Помоги проекту - поделись книгой:
Другой наш сосед по Солнечной системе, Марс, рассказывает иную историю. Мы пока еще не обнаружили здесь действующих вулканов, извергающих лаву, и не зафиксировали движений коры. Но вид каньонов и каналов планеты свидетельствует о том, что они были сформированы под действием воды. Над поверхностью возвышаются застывшие вулканы. Если здесь когда-то была вода, то температура должна была быть примерно такой же, как у нас на Земле. Поверхности, все еще хранящие следы воды, изменились со временем и рассказывают о падении множества больших и малых метеоритов, произошедших здесь миллиарды лет назад. Недавно проведенные исследования показали сезонное присутствие жидкой воды на планете, но ее количество несравнимо с тем, что когда-то сформировало глубокие каньоны. Активная геологическая жизнь Марса осталась в далеком прошлом.
Многие различия между Венерой и Марсом объясняются тепловым балансом. Венера потеряла воду, поскольку располагается слишком близко к Солнцу: вода испарилась, и цепная реакция привела к дальнейшему повышению температуры на планете. Марс находится относительно далеко от Солнца и поэтому, по-видимому, он не получал достаточно тепла, чтобы сохранить жидкую воду. Недостаток тепла в определенной степени связан и со сравнительно небольшим размером этой планеты. При прочих равных условиях удельная площадь поверхности малых объектов больше, чем крупных (и удельная площадь поверхности кожи у детей больше, чем у взрослых). Но чем больше площадь поверхности, тем больше потери тепла: дети замерзают в холодной воде быстрее взрослых. Вот и с планетами та же история. Марс из-за малого размера утратил и свое тепло, и геологическую активность.
Жизнь планеты полностью зависит от времени и места ее появления, от ее размера и состава. Наша планета обитаема лишь по той причине, что она возникла на правильном расстоянии от Солнца, находится в гравитационном равновесии с соседями, имеет правильную массу, необходимую для сохранения жидкой воды и атмосферы и поддержания круговорота веществ. Кого прикажете благодарить за это?
Хвала Юпитеру
Древние римляне считали, что бог Юпитер следит за соблюдением норм и законов и тем самым регулирует отношения в обществе. Планета Юпитер играет аналогичную роль в физическом и биологическом мире.
Масса Юпитера в два с половиной раза превышает массу всех остальных планет Солнечной системы, вместе взятых. Он в триста с лишним раз тяжелее Земли. Внутри него могут поместиться одиннадцать сотен таких планет, как Земля. Имея гигантскую массу и мощное гравитационное поле, Юпитер оказывает очень сильное влияние на своих соседей. Он привлекает астероиды и кометы, а также соревнуется с Солнцем, затягивая планеты на свою орбиту. Это противостояние Юпитера и Солнца определило орбиту Земли и оказало серьезное влияние на ее историю.
Более 4,6 миллиарда лет назад, когда вихрь пыли кружился вокруг звезды, впоследствии ставшей Солнцем, возникли сгустки вещества (как и предполагали Сведенборг, Кант и Лаплас). Силы притяжения планет определили их взаимное расположение. Представьте себе, какое влияние оказывали на формирующуюся Землю все другие планеты, Солнце и центр притяжения внутри самой Земли. Юпитер с его сильным гравитационным полем в значительной степени определил, сколько вещества может быть использовано на формирование Земли и где в Солнечной системе она окажется.
Результаты компьютерного моделирования показывают, что Юпитер образовался раньше Земли. Соревнование с Юпитером за остатки вещества повлияло на конфигурацию остальной части Солнечной системы. Если бы Юпитер образовался ближе к Солнцу, возможно, в Солнечной системе было бы меньше планет, но они были бы крупнее. Если бы он расположился дальше, возможно, возникло бы больше маленьких планет. Размер нашей планеты и ее расположение относительно Солнца (то есть основные факторы, определившие наличие воды и жизни) в значительной мере связаны с влиянием Юпитера.
Но Юпитер повлиял не только на наличие воды на нашей планете, но даже на размер, форму и функционирование наших тел. Юпитер определил размер Земли и тем самым силу гравитации на ее поверхности. Простой мысленный эксперимент позволяет выявить целую сеть взаимосвязей. Если бы Юпитер расположился ближе к Солнцу, Земля была бы крупнее и тяжелее, и обитатели Земли были бы вынуждены выдерживать гораздо более сильное земное притяжение. Даже если бы такая странная Земля смогла удержать жидкую воду, что маловероятно, жизнь на планете была бы совсем другой. Инженерам хорошо известно: прочнее та балка, что толще. При прочих равных условиях на более тяжелой Земле жили бы более толстые существа, которые лучше справлялись бы с силой земного притяжения. И, напротив, на маленькой Земле сила притяжения была бы меньше, и живые существа вырастали бы более высокими и легкими. Масса Земли определяет силу притяжения и тем самым влияет на все без исключения аспекты нашей жизни — от размера и формы тела до того, как мы передвигаемся, едим и взаимодействуем с нашей планетой.
