир не может так «вязнуть в зубах»! Модель включает в себя более 60 элементарных частиц — не слишком большой шаг вперед по сравнению с количеством элементов таблицы Менделеева. В модели 25 настраиваемых параметров, которые должны выводиться из экспериментов, но с позиций теории их значения совершенно произвольны.

Далее, гравитация — важнейшее взаимодействие (правда, наиболее важное как раз в космологии) — остается за бортом модели. Успех Стандартной модели говорит о том, что мы на правильном пути, но ее недостатки указывают, что поиск должен продолжаться.

Большинство физиков ныне возлагают надежды на принципиально новый подход к квантовой гравитации — теорию струн. Она предлагает единое описание всех частиц и их взаимодействий и является самым многообещающим из всех кандидатов на роль универсальной теории. Согласно теории струн, частицы, подобные электронам или кваркам, которые кажутся точечными и потому считаются элементарными, на самом деле являются крошечными колеблющимися колечками из струн. Струны бесконечно тонки, а длина колечек сравнима с так называемой планковской длиной (это размер, для которого становятся существенными разные диковинные квантовые эффекты, не подчиняющиеся обычным физическим законам). Частицы кажутся бесструктурными точками потому, что планковская длина крайне мала, она составляет всего лишь 1,6 × 10–35 м (одну миллиардно-триллионно-триллионную долю сантиметра).

Что особенно замечательно, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон — частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями; наоборот, ее нельзя построить без гравитации.

Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. До недавнего времени у ученых не было квантовой теории гравитации — то есть теории гравитации на уровне элементарных частиц. Не было даже намеков на сколько-нибудь вразумительную форму такой теории. Эта проблема связана с квантовыми флуктуациями самой геометрии пространства-времени. Ниже некоторого критического размера, который как раз и есть наша планковская длина, пространство-время теряет гладкость и непрерывность, а главное — точную определенность и превращается в хаотическую, пенообразную структуру. Это так называемая пространственно-временная пена.

Пространство неистово закручивается и сминается, крошечные «пузырьки» отрываются от него и немедленно коллапсируют, возникает и мгновенно исчезает множество «ручек» или «туннелей». Практически в любых сколько-нибудь больших масштабах пространство выглядит гладким и пространственно-временная пена просто незаметна.

В теории струн крошечные струнные колечки не изменяются в размерах; они невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям: пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, впервые мы получаем согласованную квантовую теорию гравитации.

В струнной теории нет произвольных, подстраиваемых параметров, так что она не допускает никаких настроек и подгонок. Это не преувеличение: их действительно нет, ни одного. Все, что мы можем сделать, — это открыть ее математическую структуру и посмотреть, соответствует она реальному миру или нет. К сожалению, математика этой теории невероятно сложна.

Теория жестко фиксирует даже количество измерений пространства: она требует, чтобы пространство имело целых 9 измерений. Это звучит довольно странно: почему мы вообще должны рассматривать теорию, которая находится в столь вопиющем противоречии с нашей трехмерной реальностью? Противоречие это можно, однако, обойти, если считать, что 6 лишних измерений свернуты или, как говорят физики, компактифицированы. Представим себе соломинку для коктейля. Она имеет одно открытое изменение — это ее длина. То, что на самом деле у нее есть и другое изменение, почти не видно — оно как бы скручено, свернуто.

Теоретики надеялись, что в итоге теория приведет к единственной компактификации, которая описывает наш мир, и мы получим наконец объяснение наблюдаемых значений всех параметров элементарных частиц. Но дело поворачивалось по-другому: теория, как выяснилось, допускает тысячи различных компактификаций.

Дальше — больше! По мере того как улучшалось понимание математики теории струн, становилось ясно, что вдобавок к одномерным струнам теория должна включать двумерные мембраны, а также их многомерные аналоги. Все эти новые объекты назвали собирательно бранами. Маленькие вибрирующие браны должны выглядеть как частицы, но они слишком массивны, чтобы рождаться на ускорителях. С бранами связан один неприятный эффект: они радикально увеличивают количество способов, которыми можно конструировать новые виды вакуума. Брана может, как резиновая лента, накручиваться на некоторые компактные измерения. Каждая стабильная конфигурация браны дает новый тип вакуума. Можно накрутить одну, две и более бран на каждую ручку компактного пространства, и при большом количестве ручек число вариантов становится просто чудовищным. В уравнениях теории нет подстроечных констант, но их решения, описывающие различные состояния вакуума, характеризуются сотнями параметров: размерами компактных измерений, расположением бран и т. п. Поведение вакуума в зависимости от этих параметров называют ландшафтом теории струн.

Если у нас есть два параметра, можно представить ландшафт двумерным. Не путайте, пожалуйста, с измерениями пространства! Это не пространство, это представление различных состояний. «Пики» не относятся к вакууму. А вот «впадины» — это как раз состояния истинного вакуума. То, насколько высоко или низко расположена «впадина», представляет вакуум с соответствующей плотностью энергии — то есть с определенным значением космологической постоянной.

В действительности энергетический ландшафт теории струн гораздо более сложен! Чтобы учесть все параметры, нужно пространство с несколькими сотнями измерений. Грубые оценки показывают, что ландшафт включает в себя около 10500 различных вакуумов (опять гуголплексное число, да еще какое!). Его нельзя изобразить. Но существует не только наглядное изображение — ландшафт можно анализировать математическими методами. Одни вакуумы похожи на наш, другие имеют совершенно иные значения фундаментальных постоянных. Есть и такие вакуумы, которые поддерживают абсолютно другие частицы и взаимодействия или/и имеют свыше трех больших (то есть не свернутых, некомпактифицированных) измерений.

Когда стали проступать контуры этого ландшафта, надежда вывести из теории струн один уникальный тип вакуума (и, следовательно, один существующий мир) развеялась как дым.

Проблема космологической постоянной оказалась своего рода лакмусовой бумажкой современных фундаментальных исследований. Космология в лице теории вечной инфляции довольно хорошо умеет обращаться с ней. Теория самого малого — физика элементарных частиц — очень нелегко переживает ее. Это стало для науки показателем какой-то важнейшей необходимости. И указанием пути. Нужно было каким-то образом склонить космологическую теорию к работе на стороне теории элементарных частиц. Нужно было найти возможности согласования и содействия. Некоторые талантливые и чуткие к ситуации физики это поняли и встали на этот путь. Первыми были Рафаэль Буссо и Джозеф Полчински: они сделали то, что давно «стучалось в двери» фундаментальной науки и диктовалось самим естественным ходом событий. Они объединили картину струнного ландшафта с идеями инфляционной космологии и показали, что в ходе вечной инфляции будут порождаться области со всеми возможными вакуумами.

Джозеф Полчински — блестящий теоретик, ведущий специалист по теории струн. Между тем, с его именем связан один курьез, который заслуживает нашего внимания. Полчински заявил своим коллегам, что бросит заниматься физикой, если будет открыто, что космологическая постоянная имеет значение, не равное строго нулю. Ведь значение, полученное в экспериментах, могло иметь только антропное объяснение: постоянная должна быть именно такой, малой, но ненулевой, фактически из-за нас и ради нас! На это Полчински согласиться не мог — он не переносил антропных рассуждений. Но теперь главное занятие его жизни — теория струн — подвело его к тому, что он был не прав, и Полчински изменил свое решение и в отношении физики (надо сказать, к счастью для последней), и в отношении антропного принципа.

Буссо и Полчински показали, что в ходе вечной инфляции будут порождаться области со всеми возможными вакуумами. Некоторые из этих областей станут сразу «съеживаться», коллапсировать, но некоторые — расширяться. Самый высокоэнергичный вакуум будет расширяться быстрее всех. На этом инфляционном фоне начнут зарождаться пузырьки менее энергичных вакуумов. Внутренние области пузырьков будут инфлировать тоже, только в меньшем темпе, и в них появятся пузырьки с еще меньшей энергией. В результате будет задействован весь ландшафт теории струн — образуется бесчисленное множество пузырьков со всеми возможными типами вакуума.

Мы живем в одном из пузырьков, но теория не говорит, в каком именно. Лишь очень малая доля из них пригодна для жизни, и мы должны оказаться именно в одном из таких редких пузырьков. Но именно так работает антропный принцип! Поэтому в 2003 году Леонард Сасскинд ввел термин «антропный ландшафт теории струн» и детально описал, как разнообразие вакуумов в теории струн впервые дает серьезную научную основу для антропных рассуждений. Струнные теоретики, говорил он, должны поддерживать антропный принцип, а не бороться с ним.

Конечно, впереди еще очень много работы. Необходимо подробно «картировать» струнный ландшафт. Какие типы вакуумов существуют? Какие семейства объектов связаны с каждым типом? Ясно, что все 10500 мы охарактеризовать не сможем. Правда, для выхода из этой ситуации существует математическая статистика и теория вероятностей. Необходимо также оценить вероятность появления пузырьков с одним типом вакуума по сравнению с другим. После этого у нас будут все ингредиенты для разработки модели вечно инфлирующей Вселенной с пузырьками внутри пузырьков внутри пузырьков (можно было бы еще добавить «внутри пузырьков» — этот процесс не ограничен).

Далее можно применить антропный принцип для определения вероятности нашего существования в том или ином типе вакуума, в том или ином пузырьке. Итак, мы начинали с Universe — единственной и уникальной фридмановской Вселенной. Затем теория вечной инфляции, прямо-таки сообразно своему названию, молниеносно раздвинула пределы мира и превратила Universe в Multiverse — множество вселенных в море инфляции. Теория струн как теория самого малого в содружестве с инфляционной космологией породила совершенно невиданный объект, который, с легкой руки Леонарда Сасскинда, мы могли бы называть Megaverse. «Я готов держать пари, — пишет Леонард Сасскинд, — что к началу XXII века физики будут с ностальгией оглядываться на наше настоящее, вспоминая золотой век, когда узкая и ограниченная концепция Вселенной XX века уступила место гораздо более широкому и масштабному Мегаверсу, населяющему ландшафт ошеломительных размеров».

Каждые сутки на Землю падает порядка 200 тыс. метеоритов. Ежегодно тонны межпланетной пыли достигают Земли. Поэтому за последние 500 лет масса Земли увеличилась на миллиард тонн.

У Вселенной должно быть начало

Что же было перед этим?

Согласно классической модели Большого взрыва, вся материя вокруг нас появилась из раскаленного огненного шара около 14 млрд лет назад. Откуда же взялся сам огненный шар? Теория инфляции показала, что он мог возникнуть из крошечного кусочка ложного вакуума после его инфляционного раздувания. Но вопрос все равно остается: откуда взялся этот первоначальный кусочек вакуума? В большинстве своем космологи недолюбливают подобные вопросы. И действительно, каков бы ни был ответ, всегда можно спросить: «А что было перед этим?» Эта логическая ситуация называется бесконечной регрессией: мы задаем и задаем вопрос о начале и не можем остановиться.

История космологии знает так называемую циклическую, или пульсирующую модель. Это отзвук классической космологии 40—50-х годов прошлого века. Правда, существуют и современные «усовершенствованные» версии. Но как бы эти версии ни были усовершенствованы, по сути своей пульсирующая модель страдает тем же недостатком, что и стандартная космологическая модель. В пульсирующей модели период расширения Вселенной сменяется периодом сжатия — это составляет полный цикл. Каждый новый цикл начинается с плотного горячего огненного шара имени Георгия Гамова. Далее все повторяется: стартует новое расширение. Но вопрос о начале опять остается, он только становится более тягостным, поскольку отодвигается и отодвигается в прошлое: должно же быть начало начал, начальный цикл, «первоцикл»? И откуда взялся огненный шар, с которого он начался?

Можно, конечно, считать Вселенную вечной. Нам известно уже, что глобальная Вселенная вечной инфляции постоянно воспроизводит себя. Она состоит из расширяющейся огромной области ложного вакуума, в которой постоянно зарождаются локальные вселенные, такие же, как наша. Инфляция никогда не прекращается. В нашей вселенной она закончилась 14 млрд лет назад, и теперь продолжается эволюция, которая хорошо описывается уравнениями ОТО. Но в масштабе глобальной Вселенной как целого инфляция будет неограниченно продолжаться в других отдаленных от нас областях.

Но тогда нелогично предполагать некоторое начало Вселенной в прошлом, поскольку она не имеет конца в будущем. Это было бы произвольным, специально введенным условием: в самом деле, зачем и на каком основании Вселенной иметь начало, если для продолжения ее существования теория не дает никаких ограничений? Так мы получаем вечную Вселенную и автоматически избавляемся от необходимости задавать вопросы о ее происхождении. Что ж, очень удобно. По принципиальному сходству это несколько напоминает модель стационарной вселенной, вроде обсуждавшейся модели Хойла с коллегами.

Очень удобно, но не очень правдоподобно! Дело в том, что есть существенные ограничения на продолжительность процесса инфляции. И эти ограничения делает сама ОТО. В будущем — нет. А вот в прошлом — как раз да! Иначе говоря, инфляция не может быть вечной в двух направлениях. Это не так давно показали рыцарь инфляционной теории и антропного образа рассуждения Алекс Виленкин и его коллеги — Эрвинд Борд и Алан Гут (тот самый, который первым предложил саму идею инфляции в космологии).

Теория относительности (и специальная, и общая: в некотором смысле их можно считать частями одной теории относительности) — это великое дело! Во-первых, потому, что она очень многообразно и надежно подтверждена экспериментами, во-вторых, потому, что она очень красиво работает в математическом отношении. Эта красота убеждает сильнее красноречия и экспериментов! Ею пользовались Хокинг и Пенроуз, чтобы доказать свою знаменитую теорему о сингулярностях. Ею воспользовалась и группа Виленкина.

Идея доказательства проста и изящна. Есть Вселенная и есть наблюдатели, которые сидят в своих галактиках. Наблюдатели равномерно рассеяны по Вселенной. Есть также космический турист, который свободно и равномерно, без толчков, рывков и ускорений движется мимо этих наблюдателей. Вселенная расширяется. Понятно, что в таком случае наблюдатели будут отдаляться друг от друга, как точки на поверхности раздувающегося воздушного шара. Далее вследствие того же расширения всякий встречный наблюдатель будет приближаться к туристу, а всякий уже пройденный наблюдатель будет от него отдаляться. Таким образом, скорость туриста относительно каждого встречного будет меньше, чем относительно каждого пройденного, то есть будет все меньше и меньше с точки зрения наблюдателей. Если же рассмотреть историю этого путешествия вспять, от будущего к прошлому, то скорость нашего туриста с точки зрения наблюдателей будет, наоборот, все больше и больше. Просто и логично, не подкопаешься. А вот теперь вступает в дело теория относительности! По мере того, как скорость туриста будет приближаться к скорости света (а быстрее он двигаться не может принципиально!), наблюдатели будут видеть, как его часы замедляются и как его время в конце концов застывает и превращается в мгновение, растянутое в вечность. Получается, что время этого путешествия, продленного в бесконечное прошлое, оказывается конечным. А это очень плохой симптом для вечной в прошлом вселенной: это значит, что некоторые истории в перспективе бесконечного прошлого не могут быть окончены. Они обрываются. А это означает, что вечная в прошлом Вселенная неполна — некоторые части историй не имеют продолжения, исчезают!

Вечная инфляция здесь никак не может помочь. Вечной инфляции, не имеющей начала в прошлом, не может быть! У Вселенной может не быть конца, но у Вселенной должно быть начало.

У Вселенной обязательно должно быть начало — это очень важный результат. Вечная инфляция, Мультиверс, Мегаверс и вся эта грандиозная картина — это будет потом! Сначала Вселенная, вся безграничная Вселенная должна начаться. Но — начаться с чего-то. Или с кого-то. Итак, Он снова выходит на сцену? Призванный теперь и результатами физико-математической науки? Неужели нам нельзя обойтись без творения? И без Творца?

В классической космологической модели начало Вселенной ассоциировалось с Большим взрывом. Правда, из такой космологии никто не мог понять, что же такое Большой взрыв. Помните, даже слова «Большой взрыв» впервые прозвучали в ироническом, а не в научном ключе, во время радиошоу. Точное понятие того, что представляет собой Большой взрыв, удалось дать только в рамках инфляционного сценария. Исходя из него, этот момент можно ассоциировать с самим молниеносным расширением (раздуванием) крошечного кусочка ложного вакуума. Можно понимать под Большим взрывом только распад ложного вакуума после инфляции, когда его громадная энергия отливается в раскаленный шар из первичных частиц и полей. Это как кому нравится. Важно, что Большой взрыв становится делом вполне понятным (и, как мы видели, вообще говоря, вовсе не уникальным, не особенным, даже заурядным). Но это никак не относится к проблеме начала Вселенной.

7 февраля 2001 года с помощью орбитальной обсерватории SOHO было подробно отслежено падение одной из комет на Солнце.

Странное обаяние квантового мира

У Вселенной должно быть начало. На этот результат есть указание уже в классической космологии в виде наличия космологической сингулярности. Здесь важно иметь в виду: сингулярностей в природе не бывает! Не бывает бесконечных энергий. Не бывает нулевых, точечных размеров. Сингулярность — это теоретическая ситуация, это просто честный отказ теории, в которой она появляется, описать действительное положение дел. Любые классические физические представления тут просто не работают. Но классическая космология базируется на ОТО — очень хорошо работающей и очень хорошо подтвержденной теории. Поэтому сингулярность — не просто ошибка, недоразумение, здесь скрывается что-то очень важное: природа как бы хочет нам что-то сообщить, но не на нашем, а на своем языке.

В сингулярности классической космологии в момент начала Вселенной плотность энергии становится бесконечной. А это значит, что реальная Вселенная обладала тогда очень большой плотностью энергии. Еще размер Вселенной здесь стягивается в точку. Это значит, что действительная Вселенная была тогда очень-очень маленькой. А все это вместе означает, что классическая теория должна уступить место неклассической — квантовой теории. Именно она только и может работать в мире очень-очень больших энергий и очень-очень малых размеров. Квантовая теория — другая великая, фундаментальная теория. Вместе с теорией относительности они представляют собой базис современной физической науки. Квантовая теория незримо присутствовала во всем нашем предыдущем повествовании. Элементарные частицы, поля, вакуум, ложный и истинный, но также звезды, черные дыры, даже гравитация — все это ее объекты. Теперь она добралась и до Вселенной в целом — теория самого малого стала незаменимым средством для понимания самого большого.

Естественные науки иногда называют точными. Они действительно точны. Почему? Потому что все величины, характеризующие физическое состояние чего бы то ни было, можно измерить со сколь угодно высокой точностью. Дело только в том, чтобы иметь все более и более точные приборы. Так считает классическая наука — на уверенности в этом она держится. Еще бы! Ведь из этого следует, что состояние любой физической системы, любого объекта в какой угодно момент в будущем можно однозначно определить, зная состояние системы в прошлом. Это называется абсолютным детерминизмом. О том, что принцип детерминизма в науке действует неукоснительно, мы знаем даже из повседневного опыта. Так обстоит дело в любой классической теории. Даже в ОТО, поскольку это тоже классическая теория.

Но в квантовой теории все по-другому. Здесь невозможно одновременно измерить некоторые важнейшие характеристики объектов и систем со сколь угодно высокой точностью. Если точно знаешь одно, то абсолютно ничего не можешь сказать о другом. Это так называемый принцип неопределенности Вернера Гейзенберга. Согласно принципу неопределенности, сумма неточностей, неизбежных при одновременном определении положения и количества движения объекта, имеет некое постоянное значение — она равна постоянной Планка. Это величина квантового масштаба: 1,054 × 10−34 Дж·с. Другая пара «совместно неопределенных» величин, очень важная для космологии, — энергия физической системы и время, где система этой энергией может располагать.

Интересно, что соотношение неопределенностей не является недостатком теории. Это сама реальность, в самой сердцевине своей не дает себя определить абсолютно однозначно и точно. Она всегда имеет тайные пути, чтобы уйти из-под любого точного описания. В квантовом мире много диковин. Населяющие его вещи дурачат нас как хотят. Они нарушают законы сохранения, позволяют себе иметь взаимоисключающие свойства, проявляя то одно, то другое, когда им выгодно. Они могут вдруг возникнуть в совершенной пустоте, показывая, что пустоты-то на самом деле и не бывает. Здесь происходят коллизии, запрещенные физикой. Здесь будущее не определяется однозначно прошлым. Здесь нет ни капли здравого смысла.

Вот шарик, катается в ямке взад-вперед. Представим для определенности, что трения нет, никакие силы на него не действуют, он движется совершенно свободно и никогда не останавливается. За высоким холмом — другая ямка. Шарик никак не может попасть в нее — у него слишком мало энергии, чтобы перепрыгнуть холм-барьер. С точки зрения обычной физики это невозможно. Но в масштабах порядка планковской постоянной шарик может оказаться за барьером. Как это примерно происходит? Барьер почти всегда бывает энергетический — это непреодолимый уровень энергии. Но в квантовом мире действует соотношение неопределенностей! Поэтому шарик, катавшийся в ямке, вдруг может как бы размазаться по всему пространству (конечно, это будет уже не «шарик») и «просочиться» или, как говорят физики, тунеллировать через барьер. Он вновь явится шариком на другой стороне холма. Несколько утрированное, но в целом вполне адекватное описание ситуации, так сказать, «в квантовом свете».

Капли дождя — не совсем капли. Они не «каплевидны»: во время падения каждая представляет собой практически идеальную сферу.

Когда Вселенной еще не было

Если Вселенная в пору своего рождения очень мала (а это вполне естественно), то здесь вступают в свои полные права законы квантового мира. Возникновение Вселенной, во всяком случае, должно быть квантовым процессом. Это дает надежду наконец прояснить, что же скрывается за космологической сингулярностью, что она означает. Сингулярность ведь, собственно, и появляется как своеобразная реакция природы на то, что мы хотим описать эволюцию Вселенной от начала и до конца классическим, то есть однозначным и полностью детерминированным образом.

Первая квантово-космологическая «безумная идея» пришла в голову Эдварду Трайону из Хантеровского колледжа при Университете Нью-Йорка. Это было в далеком 1970 году на одном из физических семинаров. Рассказывают, что это было что-то вроде озарения. Доклад был посвящен совершенно другой теме, и во время какой-то паузы Трайон вдруг выкрикнул: «Может быть, Вселенная — это вакуумная флуктуация?!» По сути Трайон был прав. Он понимал (благодаря квантовой теории), что вакуум не пуст и никогда не может быть неподвижным и пустым! Все потому, что действует соотношение неопределенностей. Поскольку в квантовых масштабах всегда есть взаимная неточность в энергии и во времени, в совершенно пустом пространстве (напрочь лишенном какого бы то ни было присутствия вещества) могут на короткое время вдруг появляться элементарные частицы. Это особые частицы. Они есть своего рода «привидения» квантового мира. Но они — не абсолютное «ничто». Они наделены существованием, только каким-то странным: их энергия, их время как бы взяты взаймы у тотальной квантовой неопределенности природы. Вся их жизнь — мимолетная вспышка энергии в результате неустранимой неопределенности в ее значениях. Физики называют эти частицы «виртуальными», а событие их появления — квантовой флуктуацией. А что, если Вселенная рождается, как виртуальная частица, из вакуума? Что, если наша Вселенная — просто квантовая флуктуация?

Коллеги сочли заявление Трайона шуткой. Но он не шутил. Его предположение основывалось на том, что энергия замкнутой вселенной всегда равна нулю. Это хорошо известный математический факт. Энергия материи положительна, гравитационная энергия — отрицательна, и оказывается, что в замкнутой вселенной их вклады в точности сокращаются. Таким образом, если вселенная с суммарной энергией, равной нулю, рождается как квантовая флуктуация, то для ее рождения ничего не потребуется, ничего «брать взаймы» не нужно. Тогда время жизни подобной флуктуации может быть сколь угодно большим.

У трайоновской теории возникновения мира была одна, так сказать, «логическая» проблема. Дело в том, что эта теория по существу не объясняет, откуда произошла Вселенная. В принципе, объединив средства квантовой теории поля и ОТО, можно последовательно описать, как крошечная замкнутая вселенная отделяется от уже существующей области пространства. Это сделал в 1973 году харьковский физик Петр Фомин (в статье Трайона того же года этого сделано не было). Возможно, и сама идея возникла впервые именно у Фомина — он назвал это гравитационной неустойчивостью. Статья Трайона была опубликована в престижнейшем физическом журнале «Nature». А Петр Фомин не имел возможности попасть в это издание и опубликовал свою работу в УССР.

Но независимо от того, кто был первым, идея такого начала Вселенной страдает все той же «болезнью» регрессии. Действительно, Вселенная возникает как квантовая флуктуация вакуума, пустого пространства. Но откуда взялось само пространство? Мы ведь ведем речь о начале всей Вселенной!

Кроме того, непонятно, как родившаяся вселенная может быть такой большой. Ведь новорожденная вселенная должна быть планковских размеров — примерно 10–33 см. При таком размере вселенная сразу же после появления моментально сожмется обратно, в сингулярность — сколлапсирует! Никакой большой вселенной, таким образом, не получится. В принципе, поскольку полная энергия замкнутой вселенной равна точно нулю, она может родиться сразу большой. Но вероятность этого события примерно такая же, как у того, что стая галдящих под вашим окном воробьев вдруг прочирикает от начала до конца пятую симфонию Бетховена.

Размышляя о том, может ли вселенная возникнуть как флуктуация или гравитационная неустойчивость вакуума, старший научный сотрудник Харьковского физико-технического института Петр Фомин не знал, что в том же городе Харькове живет один удивительно способный и скромный молодой человек, которому суждено в недалеком будущем войти в тройку самых выдающихся космологов современности. Молодого человека звали Александр Виленкин. Его отец, Владимир Виленкин, был доцентом геолого-географического факультета Харьковского университета. Когда Трайон шокировал коллег странной идеей о Вселенной как квантовой флуктуации, на другом конце Земли, в Харькове, Виленкин-младший оканчивал университет, который двадцатью годами раньше окончил и Петр Фомин. Но космологией в Харькове заниматься было негде, а ничем другим Александр Виленкин заниматься не хотел. Будущая звезда космологической науки работал сторожем в кафе, даже успел пройти службу в рядах советской армии. Но при нем всегда были ручка и блокнот — это все, что ему было нужно. И вот, наконец, справедливость торжествует, все становится на свои места. Большой вопрос, кто кому оказал честь, но в 1976 году Александр Виленкин эмигрирует в США, а через год сдает экзамены в Бостонский университет, где получает самый высокий балл за всю его историю. Он становится доктором наук, и вскоре его приглашают на должность профессора в космологический институт Тафтса в Медфорде, штат Массачусетс, где сейчас он занимает пост директора.

Помните, как шарик «просачивался» сквозь энергетический холм? Аналогично тому, как шарик не может «перепрыгнуть» холм, вселенная с точки зрения классической космологии никак не может преодолеть барьер между «планковскими» размерами и макроскопическими классическими размерами, необходимыми для пуска инфляции. Но Алекс Виленкин показал, что вселенная может тунеллировать под этим барьером. Это удивительная и очень «философски выдержанная» идея, хотя речь идет о чистой физике.

Важно, что даже при начальных размерах, стремящихся к нулю, шансы на туннелирование не исчезают. Более того, вычисления значительно упрощаются, если позволить начальному радиусу вселенной обратиться в нуль. Она туннелирует из нулевого размера в состояние с конечным радиусом и начинающей инфляционно расширяться. Радиус новорожденной вселенной определяется плотностью энергии вакуума: чем выше плотность, тем меньше радиус. Для вакуума Великого объединения это одна стотриллионная сантиметра (10–14 см). Вследствие инфляции эта крошечная вселенная растет с ошеломительной скоростью и за малую долю секунды намного превосходит размер наблюдаемой сегодня области.

Конечно, далеко не всем вселенным так повезет. Будет очень много вселенных-неудачниц, живущих лишь неуловимое мгновение; порождение соотношения неопределенностей подобны виртуальным частицам в пустоте. Но некоторые вселенные сумеют стать большими.

Важно, что никакого исходного состояния вселенной не требуется! Никаких сущностей в начале не должно быть.

Итак, вселенная рождается из ничего?!

Тут проблема становится почти философской. Что, в самом деле, означает «ничто»? И если в результате появляется вполне реальное «нечто», то почему и зачем «ничто» тунеллирует?

Начальное состояние, предшествующее туннелированию, — это вселенная с нулевым радиусом, то есть попросту ее отсутствие. В этом очень странном состоянии нет материи, нет пространства. Нет также и времени.

Время ведь не может просто длиться! Время имеет смысл, только если «где-то» происходит «что-то». Как мы понимаем, что время течет? Мы используем регулярные, периодические процессы: собственные шаги, вращение Земли и т. д. Когда идут часы — это тоже периодический процесс: часы тикают, стрелка с определенной регулярностью проходит деления циферблата. Время — как точно выразился еще в XVIII веке Готфрид Вильгельм Лейбниц, — существует в порядке следования вещей. Но в том-то и дело: всякое движение имеет смысл, только если вещам есть где находиться, если вещи помещены и могут расположиться! Ну и, конечно, если есть сами вещи (хотя тут большой вопрос, поскольку что есть вещи, как не их протяженность, пространственное определение?). Словом, невозможно определить время в отсутствие пространства и материи. Нам очень трудно это представить и понять, поскольку все наши самые простые и естественные реакции и наша логика основываются на классических представлениях о пространстве и времени. Как пишет Алекс Виленкин, невозможно представить себя сидящим посреди «ничего» и ожидающим материализации вселенной, поскольку нет ни пространства, чтобы в нем сидеть, ни времени, чтобы ожидать. Здесь на помощь снова приходит квантовая теория, хотя картина, которая получается в результате, превосходит всякие фантазии.

«Ничто» можно ассоциировать с тем, что космологи называют «пространственно-временной пеной». В планковских масштабах становятся существенными не только квантовые флуктуации энергии вакуума, но и флуктуации самого пространства-времени. Пространство и время перестают быть непрерывной сплошной тканью. Сама геометрия пространства-времени спонтанно меняется каждые 10–43 с. Понятия вроде «место», «перемещение», «прошлое», «настоящее», «будущее» и многие другие, кажущиеся нам естественными, просто теряют смысл. Более того, можно сказать, что пространство и время не действительны, а виртуальны, как виртуальные частицы. Это значит, что никакого пространства и времени просто нет, они в точном смысле нереальны — «невещны», это чистое «ничто»; они есть просто проявление принципа неопределенностей, пена вероятностей того, что пространство-время обладает той или иной метрикой, топологией, количеством измерений и т. д.

И вместе с тем состояние «ничто» нельзя определить как абсолютное небытие. Туннелирование описывается законами квантовой механики. Объяснить это довольно сложно… Законы физики должны существовать, несмотря на отсутствие Вселенной. Однако сами законы квантовой механики таковы, что в планковских масштабах как бы сливаются с собственными проявлениями, с тем, что ими управляется — законы и реалии, которые им подчиняются, становятся неразличимыми. Соотношение неопределенностей — хороший пример. Это соотношение вероятностей. Но можно сказать, что только эти вероятности и существуют на этапе возникновения Вселенной как упомянутая пространственно-временная пена.

Если до возникновения Вселенной в описанном выше смысле ничего не было, тогда что же вызвало туннелирование? Как это ни удивительно, ответ состоит в том, что никакой причины для этого не нужно. Почему? Да потому, что вместе с другими понятиями теряет смысл и понятие причины, причинности. В классической физике причинность — краеугольный камень. Можно точно определить, что случится в каждый следующий момент времени, исходя из случившегося в прошлом. Однако в квантовой механике поведение физического объекта по сути непредсказуемо, и некоторые квантовые процессы совершенно беспричинны. Большинство наших представлений неразрывно связаны с пространством и временем, так что мысленную картину Вселенной, возникающей из ничего, создать действительно непросто.

Здесь уместно вспомнить одну коллизию из истории стихосложения. Английский поэт XVIII века Александр Поуп в благоговении написал следующие строки:

Кромешной тьмой был мир окутан,

И в тайны естества наш взор не проникал,

Но Бог сказал: «Да будет Ньютон!»

И свет над миром воссиял.

В XX веке на хвалебную оду Поупа другой англичанин, Джон Сквайр, тоже поэт, ответил эпиграммой:

Но сатана недолго ждал реванша.

Пришел Эйнштейн — и стало все, как раньше.

Сингулярная точка с бесконечной кривизной в классической фридмановской модели превращается в квантово-вероятностное «ничто», из которого рождается Вселенная. Вы можете сказать: ну прогресс так прогресс! Было непонятно, теперь стало… совсем непонятно! Однако разница очень велика. Если в первом случае речь шла по существу о признании наукой собственного бессилия перед проблемой возникновения Вселенной, то во втором случае мы имеем последовательное физико-математическое описание с развернутой интерпретацией. Ну а что до понятности… Вспомним еще раз определение Нильса Бора — а именно он вместе с Вернером Гейзенбергом, собственно, и придумал квантовую теорию: идея в современной физике должна быть совершенно безумной, чтобы оказаться верной. И потом, было бы странно, если бы такие вещи, как рождение Вселенной и начало мира, выглядели простыми, легкими и понятными. Не правда ли?

Невесомость негативно влияет на состояние здоровья человека: жидкости в организме перемещаются вверх, кости начинают интенсивно терять кальций. Лица людей становятся одутловатыми, также происходит закупорка носа и нарушения в функционировании кишечника.

Суперармагеддон

А что же случится с нашей областью Вселенной и вообще со Вселенной в будущем? Каким оно будет?

Теория вечной инфляции говорит нам, что Вселенная как целое будет существовать вечно, но наша местная область — наблюдаемая Вселенная — вполне может иметь конец. Этот вопрос был в центре внимания космологов на протяжении большей части XX столетия, и за это время их представления о конце света несколько раз менялись.

Классическая космологическая модель, появившаяся с легкой руки Александра Фридмана, делает сценарии конца нашей Вселенной вполне однозначными. Перспективы будущего нашего космоса основаны на том, является ли Вселенная открытой, плоской или замкнутой. Открытая и плоская Вселенная будут расширяться вечно, тогда как замкнутая переживет повторное сжатие по истечении определенного времени.