Представить себе влияние Юпитера на форму человеческого тела — все равно что оказаться в в комнате смеха. Если бы Юпитер расположился дальше от Солнца, мы жили бы на маленькой планете и были бы выше ростом (слева), а если бы Юпитер поместился ближе к Солнцу, мы были бы приземистее (справа).
Нам невероятно повезло: сначала небольшой перевес вещества над антивеществом, потом формирование Юпитера, сделавшего нашу планету обитаемой, и, наконец, случайный выбор из миллионов сперматозоидов одного единственного, который определил наш геном, — все это позволило нам родиться здесь. Но практически наверняка еще через миллиард лет Солнце израсходует весь запас водорода, расширится и станет слишком горячим. Земля потеряет воду. Потеря воды приведет к парниковому эффекту и перегреву поверхности планеты. Наша Земля станет такой же, как Венера. Возможно, дальше от Солнца найдется другая планета с жидкой водой и условиями, пригодными для жизни. Возможно, это будет какое-то более отдаленное тело Солнечной системы, на котором сейчас есть лед, например, один из спутников Юпитера, такой как Европа, или спутник Сатурна Энцелад. Наше везение и совершенство условий, определивших наше существование — преходящи.
Глава 4
О времени
Перемещение в машине времени на четыре с половиной миллиарда лет назад было бы не только сверхъестественным, но и опасным. Чтобы выжить в атмосфере без кислорода и под кислотными дождями, понадобились бы такие скафандры, которых пока не создала современная технология. Постоянное падение с неба камней и льда иногда разогревало поверхность Земли до тысяч градусов по Фаренгейту. Никаких океанов при такой температуре появиться, конечно, не могло: жидкая вода могла возникать, однако она вскоре испарялась. Возможно, вы надеетесь хотя бы увидеть дивные лунные ночи? Забудьте об этом. Луны еще нет. Следы превращения того странного мира в современный можно обнаружить на разных небесных телах Солнечной системы. Шесть космических аппаратов, спускавшихся на Луну, доставили нам пробы грунта. С помощью миниатюрных наборов геологических инструментов были собраны образцы камней из кратеров вулканов, с возвышенностей и низин лунной поверхности. Эти образцы теперь хранятся в жидком азоте в Хьюстоне и Сан-Антонио. Несколько небольших фрагментов были подарены высокопоставленным иностранным гостям, а еще несколько выставлены на обозрение публики. Основная масса камней (около трехсот пятидесяти килограммов) все еще остается неизученной. Но те образцы, которые побывали в лабораториях, помогли узнать много интересного о происхождении нашего мира.
Один из наиболее важных фактов состоит в том, что камни с Луны совершенно обычны и для Земли. По структуре и составу лунные камни ближе всего к земным по сравнению с любыми другими в Солнечной системе. Один общий признак интересен особенно. Атомы кислорода могут существовать в разных формах — в зависимости от числа нейтронов в составе ядер. Измеряя содержание тяжелых и легких атомов кислорода в камнях, можно определить один очень показательный параметр. Камни в составе каждого небесного тела в Солнечной системе характеризуются определенным соотношением тяжелых и легких атомов кислорода, поскольку содержание кислорода в камнях зависит от их расстояния от Солнца в момент формирования. Так вот, соотношение изотопов кислорода в лунных и земных камнях практически одинаковое, и это говорит о том, что Земля и Луна сформировались на одном расстоянии от Солнца — возможно, на одной и той же орбите.
Тем не менее между земными и лунными камнями существует очень важное различие. Лунные камни почти не содержат определенной группы атомов — так называемых
Согласно одной из наиболее интересных современных теорий, образование Луны можно сравнить с гонками на выживание — популярным в 70-х годах автоспортом, в котором спортсмены намеренно (и без всякой жалости к технике) сталкивались друг с другом (выигрывал последний автомобиль, сохранивший способность двигаться) так, что детали летели во все стороны.
Подобный характер соударений может служить моделью, описывающей происхождение системы Земля — Луна. Более четырех с половиной миллиардов лет назад крупный астероид (возможно, размером с Марс) столкнулся с формировавшейся Землей. И, как в гонках на выживание, это привело к выбросу легких частей каждого небесного тела и к слиянию их более тяжелых частей. Пыль и мелкие обломки, лишившиеся летучих элементов, стали вращаться вокруг Земли в виде диска. Со временем обломки слились в Луну. Центральные части двух небесных тел не разлетелись, а из-за сильного удара разогрелись, перешли в полужидкую форму — и позднее остыли, образовав новое ядро Земли. В результате удара ось вращения Земли сместилась на 23,5°.
Столкновение Земли с астероидом. Образование Луны.
Сначала на одной солнечной орбите находились два крупных небесных тела. После столкновения они превратились в Землю и Луну, которые с тех пор кружатся вместе в орбитальном танце, влияя своим гравитационным полем друг на друга. Согласно законам физики, скорость суточного вращения Земли связана с месячным оборотом Луны. Влияние этого события на нашу жизнь очевидно и глубоко: длительность суток и месяцев, как и смена времен года, непосредственно связаны с рождением системы Земля — Луна. Все часы и календари на планете, как и клетки нашего тела, несут следы катастрофы, случившейся 4,5 миллиарда лет назад.
Следим за временем
У римлян был эффективный способ контроля над чиновниками в отдаленных, беспокойных областях империи. Вместо того чтобы перекраивать округа, помогая своим сторонникам и наказывая непокорных, Цезарь и его приближенные перекраивали календарь. Представитель в таком-то регионе лоялен? Добавим к его сроку несколько дней. Или, напротив, выказывает строптивость? Укоротим ему год. Метод оказался удивительно эффективным, однако со временем он не только децентрализовал календарь, что усложняло управление государством, но и привел к тому, что возникла невозможная путаница политических событий и дат.
Причина всех этих сложностей заключается в самом характере движения Земли в космосе. Мы все проходим астрономию в школе, но к моменту поступления в университет большинство забывает законы движения планеты. Недавно социологи попросили студентов Гарварда ответить, почему происходит смена времен года. Более 90 % опрошенных ответили неправильно. Смена времен года не имеет отношения ни к тому, сколько света получает Земля летом и зимой, ни к тому, что Земля вращается вокруг своей оси, ни к тому, что она приближается к Солнцу либо удаляется от него.
Со времен Коперника известно, что Луна вращается вокруг Земли, а Земля вращается вокруг Солнца, причем земная ось сохраняет наклон 23,5°. Угол падения солнечного света на Землю в разных участках земной орбиты разный. Там, где свет падает прямо, день долгий и тепло (это лето), а там, где свет падает под наклоном, день короче и холоднее (это зима). Смена времен года определяется не просто вращением Земли вокруг Солнца, а постоянным наклоном земной оси при вращении.
Наша жизнь зависит и от вращения Земли вокруг Солнца, и от вращения Луны вокруг Земли, поэтому календарь может быть построен по-разному. Конечно, длительность года определяется вращением Земли вокруг Солнца. Зная, какой день в году самый длинный, а какой короче всех, мы можем разделить год на месяцы в зависимости от смены времен года. Другой способ построения календаря основан на положении Луны, меняющей фазы от полнолуния к новолунию в двадцатидевятидневном цикле. К сожалению, мы не можем синхронизировать лунный календарь с сезонным (солнечным), потому что количество лунных циклов нельзя прямо связать с количеством солнечных циклов.
Как быть? Приходится вводить поправку. Юлианский календарь предусматривал, что каждый четвертый год является високосным. Католическую церковь это не устраивало из-за «миграции» дня Пасхи. Чтобы исправить ситуацию, в 1582 году папа Григорий VIII ввел в обиход новый календарь. Италия, Испания и некоторые другие страны приняли его немедленно после оглашения папской буллы, так что 4 октября 1582 года стало 15 октября и одиннадцать дней потерялись. Другие страны действовали по-разному. Например, Британия и ее колонии приняли новый календарь лишь в 1752 году. Важнейший вопрос, который приходилось улаживать, естественно, касался даты сбора налогов.
Годы, месяцы и сутки хотя бы теоретически определяются поведением небесных тел, а вот минуты и часы — это простая условность. В неделе семь дней лишь по той причине, что Библия рассказывает о шести днях творения и седьмом дне, предназначенном для отдыха. Час разделен на шестьдесят минут, а минута на шестьдесят секунд исключительно для нашего удобства. В Древнем Вавилоне система исчисления основывалась на числе 60. Это удивительное число делится на 2, 3, 4, 5 и 6.
Люди всегда внимательно следили за временем. Временные интервалы в нашей жизни определяются как цикличностью небесных событий, так и потребностями общества. Когда строительство жилищ, охота, да и само выживание зависели от времени суток и сезона, люди определяли время по Солнцу, Луне и звездам. Другие ранние приспособления для измерения времени основывались на действии силы тяжести, например песочные или водяные часы (появившиеся в Египте в 4000 году до н. э.). Постепенно потребность следить за временем эволюционировала. В частности, необходимость разделения периодов времени на более мелкие отрезки связана с развитием общества, торговли и транспорта. Нашим пещерным предкам идея разделения времени на секунды казалась бы столь же непонятной, как реактивный самолет.