Вселенная подвергнется коллапсу и большому сжатию, если ее плотность больше некоторого критического значения, и продолжит вечно расширяться в противном случае. Допустим, расширение Вселенной будет постепенно замедляться и затем сменится сжатием. Сначала сжатие будет медленным, потом все ускоряющимся. Галактики станут сходиться все ближе, пока не сольются в огромный конгломерат звезд. Небо будет делаться все ярче, но не из-за звезд — все они, скорее всего, умрут к тому времени, — а из-за растущей интенсивности космического микроволнового излучения. Оно разогреет остатки звезд и планет до неприятно высоких температур. Жить в таких условиях станет трудно, как ракам, которых варят, чтобы подать к пиву. Наконец, звезды разрушатся в столкновениях друг с другом или испарятся под действием мощного теплового излучения. Образовавшийся горячий огненный шар будет похож на первичный огненный шар Гамова. Но теперь он окажется сжимающимся, а не расширяющимся. Еще одно отличие варианта Гамова в том, что сжимающийся огненный шар сильно неоднороден. Сначала более плотные области сожмутся в черные дыры, которые затем будут объединяться и укрупняться, пока все не объединятся в одном большом сжатии, которое устремится к сингулярности.

В противоположном варианте — при плотности меньше критической — гравитационное притяжение вещества окажется слишком слабым, чтобы остановить расширение и превратить его в сжатие. Вселенная будет неограниченно долго расширяться. Через триллион лет все звезды исчерпают свое ядерное топливо, и галактики превратятся в скопища холодных звездных остатков — белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Вселенная станет совершенно темной, с призрачными галактиками, разлетающимися прочь в пустоте все возрастающих размеров. Такое положение дел сохранится по меньшей мере 1031 лет, но в конце концов нуклоны, из которых состоят звездные остатки, распадутся, превратившись в легкие частицы — позитроны, электроны и нейтрино. Электроны и позитроны аннигилируют в фотоны, и мертвые звезды медленно растворятся.

Даже черные дыры не существуют вечно. Согласно знаменитой догадке Стивена Хокинга, из них должна происходить утечка излучения, а значит, они постепенно потеряют свою массу (это известный всем физикам эффект «испарения» черных дыр). Так или иначе, менее чем через гугол лет все знакомые нам структуры во Вселенной перестанут существовать. Звезды, галактики и их скопления исчезнут без следа, оставив после себя лишь становящуюся все более разреженной смесь нейтрино и излучения.

Для того чтобы определиться с судьбой Вселенной, необходимо измерить фактическое значение ее плотности. Более полувека астрономы пытались это сделать. Однако природа не хотела раскрывать свои долгосрочные планы. Отношение реальной плотности Вселенной к критической плотности всякий раз удивительным образом оказывалось близким к 1, а точности измерений не хватало, чтобы все же определить, больше оно или меньше.

Большое сжатие и неограниченное расширение казались равновероятными. Однако важнейшая космологическая идея последнего времени — идея инфляции — дает на этот счет весьма определенные предсказания. Во время инфляции, как мы уже знаем, плотность Вселенной как раз и должна становиться предельно близкой к критической. Говоря по— другому, те, кого мучают кошмары по поводу скорого большого сжатия, могут расслабиться. Конец будет медленным и скучным: холодный остаток Солнца будет целые гуголы лет висеть в пустоте, дожидаясь, пока распадутся все его нуклоны.

Если некая Вселенная имеет критическую плотность материи, то процесс образования структур растягивается на огромный отрезок времени. Поэтому в такой Вселенной и могут образоваться крупные структуры: сначала возникают галактики, затем они сбиваются в скопления, а те впоследствии образуют сверхскопления. Между прочим, именно в этом случае Вселенная обладает нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. Хотя до полного понимания жизни и ее эволюции нам чрезвычайно далеко, относительно определенным является одно: на это уходит много времени. Появление человека заняло на нашей планете около 4 млрд лет, и мы готовы поставить на то, что в любом случае для возникновения разумной жизни должен пройти, как минимум, миллиард лет. Таким образом, Вселенная в целом должна прожить миллиарды лет, чтобы позволить развиться жизни, по крайней мере, в случае биологии, хоть сколько-нибудь напоминающей нашу.

Но если средняя плотность в наблюдаемой части Вселенной выше критической, то примерно через сотню-другую триллионов лет вся эта область превратится в одно грандиозное и невообразимое суперсверхскопление. К этому времени все звезды уже прогорят, а все наблюдатели… все наблюдатели, вероятно, вымрут. Но образование структур будет продолжаться, охватывая все большие и большие масштабы. Оно остановится, только когда космические структуры исчезнут из-за распада нуклонов и испарения черных дыр.

Другое изменение сценария суперармагеддона, связанное с инфляцией, состоит в том, что конец Вселенной в целом никогда не наступит. Инфляция вечна. В иных частях инфлирующего пространства-времени будут формироваться бесчисленные области, похожие на нашу, а их обитатели будут пытаться понять, как все это началось и чем закончится.

Фридмановская взаимосвязь между плотностью Вселенной и ее окончательной судьбой работает, только если другая очень важная космологическая плотность — энергии вакуума (космологическая постоянная) — равна нулю. Это было стандартным предположением в науке о Вселенной в целом до 1998 года. Но когда были обнаружены свидетельства того, что это не так, все прежние предсказания будущего Вселенной пришлось несколько пересмотреть. Как уже отмечалось, расширение Вселенной начинает ускоряться, как только плотность вещества становится ниже, чем у вакуума. В этот момент всякое гравитационное «стайкование» галактик и скоплений останавливается. Скопления галактик, которые уже связаны друг с другом гравитационно, сохраняются, но более рыхлые группы рассеиваются отталкивающей гравитацией вакуума.

Наш Млечный Путь связан с так называемой Местной группой, включающей в себя гигантскую спиральную галактику в Андромеде и около 20 карликовых галактик. Туманность Андромеды держит курс на столкновение с Млечным Путем; они сольются примерно через 10 млрд лет. Галактики за пределами Местной группы, двигаясь все быстрее и быстрее, улетят прочь. Одна за другой они будут пересекать наш горизонт и исчезать из виду. Этот процесс завершится через несколько сотен миллиардов лет. В ту отдаленную эпоху астрономия станет очень скучным делом. Кроме гигантской галактики, образовавшейся после слияния Туманности Андромеды с ее карликовыми спутниками, на небе не будет практически ничего. Так что астрономы потеряют работу, ибо ничего интересного на небе уже не увидят — только черная пустота за пределами суперметагалактики.

Но есть еще теория суперструн и есть «суперструнный» ландшафт. Согласно теории супеструн, которую Джозеф Полчински и Леонард Сасскинд объединили с теорией инфляции, в классическом смысле наш вакуум стабилен и имеет постоянную плотность энергии, но квантово-механически он может распадаться, образуя пузырьки. Те из них, в которых вакуум имеет отрицательную энергию, однажды появившись, будут, как мы уже знаем, расширяться с почти такой же скоростью, с какой движется свет. В таком случае наша Вселенная когда-нибудь может натолкнуться на границу такого раздувающегося пузыря — иногда ее называют доменной стенкой. Доменная стенка, возможно, надвигается на нас прямо сейчас! Это будет апокалипсис, как говорится, по определению. Мы ничего не узнаем о ее подходе. Она движется так быстро, что свет не намного ее опережает. Приход стенки приведет к полному уничтожению нашего мира. Не только сколько-нибудь сложные формы, но и элементарные частицы, составляющие звезды, планеты и наши тела, не смогут существовать в новом типе вакуума. Все знакомые объекты, любые мыслимые конгломераты мгновенно разрушатся и превратятся в сгустки какой-то неизвестной нам материи.

Правда, есть в этом сценарии конца и нечто очень обнадеживающее. Темп зарождения пузырьков может быть очень низким, поэтому не исключено, что пройдут гуголы лет, пока на наши окрестности надвинется стенка пузыря. Однако есть модели (модели со скалярным полем — имени Андрея Линде), где время апокалипсиса зависит от энергетического ландшафта, описывающего вакуум скалярного поля, и встреча с доменной стенкой может наступить довольно скоро: всего, например, через 20 млрд лет.

Отработавшие положенный срок космические спутники отправляют на специально выделенные для этого орбиты. Количество спутников-мертвецов, летающих вокруг Земли, превышает 8000.

Две «коперниканские революции»

До эпохи Возрождения (XIV–XV века) в астрономии господствовало представление, что Земля является центром Вселенной, а Солнце, звезды и планеты вращаются вокруг нее. Конечно, представление это было связано с христианской религией, такой распространенной и такой значимой в то далекое время. В христианской традиции человек — это уникальное существо. Человек выделен и незауряден. Земля, место обитания человека, ощущалось и мыслилось как центр творения. В этом суть геоцентрической картины мира.

Вопреки этой картине все чаще и чаще высказывались утверждения, что в центре находится не Земля, а Солнце. Земля вместе со звездами и планетами вращается вокруг Солнца. Обобщил и представил этот взгляд на суд образованной общественности польский ученый Николай Коперник.

Переход от геоцентрической к гелиоцентрической картине мира был связан с точным описанием формы планетарных орбит (это сделал Иоганн Кеплер). Старая геоцентрическая картина мира также могла объяснить новые наблюдения, но только за счет все большего и большего усложнения.

Но что же действительно случилось в результате перехода от геоцентрической к гелиоцентрической картине мира? Это была не просто замена в теории одного небесного тела другим. На современном научном языке говорят, что произошел сдвиг парадигмы. Это значит, что изменились самые фундаментальные взгляды, мироощущение, духовные навыки, культурные и даже психологические реакции людей!

Переход к гелиоцентрической системе мира означал многое, гораздо большее, чем просто замена одной теории другой. В самом деле, после пребывания в центре конечного мира люди обнаружили себя на одной из малых планет в бесконечном космосе. Вселенная оказалась не «домом», а бескрайней леденящей душу пустотой, не замечающей человека, недружелюбной и чужой. «Вечное молчание этих бесконечных пространств пугает меня», — так писал об этом Блез Паскаль.

То была первая «коперниканская революция». Гениальный и наделенный пронзительной интуицией Паскаль предчувствовал последствия такого изменения взгляда на мироздание. Эти последствия виделись ему катастрофой самоощущения человека. Ничтожная, исчезающая фигурка, затерянная в равнодушной холодной пустоте. Но того, во что превратилась гелиоцентрическая идея Коперника в руках науки, не мог вообразить даже Паскаль. Мир невообразимо расширился. Со временем стало окончательно ясно, что Солнце — одна из многих сотен миллиардов звезд, населяющих нашу галактику, причем далеко не самая примечательная. В звездной номенклатуре оно числится заурядным желтым карликом класса G. Да и лежит к тому же отнюдь не в центре, как считал, например, Уильям Гершель, а на периферии Млечного Пути, в одном из его спиральных рукавов — в 26 тыс. световых лет от центра галактики (примерно 8 килопарсек).

Наглядно вообразить эти подавляющие просторы весьма нелегко. Если мы уменьшим всю Солнечную систему до размеров песчинки, то ближайшая звезда Проксима Центавра окажется в этом масштабе на расстоянии 1 м, а расстояние до центра Млечного Пути составит почти 9 км. Если же на место нашего Солнца поместить бильярдный шар, размеры Млечного Пути будут равняться примерно 60 млн км. Чтобы представить себе эти соотношения, вспомним самые большие земные расстояния. Скажем, совершая кругосветное путешествие по экватору, мы должны будем преодолеть «всего-навсего» 40 200 километров.

Только на расстояниях порядка многих сотен миллионов световых лет Вселенную можно рассматривать как сравнительно однородную структуру, которая содержит десятки миллиардов галактик. Современная астрофизика располагает высокоточной аппаратурой, которая позволяет вести наблюдения в самом широком диапазоне волн: от метровых радиоволн до гамма-лучей. Помимо традиционных оптических телескопов широко применяются инфракрасные и радиотелескопы, а также детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Бурно развивается нейтринная астрономия. Ученым стали доступны невообразимые расстояния порядка 10–12 млрд световых лет, то есть мы можем рассматривать свет, дошедший до нас из тех времен, когда мир был еще молод и свеж, а первые галактики едва успели сформироваться. Таким образом, размеры наблюдаемой части Вселенной можно оценить примерно в 6 тыс. мегапарсек.

Нам уже известно, что взгляд на далекие звезды или галактики — это «машина времени». Мы видим далекое-далекое прошлое Вселенной. Например, мы видим наше Солнце не таким, какое оно в данный момент, а таким, каким оно было примерно 8 мин назад — столько времени его свет «летит» к нам. И если Солнце погаснет, мы узнаем об этом не сразу, но еще целых 8 мин будем наслаждаться жизнью и находиться в полном неведении о катастрофическом для нас событии. Если до Сириуса около 9 световых лет, мы видим его таким, каким он был 9 световых лет назад. Лучи красного гиганта Бетельгейзе из созвездия Ориона пустились в дорогу еще в Смутное время, когда на Руси правил Борис Годунов. Шаровые звездные скопления в центре галактики вернут нас в последний ледниковый период, а свет туманности Андромеды был испущен в те времена, когда наши обезьяноподобные предки рычали и только учились ходить на двух ногах. Самые далекие объекты нашей Вселенной посылают свет из эпохи, удаленной в прошлое на многие миллиарды лет. Это время называется временем последнего рассеяния, как мы знаем. Солнечной системы и планеты Земля тогда еще не было и в помине. Знаем мы это благодаря Эйнштейну и его ОТО: свет распространяется с конечной скоростью, и быстрее ничего в мире двигаться не может.

Чтобы оценить размеры наблюдаемой части Вселенной, или Метагалактики, мысленно уменьшим земную орбиту (300 млн км в диаметре) до размеров атома по Нильсу Бору (примерно 10–8 см). Мы должны здесь остановиться и отдать себе отчет, насколько уменьшены реальные масштабы. Три сотни миллионов километров и стомиллионная доля сантиметра! Осознали? Вот теперь можно продолжать. В таком случае, ближайшая звезда разместится на расстоянии в 0,014 мм. Это очень много! Ведь мы сразу «прыгаем» от атомных к макроскопическим расстояниям, к расстояниям, которые можем непосредственно ощутить. До центра галактики будет целых 10 см, а поперечник Млечного Пути окажется равным 35 см. Галактика Андромеды отступит на целых 6 м, а расстояние до центральной части скопления галактик в созвездии Девы, куда входит наша Местная группа, будет порядка 120 м. Радиогалактика Лебедь А (до нее 600 млн световых лет) «отдалится» в этом масштабе на 2,5 км, а до далекой радиогалактики 3С 295 придется добираться 25 км! А теперь вспомним, в каком масштабе получены эти 25 км: одна стомиллионная часть сантиметра — это 300 млн км. А 25 км?! Простая пропорция. Вот сказано же: многие знания — многие печали! Может, лучше бы нам вообще не учиться в школе?

Но этого мало! Невероятное пространство, которое так огромно, что не с чем и сравнить, как оказалось, еще и увеличивается. Вселенная может расширяться. В этом суть стандартной космологической модели, подтвержденной знаменитым открытием Эдвина Хаббла.

Наше положение децентрировалось, вокруг нас гигантские, не соразмерные ничему знакомому нам просторы (да и мысль часто отказывается их объять), есть много галактик, есть скопления галактик, есть сверхскопления… Но все же… Все же что-то в этой картине поддерживает веру в нашу космическую исключительность, в нашу незаурядность. Что-то изначальное и существенное.

Пока мы находимся в рамках стандартной космологической модели, речь все еще идет об одной-единственной Вселенной. Она такая одна, и других нет. Она — все, что у нас есть. С другой стороны, мы уже знаем: для того, чтобы была в принципе возможна жизнь нашего типа, многие фундаментальные величины должны быть подобраны и согласованы очень-очень точно, невероятно точно! Если хоть какая-то фундаментальная постоянная (характеристики элементарных частиц, соотношение силы основных взаимодействий и т. п.) немного сдвинется в своем значении, человек как явление просто не будет иметь место. Но мы есть! А не значит ли это, что в этой единственной Вселенной все выстроено именно для этого — для того, чтобы мы были возможны?

Это какой-то мистический результат. Неизвестно почему, но выходит, что с самого начала проект «всего сущего» с необходимостью направлен на обеспечение нашего существования. Неизвестно, но очень лестно. Человек, как и прежде, оказывается привилегированным существом. Может быть, даже более привилегированным: наше пространственное место не в центре мира, но вся Вселенная как бы нормирует свое бытие на нас. А быть может, кто-то специально заботится о тонкой нормировке мироздания на человека? Наши представления об устройстве мира стали более сложными и серьезными — мы не заставляем теперь Солнце ходить вокруг нас. Но, кажется, уже точная математическая наука, а не вера убеждает нас в том, что человек — любимое творение Божье.

Так, да не так. Точнее, так полагали каких-то 30 лет назад. Но сегодня современная космологическая наука доводит принцип Коперника до предела. Нравится это нам или нет, но нашим авансам, данным самим себе, нашим надеждам на то, что человек — особенное существо в мироздании, в природе, наивному детству человечества, по— видимому, приходит конец. Так происходит вторая коперниканская революция. Появляется теория вечной инфляции, появляется теория суперструн. И они разом сдувают мистический, потусторонний аромат с факта человеческого присутствия. Как выразился один философ, «соскабливают образ человека с бесконечности».

Вместо одной-единственной Вселенной с тонкой настройкой на возможность человеческого присутствия, непрерывно, вот в эту минуту, вследствие инфляции рождается огромное число вселенных. Вариантов того, какой быть той или иной вселенной, вариантов ее судьбы и пути невообразимо много — столько, сколько типов физического вакуума возможно в ландшафте теории суперструн. Некоторые говорят, что их около 101000. Это гугол в 10-й степени! Помните гугол из предыдущих глав? Нужно перемножить гугол 10 раз. Начните с того, чтобы умножить гугол на гугол. Это значит взять гугол гугол раз.

Молнии — не уникальное для Земли явление. Например, их регулярно наблюдают на Марсе и на Сатурне. Но до недавнего времени не было известно, что молнии могут возникать не только в атмосфере планет, но и прямо посреди космического пространства, причем мощность таких разрядов равняется триллионам земных молний.

Многие из этих миров так и останутся пузырьком пространственно-временной пены планковского размера. Чуть только возникнув, они сколлапсируют. Многие в мгновение раздуются вследствие инфляции и станут очень большими. Но наборы фундаментальных постоянных и «внутренняя физика» в них будет такой, что их никто не увидит, поскольку в них никто принципиально не сможет жить. Однако некоторые отдельные пузырьки в этом грандиозном вакуумном ландшафте разовьются во вселенные, подобные нашей. Набор значений фундаментальных постоянных в них будет таким, что в них станет возможным возникновение живых и разумных существ. Никакого особого статуса человека в такой картине мира нет. Мы можем доказать собственную незаурядность и значимость только тем, что мы лично делаем и как мы лично живем.

Внутри нашего большого дома и за его пределами

Лишь в середине нынешнего века стало ясно, что галактика Млечный Путь — это огромный рукав спиральной галактики, гигантской звездной системы, одной из множества спиральных галактик. Диаметр Млечного Пути — 100 тыс. световых лет.

Количество составляющих его звезд превышает 100 миллиардов.

Конечно, убедиться в том, что Млечный Путь является частью колоссальной спирали, можно, только если повернуть ее «лицом» к наблюдателю. Сбоку наша галактика будет выглядеть чем-то вроде лупы или сложенных краями контактных линз.

Что же в ней есть? Ну звезды, естественно, скажете вы, и не ошибетесь. Да, в основном звезды. Но не только. Несколько процентов общей галактической массы Млечного Пути составляют межзвездный газ и галактическая пыль. На некотором отдалении от галактического диска разбросано множество звездных шаровых скоплений — своего рода спутников галактики. Каждое такое скопление содержит до миллиона звезд. Наконец, сравнительно недавно выяснилось, что наша галактика имеет еще и корону, которая простирается на расстояние в несколько десятков диаметров диска.

Диск галактики весь целиком вращается — наподобие тарелки. Вращение галактики было открыто в 1925 году нидерландским астрономом Яном Хендриком Оортом. Он же определил и положение ее центра, находящегося в направлении созвездия Стрельца. Расстояние до него составляет приблизительно 30 тыс. световых лет. Изучая относительное движение звезд, Оорт установил также, что Солнце движется и вокруг центра галактики по орбите. Современное значение его скорости — 250 км/с. А полный оборот вокруг центра совершается примерно за 2,2 × 108 (220 млн) лет.

Для того чтобы все это было именно так, центр галактики должен иметь исполинскую массу — порядка 100 млрд масс Солнца! В центре ядра галактики находится источник огромной энергии — в 100 млн солнц.

Почему же мы не видим ни спиральных рукавов, ни впечатляющего массивного ядра, когда смотрим на небо? Ответ довольно прост: потому что мы наблюдаем нашу галактику «изнутри», мы ведь находимся в ней, а не смотрим откуда-то со стороны. Да, Млечный Путь — наш дом.

А если все-таки отважиться и выйти на космический простор? Вселенная не исчерпывается галактикой Млечный Путь. Покинь мы ее пределы, перед нами открылось бы необъятное пустое пространство, непроницаемая чернота, лишенная сколько-нибудь заметных объектов. Только на расстоянии более 150 тыс. световых лет от нашего звездного острова мы бы обнаружили два клочковатых туманных образования неправильной формы — Большое и Малое Магеллановы облака. Они хорошо видны на небе южного полушария Земли в виде двух белесоватых пятен и выглядят как изолированные фрагменты Млечного Пути. Впервые их описал один из участников кругосветного плавания Фернана Магеллана. Прямого отношения к Млечному Пути они не имеют: это две самостоятельные небольшие галактики, довольно бедные звездами. Малое Магелланово облако лежит в 160 тыс. световых лет от нас, а Большое — еще дальше, почти в 200 тыс. световых лет. Хотя Магеллановы облака заметно уступают Млечному Пути в размерах, в них обнаружены весьма любопытные объекты. Например, в Большом Магеллановом облаке расположена звезда S Золотой Рыбы, обладающая наибольшей известной светимостью. Невооруженным глазом она не видна, потому что имеет 8-ю звездную величину, но ее абсолютная светимость превосходит солнечную в 600 тыс. раз!

Однако Млечный Путь и Магеллановы облака — это еще далеко не все. В 2,5 млн световых лет от Млечного Пути лежит спиральная галактика Андромеды, значительно превосходящая нашу по массе и количеству звезд. Она видна невооруженным глазом как слабая звездочка 5-й величины и значится в каталоге Мессье под номером 31, поэтому получила название М31 (а Шарль Мессье — это знаменитый французский астроном, одним из первых начавший составлять каталог туманностей и звездных скоплений).

Галактика Андромеды, Млечный Путь, Магеллановы облака, спираль в Треугольнике (М33) и множество галактик поменьше (общим числом около 40) входят в состав так называемой Местной группы с диаметром свыше 3 млн световых лет. В пределах более чем 30 млн световых лет разбросано больше десятка аналогичных групп. А в 50 млн световых лет лежит крупное скопление в созвездии Девы, насчитывающее несколько тысяч галактик. Таким образом, наша Местная группа принадлежит к еще более масштабной структуре, которую принято называть локальным сверхскоплением галактик. Его диаметр составляет 100, а толщина — более 30 млн световых лет. Центром этого исполинского галактического облака является то самое скопление в Деве.

Галактика Млечный Путь ютится на самом краю локального сверхскопления. А еще дальше, на расстоянии в несколько сотен миллионов световых лет, находится гораздо более крупное скопление в созвездии Волосы Вероники, в состав которого входит больше 10 тысяч галактик. По-видимому, оно представляет собой часть еще одного гигантского галактического сверхскопления, которых в последнее время открыто несколько десятков. Эти величественные объекты венчают иерархию структур наблюдаемой части Вселенной, которую иначе называют Метагалактикой.

Видимая часть Вселенной насчитывает более 100 млрд галактик. Мы на Земле невооруженным глазом видим только четыре из них: Млечный Путь, Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака.

Звезды

Светят и греют

Мы выходим ночью из дому и поднимаем взгляд вверх. Что мы видим? Да, конечно, звезды, небо, полное звезд, небо, светлое от звезд. Мир звезд поражает своим разнообразием. Среди них есть звезды-гиганты и звезды-карлики, звезды, любящие общество, и звезды, предпочитающие уединение. Многие звезды образуют так называемые кратные системы из двух или трех звезд, которые обращаются вокруг общего центра тяжести на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. Есть звезды, которые светят в инфракрасном диапазоне и нам не видны. Есть другие, которые сияют в десятки и сотни тысяч раз ярче нашего Солнца. И только по одному параметру — по массе — они не очень сильно различаются между собой: от 0,1 до 100 солнечных масс.

Звезды как люди — они рождаются, взрослеют, старятся и умирают. Но если одни уходят тихо и незаметно, то финал других сопровождается грандиозными космическими катаклизмами. Такие объекты видны на расстоянии во многие миллионы световых лет, а их яркость превосходит человеческое воображение: она превышает силу света сотен миллиардов звезд целой галактики.

Каждой звезде отмерен свой срок. Одни сгорают в считаные миллионы лет — когда по Земле разгуливали динозавры, некоторых таких звезд еще не было на свете. Другие будут жить долго: время жизни звезд, чуть менее массивных, чем Солнце, может достигать 25 млрд лет (вспомним, что со времени Большого взрыва прошло около 14 млрд лет). Солнце зажглось примерно 5 млрд лет назад.

Солнце облетает Галактику за 220 млн лет и уже успело пройти эту траекторию 20 раз.

Итак, мы смотрим в ночное небо. Первое, что бросается в глаза, это отчетливые различия между звездами в блеске и цвете. Для того чтобы зафиксировать это различие, существует термин «звездная величина». По сути дела, абсолютная звездная величина — то же самое, что и светимость звезды (ее обычно выражают в единицах светимости Солнца и обозначают буквой L), то есть полное количество энергии, излучаемое звездой в единицу времени. Мы уже говорили о фантастической светимости Золотой Рыбы в Большом Магеллановом облаке, превосходящей светимость Солнца в 600 тыс. раз. Среди других ярких звезд нашего неба можно упомянуть Антарес (альфа Скорпиона), Бетельгейзе (альфа Ориона) и Ригель (бета Ориона), светимости которых превышают солнечную в 4 тыс., 8 тыс. и 45 тыс. раз соответственно. С другой стороны, светимость карликовых звезд может, в свою очередь, уступать светимости Солнца в тысячи и десятки тысяч раз.

Увидеть разницу в цвете невооруженным глазом удается только у очень ярких звезд. А вот небольшой любительский телескоп или даже приличный полевой бинокль заметно улучшат качество картинки. Скажем, Антарес и Бетельгейзе оказываются красными, Капелла — желтой, Сириус — белым, а Вега — голубовато-белой.

Цвет звезды, а следовательно, и ее спектр определяются температурой ее поверхностных слоев. При температуре 3000–4000 К звезда будет красной, при 6000–7000 К приобретет отчетливый желтоватый оттенок, а горячие звезды с температурой 10 000—12 000 К сияют белым или голубоватым светом.

Принято выделять семь основных спектральных классов, которые обозначают латинскими буквами О, В, A, F, G, К и М. Каждый спектральный класс разбит на 10 подклассов (от 0 до 9, с ростом в сторону уменьшения температуры). Таким образом, звезда со спектром В9 будет ближе по спектральным характеристикам к спектру А2, чем, например, к спектру В1. Звезды классов О — В — голубые (температура поверхности — примерно 100 000—80 000 К), A — F — белые (11 000—7 500 К), G — желтые (примерно 6000 К), К — оранжевые (около 5000 К), М — красные (2000–3000 К).

Наше Солнце относится к спектральному классу G2 (температура его поверхностных слоев — около 6000 К). Таким образом получается, что наше великолепное Солнце по астрономической классификации — всего лишь карлик, желтый карлик! Правда, диаметр Солнца составляет около 1,4 млн км — размеры для «карлика», скажем откровенно, немалые.

Некоторые звезды могут периодически менять свой блеск. Например, цефеиды представляют собой желтые сверхгиганты с температурой поверхности примерно такой же, как у Солнца. Но светят они гораздо ярче, потому что мощность их излучения превосходит солнечную в десятки тысяч раз. Периодическое изменение блеска цефеид связано со сложными физико-химическими процессами в их недрах, поэтому их принято называть истинными, или физическими, переменными. Звезда Мира из созвездия Кита тоже относится к числу истинных переменных, хотя период изменения блеска у нее гораздо больше и составляет примерно 11 мес. (у цефеид — от суток до месяца).

Однако встречаются переменные звезды, колебания блеска которых объясняются совсем иначе. Вот Алголь (бета Персея), звезда, которую в старину называли «глазом дьявола» и «вурдалаком». Ее яркость изменяется на целую звездную величину почти каждые трое суток. Но Алголь — это так называемая «затменная» двойная. Просто вокруг Алголя обращается слабая звезда — второй компонент двойной системы, орбита которой лежит в одной плоскости с земной орбитой. Когда она оказывается между Алголем и Землей на луче зрения земного наблюдателя, то частично его затмевает.

С другой стороны, красные гиганты нагреты относительно слабо, «всего лишь» до 2–3 тыс. градусов. Но суммарная интенсивность светового потока будет весьма значительной по сравнению с Солнцем. Это потому, что красные гиганты — действительно гиганты. Они очень-очень большие. Пусть квадратный километр поверхности, скажем, Бетельгейзе светит относительно слабо, но площадь-то этой звезды на несколько порядков больше, чем Солнца! Поэтому мощность ее излучения во много раз превысит солнечную. В 1920 году удалось измерить диаметр Бетельгейзе. Оказалось, что она почти в 350 раз больше диаметра Солнца и составляет примерно 500 млн км.

Что будет, если Бетельгейзе окажется на месте нашего Солнца? Орбита, например, Марса находится в 220 млн км от Солнца. Все планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) просто попали бы внутрь гигантской звезды. Как бы мы тогда писали и читали о Бетельгейзе?

Но не будем спешить. Объем Бетельгейзе в 40 млн раз больше объема Солнца. А ее масса оценивается всего лишь в 12–17 солнечных масс. О чем это говорит? О том, что красный сверхгигант, внутри которого могут поместиться несколько планетных орбит Солнечной системы, — нечто вроде огромного воздушного пузыря. Если средняя плотность солнечного вещества равна примерно 1,4 г/см^3 (почти в полтора раза больше плотности воды), то у Бетельгейзе она будет в миллионы раз меньше, чем у воздуха, которым мы дышим. Вот вам и супергигант!

Но Бетельгейзе — еще не самый большой сверхгигант. Встречаются красные сверхгиганты столь невообразимо огромные, что звезды вроде Бетельгейзе рядом с ними просто «карлики в квадрате». Например, эпсилон Возничего. Он является инфракрасным сверхгигантом с поперечником в 3,7 млрд (!) км. Если поместить его на место Солнца, он без труда поглотит первые 6 планет (Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер и Сатурн) и просто заполнит собой Солнечную систему вплоть до орбиты Урана.

Темные и холодные сверхгиганты вроде эпсилона Возничего должны быть пустыми разреженными мирами, ведь их вещество «размазано» по колоссальному объему. Плотность такого вещества мало отличается от плотности пустоты, от плотности вакуума.

Если в «красном» звездном классе М есть сверхгиганты, то, по логике, должны быть и красные карлики, заметно уступающие по массе Солнцу. Но они отнюдь не разреженные пузыри, а полноценные звезды. Они могут быть даже «упитаннее», плотнее нашего Солнца, и довольно существенно. Скажем, красный карлик Крюгер 60В легче Солнца всего впятеро, хотя его объем составляет 1/125 часть нашей звезды. Таким образом, его средняя плотность должна равняться 35 г/см^3, что в 25 раз превосходит плотность Солнца (1,4 см^3) и в полтора раза — плотность платины. Даже такое твердое небесное тело, как наша родная планета, имеет среднюю плотность порядка 5,5 г/см^3 (плотность каменных пород земной коры составляет 2,6 г/см^3, а к центру Земли она достигает величины 11,5 г/см^3), то есть уступает Крюгеру более чем вшестеро.

Конечно, плотность всех небесных тел (даже исполинских газовых пузырей вроде Бетельгейзе) стремительно растет по направлению к центру. Чтобы Солнце могло стабильно существовать, чтобы не сколлапсировало под действием сил гравитации, плотность его центральных областей должна достигать величин порядка 100 г/см^3, что превышает плотность платины в 5 раз. Понятно, что в центре Крюгера 60В эта величина будет раз в 100 больше.

Такие плотные-плотные красные карлики… Что же, в нашей Вселенной нет ничего плотнее? Есть. Это белые карлики. Белые карлики по звездным меркам — очень маленькие и очень горячие звезды. Температура их поверхностных слоев колеблется в широких пределах — от 5000 К у «старых» холодных звезд до 50 000 К у «молодых» и горячих. По массе они вполне сопоставимы с Солнцем, а вот их поперечник, как правило, не превышает диаметра Земли, а он составляет, как нам известно из школьного курса, примерно 12 800 км. Таким образом, их средняя плотность достигает величин порядка 106 г/см^3 и превышает плотность нашего Солнца в сотни тысяч раз. Один кубический сантиметр вещества белого карлика может весить несколько тонн!

На сегодняшний день белых карликов обнаружено достаточно много, и по предварительным оценкам на их долю приходится несколько процентов звезд нашей галактики.

Несмотря на чудовищный разброс звездного населения по параметру плотности — от почти полного вакуума до величин, сравнимых с плотностью атомного ядра, массы звезд различаются не очень сильно — от 0,1 до 100 солнечных масс. Таким образом, самая тяжелая звезда массивнее самой легкой всего в тысячу раз. Причем на крайних полюсах шкалы помещается сравнительно немного звездной публики. Масса подавляющего большинства звезд колеблется в пределах 0,2–5 солнечных масс.