Но в мире есть часы, которые не связаны ни с какими условностями и не зависят от политической или экономической ситуации. Таким счетчиком является наша ДНК. На протяжении длительных отрезков времени изменения в последовательности ДНК происходят практически с регулярной частотой. Это означает, что сравнительный анализ ДНК двух видов организмов позволяет узнать время их расхождения: чем сильнее различаются последовательности ДНК, тем дольше они существуют как независимые виды. На примере циркона мы увидели, что атомы в составе горных пород тоже могут рассказать о времени. Зная соотношение разных вариантов урана, аргона или свинца, можно сказать, как давно образовались минералы в составе горной породы.
Интересно, что часы в камнях и в живом организме связаны. И те, и другие являются частью одного планетарного и солнечного «метронома». Сравнение ДНК людей, животных и бактерий показывает, что все эти виды произошли от общего предка, жившего более трех миллиардов лет назад. Примерно к этому же времени относятся самые ранние из найденных окаменелостей. Такое совпадение временных показателей, полученное при анализе ДНК и камней, тем удивительнее, что все это время камни нагревались и перемещались, а ДНК мутировала, эволюционировала и перераспределялась между видами. Согласованный ход этих двух видов часов говорит о справедливости наших гипотез. Более того, различия в показаниях «часов» могут стать источником новых предсказаний. Поговорим, к примеру, о китах. Это одни из самых необычных обитателей планеты: гигантский размер, дыхательное отверстие в середине головы, уши-гидролокаторы, странные конечности, позвоночник и хвост. Однако ученым давно известно, что ближайшими родственниками китов являются млекопитающие: у китов имеются остатки волосяного покрова, у них есть молочные железы и многие другие признаки млекопитающих. Какие именно млекопитающие — самые близкие родственники китов? Когда киты покинули сушу? Анализ ДНК показывает, что киты, скорее всего, произошли от парнокопытных животных, таких как гиппопотамы и олени. Различия в последовательностях ДНК говорят, что отделение ветви китов произошло около пятидесяти пяти миллионов лет назад. Это знание стало источником новых вопросов для палеонтологов. Мало того, что на тот момент не было найдено никаких окаменелостей, подтверждающих этот переход: не было вообще никаких ископаемых животных столь древнего возраста, напоминающих китов. Этот пробел стал импульсом для новых поисков. В результате палеонтологи обнаружили в горных породах, возраст которых превышает пятьдесят миллионов лет, скелеты китов с таким же строением костей задних конечностей, как у гиппопотамов и их родственников. Напомню, что эти открытия были сделаны в результате сравнения показаний часов, заключенных в ДНК и горных породах.
В телах живых существ и в камнях есть не только часы, но и календарь. Взгляните на срез коралла — и вы увидите, что в его стенках чередуются светлые и темные полосы. По мере роста коралла на его скелете нарастают новые слои минерального вещества (это похоже на штукатурку на стене). Формирование минерала зависит от количества солнечного света, так что различие слоев отражает длительность светового дня. Образование минерального слоя быстрее происходит летом, когда дни длиннее, и медленнее — зимой, когда дни короче. Поэтому полосы, образовавшиеся в летние месяцы, толще. Подсчитайте число слоев внутри любого годового цикла. Знаете, что получится? 365. Скелет коралла может служить календарем, в котором отмечен каждый день года.
Таким образом, кораллы не только являются великолепным украшением подводного мира. Они дают нам возможность заглянуть в прошлое. Отколите кусочки от камней вдоль дороги в Айове, в Техасе или в Канаде — и вы увидите кораллы, которые сотни миллионов лет назад процветали в морях. На древних коралловых рифах стоит Чикаго. Рифы рассказывают о том, как изменилось само время. Посмотрите на кораллы, возраст которых составляет четыреста миллионов лет, и вы увидите в их стенках четыреста слоев. Это означает, что год тогда состоял не из 365, а из 400 дней. Как это произошло? Длительность года определяется вращением Земли вокруг Солнца, и четыреста миллионов лет назад дни, видимо, были короче нынешних. Подсчеты показывают, что сутки тогда составляли примерно 22 часа.
Как замедляющийся волчок, Земля с каждым годом вращается все медленнее. От этого и увеличивается день. При вращении планеты вода в океанах смещается и тормозит планету. Вот почему сегодняшний день на две миллисекунды длиннее вчерашнего.
Это у нас в голове
Торопясь поставить палатку, я проигнорировал кочку. Из-за нее мой спальный мешок съезжал в угол всякий раз, когда я начинал засыпать. Проворочавшись несколько часов, я решил было найти плоское место, но из-за усталости просто положил под себя одежду, книги и кое-какое снаряжение. Хорошо, что в тот день, обустраивая лагерь, мы порядком измучились. Я задремал.
Меня разбудило яркое солнце. Я вскочил и быстро оделся, чтобы никого не задерживать. Это был наш первый день в Гренландии, мы должны были отправиться на поиски окаменелостей, и я чувствовал себя на удивление бодрым.
Я отправился на кухню, чтобы приготовить кофе. Наше снаряжение было упаковано так плотно, что поиски контейнеров с едой оказались нелегким делом. Я потратил минут десять, чтобы по списку определить содержание багажа, и, наконец, смог выпить кофе.
Жизнь казалась прекрасной. Было ясное, яркое летнее арктическое утро. В сухом воздухе все видится необычайно четко: предметы, находящиеся на расстоянии нескольких километров, различаются отчетливо, будто до них рукой подать.
Грея ладони о кружку с кофе, я мысленно прогуливался по холмам, которые намеревался обследовать в тот день.
Выпив несколько кружек кофе и насладившись тишиной, я начал понимать: что-то не так. Было
Я взглянул на часы и все понял: было два часа ночи. А я сидел одетый и готовый к новому дню. Я почувствовал себя совершеннейшим идиотом. Еще и кофе напился! Пытаться заснуть было бесполезно, так что я раскрыл книгу, припасенную для снежных дней, и несколько часов пытался читать, пока не проснулись коллеги.
Конечно же, причиной недоразумения стал свет. Стенки моей палатки не были непроницаемыми, и в ней было светло в любое время суток. Мой мозг, привыкший к южным широтам, усвоил, что свет означает день, а тьма — ночь. Поскольку это правило не имело никакого смысла в Арктике, где летом круглые сутки светло, настройки моего мозга оказались неуместными. Мои опытные коллеги приготовили повязки на глаза, тогда как я «благоразумно» запасся фонарем.
Первые дни мне было не по себе, как будто организм привыкал к жизни на другой планете. Здесь вообще не было ночи, так что узнать время суток можно было, лишь взглянув на часы. Но чем больше времени мы здесь жили, тем лучше мой мозг подстраивался к местным условиям. Солнце очерчивает на небе широкий эллипс, и предметы в течение дня отбрасывают разные тени. Почти автоматически мозг начинает подчиняться солнечным часам. В Арктике, правда, нет деревьев, но за гномон, отбрасывающий тень, сойдет любой валун или верхушка палатки.
Все мы путешествовали и знаем, что наш сон и пробуждение зависят от Солнца. Буквально каждая часть нашего тела — все органы, ткани и клетки — подчиняется суточному ритму. Почки ночью замедляют свою работу. Это очень приятно, поскольку позволяет реже покидать постель (и особенно важно, если вы очутились в Арктике и спите в спальном мешке). Температура тела в течение суток меняется, и ниже всего она в три часа ночи. Печень тоже функционирует по часам (медленнее всего утром), так что за завтраком напиться вдрызг проще всего.
Организм реагирует не только на изменение времени суток, но и на изменение времени года. Смена сезонов сопровождается изменением длительности светового дня, температуры и количества осадков. В случае животных эти факторы влияют на характер их питания и на размножение. Мы, люди, не слишком отличаемся от животных. Даже наше настроение зависит от времени года. Согласно некоторым оценкам, во Флориде, на юге, сезонными аффективными расстройствами страдает 1,4 % населения, а в Нью-Гемпшире, на севере, этот показатель достигает 14 %.
Пьяный не замечает, как бежит время: праздник только начался, а все уже разошлись. Марихуана скомкает вечность в двадцатиминутный эпизод «Трех бездельников»[2]. Очень сильное напряжение или эмоциональная нагрузка приводят к тому, что мы теряем ощущение времени. Известная поговорка «Не смотри на чайник, иначе никогда не закипит» отражает наше не всегда адекватное действительности восприятие времени.
В 1963 году французский геолог Мишель Сифр решил расширить представления о времени. Двадцатитрехлетний Сифр уже побывал в нескольких неизведанных регионах. Его интересовало то, что лежит под поверхностью Земли. Составляя карты подземного мира, Сифр обнаружил в Альпах обширные пещеры и ледники. Это был дивный темный мир, и у молодого ученого возник вопрос: что происходит с человеком, потерявшим связь со временем? Мы не только вынуждены мириться с естественным ходом времени — тьмой ночи и светом дня, теплом лета и холодом зимы, — но и подчиняем жизнь нами же придуманным условиям. Будильники, пейджеры, телефоны структурируют нашу жизнь. Но что если совершенно избавиться от их влияния?