Для наглядного представления всех этих звездных отношений рассмотрим следующую плоскую диаграмму.

Диаграмма: спектральный класс — светимость звезд

Астрономы и физики широко ею пользуются как универсальным инструментом, хотя и называют по-разному. На горизонтальной оси этой диаграммы слева направо отложены спектральные классы в порядке убывания температуры, от О до М. На вертикальной оси снизу вверх располагается светимость (или абсолютные звездные величины) по мере ее возрастания. Есть эмпирическая зависимость между температурой и светимостью. Чем звезда ярче, тем она горячее, хотя, конечно, бывают и исключения (вспомните красные супергиганты). Но в среднем эта закономерность работает. Поэтому чем левее лежит спектральный класс исследуемой звезды на горизонтальной оси (следовательно, чем больше ее температура), тем выше она поднимается по вертикальной шкале абсолютных звездных величин (светимости).

Большинство звезд оказываются на диагонали в виде широкой полосы, идущей от верхнего левого угла диаграммы, где лежали горячие и яркие звезды, к нижнему правому углу, населенному холодными и тусклыми красными карликами. Эту широкую диагональную ленту называют главной последовательностью.

Звезды, лежащие на главной последовательности, подчиняются определенным правилам. Например, существует взаимосвязь между температурой звезды и ее радиусом: звезда с определенной температурой поверхности не может быть сколь угодно большой, а значит, и ее светимость тоже находится в определенном интервале значений. Кроме того, светимость связана с массой звезды. Если идти вдоль главной последовательности от спектральных классов О — В до К — М, то масса звезд непрерывно уменьшается. Скажем, у звезд класса О массы достигают нескольких десятков солнечной, тогда как у звезд класса В они не превышают 10 масс Солнца. Наше Солнце, как известно, имеет спектральный класс G2, поэтому оно будет находиться почти в середине главной последовательности, немного ближе к ее правому нижнему краю. У звезд более поздних классов массы заметно меньше солнечной; например, красные карлики спектрального класса М легче Солнца в 10 раз. Физическую причину всех этих закономерностей удалось понять только после создания теории термоядерных реакций.

Однако на главную последовательность попадает далеко не все звездное население. Красные гиганты образуют отдельную ветвь, которая широкой полосой растет от середины главной последовательности и уходит в правый верхний угол диаграммы — с огромной светимостью и низкой температурой поверхности. На фоне основной массы звездного населения гигантов сравнительно немного. А в нижнем левом углу диаграммы разместились белые карлики — горячие звезды с низкой светимостью, что говорит об их очень малых размерах.

В 1972 году американцами был запущен космический аппарат Pioneer-10. На его борту находилось послание внеземным цивилизациям: табличка с изображениями мужчины, женщины и схемы расположения Земли в космосе. Год спустя вслед за ним отправился Pioneer-11. К настоящему времени оба аппарата уже должны были находиться в дальнем космосе. Однако необычным образом их траектории сильно отклонились от расчетных. Что-то начало их тянуть (или толкать), в результате чего они стали двигаться с ускорением. Оно было крошечным — меньше нанометра в секунду, что эквивалентно одной десятимиллиардной доли гравитации на поверхности Земли. Но этого оказалось достаточно, чтобы сместить Pioneer-10 с его траектории на 400 тыс. километров.

Вычислить путь звезды

И красные гиганты, и белые карлики — это своего рода отходы звездного производства, остаточные формы, определенная стадия эволюции звезд, покинувших главную последовательность. А как вообще живут звезды? Каковы этапы звездной жизни? Бывает ли у них детство, юность, зрелость, старость? Как они умирают?

По современным представлениям, звезды рождаются внутри газово-пылевых облаков, которые начинают сжиматься под действием собственных гравитационных сил. Межзвездная среда только на первый взгляд кажется пустым пространством. В действительности она содержит много газа и пыли, которые распределяются весьма неравномерно. Больше всего газа и пыли концентрируется в галактических спиральных рукавах. Здесь и обнаруживаются так называемые ассоциации молодых звезд.

После обособления и уплотнения фрагмента газово-пылевого облака наступает фаза его быстрого сжатия. Плотность сгустка стремительно растет, а его прозрачность неуклонно снижается, поэтому накапливающееся тепло не может его покинуть, и сгусток начинает разогреваться. Радиус такого звездного зародыша намного превосходит радиус Солнца, но он продолжает сжиматься, потому что давление газа и температура внутри облака не в состоянии уравновесить гравитационные силы. Когда температура в центре образования достигает нескольких миллионов градусов, в его недрах вспыхивают термоядерные реакции синтеза. Температура и давление продолжают расти, и наступает такой момент, когда они начинают эффективно противодействовать силам гравитационного сжатия. Вот тогда-то и появляется новая стабильная и полноценная звезда, которая получает свою законную прописку в главной последовательности.

Как и ранняя, инфляционная стадия эволюции Вселенной, «детство» звезды весьма скоротечно. Тяжелые звезды рождаются гораздо быстрее легких. Например, нашему Солнцу потребовалось примерно 30 млн лет, а звезды, втрое превосходящие его по массе, стабилизируются всего за 100 тыс. лет. А вот у красных карликов, масса которых на порядок меньше солнечной, замедленное развитие: процесс растягивается на время порядка сотен миллионов лет. Но и живут такие звезды намного дольше: масса звезды не только определяет обстоятельства ее появления на свет и первые шаги, но и накладывает отпечаток на все последующее ее существование.

Любая звезда представляет собой большой саморегулирующийся ядерный реактор, обеспечивающий длительное и стабильное производство энергии. Имей мы такой, энергетическая проблема была бы окончательно решена! В составе звезды много водорода. Она его, собственно, и сжигает всю свою жизнь. Водород превращается в гелий, а тот, в свою очередь, во все более тяжелые элементы. Например, наше Солнце, дай ему Бог здоровья, прожило на свете около 5 млрд лет, и все еще содержит больше 80 % водорода. Время жизни звезды на главной последовательности (то есть время ее «спокойной» жизни) зависит, в первую очередь, от ее начальной массы. И тут мы все можем быть спокойны: нашему Солнцу предстоит жизнь долгая и размеренная — не меньше той, что оно уже просуществовало. Доктора (только не медики, а физики и астрономы) дают не меньше 5 млрд лет.

Итак, с описанной только что точки зрения, любая звезда — это раскаленный плазменный шар. Бушующие в ее недрах термоядерные реакции играют двоякую роль: во-первых, поддерживают давление и температуру, чтобы звезда не схлопнулась под действием собственной гравитации, как завещал великий Эйнштейн, а во-вторых, снабжают ее тяжелыми элементами. Накопление тяжелых элементов (а без них невозможно возникновение планет земного типа и, по-видимому, жизни) наиболее активно происходит в массивных звездах.

Каждую секунду Солнце становится легче на 4 млн т. Это вещество просто сгорает.

И тут опять спасибо нашему Солнцу! Не случайно на протяжении всей своей истории люди поют ему дифирамбы. Расход водородного топлива, поддерживающий термоядерные реакции синтеза в недрах, неодинаков у разных звезд. Звезды, сравнимые с Солнцем по массе, живут весьма экономно, поэтому запасов водорода им хватит надолго. Красные карлики еще более бережливы. Поэтому и проживут вдвое, а то и втрое-вчетверо дольше даже Солнца. А вот массивные звезды — другое дело: они сжигают свое ядерное водородное топливо весьма расточительно. Поэтому самые тяжелые из них будут находиться на главной последовательности лишь несколько миллионов лет. Что ж, неумеренная жизнь в молодости приводит к ранней старости…

А что такое звездная старость? Это когда выгорает почти весь водород в ядре. Что же происходит тогда? Ядро звезды начинает съеживаться, а его температура стремительно растет. В результате формируется очень плотная и горячая область, состоящая из гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в подобном состоянии называется вырожденным. В центральной части ядра ядерные реакции практически останавливаются, но довольно активно продолжают протекать на периферии. Звезда быстро разбухает, ее размеры и светимость значительно увеличиваются. Она сходит с главной последовательности и превращается в красный гигант с температурой поверхности около 3000 градусов Кельвина.

Хорошо, пусть водорода уже нет, но есть еще гелиевые термоядерные реакции. В центральных областях распухшей звезды гелий продолжает трансформироваться в углерод и кислород вплоть до самых тяжелых элементов. Но вот гелий тоже заканчивается. И здесь снова все решает первоначальная масса звезды. Если она была небольшой, вроде нашего Солнца, внешние слои сбрасываются, образуя планетарную туманность (разлетающееся облако газа), в центре которой загорается уже знакомый нам белый карлик — горячая звезда размером примерно с Землю и с массой порядка массы Солнца. Средняя плотность вещества белого карлика составляет 106 г/см^3.

Белый карлик — это, по сути, умершая звезда. Все ядерное топливо сожжено, никаких реакций. Но объект продолжает излучать, а давление внутри него все еще с успехом противостоит собственной гравитации. Откуда это давление берется? Здесь вступают в дело уже знакомые нам своей парадоксальностью законы квантового мира. Под действием гравитации вещество белого карлика уплотняется настолько, что атомные ядра буквально втискиваются внутрь электронных оболочек соседних атомов. Электроны утрачивают интимную связь со своими родными атомами и начинают свободно путешествовать в межатомных пустотах по всему пространству звезды, в то время как голые ядра образуют устойчивую жесткую систему — некое подобие кристаллической решетки. Такое состояние называется вырожденным электронным газом, и хотя белый карлик продолжает остывать, средняя скорость электронов не уменьшается. Квантовая теория говорит, что электроны в электронном газе будут двигаться очень быстро. Такое квантово-механическое движение никак не связано с температурой вещества, оно создает давление, называемое давлением вырожденного электронного газа. И вот как раз эта сила уравновешивает у белых карликов силу собственной гравитации.

Постепенно остывающие образования, внутри которых весь водород выгорел, а ядерные реакции прекратились… Между прочим, в отдаленном будущем такая участь постигнет и Солнце. Примерно через 5–6 млрд лет наша родная звезда сожжет весь водород и превратится в красного гиганта. Его светимость вырастет в сотни раз, а радиус — в десятки. Жить на Земле в это время будет не слишком комфортно, так как температура у поверхности станет порядка 500 °C, а атмосфера сгорит. Так наше светило проживет несколько сотен миллионов лет, а потом сбросит периферийные оболочки и станет белым карликом.

Фотон добирается из центра Солнца к его поверхности 40 тыс. лет, а оттуда до Земли — 8,3 минуты.

Если же масса звезды была велика — превышала массу Солнца в 10 и более раз — в центре ее формируется ядро, состоящее из тяжелых элементов, окруженных более легкими слоями. В какой-то момент такое ядро теряет устойчивость и начинается гравитационный коллапс — катастрофическое свертывание звезды внутрь себя. Этот процесс необратим и неумолим. В зависимости от массы ядра его центральная часть либо превращается в сверхплотный объект — нейтронную звезду, либо коллапсирует до конца, образуя черную дыру. Чудовищная гравитационная энергия, которая выделяется в ходе сжатия, срывает оболочку и внешнюю часть ядра, выбрасывая их наружу с молниеподобной скоростью. Происходит грандиозный взрыв. Это то, что называется взрывом сверхновой. Нам не известны космические катаклизмы более масштабные, чем вспышки сверхновых. В течение некоторого времени такая звезда светит ярче целой галактики. Постепенно сброшенная газовая оболочка остынет и затормозится, а со временем сформирует газово-пылевое облако, в котором будет много тяжелых элементов. Когда это облако начнет конденсироваться под действием гравитационных сил, внутри него может вспыхнуть новая звезда. Подобные звезды, родившиеся на руинах прежних, принято называть звездами второго поколения, и наше Солнце, похоже, как раз относится именно к их числу.

Таким образом, в природе наблюдается некоторая преемственность: массивные звезды первого поколения гибнут, обогащая межзвездное пространство тяжелыми элементами, служащими строительным материалом для звезд второго поколения. Все химические элементы тяжелее гелия образовались в звездных недрах в ходе термоядерного синтеза, а самые тяжелые элементы возникли при вспышках сверхновых. Все, что нас окружает на Земле, да и сама Земля — это звездное вещество, доставшееся нам в наследство.

Новые и сверхновые

Вспышка сверхновой — довольно редкое явление. За последнюю тысячу лет в нашей галактике вспыхнуло всего три сверхновые — в 1054, 1572 и в 1604 годах. Сверхновую 1572 года, вспыхнувшую в созвездии Кассиопеи, наблюдал датский астроном Тихо Браге. В период максимума своего блеска она сияла ярче Венеры. Сверхновая 1604 года уступала в яркости звезде Тихо Браге, но все же и она в максимуме блеска соперничала с Юпитером. Она зажглась в созвездии Змееносца, и ее наблюдали Иоганн Кеплер и Галилео Галилей. Что касается сверхновой 1054 года, то о ней сохранились упоминания в китайских хрониках, из которых следует, что она была видна даже днем, а в максимуме блеска многократно превосходила Венеру. Сегодня считается, что Крабовидная туманность в созвездии Тельца и находящийся в ней пульсар — быстро вращающаяся нейтронная звезда — являются остатками сверхновой 1054 года.

Правда, «редкость» — понятие очень подозрительное, если иметь в виду астрономию и космологию. Редкие взрывы сверхновых сегодня обнаруживают все чаще и чаще. В этом ничего нет странного. Вселенная ведь очень большая, и если некоторое событие повторяется, то таких повторов тоже будет много. Галактик насчитывается десятки миллиардов, и где-нибудь сверхновая обязательно вспыхивает. А наблюдательная техника-то становится все совершеннее!

Выделяют два основных типа сверхновых в зависимости от характера спектра: если в спектре вспышки нет линий водорода, сверхновую относят к типу I, а если водород есть — к типу II. Сверхновые типа I — старые, не очень массивные звезды, вспыхивающие как в эллиптических, так и в спиральных галактиках. Мощность излучения сверхновых этого типа особенно велика. Сверхновые типа II связывают с молодыми массивными звездами, быстро прошедшими все стадии эволюции. Их обнаруживают в рукавах спиральных галактик, где продолжают идти процессы звездообразования, а в эллиптических галактиках они не вспыхивают никогда.

Естественная логика говорит нам: если есть «сверхновые» то должны быть просто «новые». И да, они действительно существуют. Они также вспыхивают, и вспыхивают потому, что взрываются. Новые звезды вспыхивают сравнительно часто (около 100 вспышек в год только в нашей галактике), мощность излучения этих звезд в тысячи и десятки тысяч раз меньше. Все без исключения новые являются тесными двойными системами, как правило, состоящими из белого карлика и нормальной звезды. Если в такой новой звезде что-то взрывается, то это обычно белый карлик. Из-за близости между компонентами двойной системы вещество поверхностных слоев спутника перетекает на белый карлик, и когда его накапливается много, термоядерные реакции могут зажечься вновь. Процесс носит вспышечный характер и напоминает взрыв гигантской водородной бомбы. На протяжении нескольких часов или суток звезда достигает максимума блеска, а затем долгие месяцы или даже годы медленно угасает. Масса сброшенной оболочки всегда значительно меньше массы самой звезды, так что она не разрушается при взрыве, как сверхновая. Принято считать, что новые теряют 1/100 000 своей массы, тогда как у сверхновых типа I это где-то между 1/10 и 9/10 массы, а у сверхновых типа II — от 1/100 до 1/10 массы. По прошествии определенного времени новая звезда может вспыхнуть повторно (иногда это происходит скоро даже по человеческим меркам — через несколько десятилетий). Сверхновые звезды повторно не зажигаются никогда.

При соприкосновении двух кусочков металла в космосе они сольются друг с другом, если на их поверхности не будет окислов. На Земле такого не происходит, потому что в атмосфере на поверхности сразу образуются оксиды.

Новые, сверхновые, а теперь — нейтронные

После катастрофического взрыва массивной сверхновой остается крохотный сгусток чудовищной плотности — нейтронная звезда. Белый карлик состоит из вырожденного электронного газа, который образуется, когда атомы вдвигаются в другие атомы и их электроны становятся общими. С нейтронной звездой — еще хуже! Гравитационное сжатие при взрыве сверхновой оказывается столь сильным, что части атомов вдвигаются друг в друга. А из чего состоит атом? Из ядра, в котором протоны, и из оболочек, на которых сидят электроны. Протоны, как известно, положительно заряжены, электроны — отрицательно. Так вот из-за чудовищной гравитации электроны сгоняются со своих орбит и «втискиваются» в протоны. В результате этих теснейших отношений получаются нейтроны — тяжелые, нейтральные в отношении электрического заряда частицы. Кроме нейтронов в нейтронной звезде почти ничего нет (только немножко протонов и электронов). Из-за этого масса нейтронной звезды очень велика. Кроме того, в нейтронной звезде чрезвычайно тесно. Давление в центре достигает огромных значений — может в несколько раз превышать плотность атомного ядра. Можно сказать, что нейтронная звезда представляет собой сплошное атомное ядро, причем изрядной даже по ядерным меркам плотности.

Плотность нейтронной звезды оценивается в 5 × 1015 г/см^3. Что это значит? Это значит, что кубик вещества нейтронной звезды со стороной 1 см весит несколько миллиардов тонн! Или скажем иначе: при массе в два Солнца нейтронная звезда будет иметь размеры всего лишь 10–15 км в диаметре! Такая сверхувесистая малютка.

Структура нейтронной звезды сложна и плохо изучена. Как ведет себя вещество при плотностях, превосходящих ядерную? Есть несколько моделей, описывающих строение нейтронных звезд, но общепризнанной и стопроцентно достоверной картины нет. В чем точно уверены ученые, так это в том, что нейтронная звезда похожа по структуре на слоеный пирог. Поверхностный слой — это плазма, захватывающая прилетающие из космоса частицы. Далее идет слой, имеющий кристаллическую структуру, а вслед за ним — слой из тяжелых ядер, нейтронов и электронов. Еще глубже располагаются плотно упакованные нейтроны, а в самом центре находится ядро из так называемой кварк-глюонной плазмы. По направлению от поверхности к центру плотность возрастает от 4,3 × 1011 г/см^3 до 1,2 × 1015 г/см^3.

Нерешенным остается вопрос о внутреннем ядре. Никто точно не знает, что его составляет, как это «нечто» устроено и что вообще такое кварк-глюонная плазма. Кварки — это субъядерные частицы. Они появляются в современных теориях элементарных частиц. Из кварков составляются частицы (протоны, нейтроны), из которых состоят сами атомы. Греческое слово «атом», означающее «неделимый», здесь терпит фиаско. Правда, с понятием «состоять из» здесь тоже большие проблемы. Вспомним соотношение неопределенностей Гейзенберга из предыдущей главы: в квантовом мире элементарных частиц все одновременно во всем и каждое в каждом другом.

Земная сила тяжести сжимает человеческий позвоночник, поэтому, когда астронавт попадает в космос, он подрастает приблизительно на 5,08 см. В то же самое время его сердце сжимается, уменьшаясь в объеме, и начинает качать меньше крови. Это ответная реакция тела на уменьшение давления.

Так вот, известно, что нейтроны и протоны «состоят» из кварковых триплетов — по три кварка в каждом. И есть данные, свидетельствующие о том, что нейтронная материя может превращаться в кварковую во внутреннем ядре нейтронной звезды. Кварки — страстные, можно даже сказать, сладострастные коллективисты: сила их взаимодействия увеличивается с расстоянием, а не уменьшается, как обычно: чем дальше оттягиваешь кварки друг от друга, тем больше сила. Поэтому при не очень высокой плотности кварки как раз очень плотно удерживаются внутри нейтрона. Но в центре нейтронной звезды плотность, как мы видели, нереально высока. И кварки ослабляют свои объятия (кварковые триплеты разваливаются), начинают свободно путешествовать внутри сверхплотной области. В таком случае вещество следует рассматривать как кварковый газ или жидкость.

Таким образом, перед нами модель, в соответствии с которой сначала рождается обычная нейтронная звезда, а после того как вещество в ее недрах совершит переход в кварковое состояние, она превращается в кварковую звезду. Таких моделей существует целый класс, но полной ясности в данном вопросе пока нет.

Пульсары

Обнаружить нейтронную звезду путем оптических наблюдений невозможно. Судите сами. Ядерные реакции внутри нейтронной звезды не идут, поэтому она ничего не излучает и не светит. Кроме того, нейтронная звезда астрономически так мала по площади, что даже если бы она светилась как 100 солнц, ее бы все равно никто не заметил даже в самый мощный телескоп. Но, может, тогда нейтронная звезда — плод буйного воображения физиков-теоретиков? Нет, существование нейтронных звезд имеет экспериментальное подтверждение.

Как известно, небесные тела не пребывают в величественном покое, а вращаются вокруг своей оси под действием гравитации. Если взять звезду с параметрами нашего Солнца (диаметр около 1,4 млн км и период обращения вокруг оси 25 суток) и спрессовать ее вещество в объеме с радиусом около 10 км, то скорость осевого вращения при условии сохранения массы чудовищно увеличится — примерно в 100 тыс. раз. А период вращения в миллиарды раз уменьшится и составит тысячные доли секунды. Это очень-очень малая, до странности малая величина для астрономических тел! Но объект в Крабовидной туманности совершает 30 оборотов в секунду, а объект в созвездии Лисички имеет период 0,00155 с. Понятно, что столь быстро вращаться могут только такие тела, линейные размеры которых измеряются десятками километров.

Теперь далее. Как же это понимать, что упомянутые объекты вращаются вокруг своей оси с сумасшедшей скоростью? На них что, отправили кандидатов в отряд космонавтов, чтобы их там хорошенько покрутило-повертело, как на центрифуге в центре космической подготовки: кто выдержит, того и возьмем в космонавты? Нет, туда же нужно лететь через всю Метагалактику, и для этого нужно уже быть космонавтом. Все это, по крайней мере, нелогично. Зато известно, что верхний слой нейтронной звезды должен представлять собой плазму, пронизанную мощным магнитным полем. Заряженные частицы двигаются вдоль силовых линий и в конце концов оказываются в области магнитных полюсов, откуда выбрасываются узконаправленные пучки частиц с высокой энергией — так называемые джеты (от англ. jet — струя). Известно также, что сжатие звезды приводит к увеличению ее магнитного поля, поэтому, зная его среднее значение для обычных звезд, можно вычислить, каким оно окажется у нейтронной звезды. Расчеты показывают, что магнитное поле вырастет в 1012 раз и составит колоссальную величину 108–109 тесла.

Таким образом, если нейтронная звезда вращается, то она должна излучать. А если она вращается быстро, то излучать должна очень интенсивно, поскольку быстрое вращение придает вылетающим частицам дополнительную энергию. И еще она должна вращаться в очень-очень частом и строгом по периоду импульсном режиме. Как раз такие источники излучения были обнаружены и продолжают обнаруживаться радиоастрономами. Их отождествили с вращающимися нейтронными звездами и красиво назвали пульсарами. Впоследствии кроме радиопульсаров (то есть объектов, излучающих в радиодиапазоне) были обнаружены рентгеновские пульсары, а также источники мощного потока гамма-излучения (МПГ— источники) с той же самой строгой периодичностью.

Рентгеновские пульсары обычно являются компонентами тесных двойных систем. Вещество звезды-соседки перетекает на его поверхность под действием сил гравитации (это явление называется аккрецией), откуда и черпают энергию вылетающие фотоны. Однако излучать в рентгеновском диапазоне могут и одиночные нейтронные звезды.

В 90-х годах XX века были обнаружены семь нейтронных звезд с экстремально большим отношением рентгеновского потока излучения к излучению света. Все дело, по-видимому, в том, что нейтронные звезды рождаются очень горячими (температура поверхности составляет порядка миллиарда градусов), а затем постепенно остывают, но даже через сотни тысяч лет после рождения их температура может превышать миллион градусов. Поэтому, вероятнее всего, мы видим когорту молодых нейтронных звезд. Все они расположены сравнительно недалеко от Земли (примерно 120 парсек). Это так называемый пояс Гулда.

Поскольку Солнце сжигает запасы водородного топлива, выделяющаяся энергия, поддерживающая ядро, имеет тенденцию к исчерпанию, заставляя Солнце сжиматься. Это увеличивает давление в его недрах и нагревает ядро, таким образом ускоряя сжигание топлива. В результате Солнце становится ярче на примерно 10 % каждые 1,1 млрд лет, и в течение следующих 3,5 млрд лет станет еще на 40 % ярче.

Она черная, страшная и странная — просто черная дыра

На закате своей жизни звезда сбрасывает газовую оболочку, а ее ядро начинает стремительно сжиматься. И, как мы уже говорили, здесь все зависит от массы. Если масса ядра меньше 1,4 массы Солнца, гравитационный коллапс остановится на стадии белого карлика. Если масса ядра находится в пределах 1,4–3,0 солнечной массы, ядро сколлапсирует в нейтронную звезду. Но если ядро еще массивнее (более трех масс Солнца)… образуется в высшей степени экзотический и загадочный объект современной астрономии и космологии — черная дыра. Критическую величину в 1,4 массы Солнца принято называть пределом Чандрасекара, по имени индийского физика-теоретика, рассчитавшего этот параметр.

Под черной дырой следует понимать область пространства-времени, полностью закрытую для внешнего наблюдателя. Не то что материальное тело, даже световые волны не могут выйти за пределы этой области: чудовищная гравитация не выпускает! Это же касается любого излучения, в любом диапазоне. Черной дыре просто нечем светить, блестеть. Поэтому она — черная, выглядит как абсолютный физический провал, ей нечем обмениваться с внешним миром.

Путь внутрь черной дыры — путешествие с билетом в один конец: любой предмет, падающий туда, исчезает. Вспомним наши школьные годы: учитель физики рассказывает на уроках про космические скорости. Первая космическая скорость — это скорость, которую нужно сообщить предмету для того, чтобы он не падал на Землю. Вот яблоко падает, камень падает, даже мы сами можем споткнуться и упасть, а по телевизору говорят, что такой-то космический аппарат стартовал с космодрома такого-то и «вышел на орбиту». То есть он стал спутником Земли, вертится вокруг нее, но не падает. Чем массивнее тело, тем больше энергии надо затратить, чтобы оторваться от его поверхности.

Чтобы разорвать силу земного притяжения, то есть покинуть околоземную орбиту, требуется развить скорость 11,2 км/с. Эта величина называется второй космической скоростью, или скоростью убегания. Если объект движется с такой скоростью, то можно быть уверенным, что он не только не будет падать, но сможет убежать от Земли прочь, покинуть ее навсегда. На поверхности Солнца скорость убегания будет, конечно, больше (поскольку Солнце гораздо массивнее Земли) — где-то 700 км/с. Но когда скорость убегания преодолевает критический предел — скорость света… все, последний поезд ушел: возникает черная дыра, ибо, согласно ОТО, бóльшую скорость никакой материальный объект иметь не способен, а поэтому покинуть внутреннюю область черной дыры никому и ничему никак не удастся.

Почему же тогда массивные звезды, гораздо более массивные, чем наше коллапсирующее ядро, запросто излучают свет? «А был ли мальчик, может быть, мальчика-то и не было?» Ответ прост. Мальчик должен быть не просто очень толстым. Он должен быть очень толстым и очень-очень маленьким. Важна не просто масса, важен объем пространства, в который масса «втиснута».

Все что угодно может стать черной дырой. Для этого нужно это «что-то» просто очень-очень сильно сжимать. Если бы мы стали сжимать Землю, бережно сохраняя ее полную массу, то увидели бы, что вторая космическая скорость неуклонно растет, хотя масса планеты не меняется. Когда радиус Земли уменьшится до 9 мм, а плотность ее вещества вырастет до 1027 г/см^3 (это больше плотности атомного ядра не в два, не в три раза, а в такое число раз, что в нем 13 нулей — на 13 порядков, как говорят ученые), скорость убегания на ее поверхности сравняется со скоростью света. После этого Землю уже не нужно будет сдавливать: с этого момента планета начнет просто-таки неудержимо коллапсировать самостоятельно, и на ее месте в конце концов образуется мини-черная дыра. «Мини», но точно такая же черная, как и большая, как любая другая. Черная, странная и загадочная. А термин «черная дыра» ввел в научный обиход американский физик Джон Уилер в 1969 году.

Численное значение радиуса, при котором скорость света уравнивается со второй космической скоростью, нетрудно рассчитать для любого тела, если известна его масса. Эту величину принято называть гравитационным радиусом (rg), и она вычисляется по формуле rg = 2GM/c^2, где G — это просто постоянный коэффициент, число, а с — скорость света в пустоте. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 км, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Такие сверхмассивные черные дыры, как считают ученые, встречаются в ядрах спиральных галактик.

Черная дыра — странный объект. Внутри нее нет никакого вещества. Почему? Потому что она состоит из пустоты, из физического вакуума. Впрочем, в прошлой главе мы убедились, что вакуум не так уж пуст. А центр черной дыры — это сингулярность. По сути, такая же, как сингулярность классической космологии — точка начала нашей вселенной. В сингулярности сосредоточена вся масса черной дыры. Но мы же знаем уже, что пустота имеет вес!

На самом деле, никаких чудес — просто квантовая теория. Для точного объяснения того, что происходит в центре черной дыры, нужна теория квантовой гравитации. Пространство и время описываются там в терминах квантовых флуктуаций, так что сама структура того и другого меняется в течение каждого планковского интервала времени — 10–43 с, в планковском объеме — 10–99 см, а плотность энергии этого пространственно-временного кипения тоже планковская, предельно большая, больше просто не бывает: 1093 г/см^3. Со всеми этими величинами вы, впрочем, уже знакомы.

Если вокруг черной дыры на расстоянии ее гравитационного радиуса обозначить условную сферу, то мы получим некую физическую границу, не условную, а вполне реальную, называемую горизонтом событий, или сферой Шварцшильда, по имени ее первооткрывателя. Конечно, сфера Шварцшильда — это не экран из вещества. Это гравитационный экран. Все, что находится под горизонтом событий, принципиально недоступно наблюдению — гравитация не выпускает.

Согласно ОТО (а у нас, как мы знаем, нет причин сомневаться в ее правильности), ход времени зависит от силы тяжести. Чем массивнее тело, тем медленнее течет время на его поверхности. Вот мы сидим в нашем уютном звездолете, у иллюминатора, или даже дома, в нашем любимом кресле, у окна и наблюдаем черную дыру и ее окрестности. Мы бросаем взгляд на свои часы — и что же мы видим? По мере приближения к горизонту событий время любых событий будет замедляться. А для событий на границе сферы Шварцшильда время по показаниям наших часов останавливается вовсе.

В этом месте объяснений обычно приводят пример незадачливого путешественника, оказавшегося в окрестностях черной дыры.

Итак, есть путешественник (назовем его для определенности Петром), который отправляется к черной дыре. Есть его товарищ (мы станем звать его Павлом), который наблюдает за Петром с некоторого безопасного расстояния. Петр и Павел — апостолы науки. Что же они увидят, тот и другой?

Павел обнаружит, что скорость Петра по мере приближения к горизонту событий стремится к полному нулю. Он приближается к черной дыре все медленнее и медленнее, пока совсем не останавливается на линии горизонта. Далее, когда бы Павел ни поинтересовался, что же там делает Петр, он всякий раз будет отмечать, что с Петром ничего не происходит, он все висит и висит неподвижно на границе сферы Шварцшильда. Павел так и не увидит, как Петр пересечет горизонт! Правда, Павел увидит, как Петр будет все сильнее и сильнее отливать красным, как Солнце на закате, затем образ Петра будет меркнуть, тускнеть, пока вовсе не исчезнет.

Теперь посмотрим на происходящее глазами Петра. Приближаясь к черной дыре, он не наткнется ни на какие границы и без труда пересечет горизонт событий. Ну а дальше… Скорее всего, еще до того, как наш храбрый, но некомпетентный Петр увидит что-нибудь интересное, он будет разорван на части или растянут, благодаря так называемому приливному эффекту. Дело в том, что гравитационное поле разнится в зависимости от расстояния до массивного объекта: часть, которая ближе к его центру, притягивается сильнее. Чем плотность объекта больше, тем гравитация сильнее и тем больше разница между гравитационными силами, действующими, скажем, на ноги и голову нашего Петра. Черная дыра очень плотная. Следовательно, ее гравитация очень велика и эффект из-за этой разницы будет существенен на расстояниях, которые сравнимы с ростом человека. Да, да, наш Петр просто превратится в спагетти! Для приливного растяжения в черной дыре даже существует особый термин — spaghetification («спагеттификация»). Более того, расстояние, на котором уже существенен приливной эффект, по мере продвижения к центру черной дыры очень быстро уменьшается. Бедный Петр все равно «спагеттизируется», если не целиком, от носа к пяткам, то, так сказать, «помолекулярно»; он будет похож не на одну большую макаронину, а на порцию спагетти. Но ему это уже будет безразлично.

Но главный драматический момент состоит в том, что ни поведать о своих впечатлениях от увиденного под горизонтом черной дыры, ни позвать на помощь наш бедный Петр не сможет. Принципиально не сможет: никакая информация не способна преодолеть горизонт черной дыры в обратном направлении, от центра! Ну, если только носитель информации будет квантовый — но это уже по части научной фантастики.

И все же, перед тем как «спагеттизироваться», что же Петр увидит? По мере приближения к черной дыре он заметит, что вид неба странным образом искажается, как будто оно уменьшается в размерах и искривляется. Затем абсолютная чернота черной дыры начнет перекрывать обзор. Так Петр пересечет то, что называется «фотонной сферой». На этом расстоянии от горизонта событий свет еще не втягивается в черную дыру, но и не может уже от нее оторваться вследствие гравитации. Фотоны света крутятся вокруг черной дыры по орбите, подобно орбитальному спутнику Земли. Поэтому, глядя вперед или немного в сторону, Петр мог бы видеть собственный затылок: свет, отраженный от его затылка, обернется вокруг черной дыры, вернется обратно и попадет на его сетчатку. Затем, по мере приближения к центру, Петр увидит, как позади него все небо уменьшается в размерах и стягивается в точку. Впрочем, если черная дыра была достаточно большой, то на горизонте событий Петр может довольно сносно и даже комфортно провести еще несколько часов. Затем станет очень больно.