Сифр решил послужить самому себе подопытной свинкой и составил план двухмесячного пребывания в пещере на глубине двухсот метров без каких-либо атрибутов обычной жизни. Он взял с собой провиант, раскладушку, фонарик, но — это очень важно — не взял часов. Он не взял вообще ничего, что могло бы напомнить о времени. Единственной связью с миром для Сифра стал телефон. Он звонил друзьям, чтобы сообщить, сколько времени бодрствовал и сколько спал. Идея была в том, чтобы на шестьдесят дней отключиться от нормального светового цикла и от часов, которые на этом цикле основаны.
Сифр вел подробнейшие записи. Он прилежно отмечал на календаре каждый прожитый день, указывая температуру своего тела, настроение и наличие либидо.
На тридцать седьмой день своего пребывания под землей, когда до конца эксперимента оставалось двадцать три дня, Сифр беседовал с коллегой, находившимся на поверхности. Тот спросил, за сколько дней до конца эксперимента Сифра следует предупредить.
— Дня за два, чтобы я успел собрать вещи, — ответил Сифр.
— Тогда начинай собираться.
Эксперимент кончился. Основываясь исключительно на внутренних часах, Сифр потерял двадцать три дня.
Что произошло? Ответ можно найти в дневниках экспериментатора. Он самым тщательным образом регистрировал время подъема и отхода ко сну, свои звонки друзьям. Однако у него не было часов и он не знал, сколько спал. То, что ему казалось десятиминутной дремотой, на самом деле было полноценным восьмичасовым сном.
Сифр совершенно перестал ориентироваться во времени. Он звонил друзьям, чтобы проверить, может ли он правильно установить длительность двух минут, просто считая до ста двадцати. Большинство людей способно приблизительно отмерить этот отрезок времени. У Сифра на этот счет уходило пять минут.
Когда исследователи проанализировали дневник Сифра, они пришли к важному заключению. Биологическая активность под землей подчинялась земным законам. Время бодрствования и сна по-прежнему суммарно составляло двадцать четыре часа. Ощущение ученым времени оказалось совершенно неверным, но его биологические часы остались в норме.
В следующие годы многие добровольцы подвергали себя подобной изоляции, а хитроумные приборы следили за их физиологической активностью, работой мозга и поведением. Некоторые добровольцы несколько недель или месяцев жили в помещениях без света или со строго контролируемой подачей света. Другие пытались выжить в экстремальных условиях. Один скульптор, например, собирался прожить в полной темноте несколько месяцев. Эксперимент пришлось прекратить через несколько дней, поскольку экспериментатор начал терять рассудок.
Из всех подобных опытов по ограничению возможностей восприятия следует интересный вывод. Многие из наших физиологических нужд (сон, питание, сексуальное влечение) имеют циклический характер, даже если мы живем в темной пещере или комнате либо в другом изолированном пространстве. Время идет не только в часах, но и в наших ощущениях и где-то очень глубоко внутри нас.
Начало научной карьеры американца Курта Пауля Рихтера трудно назвать успешным. После военной службы во время Первой мировой войны он устроился на работу в Университет им. Джона Хопкинса, чтобы изучать роль врожденных инстинктов в поведении животных. Он прибыл в Балтимор в 1919 году и начал работать под руководством одного маститого ученого, знаменитого исследованиями в этой области. Новый научный руководитель Рихтера повел себя необычно. Рихтера снабдили всем необходимым: ему выделили маленькую комнату для работы, выдали абонемент в библиотеку и кое-какие другие вещи, необходимые студенту. И оставили одного. Никаких собраний, никаких обязательных курсов либо семинаров, вообще никаких обязанностей. Со студентами здесь никто не нянчился: либо утонет, либо выплывет.
Спустя какое-то время научный руководитель вручил Рихтеру клетку с двенадцатью обычными крысами. Инструкции наставника были предельно краткими: «Сделай хорошую работу». Рихтер начал с того, что стал скармливать крысам хлеб и целыми днями наблюдал за ними. Как и всякий настоящий ученый, он записывал все до мелочей: когда крысы ели, чем именно они занимались… В один прекрасный день он сделал наблюдение, которое в корне изменило его карьеру и стало отправной точкой для целого направления научной мысли. Крысы то скакали по клетке, то успокаивались. У них совершенно определенно различалось время активности, время отдыха, время приема пищи. Рихтер начал игру. Сначала он оставлял на всю ночь свет в лаборатории. Затем стал на сутки выключать свет. Характер активности крыс не менялся. Крысы реагировали примерно так, как и «пещерный человек» Сифр.
Это простое наблюдение поставило перед Рихтером вопрос, на который он пытался ответить всю оставшуюся жизнь: что является основой врожденного суточного ритма? Как он контролируется?
Рихтер переключился на изучение слепых крыс. Эти животные, не различавшие свет и тьму, имели такой же суточный ритм сна, бодрствования и питания, как и зрячие. Рихтер решил, что в организме слепых крыс есть некий часовой механизм. Но где он?
Первыми кандидатами на роль «хранителя времени» стали железы, которые секретируют гормоны, регулирующие работу сердца, дыхание и другие функции организма. Рихтер давал крысам препараты, нарушавшие гормональный баланс, изменял их режим питания и даже удалял им гормональные железы. За несколько лет он провел более двухсот экспериментов и в каждом случае получал один и тот же результат. Вне зависимости от того, что он удалял и какой гормон блокировал, суточный ритм животных не менялся.
Затем Рихтер перешел к изучению головного мозга и нервов крыс. Он удалял участки мозга крыс и следил за результатом. В 1967 году, то есть спустя сорок пять лет после того, как научный руководитель выдал ему клетку с крысами, Рихтер удалил небольшой участок ткани в основании головного мозга. Изъятие этого небольшого (размером не больше рисового зернышка) фрагмента ткани полностью изменило поведение животных. Итак, внутренние часы крыс были спрятаны в крошечной группе клеток, расположенной непосредственно позади глаз.
Как группа клеток может следить за ходом времени? Ответ на этот вопрос нельзя было найти, удаляя отдельные участки тела. Он был получен с помощью другого научного подхода.
Часы повсюду
Генетические мутанты — это рабочие лошадки биологии. Шестипалые кошки, двухголовые змеи и сросшиеся телами козы — не просто диковинки. С их помощью мы можем понять основы строения и функционирования нормальных организмов. Гены мутантных организмов функционируют неправильно, но их научная ценность состоит в том, что они могут многое рассказать о работе нормальных генов.
Допустим, у нас имеется мутантное животное без глаз. Понятно, что между мутантным и нормальным животным существует некое генетическое различие. Чтобы выделить дефектный ген, нужно провести большую работу, но, скрещивая мутантных и нормальных животных, можно идентифицировать этот ген и даже выявить конкретное нарушение в последовательности ДНК. Знание последовательности — вот ключ к пониманию молекулярных механизмов, регулирующих формирование глаз. То же можно сказать практически о любом гене в организме.
Этот подход оказался настолько продуктивным, что многие лаборатории занялись прочесыванием популяций в поисках подходящих мутантов. Многие сделали научную карьеру и даже получили Нобелевскую премию благодаря классификации мутантов или просто благодаря находке «правильных» мутантов с дополнительными пальцами, выпученными глазами, необычными конечностями или сердцами. Награда может быть сколь угодно высока, но получение результата часто зависит от случая. Некоторые мутации обнаруживаются лишь у одной особи из ста тысяч. К сожалению, труднее всего работать с млекопитающими (которые как раз сильнее всего нас интересуют): они медленно развиваются и большую часть критического периода развития скрыты от наблюдения в чреве матери.
В частности поэтому в последние сто лет излюбленным объектом для изучения генов животных являются мухи. В отличие от млекопитающих или пресмыкающихся, мух можно добыть сколько угодно, поскольку они очень быстро воспроизводятся и развиваются. Наличие постоянного источника эмбрионов позволило ученым не только получить множество мутантов, но и описать их, классифицировать и запасти для других исследований.
Сеймур Бензер
Зачем ждать милости от природы, если можно сотворить мутанта? Процесс внесения мутаций в ДНК достаточно прост (по крайней мере в теории). Время воспроизводства мух — около недели. Если взять несколько дрозофил и обработать определенными химическими веществами или подвергнуть их облучению (это нарушает процесс копирования ДНК), то в следующем поколении мы получим множество мутантов (возможно, среди них будут нужные нам особи со странными конечностями, необычными глазами и так далее).
В конце 60-х годов лаборатория Сеймура Бензера в Калифорнийском технологическом институте являлась ведущим научным центром по изучению мутантов всех сортов. Студент Рональд Конопка решил использовать мутантов по-своему. В лаборатории Бензера занимались изучением поведения животных, и к тому времени, когда Конопка пришел в группу, в лаборатории уже были собраны мутанты с необычным брачным поведением и танцами.
Конопка намеревался использовать мутантов, чтобы изучить генетические основы биологических часов. Его идея шла вразрез с общепринятой точкой зрения. Тогда считалось, что биологические часы — это что-то вроде очень сложно устроенного секундомера.
Но Конопка оказался в нужном месте и в нужное время: Бензер был кровно заинтересован в выяснении принципа действия биологических часов. Он был типичной «совой» и засиживался в лаборатории до поздней ночи, тогда как его жена ложилась спать вскоре после ужина. Возможно, мутантные мухи смогут помочь супругам, встречающимся лишь за обеденным столом.