А что будет потом? Никто точно не знает. Конечно, Петра уже не будет в живых. Но элементарные частицы, из которых состояло его тело на квантовом уровне, могут появиться где-нибудь в нашей вселенной или в какой-то другой вселенной классического типа, или утонуть в море инфлирующего вакуума. Некоторые ученые считают, что если черная дыра движется, она может породить то, что в астрофизике называется wormholes — «червоточина». По сути, червоточина — это магистраль квантового тунеллирования, о котором речь шла в предыдущей главе. Частицы, из которых раньше состоял Петр, могут внезапно оказаться в точке пространства, где они никак не могли бы оказаться, двигаясь по нему даже со скоростью света! Возьмем обычный лист бумаги и отметим самые далекие друг от друга точки. Но если мы согнем наш лист и приложим эти точки одна к другой, расстояние между ними сократится до нуля! Что-то подобное происходит и в случае с червоточиной.

Все без исключения черные дыры неразличимы: каковы бы ни были начальные условия их формирования, в итоге всегда одно и то же. Любая черная дыра характеризуется всего лишь тремя параметрами: массой, угловым моментом (спином) и электрическим зарядом. И все, что в нее проваливается, тоже утрачивает индивидуальные характеристики.

Если еще 20–30 лет назад черные дыры считались изящной теоретической спекуляцией, а в их реальном существовании было позволительно сомневаться, то сегодня 99 % астрофизиков убеждены, что черные дыры уже открыты. К настоящему времени обнаружено свыше 20 рентгеновских объектов в маломассивных двойных системах, которые считаются кандидатами в черные дыры. Если же к этому списку добавить сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, то насчитаем их более трех сотен.

В некотором смысле черные дыры — создатели галактик, так как они тянут планеты и звезды к спиральному центру. У каждой галактики есть черная дыра, и иногда галактики сталкиваются вместе из-за гравитации более крупных черных дыр.

Все подобные объекты можно разделить на три типа: 1) черные дыры с массой от 3 до 50 солнечных масс, представляющие собой продукт эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, достигающие 106–109 масс Солнца; 3) так называемые первичные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях Вселенной. Своим появлением на свет они обязаны локальным деформациям метрики пространства-времени в первые моменты после Большого взрыва, задолго до того, как зажглись первые звезды. Поскольку черные дыры постепенно «испаряются» (это доказал Стивен Хокинг), до наших дней могли дожить первичные черные дыры только с массой более 1012 кг.

Звезды — существа социальные

Звезды не распределяются в пространстве равномерно, а образуют более или менее компактные структуры — галактики. Те, в свою очередь, входят в состав скоплений и сверхскоплений, простирающихся на десятки миллионов световых лет. Наша галактика Млечный Путь является одним из таких звездных сообществ и насчитывает 200, а может быть, даже 400 млрд звезд.

В любой галактике принято выделять ядро, или балдж (от англ. bulge — «выпуклость, вздутие»), диск и галó (галактическую корону). Ядро представляет собой компактный сферический компонент, окружающий галактический центр. Масса его оценивается в 20 млрд солнечных масс. А в центре — сверхмассивная черная дыра с массой от двух до трех миллионов масс Солнца. Около центра галактики звезды располагаются очень плотно. Для сравнения: если в окрестностях Солнца на 50 кубических световых лет приходится всего одна звезда, то в центре Млечного Пути всего лишь в объеме, равном 3 кубическим световым годам, содержится примерно 10 тыс. звезд. По мере удаления от центра плотность звезд падает.

Более половины массы галактики (около 60 млрд масс Солнца) приходится на плоский диск, внутри которого выделяют тонкую и толстую часть. Поперечник галактического диска составляет 100 тыс. световых лет, или 30 килопарсек (30 кпк), а его толщина колеблется в широких пределах — от 300 до 3 тыс. световых лет. В области центра он тоньше, а к периферии заметно расширяется. Галактический диск неверно представлять себе как сплошную гомогенную структуру наподобие колеса: он распадается на спиральные рукава. Солнце расположено в 26 тыс. световых лет от центра галактики и совершает вокруг него полный оборот за 220 млн лет, преодолевая примерно 250 км/с. Иногда говорят, что один оборот вокруг центра — это галактический год, и выходит, что возраст Солнечной системы составляет 20 галактических лет.

Кроме плоского диска и центрального компонента в области ядра, галактика обладает сферическим гало, которое окутывает галактическую линзу наподобие облака и в основном состоит из разреженного горячего газа, звезд и темной материи. Помимо шаровых скоплений и одиночных звезд, в галактической короне обнаруживаются газовые облака и карликовые галактики.

Общепринятую классификацию галактик составил Эдвин Хаббл. Помните Эдвина Хаббла? Это он открыл и экспериментально показал, что галактики разбегаются, и значит, наша Вселенная расширяется.

Млечный Путь относится к числу спиральных галактик, которые обозначают буквой S (от англ. spiral). Все спиральные галактики состоят из сферического и плоского компонентов, то есть из ядра и диска, причем диск имеет выраженную спиральную структуру. Как правило, основных спиральных рукавов бывает два, но может быть и больше.

В зависимости от формы спиральных ветвей и размеров балджа внутри галактик типа S выделяют несколько подтипов: Sa, Sb, Sc и Sd. В этом ряду спиральные ветви становятся все более тонкими, а размер ядра уменьшается. Спиральные рукава тоже могут быть ориентированы по-разному: в одних случаях они начинаются непосредственно от ядра, а в других цепляются за концы бара — толстой звездной перемычки, пересекающей центральную часть галактики. В таком случае галактика попадает в категорию Sb (spiral + bar). Галактики с баром подразделяются на те же самые четыре подвида. Наш Млечный Путь вроде бы тоже обладает небольшой перемычкой, крайние точки которой отстоят на 3–4 кпк от центра, а по строению спиральных ветвей и размерам балджа занимает промежуточное положение между подтипами b и с.

Спиральных галактик больше других (свыше 50 %), а среди этих других принято выделять галактики эллиптические, линзовидные и неправильные. Эллиптические галактики почти не содержат межзвездного газа и не имеют плоского диска. По сути дела, они представляют собой одно сплошное ядро, форма которого варьируется в широких пределах: от практически идеального шара до эллипсоида различной степени сплюснутости. Хаббл присвоил им литеру Е (elliptical), а степень уплощенности выражал в арабских цифрах. Таким образом, туманность ЕО будет шаровидной галактикой, а Е7 приобретет форму веретена. Линзовидные галактики обозначаются латинской буквой L (от англ. lenticular — двояковыпуклый) и внешне весьма похожи на эллиптические, поскольку внушительное ядро преобладает над тонким звездным диском, внутри которого, как правило, не удается разглядеть никаких структурных образований. Неправильные галактики — это клочковатые рваные облака, заметно уступающие по массе галактикам других типов. Больше всего они похожи на бесформенные кляксы, внутри которых можно иногда обнаружить неустойчивые и короткие спиральные рукава. В классификации Хаббла они обозначаются как Ir или Irr (irregular — неправильные).

Помимо разнообразия форм, многие галактики обладают весьма заметной активностью. Они взрываются и сталкиваются, вытягивая из тел своих сестер длиннющие струи газа и звездного вещества, или, наоборот, сливаются в тесных объятиях наподобие половых клеток под микроскопом. Некоторые из них излучают в радиодиапазоне и выбрасывают из своих активных ядер мощные джеты протяженностью в несколько тысяч световых лет.

Взаимодействие галактик радикально меняет их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться, породив эллиптическую галактику, большие галактики проглатывают маленькие и так растут и «толстеют». Наш Млечный Путь — тоже результат слияния нескольких сравнительно небольших галактик. А через 2–3 млрд лет наша галактика, скорее всего, соединится с галактикой Андромеды, которая находится на расстоянии двух с половиной миллионов световых лет и сближается с нами со скоростью 120 км/с.

Между планетой и ее спутником возникает эффект приливного ускорения, который характеризуется замедлением вращения планеты вокруг собственной оси и изменением орбиты спутника. Так, каждое столетие вращение Земли замедляется на 0,002 с, в результате чего продолжительность суток на планете увеличивается примерно на 15 мкс в год, а Луна ежегодно удаляется от нас на 3,8 сантиметра.

Дети Солнца: такие разные родственники

Блуждающие Земли, или планеты

Если бы Вселенная исчерпывалась галактиками, звездами и прочими черными дырами, мы могли бы смело поставить здесь точку. Однако во Вселенной имеется еще нечто очень важное. Жизнь не может существовать где угодно, особенно если речь идет о сложных формах. А где может? На относительно малых и не светящихся собственным светом телах, которые обращаются вокруг звезд. Это планеты. На одном из таких небесных тел живем и мы с вами.

Слово «планета» в переводе с греческого означает «блуждающая». Древние греки еще за несколько веков до Рождества Христова заметили, что среди звезд есть такие, которые не стоят, как большинство других, на небосводе неподвижно, а выписывают на небесной сфере замысловатые кренделя. Античные астрономы знали пять блуждающих звезд: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Вместе с Луной и Солнцем они составляли космос античного мира, а сфера неподвижных звезд венчала этот стройный архитектурный ансамбль наподобие купола. Земля была центром всего этого мироздания.

Много позже, в Новое время, в XVIII–XX веках к списку планет добавились еще три: Уран, Нептун и Плутон — по планете в столетие. Эту троицу нельзя разглядеть невооруженным глазом, поэтому она была обнаружена сравнительно поздно — после изобретения телескопа. Уран открыл в 1781 году английский астроном Вильям Гершель, Нептун в 1846-м — француз Урбан Жозеф Леверье. А Плутон открыл Клайд Уильям Томбо из Америки, в 1930 году. Правда, сегодня некоторые ученые отказывают Плутону в праве называться планетой и помещают его в особую категорию карликовых планет или транснептуновых объектов. Но другие исследователи с этим не согласны.

Относительно размеров Солнца тоже существовали разные мнения. Наиболее отчаянные древнегреческие умы допускали, что оно может быть величиной с Афины, а один мудрец, дерзнувший предположить, что Солнце уж никак не меньше Пелопоннесского полуострова, был с позором изгнан.

В современной звездной номенклатуре Солнце занимает скромное место: желтый карлик, класс G. Однако его размеры все же вселяют уважение. Диаметр Солнца составляет около 1,4 млн км (диаметр Земли для сравнения — чуть больше 12 тыс. км), и в нем заключено 0,999 всей массы Солнечной системы. Среднее расстояние от Земли до Солнца — 149 млн км. Эту величину принято называть астрономической единицей (а. е.), и она служит для измерения межпланетных расстояний.

Солнце — одна из 200 или 400 млрд звезд, населяющих нашу галактику, расположенная вместе со своими девятью планетами в 26 тыс. световых лет от центра Млечного Пути, в одном из спиральных рукавов.

Сегодня каждый школьник знает, что вокруг чего вертится в небе. И все же, приглядимся к Солнечной системе повнимательнее. Есть так называемая земная группа — 4 планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Есть четыре газовых гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. И во многом все еще загадочный Плутон. Но это не все. В состав Солнечной системы входят так называемые малые планеты, образующие пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера, а также кометы и метеоры, прилетающие с далеких ее окраин. Там, за орбитами Нептуна и Плутона, на десятки астрономических единиц простирается пояс Койпера — собрание карликовых планет, а также каменных и ледяных обломков различных форм и размеров. Еще дальше лежит огромное сферическое облако протопланетных тел, названное в честь голландского астронома облаком Оорта. Оттуда к нам приходят долгопериодические кометы. Наконец, у большинства планет Солнечной системы имеются естественные спутники (исключения — Меркурий и Венера). У Юпитера к настоящему времени насчитывается свыше 60 спутников, у Сатурна их 56, у Урана — 27, у Нептуна — 13, а у Плутона — 3. У Марса всего два спутника: Фобос и Деймос (что в переводе с греческого означает «страх» и «ужас»), а у нашей Земли только один. Но зато какой! Во-первых, Луна намного превосходит большинство спутников, уступая по размерам только трем крупнейшим спутникам Юпитера — По, Ганимеду и Каллисто — и спутнику Сатурна Титану. А во-вторых, Луна — свидетельница всех влюбленных, чем ни один спутник ни одной из планет Солнечной системы похвастаться не может!

Если весь кислород земной атмосферы превратить в жидкость (это возможно при –192 °C), то с учетом увеличения его плотности в 800 раз по сравнению с газообразным состоянием вся поверхность земного шара может быть покрыта слоем жидкого кислорода толщиной свыше 2 метров.

Меркурий

Меркурий обегает вокруг Солнца всего за 88 суток, и его год, таким образом, в четыре с лишним раза короче земного. Орбита Меркурия напоминает по форме сильно вытянутый эллипс, чем заметно отличается от почти круговых орбит всех других планет Солнечной системы. Эллиптичность орбиты небесного тела принято выражать через эксцентриситет — отношение большой и малой полуосей орбиты. В случае Меркурия это 0,2, тогда как эксцентриситет земной орбиты в 10 с лишним раз меньше: примерно 0,017. В результате расстояние до Меркурия от Солнца меняется в широких пределах — от 46 до 70 млн км, составляя в среднем 58 млн км. Кроме того, орбита Меркурия ощутимо наклонена к эклиптике (эклиптикой называют плоскость земной орбиты): угол наклона составляет 7° (эти величины больше только у Плутона — 0,25 и 17° соответственно).

Из-за близости к Солнцу Меркурий получает в шесть раз больше солнечного света на единицу площади, чем Земля. В перигелии — точке минимального удаления от Солнца — температура его освещенной поверхности составляет 430 °C, а в афелии — точке максимального удаления — опускается до 290 °C. На ночной стороне планеты температура падает до –170 °C. Поскольку средняя плотность Меркурия почти такая же, как у Земли, у него должно быть железное ядро, которое, по расчетам, занимает почти половину объема планеты.

Меркурий невелик и очень горяч, он уступает Земле в поперечнике почти в 3 раза, а по объему — в 14 раз (среди планет Солнечной системы меньше него только далекий Плутон). Диаметр Меркурия — 4880 км, а масса составляет 5,5 % массы Земли. Атмосфера есть, но очень разреженная, создаваемая солнечным ветром и в основном состоящая из гелия. Ее давление у поверхности планеты в 500 млрд раз меньше давления воздуха на Земле на уровне моря. Сила тяжести на поверхности Меркурия втрое меньше земной, и мужчина среднего роста весил бы там примерно 25 кг.

Если посмотреть на Солнце с Меркурия, оно покажется в 2,5 раза больше.

На протяжении длительного времени астрономы полагали, что Меркурий всегда обращен к Солнцу одним полушарием, как и Луна к Земле. Однако в середине 60-х годов прошлого века было установлено, что период вращения самой горячей планеты Солнечной системы составляет около 59 суток, следовательно, Меркурий совершает полный оборот вокруг своей оси за две трети своего года. По логике вещей, солнечная гравитация должна была давным-давно затормозить его осевое вращение, но коль скоро этого не произошло, возникла интересная гипотеза, что Меркурий некогда вращался вокруг Венеры и только сравнительно недавно был отторгнут более массивным небесным телом. Во всяком случае, математическое моделирование его орбиты не исключает такого варианта.

Венера

Названная в честь древнеримской богини любви и красоты, Венера — ближайшая наша соседка среди больших планет: наименьшее расстояние от Земли — всего 39 млн км. Эта планета — самое яркое светило на нашем ночном небе после Луны. Она сияет в 13 раз ярче Сириуса, которому принадлежит почетное первое место ярчайшей звезды. Блеск Венеры настолько велик, что при известном навыке ее можно иногда видеть даже днем, на фоне голубого неба. Это объясняется тем, что вторая от Солнца планета укутана толстенной атмосферной шубой, в 100 раз более мощной, чем атмосфера Земли. Газовый покров Венеры, пронизанный несколькими слоями облачности, замечательно отражает солнечный свет.

Честь открытия венерианской атмосферы принадлежит нашему соотечественнику Михаилу Васильевичу Ломоносову. Наблюдая в 1761 году прохождение Венеры по солнечному диску, он записал:

«Появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинялся, чем ближе Венера к выступлению проходила. Вскоре оный пупырь потерялся, и Венера оказалась вдруг без края…» Ломоносов сделал вывод, что «планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою… Какова обливается около нашего шара земного».

Венера находится в полтора раза ближе к Солнцу, чем Земля (108 и 149 млн км соответственно), а потому получает от щедрот нашего светила в два с половиной раза больше тепла. По своим размерам Венера и Земля — почти близнецы-сестры: поперечник Венеры лишь немногим уступает диаметру Земли и составляет 12 104 км (0,95 земного диаметра, который равен 12 756 км), а ее масса равняется 81 % массы Земли. Полный оборот вокруг Солнца Венера совершает за 225 земных суток, а вот период ее вращения вокруг своей оси несколько больше — 243 дня. Ни одна другая планета Солнечной системы не крутится вокруг своей оси столь неторопливо, Венера — бесспорный рекордсмен по части самого медленного суточного вращения. Вдобавок оно совершается шиворот-навыворот, в сторону, противоположную ее орбитальному движению. Это вообще-то не уникальное свойство Венеры: скажем, Уран и Плутон тоже вертятся в обратную сторону, но они проделывают это, лежа практически на боку, в то время как ось Венеры почти перпендикулярна плоскости орбиты. Таким образом, она единственная из планет, которая «действительно» вращается наоборот. Разобраться как следует в особенностях суточного вращения Венеры удалось сравнительно недавно — в начале 60-х годов XX века, когда стали широко применяться методы радиолокации, позволившие заглянуть под ее плотный облачный покров.

До полетов к Венере первых космических зондов многие писатели-фантасты представляли себе нашу ближайшую соседку таким себе тропическим раем, знойным и душным миром, покрытым непролазными джунглями. Во влажном сумраке бескрайней сельвы прятались мерзкие твари, занятые непрерывным пожиранием себе подобных. В отличие от дряхлого умирающего Марса, Венера рисовалась некоторым ученым кандидатом в «будущие Земли» — потенциальным новым домом землян. Правда, другие ученые предполагали, что никакой суши на Венере нет, и всю поверхность планеты занимает сплошной огромный океан.

Но исследования развернули перед нами совершенно иную картину. Выяснилось, что атмосфера Венеры на 96,5 % состоит из углекислого газа и почти на 3,5 % — из азота. А на долю всех прочих газов — кислорода, водяного пара, окиси и двуокиси серы, аргона, неона, гелия и криптона — приходится не более 0,1 %. Правда, атмосфера у Венеры очень плотная — примерно в 100 раз плотнее земной. Поэтому, например, азота там содержится примерно впятеро больше, чем в атмосфере Земли.

На поверхности планеты, под чудовищными облаками, царит небывалая, оглушительная жара: 460–470 °C. При такой температуре плавятся некоторые металлы. Даже на освещенной стороне Меркурия немного прохладней. И хотя мощный облачный слой толщиной в несколько десятков километров отражает 77 % падающего на него солнечного света, перенасыщенная двуокисью углерода атмосфера создает на поверхности Венеры сильнейший парниковый эффект, за счет чего температура и достигает столь высоких значений. По той же причине она удивительно стабильна и не зависит от широты местности. Только в высокогорных районах прохладнее — но всего на несколько десятков градусов.

Облачный слой, содержащий капельки концентрированной серной кислоты, простирается до высоты 70 км, а в самых верхних слоях атмосферы присутствуют также соляная и плавиковая кислоты. В общем, для жизни, мягко говоря, не очень. Облачный слой вращается как единое целое, но гораздо быстрее самой планеты, делая полный оборот за 4–5 суток. Поэтому на высотах около 60 км постоянно дуют ураганные ветры со скоростью 100 м/с (360 км/ч).

Вблизи поверхности планеты скорость ветра падает до нескольких метров в секунду, но поскольку атмосфера Венеры в 50 раз плотнее земной и всего лишь в 14 раз уступает в плотности воде, то даже ветер силой 1 м/с ощущается примерно так, как если бы вы были боксерской грушей. Давление атмосферы на поверхности Венеры превосходит земное в 90 раз, а на дне каньона Дианы зарегистрировано давление в 119 раз больше обычного нашего атмосферного давления. Плохо бы там пришлось гипертоникам! Даже на высочайших горных пиках второй планеты, достигающих 11 км в высоту, давление составляет 45 бар, то есть в 45 раз больше, чем на Земле на уровне моря. Одним словом, на Венере очень знойно, очень ветрено и очень «кисло» (поскольку атмосфера там плотная и кислотная). Разумеется, никакая жизнь в привычных нам формах на Венере невозможна.

Рельеф второй планеты сложен и представляет собой обширные холмистые равнины, пересеченные многочисленными грядами, напоминающими срединно-океанические хребты на Земле, а также высокогорные плато вулканического происхождения. Вулканическая активность Венеры сомнений не вызывает. На ее поверхности обнаружены десятки тысяч вулканов, причем некоторые из них достигают 100 км в поперечнике. Не исключено, что отдельные вулканы продолжают извергаться до сих пор, но их количество сравнительно невелико. Выявлены и совершенно уникальные формы рельефа в виде очень толстых и медленно растекающихся лавовых потоков — так называемые вулканы-блины.

В последнее время стала весьма популярной гипотеза так называемого «внезапного вулканизма», призванная объяснить уникальные климатические особенности Венеры. Согласно этой гипотезе, отсутствие континентального дрейфа привело к тому, что медленно накапливавшееся подземное тепло около полумиллиарда лет назад в одночасье выплеснулось наружу через десятки тысяч одновременно возникших вулканов. В атмосферу планеты поступило чудовищное количество углекислоты, вызвав невероятной силы парниковый эффект. Результатом этих процессов стало исчезновение воды и стремительное повышение температуры.

Венера — это единственная планета Солнечной системы, которая обращается вокруг своей оси против часовой стрелки.

Марс

Марс расположен от Солнца в полтора раза дальше, чем Земля, и марсианский год вдвое дольше нашего: его продолжительность составляет 687 земных суток. Кроме того, орбита Марса обладает довольно существенным эксцентриситетом (0,09), то есть орбита довольно вытянутая, так что расстояние до четвертой планеты от Солнца меняется в ощутимых пределах — от 250 млн км в афелии до 207 млн км в перигелии (у Земли соответствующие величины равны 152 и 147 млн км).

Особенности марсианской орбиты приводят к тому, что каждые два года (если точнее, то через каждые 780 дней) Земля и Марс оказываются на минимальном расстоянии друг от друга, которое колеблется от 56 до 101 млн км. Подобные сближения планет принято называть противостояниями. Если же расстояние между ними становится меньше 60 млн км, то говорят о великом противостоянии. Такое событие повторяется через каждые 15–17 лет.

Поперечник Марса составляет 6800 км, то есть он почти вдвое меньше Земли. По массе он уступает нашей планете в 10 раз, а по площади поверхности — в три с половиной раза. Марсианские сутки чуть-чуть длиннее земных (24 ч 39 мин и 23 ч 56 мин соответственно), а угол наклона экватора к плоскости орбиты равняется 25°, что всего на два градуса больше, чем у Земли. Однако в отличие от нашей планеты, сезоны в северном и южном полушариях Марса имеют разную продолжительность, что объясняется заметной вытянутостью его орбиты.

Одним словом, Марс по многим параметрам очень похож на Землю — значительно больше, чем любая другая планета Солнечной системы, и поэтому он всегда вызывал повышенный интерес у землян. Отсюда и сакраментальный вопрос: есть ли жизнь на Марсе? Тем более что эта планета старше Земли. Может быть, там живут технически высокоразвитые марсиане? Когда в конце XIX века итальянский астроном Джованни Скиапарелли сообщил, что неоднократно видел на поверхности Марса сеть длинных темных линий, связывающих полярные и умеренные зоны планеты, ученые немедленно предположили их искусственное происхождение. Вслед за ними в дело включились писатели, от души принявшись эксплуатировать эту тему в литературе. Мода на Марс росла не по дням, а по часам.

А что же в действительности? Как ни странно, до недавнего времени на эти вопросы не было ответа. Одни ученые утверждали, что Марс — мертвая планета: если там и была жизнь, то она погибла сотни миллионов лет назад. А каналы? — возражали другие. На Марсе ведь есть разветвленная сеть каналов, до 50 км шириной, соединяющая полюса с умеренными широтами. А что если это сложные ирригационные сооружения, перераспределяющие драгоценную марсианскую влагу?

Но наконец началась эра космонавтики. Первые же зонды, добравшиеся до Марса, зарегистрировали чрезвычайно разреженную атмосферу, полное отсутствие сколько-нибудь крупных водоемов и многочисленные следы интенсивной метеоритной бомбардировки. Сегодня, когда в окрестностях Марса (и на его поверхности в том числе) побывало множество автоматических станций, мы имеем право подвести первые итоги.

Поскольку Марс получает от Солнца в два с лишним раза меньше тепла, чем Земля, среднегодовая температура на его поверхности составляет –60 °C. И хотя летом на экваторе столбик термометра иногда поднимается на несколько градусов выше нуля, суточные перепады температуры достигают нескольких десятков градусов. Например, в южном полушарии на пятидесятой параллели температура в разгар осени не поднимается выше –18° в полдень и падает ночью до –63°. Столь значительный размах температурных колебаний на протяжении суток объясняется крайней разреженностью марсианской атмосферы, состоящей на 95 % из углекислого газа (а содержание кислорода не превышает 0,4 %). На северном полюсе Марса зарегистрированы исключительно низкие температуры порядка –138 °C. Атмосферное давление на поверхности Марса в 160 раз ниже, чем на Земле на уровне моря. Только на дне самых глубоких впадин оно несколько больше — раза в два. Марсианская атмосфера чрезвычайно суха и почти полностью лишена водяных паров. Вдобавок на Марсе периодически вспыхивают сильнейшие бури, поднимающие в воздух миллиарды тонн пыли. Их продолжительность доходит до 100 суток, а скорость ветра достигает 70 км/ч. Таким образом, современный Марс — это очень суровый мир, и говорить о существовании сколько-нибудь сложных форм жизни в таких экстремальных условиях, по всей вероятности, не приходится.

Но с другой стороны, не следует забывать, что жизнь отличается необыкновенной пластичностью и высоким адаптивным потенциалом. Некоторые организмы комфортно существуют при температурах 250–300 °C. Некоторые земные бактерии могут обходиться без кислорода и выживать в кислотах и щелочах. Твердая поверхность Земли и мировой океан — лишь небольшая часть обжитого мира, а глубоко в недрах нашей планеты процветает сложная экосистема микроорганизмов, почти не сообщающаяся с внешним миром. Есть основания считать, что количество организмов, обосновавшихся под землей, заметно превышает численность наземных обитателей. Споры многих бактерий могут в течение длительного времени выживать в космосе, что было не раз доказано экспериментально. Поэтому совершенно не исключено, что в марсианском грунте могут обнаружиться примитивные формы жизни, особенно если учесть тот факт, что вода на Марсе имеется. Нижний слой полярных шапок планеты толщиной в несколько километров сложен из обычного водяного льда, перемешанного с пылью. Это так называемый «сухой лед». Кроме того, в некоторых областях под поверхностью Марса должна располагаться многокилометровая толща вечной мерзлоты. О наличии криолитосферы свидетельствуют, в частности, некоторые особенности геологических структур на поверхности Марса.

А сравнительно недавно теоретические выкладки получили надежное экспериментальное подтверждение. Американский космический зонд «Марс Одиссей», запущенный в апреле 2001 года, обнаружил на шестидесятом градусе южной широты огромный океан водяного льда. Более того, по мнению некоторых ученых, в марсианском грунте на глубинах от 100 до 400 м вода может находиться даже в жидком состоянии: в противном случае трудно объяснить происхождение специфических борозд на стенках каньонов и кратеров. Как при жутких марсианских холодах, промораживающих грунт на пару километров вглубь, может сохраниться жидкая вода? Очень просто: вблизи магматических очагов лед может плавиться, переходя в жидкую фазу, а таких «вулканов» на Марсе достаточно.

Таким образом, вопрос о жизни на Марсе имеет три варианта ответа:

1) на Марсе никогда не было жизни;

2) на поверхности Марса нет жизни, но она может существовать в недрах планеты;

3) сегодня на Марсе жизни нет, но она существовала в прошлом, поэтому можно отыскать ее следы.

Первый вариант не слишком интересен. Относительно второго возможны разные мнения, но необходимы дополнительные исследования. А вот третий вариант представляет бесспорный интерес, поскольку многие ученые убеждены, что в далеком прошлом воды на Марсе было в избытке. По некоторым расчетам, 4 млрд лет назад ее было даже больше, чем на Земле.

Об этом свидетельствуют грандиозные каньоны и высохшие речные русла, во множестве встречающиеся на поверхности Марса. Некоторые из них достигают в ширину 200 км при длине в несколько тысяч. Даже могучая Амазонка — самая полноводная река нашей планеты — выглядит на этом фоне довольно бледно. Куда могла подеваться вода, сформировавшая эти геологические структуры, возраст которых оценивается в 3 млрд лет и более? Между тем, планетологи не исключают, что в ту далекую эпоху обширные районы северного полушария Марса были покрыты океаном километровой глубины. Мертвых марсианских озер тоже найдено видимо-невидимо. Одно из них было сравнительно недавно идентифицировано американскими геологами. Его размеры могут поразить самое богатое воображение: по площади оно вполне сопоставимо с суммарной территорией Техаса и Мексики, а глубина этого монстра достигала 2 километров.

Что же, случилась какая-то планетарная катастрофа? Сценарии предлагались самые разные. Например, французский астроном Жак Ласкар полагает, что угол наклона оси вращения Марса к плоскости его орбиты есть величина переменная. Сегодня, как известно, марсианская ось наклонена к эклиптике под углом 25°, то есть всего на два градуса больше, чем угол наклона земной оси. По мнению Ласкара, 6 млн лет назад эта величина составляла 47° — Марс лежал практически на боку, и его полюса получали максимум солнечного тепла.

Полярные шапки растаяли полностью, и в атмосферу планеты поступили огромные количества углекислого газа и водяных паров. Углекислота обеспечила парниковый эффект, а водяные пары сконденсировались и выпали на поверхность, образовав океан глубиной в несколько километров. Ласкар считает, что на протяжении последних 10 млн лет угол наклона марсианской оси к плоскости эклиптики неоднократно менялся в очень широких пределах — от 13° до 47°. Причиной тому было мощное гравитационное поле ближайших соседей Марса, в первую очередь Юпитера. Четвертая планета Солнечной системы напоминает юлу в состоянии неустойчивого равновесия, на который оказывают воздействие извне. Марс все время «пляшет», и полюса планеты получают то избыток, то недостаток солнечного тепла. Сегодня на Марсе ледниковый период. Между прочим, по мнению французского астронома, земная ось тоже могла бы «прыгать» взад-вперед, если бы не стабилизирующее влияние Луны.

Другую версию катастрофы предложил Александр Портнов. Марс нередко называют Красной планетой, и в этом названии нет никакого преувеличения: его поверхность действительно имеет красноватый оттенок из-за высокого содержания в марсианском грунте так называемых красноцветных песков. Красный цвет марсианских песков (как и цвет человеческой крови) объясняется обилием оксида железа. В их состав входят и другие показательные минералы. Такой набор характерен для широко встречающихся на Земле красноцветных пород выветривания, возникающих в условиях теплого климата, обилия воды и свободного кислорода в атмосфере. Суммарная мощность земных красноцветов достигает нескольких километров, но то же самое можно видеть и на Марсе: их слой оценивается в 3–5 км. Между прочим, ни на одной планете Солнечной системы, кроме Земли и Марса, подобные породы не встречаются. При этом хорошо известно, что красноцветные породы на Земле могли образоваться только после того, как в атмосфере появился свободный кислород. Но дело в том, что практически весь кислород земной атмосферы (а его 21 %) имеет биогенное происхождение, то есть образовался в результате биосферных процессов. Другими словами, кислород — это продукт и порождение жизни. Если уничтожить всю растительность, свободный кислород улетучится почти мгновенно: вновь соединится с органическими веществами, войдет в состав углекислоты и окислит железо горных пород.

Тогда откуда на Марсе красные пески, если содержание кислорода в атмосфере четвертой планеты не более 0,4 %? Явно недостаточно для образования мощного слоя красноцветных пород. Значит, когда-то кислорода на Марсе было много. Очень много, судя по количеству красных песков, которых на Марсе гораздо больше, чем на Земле. А поскольку кислород в таких количествах биогенен, как было сказано, получается, что на Марсе некогда шумели исполинские леса.

Если марсианские леса должны были бы существовать, а их нет, значит, их что-то уничтожило. И это уничтожение носило характер планетарной катастрофы.

У Марса имеются два спутника — Фобос и Деймос, вращающиеся вокруг материнской планеты на очень низких орбитах. Их происхождение окончательно не установлено. Они представляют собой небесные тела неправильной формы с почти круговыми орбитами. Фобос напоминает картофелину длиной 26 и шириной 18 км. Размеры Деймоса еще меньше: 16 и 10 км соответственно. Деймос обращается вокруг Марса на расстоянии около 23 тыс. км, а вот Фобос стелется совсем низко: его отделяют от планеты чуть менее 6 тыс. км. Период его обращения очень мал — за одни марсианские сутки он успевает трижды обогнуть Марс. Фобос быстро приближается к материнской планете и, видимо, довольно скоро (по астрономическим меркам, разумеется) пересечет так называемый предел Роша. Предел Роша — это вполне определенное критическое расстояние (свое для каждого небесного тела), на котором гравитация планеты разрывает тело-спутник на части.

На Марсе предел Роша проходит в 5 тыс. км от поверхности планеты, поэтому Фобосу осталось совсем чуть-чуть. По оценкам специалистов, трагедия случится примерно через 40 млн лет и будет иметь катастрофические последствия. Когда обломки спутника рухнут на Марс, его поверхность разогреется до высочайших температур, а остатки атмосферы в виде плазмы улетят в мировое пространство.

Согласно расчетам астрономов XVIII века, на расстоянии 2,8 а. е. от Солнца, между Марсом и Юпитером, должна была находиться еще одна планета — пятая от Солнца. Ее там не оказалось, но впоследствии на рассчитанной для этой планеты орбите обнаружили пояс астероидов. Ученые пришли к выводу, что это осколки той самой, когда-то существовавшей, крупной планеты. Ее назвали Фаэтоном. По одной из гипотез планета разрушилась под воздействием мощной гравитации Юпитера.

У Марса, вероятно, когда-то имелся еще один спутник, вращавшийся на еще более низкой орбите, чем Фобос. Он был заторможен плотной марсианской атмосферой, прошел через предел Роша, и его обломки уничтожили на планете все живое. Любопытно, что кратеры на Марсе образуют линейно вытянутые зоны и следуют друг за другом, как следы автоматных очередей. Возможно, так отражаются направления «главных ударов» падавших друг за другом обломков. Осколки этой страшной атаки — куски марсианской коры — долетели до Земли.

Юпитер

Пятая планета Солнечной системы по праву носит имя верховного бога древнеримского пантеона. Чтобы получить один Юпитер, потребовалось бы сложить 318 Земель. И хотя он в два с лишним раза тяжелее всех остальных планет Солнечной системы вместе взятых, необходимо не меньше 1047 Юпитеров, чтобы вылепить одно-единственное Солнце. Диаметр Юпитера превосходит земной в 11 раз и составляет почти 143 тыс. км. Он движется в космическом пространстве неторопливо, в сопровождении своих 63 спутников, совершая полный оборот вокруг Солнца за 12 без малого лет.

Юпитер возглавляет список газовых гигантов, которые разительно отличаются от планет земной группы. Во— первых, они очень велики и массивны: на их долю приходится 99,5 % массы всей планетной семьи. Во-вторых, они состоят в основном из водорода и гелия, поэтому средняя плотность вещества планет-гигантов приближается к плотности воды — от 0,7 г/см^3 у Сатурна до 1,6 г/см^3 у Нептуна. Средняя плотность планет земной группы много выше и колеблется от 5,5 г/см^3 у Земли до 3,9 г/см^3 у Марса. В-третьих, они лишены отчетливой грани, разделяющей атмосферу и поверхность планеты: их мощная газовая оболочка плавно переходит в океан жидкого молекулярного водорода. Наконец, все планеты-гиганты имеют кольца, но если о знаменитых кольцах Сатурна наслышаны все, то аналогичные образования у Нептуна, Юпитера и Урана были обнаружены сравнительно недавно.

Юпитер очень велик. Например, Сатурн, мало уступающий ему в размерах, в три с лишним раза легче Юпитера. Видимая поверхность пятой планеты — это слой сплошной облачности из чередующихся темных и светлых поясов, окрашенных в разные цвета и простирающихся от экватора до сороковых параллелей северной и южной широты. Пестрота широтных поясов объясняется примесью различных химических соединений. Пожалуй, самая известная деталь на поверхности Юпитера — так называемое Большое красное пятно, овальное образование переменных размеров, расположенное в южной тропической зоне. В настоящее время его размеры составляют 15 000 × 30 000 км, так что внутри красного пятна можно без труда уложить бок о бок два земных шара. Астрономы наблюдают эту загадочную структуру на протяжении 300 лет. Некоторые ученые считали красное пятно твердым и достаточно легким телом, плавающим в верхних слоях атмосферы. По современным представлениям, Большое красное пятно — это свободно мигрирующий атмосферный вихрь антициклонического типа, однако о происхождении этого вихря и причинах его поразительной стабильности планетологи не могут сказать ничего определенного.

Несмотря на увесистость, Юпитер очень резво оборачивается вокруг своей оси. Полный оборот совершается всего за 9 ч 50 мин, так что юпитерианские сутки непродолжительны. А поскольку планета представляет собой нетвердое тело, скорость осевого вращения разнится в зависимости от широты: экваториальные зоны вращаются быстрее полярных. Смены времен года на Юпитере не бывает, так как плоскость его экватора практически лежит в плоскости орбиты (угол наклона составляет всего 3 градуса).

Данные космических зондов показали, что верхний слой облачности, вероятнее всего, состоит из перистых аммиачных облаков, а ниже находится смесь водорода, метана и замерзших кристаллов аммиака. За счет конвективных процессов в атмосфере Юпитера формируется система устойчивых зональных течений в виде сильных ветров, дующих в одном направлении. Скорость их весьма значительна: 50—150 м/с. У Юпитера обнаружено мощное магнитное поле, по напряженности на порядок превосходящее магнитное поле Земли. Планету окружают протяженные радиационные пояса, а шлейф магнитосферы Юпитера можно зафиксировать даже за орбитой Сатурна.

Юпитер расположен от Солнца впятеро дальше, чем Земля, на расстоянии около 800 млн км, поэтому температура внешнего облачного покрова гигантской планеты не поднимается выше –130 °C. Однако тепловое излучение его недр вдвое превышает приток солнечного тепла, что говорит о сложных процессах, совершающихся в глубинах планеты. С глубиной давление и температура стремительно растут, достигая очень больших величин.

В несколько упрощенном виде Юпитер можно представить в виде оболочек с плотностью, возрастающей по направлению к центру планеты. На дне атмосферы толщиной 1500 км, плотность которой быстро растет по мере движения вглубь, находится слой газожидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,9 радиуса планеты, где давление составляет 0,7 Мбар, то есть в 700 тыс. раз больше земного (бар — внесистемная единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере), а температура около 6500 К, водород переходит в жидкомолекулярное состояние, а еще через 8000 км — в жидкое металлическое состояние. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входит небольшое количество тяжелых элементов. Внутреннее ядро диаметром 25 тыс. км — металлосиликатное, включающее также воду, аммиак и метан. Температура в центре составляет 23 тыс. К, а давление — 50 Мбар. Похожее строение имеет и Сатурн.

Ничуть не менее интересны и большие спутники Юпитера, которые принято называть галилеевыми в честь открывшего их в начале XVII века Галилео Галилея. Их четыре: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе, он даже больше Меркурия. Однако в настоящее время пристальное внимание большинства ученых привлекает второй из галилеевых спутников — Европа, как возможный кандидат на роль колыбели простейших форм жизни. Дело в том, что поверхность этой небольшой планеты (ее диаметр чуть меньше лунного) покрыта мощной ледяной корой 100-километровой толщины, а под ней мирно спит сплошной океан жидкой воды, глубина которого может достигать 50 км. Подледный океан представляет собой своего рода мантию Европы, причем вполне вероятно, что вода в нем теплая, поскольку подогревается поступающим из недр планеты теплом. Таким образом, второй спутник Юпитера — единственное, кроме Земли, небесное тело Солнечной системы, не испытывающее нехватки животворной влаги.

Средняя плотность Европы приближается к плотности планет земной группы и составляет около 3 г/см^3. Следовательно, 80 % ее массы приходятся на силикатные породы, слагающие разогретое ядро, а 20 % — на водяной лед (жидкая водно-ледяная мантия плюс ледовая кора). Ледовый панцирь планеты покрыт густой сетью трещин и разломов, что говорит об активных тектонических процессах, протекающих в недрах Европы. Крупные трещины простираются на тысячи километров, а их ширина колеблется от 20 до 200 км. Не исключено, что в теплом океане второго спутника Юпитера могут существовать простейшие формы жизни. Некоторые ученые полагают, что наиболее благоприятные условия должны складываться не в океанских глубинах, а в области тектонических разломов на поверхности планеты. Дело в том, что из-за приливного эффекта Юпитера трещины периодически сужаются и расширяются. В последнем случае вода поднимается почти до самой поверхности, и тогда в ее толщу проникает солнечный свет, необходимый для поддержания жизни.

Другой спутник Юпитера, Ио, немного больше Луны и примечателен активным вулканизмом, который стимулируется приливным воздействием материнской планеты и гравитационными возмущениями его ближайших соседей — Европы и Ганимеда. Ио почти целиком состоит из горных пород, а десятки действующих вулканов выбрасывают пары серы и сернистый газ на высоту в сотни километров со скоростью 1 км/с. Поэтому при весьма низких средних значениях температуры на поверхности Ио (–140 °C) там можно обнаружить горячие пятна размером от 75 до 250 км, температура которых достигает 100–300 °C. Самые крупные спутники Юпитера, Каллисто и Ганимед, наполовину состоят изо льда.

Все планеты Солнечной системы могли бы поместиться внутри Юпитера.

Сатурн

Шестая планета Солнечной системы. Подобно Юпитеру, Сатурн представляет собой огромный газовый шар, стремительно вращающийся вокруг своей оси. Сутки на поверхности Сатурна продолжаются 10 ч 40 мин. Хотя Сатурн не очень сильно уступает Юпитеру в размерах (его диаметр всего на 20 тыс. км с небольшим меньше, чем у царя планет, и составляет 120,5 тыс. км), он более чем в 3 раза легче него, однако в 95 раз массивнее Земли. Это объясняется уникально низкой средней плотностью Сатурна: она меньше плотности воды и составляет 0,7 г/см^3 (против 1,33 г/см^3 у Юпитера, то есть почти вдвое ниже). Этот гигант не способен утонуть даже в керосине.

Сатурн удален от Солнца почти на 1,5 млрд км — вдесятеро дальше Земли, поэтому на единицу площади он получает в 90 раз меньше солнечного тепла, а его температура на границе верхней облачности не превышает –120 °C. Однако тепловое излучение его недр вдвое превосходит поток энергии, получаемый им от Солнца. Сатурн — водородно-гелиевый шар, но в отличие от Юпитера он содержит значительно больше водорода, чем гелия — 94 и 6 % соответственно. Орбита этого холодного гиганта представляет собой почти правильную окружность, а полный оборот вокруг Солнца он совершает за 29,5 лет.

Знаменитые кольца Сатурна впервые обнаружил голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс во второй половине XVII века, а еще четверть столетия спустя французский астроном итальянского происхождения Джованни Кассини сумел разглядеть темную щель, разделяющую яркое плоское кольцо надвое. Внешнюю часть этого гигантского ожерелья, простирающегося почти на миллион километров, назвали кольцом А, а внутреннюю — кольцом В. Впоследствии удалось выявить еще четыре кольца — С, D, Е и F, а в 1980–1981 годах американские космические зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» передали на Землю снимки Сатурна и его колец с высоким разрешением. На этих снимках отчетливо видно, что кольца Сатурна состоят из многих тысяч отдельных узких колечек. Система колец, опоясывающая шестую планету, — это мириады каменных и ледяных обломков самой различной величины и формы.

Сатурн столь же полосат, как и Юпитер, но из-за низких температур, вымораживающих пары аммиака с образованием густого тумана, его широтные пояса видны не так отчетливо. Близ северного полюса обнаруживается гигантский атмосферный вихрь овальной формы размером с Землю, получивший название Большого коричневого пятна. В атмосфере Сатурна дуют сильные зональные ветра, скорость которых — от 100 до 500 м/с в зависимости от широты. Подобно Юпитеру, Сатурн обладает мощным магнитным полем, ось которого совпадает с осью вращения планеты.

Из 56 спутников Сатурна наибольший интерес представляет самый крупный, Титан, немного уступающий Ганимеду, но превосходящий по размерам Меркурий. Его диаметр составляет 5150 км, но разглядеть детали на поверхности не представляется возможным из-за плотной атмосферы, давление которой в полтора раза больше, чем на Земле. Атмосфера Титана почти целиком состоит из азота (98,4 %), а на долю метана приходится всего лишь 1,6 %. Кроме того, в ней обнаруживаются примеси пропана, этана, ацетилена, аргона, гелия, окиси и двуокиси углерода и некоторых других газов. Температура верхних атмосферных слоев приближается к –120 °C, тогда как температура поверхности планеты много ниже и составляет –179°, что объясняется своеобразным антипарниковым эффектом (густой туман рассеивает и отражает солнечные лучи). Между прочим, если бы человек каким-то чудом оказался на Титане, он, по-видимому, сумел бы запросто парить в его очень плотной атмосфере, прицепив к рукам крылья наподобие греческого Икара, поскольку сила тяжести на его поверхности в 7 раз меньше земной.

До недавнего времени ученые полагали, что под облачной шубой Титана может скрываться океан километровой глубины из этана, метана и азота, однако данные, полученные автоматической станцией «Кассини», посетившей окрестности Сатурна и сделавшейся его искусственным спутником, заставили пересмотреть это мнение. В начале 2005 года «Кассини» отстрелила зонд «Гюйгенс», который вошел в атмосферу Титана и с помощью парашюта совершил мягкую посадку на его поверхность. Титан — единственный планетный спутник (кроме Луны), на котором садился земной аппарат. Оказалось, что жидкости на Титане совсем немного: пока удалось найти лишь сравнительно небольшие углеводородные озера в районе северного полюса.

Сатурн похож на Землю в плане сезонных изменений, потому что у него похожая ось наклона.

Уран

До второй половины XVIII века никто и никогда не появлялся на свет под знаком Урана, ибо наши предки не ведали о существовании этого небесного тела. Седьмая планета Солнечной системы была открыта в 1781 году англичанином Уильямом Гершелем, за что он был удостоен звания придворного астронома с окладом в 200 фунтов. Новую планету почти сразу же окрестили Ураном, что было вполне естественно: раз Сатурн приходится Юпитеру родным папой, то очередную планету следовало назвать в честь дедушки.

Уран кружится вокруг Солнца на расстоянии около 3 млрд км, совершая полный оборот за 84 года со скоростью почти 7 км/с (орбитальная скорость Земли — 29 км/с). Ничего удивительного в этом нет, ибо чем дальше планета отстоит от Солнца, тем медленнее она вращается — так гласит третий закон Кеплера. А вот осевое вращение Урана вполне уникально: плоскость его экватора наклонена к плоскости орбиты под углом 98°, так что он вращается вокруг оси, практически лежа на боку. Поэтому продолжительность дня и ночи на седьмой планете намного превышает период ее осевого вращения. Солнце, которое с поверхности Урана выглядит яркой звездой, медленно, в течение 21 земного года, поднимается в небе, а достигнув зенита, еще 21 год неторопливо ползет вниз, пока не скроется за горизонтом. Наступает 42-летняя ночь. Так обстоит дело на полюсах, где продолжительность дня и ночи составляет по 42 года. На широте 30° день и ночь длятся по 14 лет, а на широте 60° — по 28. Период осевого вращения Урана равняется в среднем 15 ч, ощутимо меняясь в зависимости от широты.

Как и другие планеты-гиганты, Уран представляет собой огромный газовый шар, на 85 % состоящий из водорода, на 12 % — из гелия и на 2,3 % — из метана. Его средняя плотность лишь немного превышает плотность воды и составляет 1,3 г/см^3, а масса в 14,5 раза больше массы Земли. По размерам седьмая планета заметно уступает Юпитеру и Сатурну, однако ее диаметр — около 51 120 км — в четыре раза превышает земной. Уран — очень холодный мир: температура его поверхности почти не зависит от широты, но значительно колеблется в зависимости от глубины — от –210 °C на уровне верхней облачности до –170° в подоблачном слое. В отличие от других газовых гигантов, Уран практически не имеет внутренних источников тепла. У седьмой планеты обнаружено мощное магнитное поле и девять очень узких и плотных колец, почти не отражающих солнечный свет. До настоящего времени в окрестностях Урана побывал один-единственный космический зонд — «Вояджер-2», стремительно пролетевший мимо него в январе 1986 года.

Согласно модели внутреннего строения Урана, в центре температура планеты должна быть ниже, чем у Юпитера и Сатурна, но выше, чем у Земли, — около 7200 К, а давление около 8 Мбар. Над большим ядром, состоящим из металлов, силикатов, льдов аммиака и метана и занимающим около 0,3 радиуса планеты, должна находиться мантия из смеси водяного и аммиачно-метанового льдов. На уровне 0,7 радиуса от центра начинается газовая оболочка из водорода и гелия.

Уран сопровождают 27 спутников, крупнейший из которых, Титания, имеет диаметр 1580 км. Средняя суточная температура поверхности спутников, на 60 % состоящих изо льда, исключительно низка — менее 60 К (–213 °C). Водяной лед при такой температуре превращается в твердый минерал.

Несколько лет назад Международный астрономический союз лишил Плутон, считавшийся девятой планетой Солнечной системы, статуса планеты, назвав его карликовой планетой или астероидом. Однако это решение понравилось не всем. В марте 2009 года сенат штата Иллинойс принял постановление, что Плутон будет считаться в штате планетой.

Нептун

Нептун был открыт в 1846 году «на кончике пера» французским астрономом Урбаном Леверье. Обнаружив аномалии в орбитальном движении Урана, он предположил, что на седьмую планету Солнечной системы оказывает влияние неизвестное массивное тело, и точно рассчитал его положение на небосводе. Руководствуясь вычислениями Леверье, немецкие астрономы Иоанн Готфрид Галле и Генрих Луи Д’Арре без труда отыскали восьмую планету, которая обнаружилась в точке небесной сферы, указанной прозорливым французом. Это было полное торжество классической механики Ньютона.

Новую планету решено было назвать Нептуном в честь древнеримского покровителя морской стихии. Повелевающий бурями Нептун приходился родным братом Юпитеру, вместе с которым он поделил господство над миром после низвержения титанов. По жребию ему досталось в удел море, тогда как венценосный громовержец обосновался на Олимпе и стал управлять горними высями. Их третий брат — ужасный Плутон (другое его имя — Аид) — поселился во «мрачных пропастях земли» и сделался владыкой царства мертвых.

С момента открытия восьмой планеты Солнечной системы прошло больше полутора веков, но один нептуновский год минул только в 2011 году, так как Нептун, удаленный от Солнца на 4,5 млрд км (или 30 а. е.), совершает полный цикл за 165 земных лет. По своим физическим параметрам он мало отличается от Урана, немного уступая ему в размерах (диаметр Нептуна составляет почти 49 530 км), но ощутимо превосходя по массе (17 масс Земли), что объясняется его большей средней плотностью (примерно 1,64 г/см^3). От Солнца Нептун получает в 900 раз меньше тепла, чем наша планета. Однако в отличие от спокойного Урана интенсивность теплового излучения недр восьмой планеты почти втрое превышает приток солнечной энергии извне. Этот феномен связывают с распадом тяжелых радионуклидов в ее ядре.

Из-за огромной удаленности Нептуна изучение его поверхности сопряжено со значительными трудностями. Однако голь на выдумки хитра. Воспользовавшись уникальным взаимным расположением Земли и планет-гигантов, космический зонд «Вояджер-2» умудрился проскользнуть в 1989 году на расстоянии 5000 км от Нептуна, сумев разглядеть некоторые детали его облачной шубы. В южном полушарии планеты обнаружено Большое темное пятно размером с Землю, стремительно дрейфующее в западном направлении со скоростью 325 м/с. Ветра, дующие в атмосфере Нептуна, тоже не фунт изюму: их скорость достигает 400–700 м/с. Земные ураганы, срывающие кровли с домов и опрокидывающие железнодорожные составы, на этом фоне не более чем ласковый морской бриз. У планеты выявлено магнитное поле, в два раза уступающее по мощности магнитному полю Урана, а также система колец, некоторые из которых представляют собой незамкнутые образования наподобие арок.

Как и все остальные газовые гиганты, Нептун — водородно-гелиевый мир, причем на долю гелия приходится не более 15 %, а метана и того меньше — около 1 %. Специалисты предполагают, что под облачным слоем лежит обширный водяной океан, насыщенный ионами различных химических элементов.

Лето на Нептуне долгое — 40 лет, но загореть или искупаться надежды нет: температура там –200 °C.

Значительное количество метана, по-видимому, содержится глубже, в ледяной мантии планеты. Даже при температуре в тысячи градусов при давлении в 1 Мбар (то есть в миллион раз больше, чем на поверхности Земли) смесь воды, метана и аммиака может образовывать твердые льды. На долю горячей ледяной мантии, вероятно, приходится 70 % массы всей планеты. Около 25 % массы Нептуна должно, по расчетам, принадлежать ядру, состоящему из окислов кремния, магния, железа и его соединений, а также каменных пород. Модель внутреннего строения планеты показывает, что давление в ее центре около 7 Мбар, а температура — около 7000 К.

У Нептуна имеется 13 спутников, но наиболее примечателен крупнейший из них — Тритон, имеющий в поперечнике 2705 км. Обращаясь вокруг материнской планеты на расстоянии 355 тыс. км (примерно такое же расстояние отделяет Луну от Земли), он единственный из всех спутников Нептуна движется по орбите в обратном направлении. Поверхность Тритона, температура у которой не превышает 38 К (–23 °C), представляет собой трещиноватую равнину, напоминающую дынную корку. Предполагается, что под ледовым панцирем толщиной около 200 км лежит водный океан глубиной 150 км, насыщенный аммиаком, метаном и солями.

Однако самая большая загадка Тритона — это его вулканическая активность. Специалистам пришлось даже придумать специальный термин — криовулканизм, то есть вулканизм при низких температурах, ибо никому в голову не могло прийти, что насквозь промерзшие миры на задворках Солнечной системы могут обладать хоть какой-то вулканической активностью. Представьте себе гейзер, взламывающий азотный лед на поверхности планеты и взлетающий на высоту до 8 км. При этом толщина столба тоже весьма внушительная — от 20 м до 2 км. Вспорхнувшая в поднебесье струя развеивается ветрами (у Тритона есть разреженная атмосфера, состоящая из азота, небольшого количества метана и водорода) и превращается в шлейфы, тянущиеся на 150 километров.

Тритон на 70 % сложен из силикатов и на 30 % из льдов, в состав которых входят азот, окись углерода и метан. Криовулканизм внятного объяснения пока не получил, но некоторые ученые полагают, что он может быть связан с приливным разогревом поверхности планеты, а также с проникновением солнечной радиации через полупрозрачные верхние слои льда.

По сравнению с Тритоном, который лишь немногим меньше Луны, Нереида, имеющая в поперечнике какие-то жалкие 340 км, смотрится совершенной крохой. Тем не менее это третий по величине спутник Нептуна, прежде всего, интересный тем, что обращается вокруг материнской планеты по чрезвычайно вытянутой орбите с эксцентриситетом около 0,75. Такие орбиты сплошь и рядом встречаются у комет, которые то приближаются к Солнцу, истаивая в пламени его хромосферы, то улетают во мрак и холод далеких окраин Солнечной системы.

Масштабы проблемы космического мусора, оставленного людьми, огромны, так как вблизи Земли вращаются более 17 тыс. объектов размером более 10 см. Дело осложняется еще и тем, что каждый из крупных объектов потенциально может, в свою очередь, расколоться на тысячи более мелких. Ученые предложили направлять специальные спутники к самым крупным фрагментам космического мусора, таким как, например, отработанные ракеты. Эти аппараты прикрепят к ним ускорители, позволяющие направить ракеты к Земле, и при входе в атмосферу они сгорят.

Земля

Естественная история

Около 4,6 млрд лет назад в том месте космического пространства, где мы сейчас находимся, образовался и стал сжиматься огромный вихрь газа и пыли поперечником 24 млрд км. Почти все — 99,9 % массы Солнечной системы — ушло на создание Солнца. Из оставшегося «в свободном полете» вещества две микроскопические частицы сошлись достаточно близко, чтобы быть притянутыми друг к другу электростатическими силами. Это был момент зачатия нашей планеты.

То же самое происходило по всей зарождающейся Солнечной системе. Сталкивавшиеся частицы пыли образовывали все более крупные комки. В конце концов комья выросли до таких размеров, чтобы называться планетезималями. Без конца сталкиваясь друг с другом, они распадались на части и вновь соединялись в самых разнообразных сочетаниях, но в каждом столкновении был победитель, и некоторые из них становились достаточно большими, чтобы господствовать на той орбите, по которой они двигались. Все это происходило удивительно быстро по космологическим меркам. Чтобы крошечное скопление частиц выросло в зародыш планеты поперечником в сотни километров, потребовалось лишь несколько десятков тысяч лет.

Всего за двести миллионов лет, а возможно, и быстрее, Земля, по сути, полностью сформировалась, хотя и находилась еще в расплавленном состоянии, подвергаясь непрерывной бомбардировке носящимися кругом остатками строительного мусора.

В этот момент, примерно 4,4 млрд лет назад, с Землей столкнулся объект размером с Марс, выбросив такое количество вещества, что его хватило для создания сопутствующей нам Луны, которая оказалась больше иных планет! Полагают, что выброшенное вещество за несколько недель собралось в один рыхлый ком, а за год сформировалось в сферическое каменное тело, которое с тех пор и сопровождает нас.

Большая часть лунного вещества происходит из внешних слоев Земли, а не из ядра. Поэтому на Луне так мало железа, тогда как у нас его много.

Помимо Луны, еще 6 астероидов сопровождают Землю, двигаясь близко к ее орбите вокруг Солнца. Один из них — Круинья, диаметром более 5 км, находится в 15 млн км от Земли. Так что с некоторой натяжкой можно сказать, что у Земли 6 спутников, а не один.

Когда Земля имела лишь около трети своих окончательных размеров, она, возможно, уже стала формировать атмосферу, главным образом из углекислого газа, азота, метана и серы. Вряд ли это те вещества, которые у нас ассоциируются с жизнью, и тем не менее именно из этого ядовитого варева образовалась жизнь. Углекислый газ обладает мощными парниковыми свойствами. Это оказалось очень кстати, потому что в то далекое время Солнце светило значительно слабее. Не будь парникового эффекта, Земля вполне могла постоянно оставаться замерзшей, и жизни, возможно, было бы просто не за что зацепиться.

Но, так или иначе, жизни это удалось. В следующие 500 млн лет юная Земля по-прежнему неослабно обстреливалась кометами, метеоритами и всякими другими космическими обломками, которые принесли воду, чтобы заполнить океаны, и компоненты, необходимые для успешного возникновения жизни. Окружающая среда была исключительно враждебна, но жизнь каким-то образом развивалась. Крошечный комочек химических веществ дернулся и ожил.

Итак, на фоне эволюционных процессов в истории Земли случались и своеобразные «революции». Конечно, их никто не проводил и не возглавлял. Это были естественные явления, вызванные силами, таившимися в глубинах Земли или имевшими неземное, космическое происхождение. Но явления были катастрофического характера. После таких коллизий, можно сказать, испытаний, облик Земли совершенно менялся. Что-то исчезало, притом безвозвратно. Что-то, чего просто не могло раньше быть, обретало теперь возможность выйти на сцену.

Следы таких катастроф тем труднее установить, чем они древнее. Но следы всегда остаются, тем более что катастрофы— то были грандиозными! Между тем, названные явления не просто «интересные». Они представляют собой важнейший научный ресурс: их изучение позволяет объяснить очень существенные особенности эволюции нашей планеты. Это — геологическая история, «естественная история» Земли.

Образование и эволюция Земли

Как мы уже знаем, согласно современной теории происхождения планет, Земля образовалась таким же способом, каким наши дети лепят из пластилина лошадок и клоунов. Да, похоже, есть что-то верное в распространенном мифе о том, как Бог лепит вещи мирские из глины. Частицы космической пыли слепливались друг с другом, пока ком не вырастал настолько, что начинал притягивать более мелкие «лепешки» по пути своего следования.

Массы наибольших тел, падавших на Землю, оцениваются по наблюдаемому сейчас наклону оси вращения Земли. Как известно, вращение планет состоит из двух компонентов разной природы: регулярного прямого вращения, связанного с вращением всей системы, и нерегулярного, случайного. Вот это-то, последнее вращение и возникает в результате падения на планету крупных тел: падение определяет наклон оси ее вращения. Если угол наклона земной оси равняется 23,5°, то масса самых крупных космических камней, падавших на Землю при ее образовании, должна была достигать 0,001 массы Земли! Следовательно, поперечник их мог быть порядка 1000 км и даже более. Вот на вас летит каменюка размером с Украину. Вы находитесь во Франции или даже в другом полушарии, в Нью-Йорке — безразлично: вас это не спасет! Трудно вообразить катастрофические масштабы происшествия, если тело весом 1018 т (один квинтильон тонн) падает со скоростью 11 км/с и сталкивается с твердью земной. Как бы нам это представить? Если в планету попадает камень в несколько десятков километров в диаметре, получается нечто вроде лунных морей. Выделившейся при ударе энергии достаточно, чтобы нагреть на несколько сотен градусов слой толщиной раза в полтора больше поперечника упавшего тела. Считаем: при диаметре астероида 1000 км глубина разогрева могла достигать 1500 км. Если часть энергии падения уходит внутрь планеты, поверхностные слои могли нагреться до более чем на 1000 °C. Такая глобальная банька. Или печка.

Самый редкий на Земле химический элемент — радиоактивное вещество астат. Его содержание во всей земной коре составляет менее 1 грамма.

Формирование Земли как планеты, сопровождавшееся падением астероидов и метеоритов, продолжалось около 100 млн лет. Довольно долго, не правда ли? Но если мы вспомним, что возраст Земли равен 4,5–5 млрд лет, то получается, что образование ее из астероидов и метеоритов заняло лишь 2 % времени всей жизни нашей планеты. Если смотреть на дело «биографически», это время вполне можно назвать «ранним детством» Земли.

И вот рой астероидов, окружавших Землю, за 100 млн лет рассеялся. Падения метеоритов стали реже. Масса планеты сделалась примерно такой, какой она есть сейчас. Детство Земли прошло, наступила ранняя юность, о которой, кстати, мы знаем еще очень мало.

Как и все юные создания, Земля была горячей. Это подтверждают исследования древнейших пород возрастом 4–3 млрд лет, обнажающихся на земной поверхности в ряде мест, например в Гренландии. Оказывается, первоначально это были вулканические породы, возникшие в результате излияния на земную поверхность базальтовых лав.

Сейчас все больше специалистов склоняются к мнению, что первоначально недра Земли были разогреты. На глубине нескольких десятков километров существовал слой, где породы были в расплавленном состоянии. Эти расплавы изливались на поверхность. Юность Земли продолжалась дольше, чем детство. И это была пора почти сплошных вулканических излияний. Планета оставалась юной, по-видимому, много сотен миллионов лет, и ее поверхность была почти сплошь усеяна активными вулканами. Излившаяся лава застывала, согревая окружающее пространство. Так образовалась первичная земная кора. Температура на поверхности Земли снижалась, и наступил момент, когда выделявшиеся из недр Земли водяные пары конденсировались в жидкую воду. С этого времени начинается так называемое геологическое время, геологическая стадия развития Земли.

Эры, этапы, платформы, плиты и пояса

Геологические процессы можно разделить на два типа. С одной стороны, это излияние лав и подъем или опускание земной коры под действием подземных вулканических и иных сил. С другой — процессы разрушения, эрозия горных пород, перенос их водами и ветром по земной поверхности. Пока на Земле вода была только в парообразном состоянии, переноса горных пород практически не происходило. Вулканические горы еще не размывались, а пониженные места между вулканами не заполнялись осадками. С появлением на Земле жидкой воды впервые возникли осадочные породы, отлагавшиеся в неглубоких еще тогда морских водоемах. В результате поверхность планеты стала более ровной, поскольку высокие вулканы разрушались и постепенно исчезали, если подземный очаг переставал работать. Хотя поверхность планеты уже остыла, на небольшой глубине земные породы были по-прежнему разогреты и потому достаточно пластичны.

Алмазы образуются в земной коре на глубине более 200 км. Только благодаря извержениям вулканов алмазы переносятся на глубины, досягаемые для человека. Средний возраст любого бриллианта — около полутора миллиардов лет. Поэтому эти камни так дороги. И, вероятно, поэтому они — «лучшие друзья девушек»!

Следующая стадия эволюции коры начинается 3–2 млрд лет назад. К этому времени земная кора уже остыла на всю глубину (20–40 км) и приобрела необходимую хрупкость. В местах максимальных напряжений земная кора стала трескаться. Возникли глубинные разломы. Вдоль них образовались прогибы, где накапливались многокилометровые толщи осадков.

По сохранившимся в породах остаткам существовавших ранее животных и растений (с «архебиологической», так сказать, точки зрения) историю Земли обычно делят на несколько эр: архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Последние три эры, в свою очередь, делятся на геологические периоды. Разработанные в XX веке методы определения абсолютного возраста горных пород по скорости радиоактивного распада показали, что длительность эр неодинакова.

А теперь о том, из чего Земля состоит геологически. Платформой геологи именуют область с двухъярусным строением: внизу — смятый в складки плотный фундамент, выше — полого лежащий рыхлый осадочный чехол.

Различают Североамериканскую, Восточно-Европейскую, Сибирскую, Южноамериканскую, Африканскую, Индийскую, Китайскую и Австралийскую платформы. В пределах платформ выделяют два вида структур — щиты и плиты. Первые вплоть до настоящего времени испытывали поднятия; в их пределах осадочный чехол отсутствует. На щитах длительно (до миллиарда лет) идет размыв кристаллических пород фундамента, благодаря чему на дневную поверхность выходят породы с возрастом 2–4 млрд лет.

Плитами называются пространства платформ, фундамент которых перекрыт осадочным слоем. Крупные отрицательные структуры (прогибы) в пределах плит именуются синеклизами. По форме синеклиза напоминает пологое блюдце.

Еще один класс структур земной коры — геосинклинали. Это длинные, протягивающиеся на многие сотни километров, относительно узкие и глубокие прогибы земной коры, обычно ограниченные разломами и заполненные мощными толщами осадочных и вулканических горных пород, которые в результате длительных и интенсивных тектонических деформаций превращаются в сложную складчатую структуру — часть горных сооружений. Важнейшая отличительная их черта — много бóльшая контрастность движений по сравнению с платформами.

Образованию геосинклинального пояса предшествовало заложение системы разломов большой протяженности (тысячи километров) и глубокого залегания. В результате поверхность земного шара оказалась состоящей из «обломков» древних платформ, разделенных геосинклинальными поясами. Наиболее протяженным является Тихоокеанский пояс, обрамляющий с востока, севера и запада впадину Тихого океана. Следующий по величине — Средиземноморский пояс. Он начинается в районе Гибралтарского прогиба и протягивается через Средиземное море, Кавказ, Памир и Гималаи в Зондский архипелаг, где сливается с Тихоокеанским поясом. Кроме того, выделяют Урало-Монгольский, Атлантический и Арктический геосинклинальные пояса. Последние два из них в значительной степени перекрыты океанами и на поверхность выходят лишь их краевые части.

Бриллианты горят. Сжечь бриллиант легче, чем его золотую или платиновую оправу. При температуре выше 900 °C алмазы сгорают дотла.

Платформы по традиции объединяют в две группы: северную и южную. Северная именуется Лавразиатской. В нее входят три платформы: Североамериканская (бóльшая часть Северной Америки и Гренландии), Восточно-Европейская (практически вся Европа) и Сибирская (Россия между реками Енисей и Лена). Южная группа платформ именуется Гондванской. Ученые говорят, что 200–300 млн лет назад все платформы южного полушария (Бразильская, Африканская, Индийская и Австралийская) составляли единый гигантский материк — Гондвану.

Сравнительное изучение геологических структур с разной историей позволило установить, что развитие нашей планеты имело определенную периодичность. Длительные циклы преобладавшего погружения, сопровождавшиеся накоплением осадков, сменялись более кратковременными периодами поднятий, складкообразования и размыва. Обнаружены циклы разных порядков.

Наиболее крупными за последние 500–600 млн лет геологической истории являются каледонский, герцинский и альпийский геотектонические этапы. Длительность каждого из них оценивают приблизительно в 180 млн лет.

Следует особо подчеркнуть, что геотектонические этапы не совпадают с эрами, выделенными на основании изучения истории органической жизни планеты.

После окончания очередного геотектонического этапа, часто завершавшегося горообразованием, одни геосинклинальные зоны вновь вовлекались в прогибание, другие же длительное время оставались как бы законсервированными — становились платформами. Такие зоны получили название по времени последнего этапа прогибания. Геосинклинальные зоны, прекратившие прогибаться и смятые в складки к концу каждого этапа, стали называться, соответственно, каледонидами, герцинидами и альпидами.

Вообще-то, геотектоническая стадия развития Земли до некоторой степени продолжается и сейчас, что подтверждается различными типами тектонических движений на континентах. Однако, по-видимому, с палеозойской эры, то есть примерно 0,5–0,3 млрд лет назад, Земля вступила в новую стадию эволюции, которую можно именовать океанической. Важнейшей особенностью этой стадии жизни нашей планеты является уничтожение мощной континентальной коры и превращение ее в тонкую (5–7 км) океаническую.

Главной особенностью процесса океанообразования является то, что, начавшись, вероятно, в пределах относительно узкой, может быть, линейной зоны, он затем постепенно расширялся, захватив к настоящему времени пространство, превышающее площадь материков.

Каковы условия, определившие начало процесса океанообразования, остается пока неясным. Несомненно лишь одно: в основе этих процессов лежит разогревание Земли в результате радиоактивного распада.

Обширные глубоководные океанические равнины когда— то были платформами. Поэтому геологи называют их талассократонами (опустившимися платформами). О сходстве океанических равнин с платформами материков свидетельствуют их огромные размеры и отсутствие в них каких-либо активных тектонических движений, например сейсмической деятельности.

Протяженные полосы мелководий и островов в океанах (таких как, например, подводный Гавайский хребет) — это, возможно, некогда существовавший геосинклинальный пояс. Не случайно именно к этим зонам относится большинство случаев нахождения в океанах кислых пород (гранитов).

Океаническую стадию следует рассматривать как завершение гигантского мегацикла в истории Земли, длившегося 4–5 млрд лет. Вода, наконец, была «выжата» на поверхность. Может быть, впервые за всю жизнь земной коры слагающие ее химические элементы расположились в закономерной последовательности: вверху самые легкие, ниже тяжелые и плотные — вода, под ней кремнезем, еще ниже алюмосиликаты и внизу силикаты с высоким содержанием магния и железа. Теперь мы можем посмотреть на геологическую историю Земли в целом.

А что дальше? В дальнейшей геологической эволюции нашей планеты, по-видимому, будет продолжаться рост океанов за счет континентов. Материки со временем будут почти полностью поглощены Мировым океаном. Нам, правда, слишком пугаться не стоит. Процесс заливания континентов океанами идет крайне медленно даже по меркам геологического летосчисления, и для полного уничтожения суши потребуются еще сотни миллионов лет.

Самый большой водопад на планете находится под водой. В Датском проливе, между Исландией и Гренландией, на протяжении 200 км каждую секунду с высоты в несколько километров в Атлантику сбрасывается 5 млн м^3 воды. Холодная, и поэтому плотная и тяжелая, вода Северного Ледовитого океана падает в теплой воде Атлантического океана как в воздушной среде. Для сравнения: самый полноводный «наземный» водопад — Гуаира в Бразилии — сбрасывает «всего» 13 тыс. м^3 воды в секунду.

Небесные камни

Иногда космические тела падают на Землю. Чаще всего они бывают достаточно малыми, чтобы не приносить значимых последствий для обычного устройства земных дел. Но они бывают и такого размера, что под угрозой оказывается само существование жизни на Земле. Последствия в таком случае имеют планетарный (или планетарно значимый) масштаб и всегда оказываются потрясением, испытанием для всего живого. Они всегда катастрофичны! Некоторое представление о древних космических катастрофах дает обследование наиболее крупных метеоритных кратеров, сохранившихся до наших дней.

Следами падения крупных метеоритов на земной поверхности являются необычные кольцевые геологические структуры. Их называют «астроблемы» — звездные раны. Внутри астроблем наблюдаются радиальная деформация пластов раздробленных пород, необычные минералы и другие признаки, свидетельствующие о мощном ударном взрыве. Сейчас на Земле обнаружено более 170 таких кольцевых структур — мест падения гипотетических гигантских метеоритов.

Правда, здесь есть некоторая неопределенность. Дело в том, что кольцевые структуры во многом сходны с нарушениями земной поверхности, возникающими после некоторых вулканических извержений, — вулканическими кальдерами. Поэтому вопрос о том, является данная кольцевая геологическая структура результатом падения метеорита или вулканического извержения, в каждом отдельном случае специально изучается.

Происхождение некоторых кольцевых образований на Земле остается дискуссионным на протяжении многих десятков лет. Предположения обсуждаются самые разные. Так, некоторые ученые полагают, что залив Св. Лаврентия в Канаде — часть гигантского ударного кратера диаметром около 290 км и глубиной порядка 6 км. Высказываются и просто фантастические предположения. Скажем, существует идея, что Бермудская впадина, диаметр которой порядка 1250 км, является гигантским кратером астероидного столкновения, с чем и связаны аномальные эффекты Бермудского треугольника.

Молнии бьют в Землю 8,6 млн раз в день, то есть примерно 100 раз в секунду.

Метеоритные кратеры подразделяются на два типа.

Первый тип — ударные кратеры диаметром не более 100 м. Они образуются при частичном дроблении и выбрасывании горных пород и возникли вследствие падения относительно небольших метеоритов, летевших со скоростью не более 2,5 км/с.

Второй тип — взрывные кратеры, возникающие при взрыве метеорита в момент его столкновения с земной поверхностью. Крупный метеорит, подлетающий к Земле со скоростью 3—20 км/с, взрывается в результате торможения о горные породы. Вещество его полностью или почти полностью испаряется. Взрывные кратеры бывают заполнены раздробленной породой, которая нередко оплавлена. В некоторых наиболее крупных кратерах обнаружены своеобразные породы, получившие название импакитов. Они почти целиком состоят из переплавленных пород, застывших в виде стекла.

Горные породы, подвергшиеся метеоритному взрыву, разбиваются коническими трещинами. Вершины трещин конусов разрушения указывают направление, откуда пришла ударная волна. Именно импакиты и конусы разрушения являются доказательством метеоритного происхождения древнего кратера.

Что же происходит, когда метеорит сталкивается с Землей? В процессе можно выделить несколько основных стадий. Вот они:

а — столкновение метеорита с поверхностью Земли и торможение;

б — испарение метеорита и плавление окружающих пород;

в — разогрев газов, выброс раздробленных и частично расплавленных пород;

г — падение материалов выброса в кратер и за его пределы;

д — подъем основания кратера и выдавливание части расплава к поверхности.

А теперь несколько самых мощных взрывных столкновений. Наиболее крупный из достоверных метеоритных кратеров — Попигайская котловина. Она расположена на севере Сибирской платформы, в бассейне реки Хатанги. Один из притоков Хатанги носит название Попигай. В бассейне этой реки был обнаружен гигантский метеоритный кратер около 100–130 км в поперечнике, возраст которого, по мнению специалистов, составляет 35 млн лет. Предположительно Попигайский астероид достигал 8—10 км в диаметре и летел со скоростью около 30 км/с. Он пробил атмосферу насквозь, пробил толщу осадочных пород на глубину порядка 1200 м и затормозил в породах фундамента Сибирской платформы. По оценкам, энергия взрыва достигала 1023 Дж, то есть была в 1000 раз больше, чем при самом сильном вулканическом взрыве: моментально расплавилось около 1750 км^3 горных пород, перемешав воедино базальты, граниты и осадочные отложения. В результате образовалась лава с высоким содержанием кремнезема (65 %), резко отличающаяся от глубинных базальтовых излияний Сибирской платформы.

Об условиях, существовавших в эпицентре в момент взрыва, можно судить по тому, что в кратере найдены возникшие при катастрофе минералы. Подобные удалось получить искусственным путем при ударных давлениях в 1 Мбар и температуре около 1000 °C. Выброшенные во время взрыва крупные глыбы кристаллических пород фундамента платформы разлетелись на расстояние до 40 км от края кратера. В радиусе нескольких тысяч километров все сгорело дотла, испарились воды озер и рек.

В 1920 году известный финский ученый-геолог Пентти Эскола обследовал северную часть Ладожского озера. Он обратил внимание на необычную лаву около озера Янисъярви, которая по составу очень напоминала импакиты взрывных кратеров. Озеро Янисъярви, расположенное в 95 км от города Сортавалы, имеет размер 14 × 26 км и, вероятно, является древним метеоритным кратером. В пользу этого свидетельствуют также два скалистых лавовых островка в центре озера.

В Украине, в Кировоградской области, в бассейне реки Тясмин — правого притока Днепра — обнаружен Болтышский кратер (диаметром около 25 км), возникший в результате падения метеорита 88 млн лет назад. Если бы столкновение случилось сегодня, от Украины осталось бы просто… нет, даже мокрого места не осталось бы! Получилась бы очень сухая, горячая, расплавленная яма.

В Винницкой области тоже есть астроблемы, только меньшего размера, диаметром 3–5 км. Они расположены к востоку от Винницы и к юго-востоку от Гдова.

Хорошо исследован крупный метеоритный кратер Рис, внутри которого расположен город Нордлинген (Германия). На протяжении веков считалось, что огромное углубление, в котором расположен город, является вулканическим кратером. Но в 1960 году американский ученый Евгений Шумейкер во время посещения старинной городской церкви, построенной из местного материала, с удивлением заметил, что камни, из которых сложены стены, являются кварцевыми. А кварц образуется при ударных давлениях, обычно вызываемых падением метеорита. Последующие исследования странных скальных образований в округе окончательно утвердили специалистов во мнении, что громадный кратер, где еще в средние века вырос город, появился вследствие удара и взрыва гигантского метеорита около 15 млн лет назад. Котловина достигает в поперечнике 25 км. Сейсморазведочные работы показали, что под 35-метровым слоем озерных осадков скрыт внутренний подземный кратер диаметром около 10 км и глубиной не менее 700 м, заполненный раздробленной, спекшейся и частично расплавленной породой. Разрыхленная порода обусловливает некоторое понижение поля силы тяжести по сравнению с окружающей местностью. Такое уменьшение соответствует дефициту массы в кратере 30–60 млрд т. Следовательно, в момент взрыва было выброшено до 20 км^3 породы.

Во Франции метеоритный кратер Рошешуар диаметром около 15 км образовался, как полагают, 150–170 млн лет назад.

К «молодым» кратерам — возрастом до 15 млн лет — относятся Босумтви в западноафриканской Гане, в котором расположено озеро (диаметр 9,8 км, глубина 350 м), и Чабб на полуострове Унгава в Канаде (диаметр 3,4 км, глубина 390 м). Метеоритный кратер Ротер Камм, обнаруженный в 1965 году в юго-западной Африке, в 95 км от устья реки Оранжевой, достигает 30 м. Дно кратера засыпано, следовательно, общая глубина его еще больше. Поперечные размеры кольцевого вала, сложенного обломками гнейсов, около 2,4 км, высота над окружающей местностью 90 м. Кратер Локар в Индии имеет поперечник 1,8 км, а глубину 120 метров.

В конце прошлого столетия в США были начаты исследования кратера диаметром 1,2 км и глубиной около 170 м. Вал, окаймляющий его, возвышается на 40–50 м. Это так называемый Каньон-Дьябло в штате Аризона. Согласно легенде местных индейцев, он образовался в месте, куда в далеком прошлом с неба спустился на огненной колеснице бог. В радиусе около 10 км были обнаружены многочисленные обломки железного метеорита весом около 20 т, но они, очевидно, представляют собой лишь ничтожную часть упавшего гиганта. Попытки найти внутри кратера основную массу метеорита успехами не увенчались, но ученые пришли к выводу, что он весил примерно 5 млн т. Воронка возникла от обломка весом 63 тыс. т и диаметром 30 м; энергия, освободившаяся при его падении, сопоставима с энергией взрыва 3,5 млн т тротила.

Удивительное кольцо Вредефорт найдено на юге Африки — в 2005 году оно было даже зачислено в перечень объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО. Размер астероида оценивается примерно в 10 км, а получившийся в результате удара кратер имеет диаметр около 250–300 км, и это самое большое образование на Земле, вызванное контактом планеты с иными космическими телами. Возраст кратера оценивается в более чем 2 млрд лет. Это второй из древнейших известных кратеров на Земле: Вредефорт нe менее чем на триста миллионов лет моложе кратера Суавъярви, расположенного в России.

В Австралии также найдена своя «национальная» астроблема — Госсес Блафф. Она представляет собой небольшой холм, окруженный кольцом раздробленных пород, диаметром около 14 км. Возраст его — 130 млн лет. В районе Госсес Блафф для исследования строения земной коры проводилась сейсмическая разведка и бурение скважин, было произведено несколько взрывов. Это позволило установить подземный рельеф кратера. На глубине расположена полусферическая чаша радиусом 2,3 км, окруженная более мелкой блюдцеобразной депрессией радиусом около 11 км. Найдены конусы сотрясения, импакиты; энергия ударного процесса составила 1020 Дж.

В Южном Техасе (США), в бассейне Сиерра-Мадре в горных породах, образовавшихся из древних морских отложений, известен кольцевой вал диаметром около 10 км. В котловине внутри вала слои горных пород залегают почти горизонтально и лишь в центре их прорывает купол, сложенный известняками и возвышающийся на 450 м. Пласты здесь сильно разрушены, а в известняке обнаружены конические системы трещин, вызванные мощной ударной волной. Эта астроблема, как считают ученые, образовалась в результате падения кометы в древний океан, имевший здесь глубину 2–3 км. Ядро кометы с космической скоростью ударило в кору, и произошел гигантский взрыв. Ударная волна, пройдя через воду, ослабла и смогла вызвать катастрофические разрушения дна лишь в эпицентре. Одновременно в океане образовалась огромная водяная воронка. Вода увлекла за собой донные осадки, разложив их в виде кольцевого вала. Освобожденное от гидростатического давления морское дно вспучилось в эпицентре и поднялось. При оседании водяной воронки вода принесла назад взмученный материал, который образовал слои новых осадков, сгладившие рельеф подводного кратера. Через много десятков миллионов лет кратер поднялся на поверхность, где затем разрушился.

Ряд крупных кратеров метеоритного происхождения найден в последнее время в Канаде. К ним относятся, в частности, кратеры двойного озера Клируотер. Здесь мы имеем, так сказать, две астроблемы по цене одной. Озера, по-видимому, образовались от ударов двух метеоритов. Диаметр Восточного Клируотера — около 28 км, Западного — около 32 км. Самой крупной кольцевой структурой предположительно метеоритного происхождения является здесь кольцо Маникуаган-Мушалаган, имеющее диаметр около 65 километров.

С падением метеорита связывают крупнейшее месторождение никеля Садбери, расположенное в Канаде. Рудный бассейн Садбери имеет овальную форму размером 60 × 27 км. Он располагается на поверхности Канадского кристаллического щита, сложенного гранитами и кварцитами. Не так давно была выдвинута гипотеза о том, что бассейн Садбери появился в результате падения гигантского метеорита 1,85 млрд лет назад. Возраст определен методами абсолютной геохронологии. В составе пород Садбери есть особая составляющая — брекчия. Это раздробленная и вновь сцементированная порода, складывающаяся из коренных гранитов, а также стекла — расплавленных и быстро остывших, не успевших раскристаллизоваться минералов. Это очень напоминает материал из известных метеоритных кратеров. Сходство это недавно было подтверждено находкой в Садбери кристаллов кварца, обладающих трещинами своеобразной ориентировки: такие возникают в кварце только под воздействием ударных волн, создающих чрезвычайно высокие давления, при ядерных взрывах или при падении гигантских метеоритов. Очевидно, удар гигантского метеорита вызвал активную вулканическую деятельность, и в результате поднялись глубинные расплавленные массы, содержавшие большое количество металлов.

А вот кратер, являющийся кандидатом в рекордсмены, пока надежно спрятан природой от человеческого любопытства.

В 1958–1960 годах во время работ французской и американской экспедиций в Антарктиде, на Земле Уилкса, под ледяным щитом были обнаружены некоторые аномалии силы тяжести. При сопоставлении данных обеих экспедиций выявили, что район отрицательной аномалии имеет форму круга диаметром почти 500 км и что она похожа на те, которые наблюдаются вблизи больших метеоритных кратеров. Однако доказательств ударного происхождения кратера не было. Только в 2006–2009 годах благодаря данным гравитационного поля Земли, полученными с помощью спутников, удалось установить, что аномалия частично вызвана существованием впадины внутри кратера, а частично — разрыхленными породами. Очень похоже на астроблему!

Но поскольку вся структура находится под Антарктическим ледяным щитом, дальнейшие исследования пока невозможны, так что ее метеоритное происхождение пока окончательно не доказано — вообще-то могут существовать и другие объяснения такой аномалии. Но если кратер Земли Уилкса действительно является ударным, то он сразу выходит на первое место — становится крупнейшим метеоритным кратером на Земле! А небесное тело, которое могло вызвать взрыв такой силы, по расчетам, должно было быть примерно в 6 раз больше того, которое образовало кратер Чиксулуб в Центральной Америке, как предполагается, ставший причиной вымирания динозавров. Возникла даже гипотеза, что падение этого метеорита на землю Антарктиды могло вызвать на нашей планете пермско-триасовое вымирание около 250 млн лет назад.

Подтверждение метеоритного происхождения этого колоссального кратера имеет большое значение для гипотезы об образовании тектитов — загадочных обломков темно-зеленых стекловатых камней. Одни исследователи считают их особым классом метеоритов, другие — продуктом вулканических извержений на Луне. Есть мнение, что тектиты возникают из горных пород, расплавленных при ударе крупных метеоритов и с чудовищной силой выплеснутых из кратера. Слабым местом этой гипотезы было отсутствие молодых метеоритных кратеров в Австралии и Тасмании, где тектиты широко распространены. И вот кратер, обнаруженный в Антарктиде, оказывается как раз в центре Австрало-Тасманийской дуги, изобилующей тектитами. Тем самым данная гипотеза получает новое подтверждение.

Лед неодинаково холоден. Температура льда антарктических ледников достигает –60 °C. Намного теплее лед гренландских ледников — в среднем –28 °C. И совсем «теплые» льды — с температурой около 0 °C — лежат на вершинах Альп.

Количество найденных на Земле астроблем приближается к 200, и это только научно доказанные случаи. Однако на нашу планету падали не только очень крупные тела. Имеются данные о случаях, когда метеоритные дожди достигали чрезвычайно высокой плотности и захватывали огромные площади. Их выпадение могло приобретать характер страшного стихийного бедствия.

Так, в Северной Америке, в районе полуострова Флорида, на побережье Атлантического океана, по-видимому, имело место весьма грандиозное космическое событие. В штатах Северная и Южная Каролина была проведена аэрофотосъемка, обнаружившая ряд круглых и яйцеобразных воронок, напоминающих по виду кратеры метеоритного происхождения: около 140 тыс. кратеров, в том числе около 100 диаметром более 1,5 км! Установить количество более мелких не представляется возможным, однако ученые предполагают, что их здесь более полумиллиона. Площадь, подвергшаяся космическому камнепаду, достигала 200 тыс. км^2. Кратеры расположены дугой, в центре которой в настоящее время находится приморский город Чарлстон, а значительная часть «бомбардировки» пришлась на Атлантический океан.

По мнению некоторых специалистов, эти кратеры образовались в результате падения метеоритов, скорее всего, кометного происхождения. Они врезались в Землю под небольшим углом к горизонту, в юго-восточном направлении. Некоторые из метеоритов были двойные (тандем-метеориты), а их падение имело взрывной характер. Согласно другим предположениям, в атмосфере от перегрева взорвался крупный астероид (диаметр около 10 км, масса — 1000–2000 млрд т). Его осколки упали каменным дождем в радиусе более 1000 км.

В ряду других крупных космических явлений Тунгусский метеорит занимает особое место. Прежде всего потому, что это было падение, совершившееся на глазах человека. Правда, свидетели (в том числе и получившие ожоги!) находились в сотнях километров от эпицентра события, так как дело было посреди бескрайней и практически безлюдной центрально-сибирской тайги. Но это и к лучшему: если бы какой-то охотник случайно и оказался близко, то он все равно не смог бы никому ничего рассказать — на колоссальной площади было выжжено и сметено все живое. Деревья были повалены на территории более 2000 км², в нескольких сотнях километров от эпицентра взрыва в деревенских домах повылетали оконные стекла. Сумма всех данных позволяет утверждать, что события утра 17 (30) июня 1908 года в районе реки Подкаменная Тунгуска вызваны падением небольшой кометы. Она вошла в земную атмосферу утром, двигаясь с востока, то есть навстречу Земле. На высоте 5—10 км над Землей произошел взрыв колоссальной силы. Согласно расчетам, скорость, с которой Тунгусская комета влетела в атмосферу Земли, была 30–40 км/с. К моменту взрыва она снизилась до 16–20 км/с, а масса взорвавшегося тела составила несколько десятков тысяч тонн (остальное испарилось до взрыва). Температура на фронте головной ударной волны достигала 100 000 °C, то есть в десятки раз превышала температуру поверхности Солнца!

Мощность взрыва оценивается в 40–50 Мт (мегатонн), что соответствует энергии самой мощной из взорванных людьми водородной бомбы. Причем широкая зона поваленных деревьев имеет форму бабочки, что хорошо совпадает с зоной разрушения (теоретически рассчитанной) от баллистической волны.

На месте катастрофы найдено лишь огромное количество мельчайших шариков размером порядка десятков микрон. Они представляют собой застывшие капельки расплавленного металла или силиката, входивших в состав твердых включений в ядре кометы. Никаких следов повышенной радиоактивности в районе падения не обнаружено. Спустя несколько дней после катастрофы наблюдалось необычное свечение неба, распространившееся полосой от места падения небесного тела до Британских островов. Это было вызвано попаданием в слои атмосферы веществ, входивших в состав хвоста кометы. Резкое снижение прозрачности атмосферы, зарегистрированное двумя неделями позже, вероятнее всего, объясняется пылью, выброшенной в верхние слои атмосферы после взрыва.

По своим масштабам тунгусская катастрофа стоит в одном ряду с такими крупнейшими катастрофами, как взрыв и проседание кальдеры вулкана Кракатау, извержение Санторина (связываемое с гибелью Атлантиды) или великие землетрясения. Площадь вывороченного леса составляла 20 тыс. км^2. К счастью, взрыв произошел в совершенно безлюдной местности. Однако если бы эта небольшая комета взорвалась над густонаселенным районом, то размеры катастрофы и число жертв трудно вообразить.

30 октября 1961 года Советский Союз провел испытание самой мощной термоядерной бомбы в истории (на Западе ее назвали «Кузькина мать»). Мощность заряда составила 58 Мт, а энергия взрыва в 10 раз превысила суммарную мощность всех взрывчатых веществ, использованных за годы Второй мировой войны. Гриб взрыва поднялся на высоту 67 км, а диаметр его «шляпки» составил 95 км. Ударная волна, возникшая в результате взрыва, трижды обогнула земной шар. Бомба была создана под руководством академика Андрея Сахарова.

«Внутренняя жизнь» планеты

И небеса почернели

«Как ни странно, — писал знаменитый физик-теоретик Ричард Фейнман, — мы разбираемся в распределении вещества внутри Солнца куда лучше, чем во внутреннем строении Земли». Расстояние от поверхности до центра Земли равно 6370 км, что не так уж много. Если выкопать колодец до центра и бросить в него камень, то он долетит до дна всего за сорок пять минут (хотя когда долетит, он потеряет свой вес, станет невесомым, поскольку вся тяжесть Земли будет не внизу, а вокруг). Наши попытки продвинуться в направлении центра были поистине скромными. В Южной Африке один или два золотых рудника достигают глубины более 3 км, а глубина большинства шахт и рудников на Земле не превышает 500 м. Если бы планета была яблоком, мы не просто не проткнули бы его кожуру, а даже не приблизились бы к этому.

В Северной Америке, на востоке штата Небраска, недалеко от городка Орчард есть необычное место. Это одно из самых больших в мире кладбищ ископаемых останков животных. Сегодня это место называется Эшфоллским парком: общей могилой многим десяткам носорогов, зебровидных лошадей, саблезубых оленей, верблюдов, черепах служит высохший водоем. Все погибли в результате загадочного катаклизма чуть менее 12 млн лет назад, в период, известный в геологии как миоценовый. Животных нашли похороненными под вулканическим пеплом трехметровой толщины, но загадка заключалась в том, что в Небраске никогда не было никаких вулканов! В те времена Небраска располагалась на обширной жаркой равнине, очень похожей на Серенгети в нынешней Африке.

Сначала полагали, что животные были погребены живьем. Однако вскоре стало понятно, что животные погибли не сразу. Все они страдали гипертрофической пульмональной остеодистрофией, которая возникает при вдыхании большого количества твердых абразивных частиц, — а они, должно быть, сильно надышались насыщенным пеплом воздухом: на сотни миль вокруг слой пепла достигал толщины в десятки, а иногда и сотни сантиметров. Здесь распространена порошкообразная порода с острыми песчинками: очень мелкими, но твердыми и режущими. Пепел похоронил под собой всю траву, покрыл каждый листок и превратил воду в негодную для питья жижу наподобие абразивного чистящего средства.

О громадных залежах пепла в Небраске было известно давно, и на протяжении почти сотни лет его добывали для изготовления хозяйственных порошков. Но, как ни странно, никому не приходило в голову поинтересоваться, откуда он здесь взялся. После странной находки образцы пепла разослали специалистам-геологам по всей Америке. Несколько месяцев спустя выяснилось, что он соответствует вулканическим отложениям у местечка Бруно-Джарбридж на юго-западе Айдахо. Получалось, что причиной смерти 200 животных на равнинах Небраски стало извержение вулкана, произошедшее за 1600 км и покрывшее столь отдаленную территорию трехметровым слоем пепла!

Позднее выяснилось, что под западной частью Соединенных Штатов находится гигантский магматический котел, колоссальный вулкан, катастрофически извергавшийся уже много раз. И его подземный очаг по-прежнему активен… Он носит название «Йеллоустонский национальный парк».

Давно было известно, что Йеллоустон имеет вулканическое происхождение — этим объяснялись все те гейзеры и горячие источники, которые находятся на территории парка. Однако главная черта вулканов состоит, как известно, в том, что они, так сказать, сильно заметны: должна быть большая гора в форме усеченного конуса. В Йеллоустонском парке ничего подобного не было. Никакого намека! Более или менее равнинный рельеф, луга — и никаких гор.

Между тем, вулканические горы могут формироваться необыкновенно быстро. В 1943 году в Парикутине, в Мексике, один фермер не на шутку испугался, увидев, как из его огорода поднимается дым. Через неделю вместо огорода у него был конус в 152 м высотой. В следующие два года холм достиг высоты почти 430 м и более 800 м в диаметре. На Земле таких «явных» вулканов около десяти тысяч: все, за исключением нескольких сотен, потухшие (хотя, конечно, немногие расположены в огородах фермеров). Но существуют вулканы, не приводящие к образованию гор и известные только специалистам. Эти вулканы образуются в результате мощных теургических взрывов и вырываются наружу одним сокрушительным ударом. Провал, остающийся после такого взрывного извержения, называется кальдерой, от лат. caldera — «котел».

Но вот НАСА — аэрокосмическое агентство США — решило испытать новые фотокамеры. Было сделано, в частности, и несколько высотных снимков Йеллоустонского национального парка. И все прояснилось: вулканической кальдеры в парке не было. Но не было потому, что… сам огромный парк и был кальдерой! Извержение оставило провал в 9000 км^2 — почти 65 км в поперечнике, слишком большой, чтобы различить его, находясь на поверхности земли. Когда-то в прошлом Йеллоустон должен был взорваться с силой, намного превосходящей все известное роду человеческому. Это был сверхвулкан. Он расположился над огромным очагом расплавленной породы, который берет начало в 200 или даже в 300 км в глубине Земли и почти достигает поверхности, образуя так называемый суперплюм. Жар этого суперплюма питает все йеллоустонские газовые выходы, гейзеры, горячие источники и грязевые котлы. Под поверхностью находится заполненная магмой камера, имеющая в разрезе эллиптическую форму с горизонтальной осью около 72 км — приблизительно тех же размеров, что и сам парк, — и вертикальной осью 13 км. Представьте себе тротиловый заряд подобных размеров. Куча, по площади равная Киеву и уходящая почти на два Эвереста в небо!

Если он рванет, последствия превзойдут самые смелые фантазии. Прежде всего, вы просто не сможете подойти к извержению ближе, чем на 1000 км. Но дальше — больше! Йеллоустонский суперплюм похож на бокал для мартини — узкий снизу, расширяющийся у поверхности, полный нестабильной магмы. Такие котлы могут достигать 2000 км в поперечнике. Согласно существующим предположениям, они не всегда извергаются взрывообразно, а иногда изливаются широким непрерывным потоком, покрывая окрестности расплавленной породой. Окрестности — это довольно слабо сказано. Может быть залита территория в 500, 1000 или даже 2000 тыс. км^2! На этой территории не выживет никто. Добавьте сюда выделение ядовитых газов в невообразимом количестве. Нечто подобное имело место в Индии 65 млн лет назад, когда образовались так называемые деканские траппы. Возможно, динозаврам «помог» исчезнуть не новый ледниковый период, а как раз наоборот! Суперплюмы, возможно, также являются причиной раскалывания материков.

В данный момент на Земле насчитывается около 30 активных плюмов, и они были причиной образования многих отдельных островов и их цепей — таких как Исландия, Гавайский, Азорский, Канарский и Галапагосский архипелаги. Правда, кроме Йеллоустона, все эти очаги находятся в океане.

Другая довольно неприятная правда такова. Из-за особых условий, в отличие от других супервулканов, которые имеют свойство изливаться равномерно и сравнительно спокойно, Йеллоустон извергается взрывным способом. Случается это нечасто. С момента первого известного извержения 16,5 млн лет назад он извергался около сотни раз.

Последнее извержение было в тысячу раз крупнее, например, извержения вулкана Сент-Хеленс в 1980 году в США. Далее — информация к размышлению. Сент-Хеленс потерял 400 м вершины, а вокруг было уничтожено 600 км^2 лесов! Ущерб составил порядка 3 млрд долларов. За семь минут столб дыма и пепла поднялся на высоту 18 км, а с летевшего в 48 км от места извержения самолета поступило сообщение, что аппарат забросало камнями. Городок в 130 км от вулкана на три дня окутала тьма. Коммуникации и транспорт не работали. Пепел блокировал работу механизмов и проникал в легкие людей.

А вот извержение Йеллоустонского супервулкана, произошедшее 2 млн лет назад, было настолько мощным, что никто точно не может определить его масштабов. Оно было мощнее извержения Сент-Хеленса, возможно, в 10 000 раз! У нас нет сведений ни об одном сколько-нибудь сравнимом извержении на Земле.

Крупнейшим событием такого рода за исторически обозримое время было катастрофическое извержение Кракатау в Индонезии в августе 1883 года, которое вызвало волну цунами высотой 30 м, смывшую в море 295 городов и селений и погубившую 36 тыс. человек; отзвук страшного удара многократно отдавался по всему миру в течение 9 дней, а вода всколыхнулась даже в Ла-Манше. Но если представить массу материала, выброшенную Кракатау (18 км³), в виде мяча для игры в гольф, то выброс вещества самого крупного из йеллоустонских извержений был бы как шар величиной с небольшой дом. В этом масштабе вулканическая масса Сент-Хеленса оказалась бы величиной с горошину. Это извержение в Йеллоустоне выбросило столько пепла, чтобы накрыть штат Нью-Йорк 20-метровым слоем или Калифорнию слоем толщиной 6 м. Тот же пепел убил бедных животных на востоке Небраски.

Самым громким из исторически зафиксированных звуков был грохот взорвавшегося в 1883 году вулкана Кракатау. Этот грохот было слышно на расстоянии 5000 км.

Тут следует заметить, что пепел — это не снег, который, каким бы обильным он ни был, весной растает. Если бы вы захотели вновь вырастить на засыпанных землях урожай, вам пришлось бы искать место, куда вывезти весь этот пепел. На расчистку 6,5 га развалин Всемирного торгового центра в Нью-Йорке тысячам рабочих потребовалось восемь месяцев. А если засыпана территория пары-тройки административных областей, а то и больше?

Последнее извержение супервулкана на Земле произошло в Тоба, на севере Суматры, 74 тыс. лет назад. Масштабы его точно неизвестны, но оно было чудовищным. Судя по гренландским ледникам, за извержением в Тоба последовало по крайней мере 6 лет «вулканической зимы» — когда тучи пепла наглухо закрывают Солнце и лишают Землю света и тепла, и одному Богу известно, сколько после этого было неурожайных лет. Полагают, что оно поставило человечество на грань исчезновения, сократив население планеты до нескольких тысяч человек.

Здесь, кстати, открывается важный и занимательный факт, касающийся человеческого рода. Выходит, что современные жители Земли имеют весьма незначительную «родовую базу»; это объясняет недостаток нашего генетического разнообразия. Во всяком случае, существуют основания полагать, что следующие 20 тыс. лет численность жителей Земли ни разу не превышала нескольких тысяч человек. Что же получается, человеческому роду потребовалось 20 тыс. лет, чтобы оправиться от единственного вулканического извержения?

Все эти гипотезы (впрочем, научно обоснованные гипотезы) оставались чисто теоретическими. Но до 1973 года, когда произошло одно событие. Озеро, расположенное посередине Йеллоустонского парка, стало выходить из берегов с южной стороны, затопив прилегающий луг, а противоположный край озера таинственным образом обмелел. Скоро выяснилось, что большой участок парка вздулся и приподнялся. На этом участке располагался один край озера, и вода, как из опорожняемой кастрюли, стала переливаться через другой край. Затем местность опустилась. Потом, через несколько лет, вновь приподнялась… Геологи вдруг осознали, что причиной этого явления могло послужить только одно: беспокойный магматический очаг. Йеллоустон оказался местом не заснувшего, а действующего вулкана! Ученые взялись за дело с удвоенной энергией и смогли высчитать, что цикл йеллоустонских извержений в среднем составляет один гигантский выброс каждые 600 тыс. лет. Последний был 630 тыс. лет назад…

Кстати о горах. Вблизи Йеллоустонского парка протянулась горная цепь. А в ней есть странный пробел или просвет, будто бы прорезанный ножом и тянущийся более, чем на 100 км. О природе этого просвета поначалу не имелось даже догадок — больше нигде в мире такое прерывание горных цепей не встречается. Однако работа продолжалась, и со временем ученые пришли к удивительному и показательному выводу: горы в этом месте просто сдуло взрывом!

При последнем извержении Йеллоустона рядом никого не было, так что никто не знает, какими могут быть предвестники следующего взрыва. Возможно, будет масса землетрясений или где-то поднимется земля, возможно, изменится характер гейзеров и выбросов пара. Стоп. Неужели науке до сих пор неизвестны такие важные для всего человечества вещи?! Да, в общем-то, известны, конечно. Только беда в том, что почти все, что могло бы служить предупреждением, в значительной мере в Йеллоустоне уже имеется. Как правило, извержениям предшествуют землетрясения — но здесь уже происходит множество землетрясений: 1260 за прошлый год. Большинство из них слишком слабые, чтобы их ощутить, но тем не менее это землетрясения. Изменения в характере поведения гейзеров тоже могли бы служить ключом — но активных гейзеров и горячих источников там больше, чем во всем остальном мире! Их около десяти тысяч, и никто не знает, где может прорваться новый. Пока остается только ждать. Но когда Йеллоустон проснется, а он непременно проснется, мы точно не сможем пребывать в неведении по поводу этого факта.

Землетрясения

В конце 30-х годов XX века двое геологов из компании «Калтекс» в Калифорнии разрабатывали способ сравнивать одно землетрясение с другим. Это были Чарлз Рихтер и Бено Гутенберг. Сегодня мы нередко слышим в выпусках новостей фамилию одного из них. Сейсмическая шкала Рихтера — о ней слышали все. Надо сказать, что Бено Гутенберг участвовал в исследованиях на равных, и никакой особой заслуги Рихтера здесь нет. Но по причинам, не имеющим никакого отношения к справедливости, шкала почти сразу стала известна по имени только одного из партнеров. Рихтер тоже здесь был ни при чем: он был скромным человеком и никогда не называл шкалу своим именем, а всегда говорил о ней как о шкале магнитуд.

Не связанные с естественными науками люди в большинстве своем имеют неверное представление об этой шкале — на самом деле она не похожа на линейку. Это, скорее, экспериментально-теоретическая модель колебаний Земли, основанная на измерениях, сделанных на поверхности. Значения на ней возрастают, как говорят ученые, экспоненциально, так что землетрясение магнитудой 7,3 балла в 32 раза мощнее, чем землетрясение магнитудой 6,3, и в 1000 раз мощнее, чем имеющее 5,3 балла.

У землетрясений, по крайней мере, теоретически не бывает верхней границы. И нижней, впрочем, тоже. Шкала просто служит мерой силы, но ничего не говорит о разрушениях. Землетрясение магнитудой 7 баллов глубоко в земной мантии, скажем, на глубине 650 км, возможно, не причинит никаких разрушений на поверхности, тогда как значительно более слабое, но на глубине 6–7 км может вызвать огромные разрушения. Многое также зависит от характера залегания пород, продолжительности землетрясения, частоты и серьезности толчков, следующих за главным толчком, и от физического состояния пораженной землетрясением территории. Из всего этого вытекает, что самыми страшными не обязательно бывают самые сильные землетрясения, хотя сила, несомненно, значит очень много.

Звание крупнейшего после создания шкалы оспаривают землетрясение, случившееся в марте 1964 года в заливе Принца Уильяма на Аляске, которое оценивали магнитудой 9,2 балла, и то, что произошло в 1960 году в Тихом океане у побережья Чили, которому первоначально приписали магнитуду 8,6 балла, но позднее некоторые авторитетные органы (включая Геологическую службу США) пересмотрели ее в сторону повышения до небывалой величины в 9,5 балла.

Нужно иметь в виду, что измерение землетрясений не всегда отличается точностью, особенно когда приходится оценивать данные, полученные из отдаленных мест. Во всяком случае, оба землетрясения были чудовищными. Землетрясение 1960 года не только произвело обширные разрушения вдоль всего южноамериканского побережья, но и вызвало гигантскую волну цунами, которая прокатилась почти 10 тыс. миль по Тихому океану и смыла городок Хило на Гавайских островах: там было уничтожено более 500 зданий и погибло более 60 человек. Еще больше жертв унесли волны в Японии и на Филиппинах.

Однако самым разрушительным за весь период письменной истории было землетрясение, полностью разрушившее столицу Португалии 1 ноября 1755 года — в день всех святых. Около десяти часов утра Лиссабон потряс косой удар силой 9 баллов; жуткая тряска продолжалась семь минут. Сила толчков была такова, что вода отхлынула из порта и вернулась волной высотой более 15 м, еще больше усугубив разрушения. Когда наконец колебания прекратились, оставшиеся в живых получили всего три минуты покоя, после чего последовал второй удар, лишь чуть слабее предыдущего. В итоге погибло не 60, а 60 тыс. человек (!), и были разрушены практически все здания на много миль вокруг. Для сравнения: землетрясение 1906 года в Сан-Франциско, которое оценивается по шкале Рихтера в 7,8 балла, продолжалось менее тридцати секунд.

Землетрясения — явления довольно обычные. Ежедневно где-нибудь в мире происходит пара землетрясений силой в 2 балла и больше — достаточных, чтобы находящиеся поблизости люди это почувствовали. Хотя землетрясения имеют тенденцию группироваться в определенных местах — особенно в поясе, окружающем Тихий океан, — они случаются почти всюду. Самым распространенным типом землетрясений является возникающее в месте встречи двух тектонических плит. По мере того как плиты напирают друг на друга, давление нарастает. Вообще говоря, чем дольше интервал между землетрясениями, тем сильнее сдерживаемое давление и тем больше вероятность, что встряска будет действительно сильной.

Особая причина для беспокойства есть у Токио. «Город, ожидающий гибели», — так выразился по поводу японской столицы один сейсмолог. Токио стоит на стыке трех тектонических плит, к тому же в стране, уже известной своей сейсмической нестабильностью. В 1995 году город Кобэ, находящийся почти в 500 км к востоку от столицы, поразило землетрясение силой 7,2 балла. Тогда погибло 6394 человека, а ущерб оценивался в 99 млрд долларов. Но это почти ничто по сравнению с тем, чего можно ожидать в Токио. И ведь этот город уже пострадал от одного из самых разрушительных землетрясений нашего времени. 1 сентября 1923 года перед полуднем город подвергся землетрясению, более чем в десять раз превосходившему землетрясение в Кобэ. Погибло 200 тыс. человек. С тех пор в Токио наблюдается смешанное со страхом спокойствие; а давление плит под поверхностью уже 80 лет нарастает. В конечном счете оно обязательно вырвется наружу. В 1923 году население Токио составляло около 3 млн человек. Сегодня это 30 млн. Никто не строит прогнозы, сколько людей может погибнуть, но оценка возможных экономических потерь достигает 7—10 трлн долларов.

Еще более тревожные из-за своей необъяснимости сигналы подают редкие толчки, известные как внутриплитные землетрясения. Они происходят далеко от краев плит, что делает их совершенно непрогнозируемыми. Поскольку они зарождаются на куда более значительной глубине, им свойственно распространяться на более обширные области. Такое землетрясение произошло зимой 1811–1812 годов в маленьком американском городке Нью-Мадриде, штат Миссури. Около полуночи 16 декабря людей разбудил рев напуганного до смерти скота (известно и научно подтверждено, что животные чувствуют приближение землетрясения, хотя все еще неизвестно, почему). Затем из недр земли раздался могучий, разрывающий душу гул. Выбегавшие из домов обитатели городка увидели, как земля перекатывается метровыми волнами, обнажая трещины в несколько метров глубиной. Воздух наполнился едким запахом серы. Все это продолжалось четыре минуты, вызывая разрушения. Землетрясение распространялось так активно, что разрушило дымовые трубы в Цинциннати на расстоянии 600 км, повредило суда в гаванях восточного побережья США и даже повалило строительные леса вокруг Капитолия в Вашингтоне. 23 января и 4 февраля последовали дальнейшие землетрясения сравнимой силы. С тех пор в Нью-Мадриде жители спят спокойно — просто потому, что такого рода эпизоды никогда не повторяются в одном и том же месте. Но, с другой стороны, такой толчок непредсказуем, как удар молнии. У специалистов нет никаких предположений, что служит причиной этих огромных разрывов в середине плит. Что-то происходит в недрах Земли — и больше мы сказать не можем! Что ж, выглядит очень по-человечески. Мы не знаем, что происходит и какие тайны скрыты в подвале нашего собственного дома…

Под землей

Итак, мы все-таки отваживаемся, берем светильник и спускаемся в наш подвал. Под землю. То есть, «под Землю». В целом ученые согласны, что подземный, теургический мир под нами состоит из четырех слоев: твердой внешней коры, мантии из горячей вязкой породы, жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра. Приблизительные размеры разных слоев таковы. От 0 до 40 км вглубь планеты — земная кора. От 40 до 400 км — верхняя мантия. От 400 до 650 км — промежуточная зона между верхней и нижней мантиями. От 650 до 2700 км — нижняя мантия. От 2700 до 2890 км — «слой D». От 2890 до 5150 км — внешнее ядро, а от 5150 до 6370 км — внутреннее ядро. Снаружи — более легкие слои. Внутри — более тяжелое вещество. Известно, что для образования нашего магнитного поля где-то внутри должен существовать плотный пояс металлических элементов, который находится в жидком состоянии. Это то, что общепризнано. Но то, как взаимодействуют слои, что определяет их поведение, как они поведут себя в будущем — совершенно неясно. Даже видимая нами часть земного шара — кора, и та является даже по сию пору предметом жарких споров. Во всех исследованиях по геологии отмечается, что земная кора достигает от 5 до 10 км под океанами, около 40 км под материками и 65–95 км под крупными горными цепями. Но дело в том, что в рамках этих обобщенных данных наблюдается множество озадачивающих отклонений.

Как и когда Земля сформировала свою кору — вопрос, разделяющий геологов на два больших лагеря: на тех, кто считает, что это произошло быстро, в начале истории Земли, и тех, кто считает, что это происходило постепенно и несколько позднее. Кора и часть наружной мантии вместе называются литосферой (от греч. «камень»), и она плавает на слое более мягкой породы, называемом астеносферой (от греч. «лишенный силы»). Подобные термины никогда полностью не отвечают смыслу. Неправильно, к примеру, представлять горные породы мягкими и текучими, наподобие жидкостей на поверхности. Горные породы являются текучими, но лишь в том смысле, в каком текуче стекло. Этого, может быть, не видно глазом, но все стекло на Земле под неослабным влиянием силы тяжести стекает книзу. Выньте из рамы очень старое стекло в окне готического собора и вы обнаружите, что оно заметно толще внизу, чем вверху. Часовая стрелка движется в 10 тыс. раз быстрее «текучих» пород мантии. Движения происходят не только по горизонтали, как перемещаются земные плиты по поверхности, но также вверх и вниз, как поднимаются и опускаются горные породы в вихревом процессе, известном как конвекция.

В 70-х годах прошлого века эти факты произвели настоящий фурор в геологической науке. Ученые пришли в замешательство, определив, что внутри Земли происходят бурные, беспорядочные процессы. «Было похоже на то, — сравнивает один геолог, — будто ученые десятки лет изучали земную атмосферу — тропосферу, стратосферу и так далее, — а потом вдруг узнали о ветре». С тех пор не утихают споры вокруг того, какой глубины достигает процесс конвекции. Одни полагают, что он начинается на глубине 650 км, другие — что глубже 3 тыс. км. Геохимики говорят, что некоторые элементы не могут попасть на поверхность планеты из верхней мантии, а должны подняться из более глубоких недр Земли. Поэтому вещества верхней и нижней мантий должны, по крайней мере, периодически смешиваться. Сейсмологи же говорят, что этот тезис не находит подтверждений.

Итак, можно лишь утверждать, что, двигаясь к центру Земли, в какой-то не совсем определенный момент мы покидаем астеносферу и погружаемся в чистую мантию. Мантия составляет 82 % объема Земли и 65 % ее массы, но она не удостаивается излишнего внимания ученых, главным образом потому, что их интерес лежит либо гораздо глубже (как в случае с магнетизмом), либо ближе к поверхности (землетрясения). Известно, что до глубины примерно 150 км в составе мантии преобладает горная порода перидотит, но чем заполнены остальные 2650 км, точно не известно.

Температура в центре Земли может составлять до 7500 °C. Это выше, чем температура на поверхности Солнца. Давление там достигает 3,6 млн атмосфер и полностью отсутствует гравитация.

По мере продвижения в глубину недр туман нашего незнания становится практически непроглядным. Ниже мантии находятся два ядра — твердое внутреннее и жидкое внешнее. Наши представления о природе этих ядер носят косвенный и опосредованный характер, однако ученые способны сделать некоторые обоснованные предположения. Им известно, что давление в центре Земли очень-очень высоко — в несколько миллионов раз больше, чем на поверхности. Этого вполне достаточно, чтобы стиснуть любую породу до отвердения. Из истории Земли (а также по косвенным признакам) известно, что внутреннее ядро очень хорошо держит тепло. Хотя это лишь чуть более чем предположение, считается, что за 4 млрд лет температура ядра упала не больше чем на 110 °C. Никто точно знает, насколько горячим является ядро Земли, но оценки колеблются от 4000 до более 7000 °C — это почти такой же жар, как на поверхности Солнца. Внешнее ядро во многих отношениях изучено еще меньше, хотя все сходятся во мнении, что оно жидкое и что там находится источник магнетизма.

В 1949 году появилась гипотеза, согласно которой эта жидкая часть земного ядра вращается таким образом, что, по существу, превращает его в электродвигатель, создающий магнитное поле Земли. Предполагается, что конвекционные потоки жидкости внутри Земли создают эффект наподобие тока в проводах. Что именно происходит — неизвестно, но довольно определенно полагают, что это связано с вращением ядра и с тем фактом, что оно жидкое. Тела, не имеющие жидкого ядра, например Луна и Марс, магнетизмом не обладают. Известно, что напряженность магнитного поля Земли время от времени меняется: в эпоху динозавров она была втрое выше, чем теперь. Также известно, что в среднем примерно каждые 500 тыс. лет оно меняет полярность, хотя за этим средним скрывается чудовищная степень непредсказуемости. Последняя перемена имела место около 750 тыс. лет назад. Иногда полярность остается неизменной миллионы лет — похоже, самый продолжительный промежуток составлял 37 млн лет, — а в другое время полярность менялась всего через 20 тыс. лет. Всего за последние 100 млн лет она менялась около 200 раз, и у нас нет никакого представления почему. Факт этот назван «самым большим остающимся без ответа вопросом в геофизической науке».

Возможно, как раз в наши дни происходит смена полярности. Магнитное поле только за последнее столетие ослабло примерно на 6 %. Всякое ослабление магнетизма, скорее всего, плохая новость, потому что магнетизм, кроме крепления записок к холодильникам и надежной работы компасов, играет важнейшую роль в поддержании нашей жизни. Во Вселенной полно опасных космических лучей, которые, не будь магнитной защиты, пронзали бы наши тела, превращая большинство наших ДНК в негодные лоскутья. Когда действует магнитное поле, эти лучи надежно отгоняются от поверхности Земли и собираются в стадо в двух зонах околоземного пространства, названных поясами Ван Аллена. Они также взаимодействуют с частицами в верхних слоях атмосферы, создавая удивительные световые эффекты — то, что называется полярными сияниями.

И все-таки они движутся!

Во Вторую мировую войну геолог из Принстонского университета Гарри Хесс был направлен на военно-транспортный корабль США «Кейп Джонсон». На борту был новый сложный эхолот, предназначенный для облегчения прибрежного маневрирования при десантных операциях. Но Хесс не выключал его никогда, даже в открытом море и в пылу сражения. Он стал использовать аппарат в научных целях и скоро получил впечатляющий результат, обнаружив совершенно неожиданную вещь. Если ложе океана, как все полагали, очень древнее, то оно должно быть покрыто толстым слоем осадочных пород, как дно рек и озер илом. Однако измерения показали, что ложе океана — это что угодно, только не сглаженная мягкая поверхность из древних илистых отложений. Оно всюду изрезано глубокими ущельями, впадинами и трещинами, усеяно подводными вулканическими плоскими горами с крутыми округлыми склонами (которые Хесс назвал гайотами по имени работавшего ранее в Принстоне геолога Арнольда Гайота). Все это было загадочным. Но шла война, и ученый отложил обдумывание на потом.

После войны Хесс вернулся к преподаванию в Принстоне, однако тайны океанского ложа продолжали занимать его мысли. Тем временем на протяжении 1950-х годов океанографы проводили все более и более сложные обследования океанского дна. Среди прочего было установлено, что самый мощный и протяженный горный хребет на Земле находится большей частью под водой! Он тянется сплошными полосами по морским ложам всего мира, подобно узору линий на теннисном мяче. Если начать с Исландии и двигаться к югу, то можно дойти до середины Атлантического океана, обогнуть с юга Африку, пересечь Индийский и Южный океаны и чуть южнее Австралии под углом войти в Тихий океан, пересечь его в направлении Калифорнии, повернуть затем налево и вдоль западного побережья Соединенных Штатов добраться до Аляски. Кое-где его наиболее высокие пики возвышаются над водой в виде островов или архипелагов, например Азорских и Канарских островов в Атлантическом океане или Гавайских в Тихом, но в большинстве случаев они невидимы и спрятаны под тысячами метров воды. Если сложить вместе все его отроги, система в целом протянется на 75 тыс. километров.

Самая высокая гора на Земле вовсе не Эверест. Если измерять высоту от земной коры до вершины, то вулкан Мауна-Кеа на Гавайях окажется выше — более 10 км. Однако только 4245 м из всего его роста находятся над поверхностью океана.

Кое-что об этом уже было известно раньше. Те, кто в XIX веке прокладывал по дну Атлантического океана кабели, судя по их поведению, знали о существовании там горных образований. Однако наличие хребта, сплошного от начала до конца, явилось сногсшибательной неожиданностью. Более того, в нем обнаружили физические аномалии, которые невозможно было объяснить. Посередине атлантической части хребта расположился рифт — разлом земной коры — шириной до 20 км и длиной 19 тыс. км! Создавалось впечатление, что Земля напоминает скорлупу грецкого ореха и намеревается лопнуть по швам. Это была нелепая, тревожная картина, но так говорили факты, а факты, как известно, не переспоришь.

Затем в 1960 году изучение кернов показало, что ложе океана у хребта в середине Атлантики довольно молодое, а к востоку и западу от него постепенно становится более старым. Гарри Хесс понял, что это может означать лишь одно: по обе стороны срединного разлома образуется новая океаническая кора, и, по мере появления свежей коры, она расталкивается в стороны. Ложе Атлантики фактически представляет собой две конвейерные ленты — одна несет кору в сторону Северной Америки, другая — в сторону Европы. Процесс этот стали называть спредингом морского дна. Когда кора достигала конца пути на границе с материками, она снова погружалась в глубины Земли. Это явление — подход одной тектонической плиты под другую — называется субдукцией.

Субдукция ответила на вопрос о том, куда деваются осадочные породы: возвращаются в недра планеты. Она также объясняла, почему ложе океана всюду сравнительно молодо: нигде не находили пород старше 175 млн лет, что было загадкой, потому что породы, составляющие материки, часто насчитывали миллиарды лет. Теперь Хесс смог понять, почему океанические породы существовали ровно столько, сколько им требовалось, чтобы достичь берега. Это была великолепная теория, объясняющая множество вещей. Однако научное сообщество просто проигнорировало выводы Гарри Хесса. В науке тоже бывают предубеждения.

Между тем, еще в 1906 году французский физик Бернар Брюн обнаружил, что магнитное поле планеты время от времени меняет полярность и что свидетельства таких переполюсовок навсегда фиксируются в определенных горных породах в момент их зарождения. Крошечные вкрапления железной руды в породах указывают туда, где находились магнитные полюса во время их формирования, и потом неизменно указывают это направление после остывания и затвердевания пород. По сути, они «запоминают», где во время их образования находились магнитные полюса. Многие годы это было просто диковинкой, но в 1950 году Патрик Блэкетт из Лондонского университета и Стэнли Кейт Ранкорн из Нью-касльского университета, изучая магнитные структуры древних британских горных пород, были поражены, обнаружив следы того, что в отдаленном прошлом Британия, словно сорвавшись с якоря, повернулась вокруг собственной оси и продвинулась на некоторое расстояние к северу. Более того, оказалось, что если положить рядом карты магнитных структур Европы и Америки, относящиеся к одному периоду, они совпадают, как две половинки разорванного листа бумаги. Что-то сверхъестественное! Но на их открытия научный мир тоже не обратил внимания.

Связать все нити вместе удалось двоим ученым из Кембриджского университета: геофизику Драммонду Мэтьюсу и его аспиранту Фреду Вайну. В 1963 году, пользуясь результатами магнитных обследований ложа Атлантического океана, они убедительно показали, что спрединг морского дна происходит в точности так, как предполагал Хесс, и что материки также находятся в движении. Одновременно к такому же заключению пришел один канадский геолог. Лоренс Морли, так его звали, не мог найти никого, кто бы издал его работу. Редактор «Журнала геофизических исследований» ответил ему так: «Подобные домыслы могут служить предметом забавных разговоров за коктейлями, но вряд ли годятся для публикации на страницах серьезного научного издания». Позднее об этом же тексте было сказано следующее: «Возможно, это самая значительная работа в области наук о Земле, которой когда-либо было отказано в опубликовании».

Как бы то ни было, время для идеи подвижной земной коры наконец пришло. Ученые признали как факт, что Земля представляет собою мозаику из взаимосвязанных сегментов, многообразные величественные столкновения между которыми определяют по большей части динамику поверхности планеты. Термин «дрейф материков» был довольно скоро отвергнут: ведь в движении находится вся земная кора, а не только материки. Сами движущиеся части сначала называли «блоками коры», а иногда «каменной отмосткой» (paving stones). Но с конца 1960-х годов установилось то название, под которым они с тех пор известны, — плиты. Образовалась и новая наука, новая геологическая дисциплина — тектоника плит.

Старые идеи умирают с трудом, и не все поспешили принять новую захватывающую воображение теорию. В самом популярном и влиятельном учебнике геологии «Земля» почтенного Харолда Джеффриса еще в 1970-е годы, как и в первом издании 1924 года, настойчиво утверждалось, что движения плит физически невозможны. В нем в равной мере отвергались конвекция и спрединг морского дна. В опубликованной в 1980 году книге «Бассейн и горная система» Джон Макфи отмечал, что даже в это время каждый восьмой американский геолог не верил в тектонику плит. Но сегодня мы знаем, что поверхность Земли состоит из 8—12 крупных плит (в зависимости от того, что называть крупным) и около 20 плит поменьше и что все они движутся в разных направлениях с разной скоростью. Некоторые плиты велики и сравнительно инертны, другие невелики и активны. Что интересно, плиты лишь отдаленно соотносятся с покоящимися на них массивами суши. Североамериканская плита, например, намного больше материка, с которым она связана. Она приблизительно соответствует очертаниям западного побережья материка (поэтому данный район из-за столкновений на краю плиты сейсмически активен), но совсем не совпадает с восточным побережьем, выдаваясь вперед на половину Атлантики, вплоть до срединноокеанического хребта. Исландия расколота посередине и тектонически принадлежит наполовину к Америке, наполовину к Европе. А Новая Зеландия является частью огромной плиты под Индийским океаном, хотя вовсе им не омывается. И так с большинством других плит. Связи нынешних и прошлых массивов суши оказались неизмеримо сложнее, чем кто-либо мог себе представить. Оказывается, Казахстан был когда-то связан с Норвегией и Новой Англией. Один угол острова Статен (но только угол) относится к Европейской плите, хотя сам остров расположен у берегов Северной Америки. То же самое с частью Ньюфаундленда. Поднимите камень на побережье Массачусетса — сейчас же его ближайший родственник обнаружится в Африке. Горная Шотландия и значительная часть Скандинавии в основном относятся к Америке. Считается, что горный хребет Шеклтона в Антарктике, возможно, когда-то был частью Аппалачских гор на востоке США. Словом, горы гуляют. Непрерывное беспорядочное движение плит не дает им слиться в одну неподвижную плиту.

Если исходить из продолжения нынешнего развития, Атлантический океан будет расширяться, пока наконец не станет намного больше Тихого. Значительная часть Калифорнии отплывет прочь и станет чем-то вроде тихоокеанского Мадагаскара. Африка двинется к северу на Европу, полностью выдавит Средиземное море и нагромоздит горы гималайского масштаба, которые протянутся от Парижа до Калькутты. Австралия прихватит лежащие к северу острова и соединится пуповиной с Азией. Это будущие результаты, но не явления. Явления имеют место и теперь. Мы сидим на своих местах, а материки в это время плавают, как листья в пруду. Благодаря глобальным системам позиционирования мы можем видеть, что Европа и Северная Америка расходятся примерно со скоростью около 2 м за человеческую жизнь. Лишь краткость нашего существования в этом мире лишает нас возможности оценить изменения. Посмотрите на глобус: то, что вы видите, это, по существу, моментальный снимок континентов, какими они были на протяжении всего лишь 0,1 % истории Земли.

Восточно-Африканская рифтовая долина на Земле шириной до 100 км и глубиной до 2 км протянулась на 6000 км от Северной Эфиопии до Мозамбика. Согласно прогнозам, через несколько миллионов лет здесь будет море, которое отделит восточную Африку от остальной части материка.

Земля — единственная из твердых каменистых планет, где существует тектоника, но почему — это до некоторой степени загадка. Дело не в размерах или плотности: в этом отношении Венера является почти двойником Земли, но тектонической активности на ней не наблюдается. Возможно, у нас просто есть нужные вещества в нужных количествах, чтобы Земля продолжала «пузыриться». Говорят, хотя это не только предположение, что тектоника играет важную роль в процветании органической системы планеты. Проблемы, создаваемые тектоникой, например изменения климата, возможно, служат важным стимулом развития интеллекта. Говорят также, что дрейф материков мог стать причиной, по крайней мере, некоторых случаев вымирания обитавших на Земле видов.

В ноябре 2002 года Тони Диксон из Кембриджского университета высказал и обосновал мысль, что между историей горных пород и историей жизни вполне может существовать связь. Он установил, что за последние полмиллиарда лет химический состав Мирового океана испытывал неожиданные и резкие изменения и что эти изменения часто соотносятся с важными событиями в биологической истории: бурной вспышкой роста крошечных живых существ, оставивших после себя меловые скалы на южном побережье Британии, внезапной модой на раковины у морских организмов в кембрийский период и т. д. Никто не может сказать, что заставляет химию океанов время от времени так поразительно изменяться, но возможно, виной тому служит раскрытие и закрытие подводных горных хребтов.

Во всяком случае, тектоника плит дала объяснение не только поверхностной динамике Земли — например, как древний зверь Hipparion попал из Франции во Флориду, — но и многим внутрипланетным явлениям. Землетрясения, образование цепочек островов, углеродный цикл, расположение гор, наступление ледниковых периодов, происхождение самой жизни — вряд ли найдешь явление, к которому не имеет прямого отношения эта новая удивительная теория. У геологов голова пошла кругом, когда они обнаружили, что, как выразился один из них, «все на Земле вдруг обрело смысл».

Количество воды в ледниках земного шара в 7 раз превышает содержимое всех пресных водоемов и рек. Если бы все льды растаяли, уровень мирового океана повысился бы на 60 м. Это кардинально изменило бы карту мира — географическую и политическую.

Однако теория дрейфа континентов не может объяснить некоторых фактов. Скажем, расположение материков в прежние времена представляется далеко не таким ясным, как думает большинство людей, далеких от геофизики. Хотя в учебниках изображаются определенные на вид очертания массивов суши, называемых Лавразией, Гондваной, Родинией и Пангеей, они порой основываются на заключениях, которые признаются далеко не всеми. Древние виды растений и животных имеют неудобную привычку обнаруживаться там, где им не место, и не находиться там, где предписывает теория. Реконструкция очертаний Гондваны, когда-то громадного материка, объединявшего Австралию, Африку, Антарктиду и Южную Америку, в значительной мере обосновывалась распространением рода древнего языковидного папоротника Glossopteris, который находили во всех нужных местах. Однако значительно позже это растение также обнаружили в частях света, насколько известно, не имевших связи с Гондваной. Это неудобное несоответствие в основном оставалось, и до сих пор остается без внимания. Подобным же образом следы листрозавра, рептилии триасового периода, были обнаружены на территории от Антарктики до Азии, подтверждая идею прежних связей между этими материками, но ее никогда не находили в Южной Америке или в Австралии, которые, как считают, в то время были частью того же материка. Имеется также множество деталей поверхности, которые не в состоянии объяснить тектоника. Возьмите город Денвер, столицу штата Колорадо, США. Он расположен на высоте в милю, но подъем этот произошел сравнительно недавно. Когда по Земле бродили динозавры, эта территория была частью дна океана и находилась на многие тысячи метров ниже. В то же время породы, на которых покоится Денвер, не разломаны и не деформированы, как если бы этот участок поднялся при столкновении плит. Да и в любом случае он находится слишком далеко от краев плит, чтобы попасть под их воздействие. Это все равно, как если бы вы толкали один край ковра, намереваясь создать складку на другом его конце. Похоже, что каким-то непостижимым образом Денвер миллионы лет поднимался, подобно хлебу в печи. Это же в значительной мере относится и к Южной Африке. Часть ее шириной в 1600 км за 100 млн лет поднялась на полтора километра без какой-либо известной тектонической активности. А Австралия тем временем наклонялась и тонула. Последние 100 млн лет она дрейфовала к северу в сторону Азии, причем передний край ушел под воду почти на 200 м. Похоже, что и Индонезия очень медленно тонет, увлекая за собой Австралию. Ни одна из тектонических теорий не может объяснить эти явления. Но если бы не подобные вопросы, каким образом могла бы развиваться наука?

Море уходит!

«…Как около Авачи, также на Курильской Лопатке и на островах было страшное землетрясение с чрезвычайным наводнением, которое следующим образом происходило: октября 6 числа помянутого 1737 году пополуночи в третьем часу началось трясение, и с четверть часа продолжалось волнами так сильно, что многие камчатские юрты обвалились и балаганы попадали. Между тем учинился на море ужасный шум и волнение, и вдруг взлилось на берега воды в вышину сажени на три, которая, нимало не стояв, сбежала в море и удалилась от берегов на знатное расстояние. Потом вторично земля всколебалась, воды прибыло против прежнего, но при отлитии столь далеко она сбежала, что моря видеть невозможно было. В то время усмотрены в проливе на дне морском между первым и вторым Курильским островом каменные горы, которые до того никогда не виданы, хотя трясение и наводнение случалось и прежде. С четверть часа после того спустя последовали валы ужасного и несравненного трясения, а при том взлилось воды на берег в вышину сажен на 30, которая по-прежнему, нимало не стояв, сбежала в море и вскоре стала в берегах своих, колебаясь чрез долгое время, иногда берега поднимая, иногда убегая в море. Пред каждым трясением слышен был под землею страшный шум и стенание.

От сего наводнения тамошние жители совсем разорились, а многие бедственно скончали живот свой. В некоторых местах луга холмами и поля морскими заливами сделались…»

Так описывает Степан Крашенинников первое известное в России «моретрясение» (цунами), происшедшее на восточном побережье Камчатки в середине XVIII века. По высоте волн (70 м), обрушившихся на берег, оно было самым сильным из памятных до сих пор.

Волна цунами возникает как следствие подводного землетрясения. Внезапный подъем по разлому значительных участков дна океана приводит к поднятию многокилометрового столба воды выше ее обычного уровня. Такой же эффект наблюдается и при опускании морского дна. Масса перемещающегося вверх и вниз столба воды вызывает появление на поверхности волн, которые распространяются по всему океану, подобно ряби от брошенного в воду камня. Энергия процесса такова, что во время цунами переносятся миллиарды тонн воды на расстояния 10–15 тыс. км. Волны следуют друг за другом с интервалом около 10 мин, распространяются со скоростью реактивного самолета. В наиболее глубоких частях Тихого океана их скорость достигает 1000 км/ч! Волны, передвигающиеся с такой скоростью и разделенные значительным промежутком времени, удалены на расстояние многих сотен километров друг от друга. Поэтому в океане каждая волна цунами представляет собой небольшой бугор высотой всего лишь до полутора метров (вероятно, не превышающий то поднятие дна, которым вызвано это явление) и протяженностью в десятки километров. Корабль, под которым пройдет такая волна, останется невредим, а его пассажиры ничего особенного не ощутят. Цунами для них будет так же незаметна, как и прилив. А вот когда она подходит к мелководью…

Главное здесь в том, что цунами — волны длинные и быстрые. А значит, их энергия очень велика. На мелкой воде скорость волн сильно уменьшается, а это приводит к тому, что энергия волн идет на увеличение их высоты. Волна растет до огромных размеров, возникает колоссальная водяная стена. Эффект будет особенно силен в заливах с высокими сужающимися берегами. Заходя в такой залив, цунами растет молниеносно, поднимаясь до 40–60 м, а иногда и выше.

Очень высокие волны могут возникать и иначе. Когда в воду внезапно обрушиваются большие массы горных пород или льда (например, при землетрясении с эпицентром на суше, при извержении вулкана и т. д.), последствия бывают еще более разрушительными и катастрофическими.

Залив Литуйя на юго-востоке Аляски врезается в сушу более чем на 11 км. Местность гористая, на склонах растут леса. Но для наметанного глаза геологов в рельефе местности, в том, как располагались деревья, было нечто необычное. Лесной массив очень точно, словно неведомым инструментом, был разделен на две части. Ближе к подножью гор, окаймляющих залив, лес был реже и меньше. Ближе к вершинам встречались странным образом согнутые деревья, а остатки поваленных и как-то разом вырванных с корнем стволов были, как по команде, ориентированы в одном направлении — к пикам гор. Что-то с гигантской силой толкнуло эти деревья вверх.

Кто-то из геологов высказал гипотезу, что за последние 100 лет в заливе, по крайней мере, четыре раза «гостили» волны, максимальная высота которых должна была быть никак не менее нескольких сотен метров! Таинственная граница есть не что иное, как след гигантской волны. Научное сообщество не спешило принимать гипотезу всерьез — слишком уж удивительными казались выводы. Так продолжалось до тех пор, пока 9 июля 1958 года к северу от залива на глазах людей не произошло нечто, превосходившее всякое воображение.

В тот вечер в заливе Литуйя на рейде стояло несколько кораблей. Очевидцы, оказавшиеся на борту, рассказывают, что началось все с невероятной силы толчка. Оправившись от удивления и испуга, люди увидели следующее. Море вздыбилось. Гигантские оползни, поднимавшие тучи пыли и снега на своем пути, начинали бег по склонам гор. Но далее случилось нечто такое, что вообще было трудно описать словами. У самого входа в залив высился горный пик. Далеко за ним, к северу, простирался ледник, но вершина пика всегда скрывала его от взглядов. Вдруг масса льда с ледника как бы поднялась выше гор и затем обрушилась в воды внутреннего залива. На глазах потрясенных людей вверх поднялась огромная волна, которая поглотила треть северной горы. После этого она прокатилась по заливу, смывая вековые деревья со склонов гор. Волна обрушилась водяной горой на остров Кенотафия и перекатилась через высшую точку острова, возвышавшуюся более чем на 50 м над уровнем моря. Затем волна вернулась в залив, захлестывая склоны гор. Там, где раньше рос густой лес, теперь были голые скалы. Измерения, проведенные позже, показали, что склоны оголились на высотах до 600 метров!

А произошло вот что. Сильное землетрясение вызвало образование многочисленных трещин и, как следствие, обрушение побережья. Это, в свою очередь, породило невиданной величины и силы волну. Примечательно, что катастрофа разыгрывалась в 10 км от места стоянки кораблей, люди на которых оказались свидетелями происшествия.

Вот рассказ еще одного очевидца, пострадавшего от цунами, которая обрушилась осенью 1952 года на Курильские острова и южную часть восточного побережья Камчатки. «5 ноября ночью я проснулся от сильной тряски. Проснувшись, я сообразил, что тряска — это землетрясение, и стал будить товарищей; тряска продолжалась от 3 до 5 минут. У меня и всех моих товарищей было ощущение настороженности.

По направлению к пирсу находился засольный цех — большой деревянный сарай длиной 25–30 м. Землетрясением этот сарай был сдвинут в море и дрейфовал из бухты. После конца землетрясения прошло минут 10–12, и вдруг мы увидели, что прямо на нас плывет обратно тот самый засольный цех, который только что относило в море, причем плывет теперь с большей скоростью и против ветра. Только тут я сообразил, что цех плывет под действием цунами.

От меня метрах в 70 находилась шлюпка, вытащенная на берег. Я бросился к шлюпке и добежал к ней уже по колено в воде. Только я успел прыгнуть в шлюпку, ее подхватила волна и понесла по направлению к сопкам. Потом волна перегнала шлюпку, оставив меня примерно на том месте, где раньше находилось озеро. Через некоторое время волна отхлынула и смыла с косы шлюпку вместе со мной и массу самых различных плавучих предметов, начиная от бревен, крыш, полов, стогов сена и кончая различными ящиками с консервами, мешками с мукой, различной одеждой и др. Эта первая волна была сравнительно небольшой высоты, около 4–5 м, и, главное, небольшой скорости. Волна разрушила почти все дома поселка и потом, отхлынув в море, почти все смыла.

Я думал, что с катастрофой уже все покончено, и рассчитывал, как бы мне попасть на сопки (в северном направлении), где горели три костра, зажженные спасшимися людьми. Минут через 10–15 после первой волны я заметил, что со стороны моря в бухту движется огромное ледяное поле, покрытое снегом. Но то, что я принял за ледяное поле, оказалось второй волной, гораздо большей высоты (ориентировочно до 10 м) и гораздо большей скорости, с массой пены и водяной пыли. Волна налетела на меня со страшной силой (я даже почувствовал боль от удара воды), подхватила мою шлюпку, высоко подняла ее на гребень и перевернула. Некоторое время волна несла меня вместе с собой; я был под водой так долго, что мне не хватало воздуха. Наконец, вода перегнала меня, я оказался на поверхности и уцепился за плавающее бревно.

Вторая волна цунами в своей верхней части состояла из громадных беляков (аналогичных морским белякам при шторме, но гораздо больших размеров), и сами беляки, и пространства между ними были заполнены мельчайшей водяной пылью и брызгами».

А вот описание другой известной катастрофы, произошедшей на 8 лет позже с другой стороны планеты.

«Мне даже приблизительно не удалось узнать, сколько человеческих жизней унесла катастрофа. Все же представляется, что в Чили от волн цунами погибло не так уж много людей, исключая деревушки, расположенные в устье реки Маульин, где, как полагают, утонуло около тысячи человек. Сравнительно небольшое число жертв объясняется тем, что вскоре после мощного толчка, происшедшего в три часа дня, жители прибрежной зоны заметили, что сначала море вздулось и уровень его поднялся значительно выше уровня самых высоких приливов, а затем внезапно отхлынуло, словно воду куда-то всосало, на этот раз гораздо дальше самого низкого уровня отлива. Напуганные горьким опытом многих поколений, люди поняли значение этого явления. С криками ужаса: «Море уходит!» — все устремились на холмы».

Эти строки написаны о цунами, вызванной известным чилийским землетрясением 22 мая 1960 года. На Чилийское побережье накатилось несколько гигантских волн. Первый прилив моря — «нежный», как его назвали жители, — был небольшим. Поднявшееся на 4–5 м выше обычного уровня море оставалось неподвижным около 5 минут. Затем оно начало отступать. Отлив был стремительным и сопровождался страшным шумом, похожим на звук высасываемой воды, с каким-то металлическим тембром, смешанным с рокотом низвергающегося водопада. Вторая волна нахлынула спустя минут 20. Она с грохотом мчалась к берегу с огромной скоростью, 50—200 км/ч, вздымаясь вверх до 8 м. Волна снесла один за другим все дома. Море стояло высоко в течение 10–15 минут, а затем отступило с таким же отвратительным всасывающим гулом. Третью волну увидели издалека час спустя. Она была выше второй, достигая 10–11 м. Скорость ее движения — около 100 км/ч. Обрушившись на обломки домов, нагроможденные второй волной, море вновь замерло на четверть часа, а затем стало отступать все с тем же ужасным металлическим звуком.

Гигантские волны, зародившиеся у берегов Чили, распространились по всему Тихому океану со скоростью до 700 км/ч. Главный удар Чилийского землетрясения произошел в 19 ч 11 мин по Гринвичу, а в 10 ч 30 мин волны достигли Гавайских островов. Городок Хило был частично разрушен, утонул 61 человек, 300 ранено. Шесть часов спустя, продолжая свое движение, цунами высотой в 6 м обрушилось на японские острова Хонсю и Хоккайдо. Там было уничтожено 5 тыс. домов, утонуло около 200 человек и 50 тыс. осталось без крова.

Самым же смертоносным стихийным бедствием в современной истории признаны волны цунами, вызванные подводным землетрясением в Индийском океане 26 декабря 2004 года. Магнитуда землетрясения составила, по разным оценкам, от 9,1 до 9,3 баллов — это третье по силе землетрясение за всю историю наблюдения. Эпицентр его находился неподалеку от северо-западного берега острова Суматры (Индонезия). Как оценили сейсмологи, оно было необыкновенно большим в географическом смысле: произошел сдвиг около 1200 км (по некоторым оценкам — 1600 км) породы на расстояние в 15 м, в результате которого Индийская плита сдвинулась под Бирманскую плиту.

В считанные минуты и часы цунами достигла берегов Индонезии, Шри-Ланки, юга Индии, Таиланда и других стран, где не было системы раннего оповещения о землетрясениях и цунами, подобной той, какая действует в Тихоокеанском регионе.

Волны, превышающие 15 м, накатились на низкие плоские берега самых бедных и густонаселенных стран Юго-Восточной Азии. Во многих местах разрушительная стихия прошла до 2 км вглубь суши, а в некоторых — 4 км. В результате погибли, по разным оценкам, от 225 до 300 тыс. человек, более миллиона остались без крыши над головой.

Хочется отметить еще два факта. Первый: в отличие от людей животные почувствовали опасность заранее и заблаговременно покинули опасные районы — после катастрофы было найдено крайне мало погибших диких животных. И второй: на одном из пляжей отдыхающих спасла девочка из Европы, вспомнившая, как учительница в школе рассказывала об отступлении моря перед гигантской волной цунами: родители поверили дочери и успели убежать, уведя с побережья подальше всех, кого смогли.

Именно после этой катастрофы ООН приняла решение о создании системы предупреждения о цунами в Индийском океане, которая начала работать в 2006 году.

Вихри враждебные

Мы часто слышим или читаем подобные новости: оттуда-то в наш город или область движется циклон. Мы думаем при этом о том, что нужно не забыть захватить зонтик. И если зонтик под рукой, мы считаем, что подготовились к приходу циклона. Чаще всего циклон, действительно, не против такого к себе отношения.

Но в том-то и дело, что циклон циклону рознь. В северном и южном полушариях, между 5° с. ш. и 25° ю. ш., возникают тропические циклоны. Область их действия — Карибское море, США (штаты Флорида, Техас, Луизиана), Мексика, Япония, Китай, Филиппины, Корейский полуостров, частично Приморский край в России, полуостров Индостан, острова Мадагаскар, Реюньон и Маврикий.

Почему именно тропические? Потому что тайфуны (ураганы) и другие мощные движения атмосферы, обычно вызываемые циклонами, особенно сильны в тропических областях. Они возникают, когда воздух в каком-то месте становится легче, чем вокруг. В результате он поднимается, а на его место из окружающей среды устремляются массы воздуха более тяжелого.

Образование зон пониженного давления происходит на тропическом фронте — пограничной зоне между пассатами северного и южного полушарий или между пассатами и муссонами. В начальной стадии тропические циклоны — области пониженного давления, и только часть из них впоследствии развивает ураганную силу ветра. Когда различия в плотностях воздуха невелики, возникает обыкновенный ветер, но чем больше эти различия, тем он сильнее. Таким образом, тайфун (ураган) — это всегда бурное заполнение зоны низкого атмосферного давления. Восходящие потоки воздуха в зоне пониженного давления приводят к конденсации значительных масс водяного пара, выделению огромного количества тепла, что в свою очередь усиливает восходящие движения.

В центре циклона возникает относительно устойчивая зона полного спокойствия, перемещающаяся над поверхностью Земли. Она находится в центре вращающихся вокруг нее сокрушительных ветров и называется глазом бури. Точное предсказание пути циклона является трудной проблемой. Обычно он движется по кривой, напоминающей параболу, со скоростью 15–20 км/ч. Но нередко, обманывая все прогнозы и расчеты, он останавливается на одном месте или перемещается очень быстро. Наличие устойчивой зоны пониженного давления (глаза тайфуна) приводит к тому, что уровень моря в этой части повышается. Окружающая часть моря оказывается под бóльшим давлением атмосферы, и море как бы всасывается в эту зону. В результате возникают гигантские волны, по размерам напоминающие цунами.

Глаз тайфуна обычно имеет форму круга со средним диаметром 8—15 км, а в некоторых случаях достигает исключительных размеров. Так, например, у тайфуна Кармен (1960) диаметром 1500 км и высотой 15 км был глаз эллиптической формы 320 км в поперечнике. Скорость ветра в тропическом циклоне — до 400 км/ч. При этом воздух приобретает необычную плотность. По выражению капитана одного из кораблей, попавших в тайфун, на нос его судна обрушился ветер, «сделанный из металла».

Циклоны и связанные с ними ураганы, тайфуны, смерчи — дело не космическое, а земное. Однако их «катастрофическая энергия» вызывает ассоциации с внеземными силами. Вот как описывает Христофор Колумб (тот самый) первую встречу европейских мореплавателей с ураганом: «Никогда я не видел море столь вздыбленным, столь ужасным, настолько покрытым пеной. Ветер не давал возможности продвигаться вперед… не позволял выйти из бухты. Поверхность моря казалась кипящей, словно вода в котле на большом огне… Ужас вселяла в нас эта буря, вода казалась багрово-красной, кровавой. Небо и море пылали днем и ночью, словно вокруг был ад, огненные искры раскалывали небо… это был настоящий потоп. Люди выбились из сил, они были настолько изнурены, что предпочитали смерть. Корабли теряли шлюпки, якоря, такелаж, они потеряли управление…»

Офицер французского фрегата «Юнона», захваченного тайфуном в Южно-Китайском море в 1868 году, оставил следующее описание:

«Внезапно воцарилось абсолютное молчание, которое можно сравнить только с тишиной после взрыва мины или с безмолвием только что взятого приступом бастиона. Это спокойствие центральной зоны, спокойствие внезапное и страшное, которое вызывает скорее изумление, чем ощущение безопасности, настолько оно кажется противоестественным. Птицы, рыбы, саранча падали со всех сторон, и электрическое состояние атмосферы вызывало головокружение, которое никто из нас никогда не испытывал, выражавшееся в необычном оживлении у некоторых моряков, обычно очень сдержанных. В эту своего рода воздушную бездну были затянуты массы птиц. Среди них было много принадлежавших к семейству голенастых, и это вместе с насекомыми и обломками растений доказывало, что тайфун прошел над островами».

Так подтверждается биологическое значение циклонов. Они способны переносить на огромные расстояния семена растений, а иногда — довольно крупных животных. По-видимому, именно эти ветры содействовали заселению многих вулканических и коралловых островов, возникавших в просторах океанов. А ураган 1865 года действительно принес на Гваделупу пеликанов, ранее там неизвестных.

Ураган высшей, 5-й категории в течение одного дня генерирует столько же энергии, сколько все человечество потребляет за 70 лет.

Знаменитый Великий ураган в октябре 1780 года уничтожил город Саванну-ла-Мар в штате Джорджия, США, находящийся на атлантическом побережье, немного севернее полуострова Флорида. На море поднялись небывалой высоты волны. Они сметали любые препятствия, заливая и разрушая город. Через 7 дней буря достигла максимальной силы. Она совершенно опустошила остров Сент-Люсия. Под развалинами погибло 6000 человек. Утонул весь английский флот, стоявший на якоре у острова. Море здесь поднялось так высоко, что попросту затопило корабли, а один из них подняло на гребень гигантской волны и бросило на морской госпиталь, разрушив здание тяжестью судна. Затем ураган направился к острову Мартиника, где было потоплено 40 французских транспортных судов, перевозивших 4000 солдат. Были опустошены расположенные к северу острова Доминика, Сент-Эстатиус, Сент-Винсент, Пуэрто-Рико и потоплено еще много кораблей, оказавшихся на пути циклона.

В ночь на 13 ноября 1970 года невероятный по силе тайфун обрушился на прибрежные районы Республики Бангладеш. Поднятая ветром мощная волна высотой 8 м прошла над цепью густонаселенных островов. Это была колоссальная водяная стена, кипящая и бурлящая, огромный водяной вал, который выбросил океан. Сметая все на своем пути, она ударила по побережью и вместе с ураганным ветром принесла катастрофические разрушения. Несколько часов эти острова и часть материкового побережья находились под водой. Последствия тайфуна были ужасны: сорванные мосты, разрушенные шоссейные и железнодорожные магистрали, целые поселки, уничтоженные, стертые с лица земли вместе с жителями. По сообщениям прессы, от тайфуна пострадало в общей сложности более 10 млн человек. Количество погибших превысило полмиллиона, а по некоторым сведениям, достигло и миллиона человек. Это, возможно, одно из самых сильных стихийных бедствий за всю историю человечества.

В канун 1975 года тропический циклон Трэйси почти полностью разрушил столицу северной территории Австралии, город Дарвин с населением 44 тыс. человек. Скорость ветра достигала 260 км/ч. Ураган срывал крыши с домов, словно мячики, перебрасывал но улицам туристские автобусы. Многочисленные коттеджи разваливались под напором ветра, как карточные домики. Но едва ли более устойчивыми оказались административные здания и многоэтажные отели. Деловой центр Дарвина превратился в горы щебня и обломков. Была уничтожена расположенная близ города крупная военно-морская база, несколько судов затонуло.

А у мыса Доброй Надежды (южная оконечность Африки) во время урагана 1922 года были зарегистрированы волны высотой до 30 м, а в открытом океане — 36–37 м! Волны становятся просто огромными при совпадении штормовых и обычных астрономических приливов, обусловленных действием Луны и Солнца. Именно такой штормовой прилив в результате урагана, совпавший по времени с обычным приливом, вызвал в 1876 году гигантское наводнение на побережье Бенгальского залива, во время которого вода поднялась на 12–13 м. Утонуло около 100 тыс. человек и столько же погибло от последовавшей эпидемии. В 1737 году на том же побережье Бенгалии при наводнении погибло 300 тыс. человек.

Тайфуны обычно сопровождаются ливневыми дождями чрезвычайной силы. Интенсивность ливней иногда приводит даже к изменению солености морской воды вокруг островов. В 1906 году во время урагана на острове Ямайка за четверо суток выпало 2,43 м воды, а в Техасе — 0,58 м в одни сутки. Сравним это со средним количеством осадков в наших широтах — 0,5–0,7 м в год — и все станет вполне ясно. Такие дожди могут вызвать чудовищные наводнения. В 1899 году на маленький остров Пуэрто-Рико, размером примерно 90 × 50 км, в результате урагана обрушился ливень общим весом 2,6 млрд тонн.

Интересное явление природы — смерчи, или торнадо. Их порождают вихревые образования в облаках, являющиеся маленькими ураганами. Смерч как бы свешивается из материнского облака в виде гигантской вращающейся воронки. Там, где ее конец касается земли, начинается нечто страшное. Во внутренней полости смерча давление всегда понижено, поэтому туда засасываются любые предметы. Смерч, разыгравшийся однажды в Канаде, понизил уровень озера на 60 см. Удалось подсчитать, что он засосал более полумиллиона тонн воды.

Во время московского смерча 1904 года была уничтожена роща вековых деревьев. В Сокольниках он прорубил просеку шириной в 400 шагов. А в районе Мытищ подхватил в воздух мальчика и «приземлил» его живым и невредимым в Сокольниках. Этот паренек оказался не единственным счастливым путешественником по воздуху. Известно, что один из московских городовых был поднят с места несения службы и отправлен в 100-метровый перелет. Вряд ли он сверху продолжал следить за порядком в городе!

Средних размеров кучевое облако имеет массу 80 слонов.

В Северной Америке смерчи считаются «национальным явлением». Среди многочисленных американских смерчей самым мощным из зарегистрированных был Ирвингский, случившийся 30 июня 1879 года на севере штата Канзас. Он был такой силы, что скрутил в аккуратный сверток железнодорожный мост длиной 75 м и утопил его в реке. Переносил он с места на место тоже не мальчиков, и даже не городовых. Он перенес… церковь в городе Доусон-Миллз. Храм поднялся, пролетел четыре метра и еще метра два полз по земле, пропахав глубокую рытвину.

Самые большие разрушения приносят так называемые расплывчатые смерчи, имеющие подчас гигантские размеры. Иногда их принимают за катящиеся по земле тучи. Ширина смерча Мэттун, промчавшегося в мае 1917 года по штатам Иллинойс и Индиана, равнялась 500 км, тогда как диаметр обычных смерчей колеблется от сотни метров до нескольких километров. Такие смерчи могут оперировать целыми поселками!

Перспективы жизни, далекие и очень далекие

Каждую секунду Солнце теряет 4600 т вещества, преобразующегося по формуле Эйнштейна (нашей любимой Е = = mс2) в электромагнитное излучение различных длин волн и нейтрино. Много это или мало? Масса большого товарного поезда.

Но это ничтожно мало по сравнению с массой Солнца — 1,989 × 1030 кг. Поэтому не стоит беспокоиться, что Солнце, постепенно «легчая», все слабее притягивает Землю и из-за этого Земля когда-нибудь перейдет на более высокую орбиту, год станет длиннее, а климат — холоднее. Как раз наоборот: нам со временем может стать очень жарко! Впрочем, не нам, а нашим далеким-далеким потомкам. По самым пессимистическим прогнозам, первые температурные неприятности проявятся только через 100 млн лет.

Но главная неприятность ждет Землю, когда весь водород у Солнца «выйдет» — то есть выгорит, и в центральных областях останется лишь гелий. Поскольку сила тяжести уже не будет компенсирована давлением горячего газа, «внутренности» Солнца начнут сжиматься, а их температура увеличится. С нашей родной звездой начнет происходить то же самое… да, да, то же самое, что уже произошло с миллиардами других звезд. Температура в центре Солнца превысит 100 млн К, и начнется тройная гелиевая реакция. Чем выше будет температура, тем процесс будет идти интенсивнее.

Суть тройной гелиевой реакции в том, что два ядра гелия сливаются, образуя ядро радиоактивного (и, следовательно, неустойчивого) изотопа бериллия-8. Почти наверняка новообразованное ядро тут же и распадется. Но может случиться так, что оно поглотит еще одну альфа-частицу, превратится в ядро устойчивого углерода-12 и выделит при этом 7,3 МэВ (мегаэлектрон-вольт) энергии. Вроде бы и немного, гораздо меньше, чем при реакциях превращения водорода в гелий, но последствия возгорания тройной гелиевой реакции для звезды колоссальны.

Каковы они? Заурядная звезда главной последовательности превращается в красный гигант. Ее светимость увеличивается минимум в сотню раз, тогда как температура поверхности падает — за счет чудовищного «разбухания». Процесс этот далеко не мгновенный: он длится сотни тысяч лет, если не миллионы. Но результат все равно будет один. И для ближних планет солнечной системы он будет крайне плачевен. Превратившись в красный гигант, Солнце будет иметь радиус, примерно равный радиусу орбиты Венеры. Разумеется, Венера, не говоря уже о Меркурии, будет испарена. Испарится и Земля. Более или менее сносные условия для жизни белковых тел могут возникнуть лишь на спутниках Юпитера.

Хорошо, что это случится еще нескоро, никак не раньше, чем через 5 млрд лет. Может быть, это произойдет через 7 или 8 млрд лет — конкретный срок зависит от того, какая из существующих у нас моделей Солнца более верна. Солнце — звезда, как говорится, в полном расцвете сил, ей еще светить и светить. Но печальный финал все равно неизбежен.

Всех батареек и аккумуляторов на Земле хватит всего на 10 мин удовлетворения потребностей планеты в электричестве.

Нашим далеким потомкам придется решать проблему сохранения жизни. Переселиться на Ганимед. Или каким-то образом (допустим, используя притяжение управляемых астероидов) оттащить Землю на более дальнюю орбиту. Или же, памятуя об относительной недолговечности красных гигантов, вообще отправить Землю в путешествие к другой звезде, помоложе.

Здесь хотелось бы сделать несколько оговорок.

Во-первых, через несколько миллиардов лет Землю могут населять другие существа, не люди. И мы не обсуждаем сейчас сценарий самоуничтожения человечества или его исчезновения вследствие какой-либо внешней катастрофической причины: эта возможность, хотя и трагична, но довольно ясна и довольно тривиальна. Однако дело в том, что несколько миллиардов лет — это очень много с биоэволюционной точки зрения. Мы просто можем стать совсем другими, поскольку сама наша эволюционная ветвь закончится или трансформируется так, что это будет равнозначно иному биологическому событию. Более того, биосистема Земли в целом за такой промежуток времени может претерпеть какие-то качественные, принципиальные изменения. Добавьте сюда разумность и технологическую составляющую, и вы получите очертания проблемы, о которой идет речь. Соответственно, и способы выживания разумных обитателей Земли могут оказаться предельно, невообразимо непохожими на те, какие возможны и понятны для нас. Одним словом, возникает такая антропная неопределенность.

Но предположим, что и спустя многие миллионы, миллиарды лет на Земле будет существовать именно человеческая, а не какая-нибудь иная цивилизация. Рассуждая реалистически, а не фантастически, некорректно и наивно надеяться на то, что человек превратится в этакого космического бога, способного творить миры, путешествовать по Вселенной сквозь пространство и время, изменяя по своей прихоти законы природы. А в таком случае следует учитывать существующие естественные ограничения на возможность человека выбирать собственный способ жизни и условия. Человечеству придется столкнуться с факторами существования Солнца, управлять которыми оно окажется не в силах. Даже оставаясь еще в пределах главной последовательности, Солнце будет понемногу увеличивать свою светимость. Есть основания полагать, что прошло уже три четверти периода существования биосферы Земли и что через миллиард лет наша планета будет иссушена и стерилизована. Конечно, нельзя недооценивать возможности жизни приспосабливаться к медленно меняющимся условиям и даже в какой-то степени регулировать их, создавая приемлемую среду обитания, — однако даже бактерии гибнут на горячей сковородке, а из вареного яйца еще никогда не появлялся цыпленок. В биосфере могут возникать стабилизирующие обратные связи, но лишь до поры до времени. Однажды глубина отрицательных обратных связей окажется уже недостаточной, и тогда система рухнет. В данном случае не слишком интересно, случится ли это через миллиард лет или, допустим, через два миллиарда. Важно, что это вообще случится, и притом неотвратимо.

Жизнь на Земле, по большому счету, тотально связана только с Солнцем. А что до какого-то случайного катаклизма планетарных или даже астрономических масштабов… Сделаем еще несколько оговорок.

Во-первых, жизнь как таковую не так просто уничтожить, если она уже есть. Трудно даже представить себе катаклизм столь грандиозных масштабов и такого характера, что в результате погибнет вся жизнь на Земле. Например, погибнут даже бактерии в глубинных горных породах и на океаническом дне.

Во-вторых, если вести речь о тотальной катастрофе жизни на планете, то это может быть следствием лишь особых событий, принципиально случайных и в своей случайности очень редких. Например, таких как пролет Солнца вблизи сверхновой, близкий гамма-всплеск космически значимых масштабов или столкновение Земли с космическим телом размеров Луны. За последние 4,5 млрд лет таких неприятностей с Землей не случалось, и можно утверждать наверняка, что вероятность их в будущем крайне мала, хотя ее и нельзя считать равной нулю.

Впрочем, и тогда трудно вообразить себе гибель всего живого на Земле, если только наша планета сохранится как единое тело. Способность некоторых бактерий к выживанию в редкостно неблагоприятных условиях широко известна. С другой стороны, если в результате катаклизма на планете исчезнет высшая жизнь, то у низших организмов появится еще один шанс начать все заново.

Земной день начинается в Японии — Стране восходящего солнца. Линия перемены даты — условная линия на поверхности Земли, проходящая от полюса до полюса, по разные стороны которой местное время отличается на сутки. На восток от линии перемены даты сутки начались, а на запад от нее те же сутки заканчиваются. Линия перемены даты примерно соответствует меридиану 180°, проходящему в основном по океану, но местами значительно отклоняется от него. Не существует никакого международного соглашения относительно линии перемены даты; местное время определяется государствами на своей территории и прилегающих территориальных водах, а не в международных водах. Когда на линии перемены даты в данный момент полночь, на противоположном ей Гринвичском меридиане 0° в этот момент полдень.

То же можно сказать о сценарии самоуничтожения человечества в результате войн, угасания его вследствие вырождения и т. п. Даже если одномоментно будут пущены в ход все существующие запасы средств массового уничтожения, жизни множества видов простейших это не повредит. Когда утверждают, что человек может уничтожить «все живое на Земле», люди, как всегда, «льстят» сами себе. Не в наших силах осуществить биологическое опустошение земной литосферы на несколько километров вглубь, даже самыми агрессивными или непродуманными деяниями. Так что, как минимум, простейшая прокариотная, а может быть, и эукариотная, жизнь сохранится на Земле в любом случае. Успеет ли она вновь развиться до появления разумных существ до того, как Солнце станет красным гигантом? Это довольно вероятная вещь, учитывая, опять-таки, потенциально отпущенный для этого срок в несколько миллиардов лет. Не подтверждает ли сама природа таким образом одну известную вещь: жизнь есть великое чудо?!

Но будем оптимистами: предположим, что и человечество (а не только жизнь как таковая) не погибнет по какому-нибудь редкому и несчастному случаю. Тогда в ближайшие 100 млн лет биосфера Земли может столкнуться с другой проблемой. Глобальное потепление — то самое, настоящее. Включится положительная обратная связь: постепенное повышение концентрации СO2 в атмосфере приведет к ее нагреву вследствие парникового эффекта, от атмосферы нагреются океаны, а ведь растворимость газов в воде тем ниже, чем выше температура. Так что растворенный в океанах углекислый газ будет выделяться в атмосферу, еще больше усугубляя парниковый эффект; в таких условиях процесс поглощения углекислоты всей земной растительностью и горными породами (даже усилившийся при нагревании) не сможет отвести излишек СO2 из атмосферы. Результат? Земля вскоре станет «безвидна», «пуста» и горяча, вроде Венеры.

Когда это случится? Все зависит от действия множества мелких факторов, учесть которые пока невозможно. Можно лишь утверждать, что это случится

Content

Таинственные явления природы и Вселенной
Составитель Сергей Минаков

Чудеса жизни

Жить или не жить — вот в чем вопрос

Что такое жизнь

Биосфера

Круговорот живого

Жизнь — в многообразии

Биомасса

Очень старые, очень большие и толстые

«Глупые и странные» корни

Дерево, у которого всего два листа

История ядов

По грибы

Челюсти!

Колючие и ядовитые

Всегда ли права природа

Маленькие водяные медведи

Рогоносец

Рыбы — это не «рыба»!

Хамелеон

Два переезда равны одному пожару

Умные и игривые

Венец эволюции?

Человек

Горизонты жизненного пространства

Родословие человеческое

Биоsoftware: ДНК и гены

Антропометаморфозы

Игры разума

«Капитал-то у маво Вани в голове!»

Мозг и тело

Шизо

Что было, что будет и на чем сердце успокоится

Грядущая эволюция человека

Евгеника

Генетическая угроза

Эволюционно возможное прошлое: боскопы

Эволюционно возможное будущее

К анатомии человека будущего

Мы еще люди или уже машины?

Вселенная

Удивительная наука космология

Пути познания

Все в мире относительно

Так что же такое Вселенная?

О, этот Фридман!

Большой взрыв

Теория Большого взрыва, которая не описывает Большой взрыв

Горячая Вселенная

Инфляция: в экономике — плохо, в космологии — хорошо!

Мироздание не терпит пустоты

Вакуум

Ни в сказке сказать…

Нашествие наших собственных «клонов»

Пустота имеет вес

Фундаментальные постоянные, или Слава тебе, Господи!

Антропный принцип

Последние пределы

У Вселенной должно быть начало

Что же было перед этим?

Странное обаяние квантового мира

Когда Вселенной еще не было

Суперармагеддон

Две «коперниканские революции»

Внутри нашего большого дома и за его пределами

Звезды

Светят и греют

Вычислить путь звезды

Новые и сверхновые

Новые, сверхновые, а теперь — нейтронные

Пульсары

Она черная, страшная и странная — просто черная дыра

Звезды — существа социальные

Дети Солнца: такие разные родственники

Блуждающие Земли, или планеты

Меркурий

Венера

Марс

Юпитер

Сатурн

Уран

Нептун

Земля

Естественная история

Образование и эволюция Земли

Эры, этапы, платформы, плиты и пояса

Небесные камни

«Внутренняя жизнь» планеты

И небеса почернели

Землетрясения

Под землей

И все-таки они движутся!

Море уходит!

Вихри враждебные

Перспективы жизни, далекие и очень далекие