Конопка долго возился с дрозофилами. Личинки дрозофил выводятся из яиц, едят и наконец обзаводятся твердым внешним каркасом, из которого в итоге вылезает взрослая муха. Появление взрослых особей обычно приходится на раннее утро — самое холодное время суток. Так уж настроены мушиные внутренние часы: мухи, выведенные в искусственном цикле день/ночь, выводятся в конце ночного периода.
Примерно через двести циклов мутаций Конопка получил несколько особей, у которых временные рамки были смещены: некоторые вылуплялись слишком рано, другие слишком поздно, а третьи вообще в случайное время суток. Это было то, что нужно: изменение времени рождения практически наверняка было вызвано какими-то генетическими дефектами. Возможно, был испорчен часовой механизм дрозофилы.
В лаборатории мух каждого типа скрестили с такими же и вывели линии мутантных животных. С их помощью Конопка и Бензер начали исследование молекулярного механизма биоритмов.
Как и любой ген, ген Конопки производит белок, выполняющий в организме некую работу. Если ген известен, можно попытаться ответить на важный вопрос, где и когда функционирует кодируемый им белок. У нормальных дрозофил уровень синтеза этого белка достигает максимума в поздние ночные часы, а затем падает практически до нуля. Знание этой закономерности позволило ученым понять суть обнаруженных мутаций. У дрозофил, которые вылуплялись слишком рано, максимальный уровень синтеза данного белка тоже достигался слишком рано. У тех, что появлялись поздно, пик синтеза наблюдался слишком поздно. Сам белок у дрозофил с нарушенным суточным ритмом оказался испорченным. Снижение активности белка полностью соответствовало нарушению суточного ритма.
К этому времени ученые из других лабораторий тоже приступили к решению этой проблемы. С помощью новых методов генетики удалось выделить ДНК и обнаружить ряд других генов, задействованных в данной системе. С открытием каждого нового гена постепенно прояснялся механизм работы биологических часов дрозофилы.
Если заглянуть в «часовой механизм» организма, мы увидим внутриклеточный аналог маятника. В данном случае отсчет времени осуществляется благодаря последовательностям химических реакций, скорости которых определены физическими и химическими законами. В результате активации ДНК синтезируются взаимодействующие друг с другом белки. Они транспортируются в определенные клеточные отделы и выполняют различные задания, среди которых активация новой порции ДНК. Этот цикл постоянно возобновляется. Скорость раскачивания маятника определяется скоростью образования, превращения и транспорта белков, а также скоростью их взаимодействия с ДНК.
Мутантные дрозофилы позволили не только обнаружить гены, контролирующие биологический ритм у дрозофил, но и найти способ изучения часового механизма в организме человека.
Спустя примерно десять лет после открытия Конопки и Бензера студент Мартин Ральф занялся поиском генов, контролирующих биоритмы у млекопитающих. Ральф и его научный руководитель работали в Орегоне с сирийскими хомячками. Хомяки бегали в колесе, а ученые регистрировали их активность. В норме у хомяков есть периоды активности и отдыха, которые в сумме составляют двадцать четыре часа.
Каждый хомяк, поступавший в лабораторию, подвергался тестированию на колесе. Ральф надеялся, что однажды обнаружит животное с аномальным ритмом активности и отдыха. Он поставил на то, что среди еженедельно поступавших хомяков рано или поздно найдется мутантное животное.
Однажды Ральф получил новую партию животных, запустил их в клетку и начал наблюдать за их поведением на колесе. К его радости (и, несомненно, облегчению) цикл активности и отдыха одного из животных сильно отличался от обычного двадцатичетырехчасового цикла. Сутки для этого хомяка укладывались в двадцать два часа. Ральф скрестил этого хомяка с другими и в их потомстве также обнаружил особей с укороченным суточным циклом активности и отдыха. Нарушение суточного ритма было связано с мутацией гена.
Когда Ральф и другие стали изучать этот ген, они выяснили, что его действие в основном связано с небольшой группой клеток в ткани мозга. Мутация затрагивала клетки в участке, обнаруженном Рихтером. Ральф выиграл пари.
Картина еще более прояснилась в начале 90-х годов XX века, когда в клинику сна в Солт-Лейк-Сити обратилась пациентка со странной проблемой. Спала она по восемь часов, но в какое бы время она ни пыталась лечь спать, засыпала она всегда в 19.30, и это означало, что просыпалась она в 3.30. Ее часовой механизм работал, но со сдвигом. Когда пациент обращается в клинику, его обкладывают датчиками, которые во время сна регистрируют скорость дыхания и сердцебиения, температуру тела и другие параметры. Ничего необычного в состоянии пациентки обнаружено не было.
Поделиться книгой: