Помоги проекту - поделись книгой:
Наконец, достигнув темы естественного отбора, мы можем возвратиться к примеру собак ради некоторых других важных уроков. Я сказал, что они - одомашненные волки, но я должен к этому сделать оговорку в свете удивительной теории эволюции собак, которая, снова была наиболее четко сформулирована американским зоологом Реймондом Коппингером. Идея в том, что эволюция собаки не была лишь вопросом искусственного отбора. Волки сами в не меньшей степени приспосабливались к особенностям человеческой среды благодаря естественному отбору. Большая часть начального одомашнивания собаки была самоодомашниванием, производимым естественным, а не искусственным отбором. Задолго до того, как мы приобрели сноровку ваяния с помощью комплекта инструментов искусственного отбора, естественный отбор уже придавал волкам форму самоодомашненных "деревенских собак" без какого-либо человеческого вмешательства. Только позже люди взяли этих деревенских собак и превратили их, по отдельности и в полном объеме, в радугу пород, украшающих сегодня (если можно использовать слово украшение) выставку собак "Крафт" и подобные представления собачьих достижений и красоты (если можно использовать слово красота).
Коппингер отмечает, что когда одомашненные животные оказываются на свободе и дичают за многие поколения, они превращаются обратно в нечто очень напоминающее их диких предков. Можно было бы ожидать, что одичавшие собаки в этом случае станут чем-то похожим на волков. Но этого не происходит. Вместо этого дичающие собаки, кажется, становятся вездесущими "деревенскими" бродячими собаками - которые слоняются поблизости от человеческих поселений повсюду в странах третьего мира. Это подкрепляет в Коппингере веру, что собаки, которыми, наконец, занялись селекционеры, уже не были волками. Они уже изменились в собак: деревенских, бродячих собак, возможно, динго.
Настоящие волки - стайные охотники. Деревенские собаки -мусорщики, часто посещающие навозные кучи и свалки. Волки также роются в мусоре, но они органически не приспособлены копаться в человеческих отбросах из-за их длинной "дистанции бегства". Если Вы видите кормящееся животное, Вы можете измерить его дистанцию бегства, узнав, как близко оно позволит Вам приблизиться, перед тем как убежит. Для любого конкретного вида в любой данной ситуации будет существовать оптимальная дистанция бегства, где-то между слишком опасной или безрассудной в коротком конце спектра до слишком трусливой или избегающей риска в длинном. Особи, которые срываются слишком поздно, когда угрожает опасность, с большей вероятностью будут убиты этой самой опасностью. Это менее очевидно, но есть такая вещь как слишком ранний старт. Слишком пугливым особям никогда не удается плотно поесть, потому что они убегают при первых признаках опасности на горизонте. Легко упустить опасности, свойственные слишком сильному избеганию рисков. Мы озадачены, когда видим зебр или антилоп, спокойно пасущихся на виду у львов, и только лишь бросающих настороженные взгляды на них. Мы недоумеваем, потому что наше собственное неприятие риска (или нашего гида на сафари) твердо удерживает нас в Ленд Ровере даже при том, что у нас нет никакой причины полагать, что в пределах миль есть лев. Это происходит потому, что нам нечего противопоставить нашему страху. Мы собираемся плотно поесть по возвращении с сафари в охотничьем домике. У наших диких предков было бы намного больше общего с рисковыми зебрами. Как и зебры, они должны были сбалансировать риск быть съеденными и риском остаться без еды. Конечно, лев может напасть, но, в зависимости от размера вашего стада, есть шанс, что он поймает другого ее члена, а не вас. И если бы вы никогда не рисковали выйти на пастбище или к водопою, то вы умерли бы, так или иначе, от голода или жажды. Это - тот же самый урок экономических компромиссов, который мы уже встречали, дважды.
Основной момент этого отступления состоит в том, что у дикого волка, как и у любого другого животного, будет оптимальная дистанция бегства, тщательно сбалансированная (и потенциально изменяемая) между излишней смелостью и излишней пугливостью. Естественный отбор меняет дистанцию бегства, смещая ее в одну или другую сторону вдоль этого диапазона, если условия изменятся в течение эволюционного времени. Если новый обильный источник пищи в виде деревенских свалок входит в мир волков, дистанция бегства перемещается в оптимальную точку к более короткому концу диапазона, в направлении нежелания убегать, лакомясь этими новыми обилием.
Мы можем представить себе диких волков, копающихся в мусорной яме на краю деревни. У большинства из них, боящихся людей, которые бросают камни и копья, очень длинная дистанция бегства. Они бросаются в безопасность леса как только человек появляется на этой дистанции. Но у некоторых особей, благодаря генетической случайности, оказывается немного более короткая дистанция бегства, чем в среднем. Их готовность немного рискнуть - они, быть может, храбры, но не безрассудны - позволяет им получать больше пищи, чем их менее склонным к риску конкурентам. В течение поколений естественный отбор благоприятствует все более короткой дистанции бегства, пока она не достигает точки, когда волки действительно подвергаются опасности из-за бросающих камни людей. Оптимальная дистанция бегства сдвинулась благодаря новому доступному источнику пищи.
Нечто похожее на эволюционное сокращение дистанции бегства было, по мнению Коппенгера, первом шагом приручения собаки, и это было достигнуто благодаря естественному, а не искусственному отбору. Уменьшение дистанции бегства является поведенческой мерой того, что можно было бы назвать увеличением приручаемости. На данном этапе этого процесса люди преднамеренно не выбирали самых ручных особей для размножения. На этой ранней стадии взаимодействия между людьми и этими зарождающимися собаками были враждебными. Если волки становились одомашненными, это было самоприручением, а не преднамеренным одомашниванием людьми. Преднамеренное одомашнивание произошло позже.
Мы можем составить представление о том как приручение, или что-либо еще, может быть вылеплено - естественно или искусственно -глядя на очаровательный эксперимент новейшей истории, на одомашнивание русских серебристо-черных лисиц с целью торговли мехом. Это вдвойне интересно потому, что преподносит нам уроки, сверх того, что Дарвин знал о процессе одомашнивания, о "побочных эффектах" селекционного разведения и о подобии, хорошо понимаемом Дарвином, между искусственным и естественным отбором.
Серебристо-черная лисица является лишь цветной разновидностью, ценимой за ее красивый мех, обычной рыжей лисы, Vulpes vulpes. Русский генетик Дмитрий Беляев в 1950-х был назначен во главе производства на ферме лисьего меха. Он был позже уволен, потому что его научная генетика противоречила антинаучной идеологии Лысенко, биолога-шарлатана, которому удалось завоевать расположение Сталина, и, таким образом, прийти к власти и в значительной степени разрушить всю советскую генетику и сельское хозяйство примерно за двадцать лет. Беляев сохранил свою любовь к лисам и к истинной, свободной от Лысенко генетике, и позже смог возобновить свои исследования того и другого как директор Института Генетики в Сибири.
С дикими лисицами очень тяжело справляться и Беляев умышленно занялся селекцией на приручаемость. Как и у любого другого животновода или растениевода того времени, его метод должен был использовать естественное вариации (никакой генной инженерии в те дни не было), и выбирать для размножения тех самцов и самок, которые ближе всего подходят к идеалу, который он искал. Отбирая на приручаемость, Беляев мог бы выбирать для размножения тех кобелей и сук, которые больше ему приглянулись или смотрели на него самыми симпатичными выражениями мордашек. Это вполне могло иметь желаемый эффект на приручаемость будущих поколений. Однако он более методично использовал критерий, который достаточно близок к "дистанции бегства", только что упомянутый мною в связи с дикими волками, но примененный в отношении детёнышей. Беляев вместе со своими коллегами (а также последователями, потому как исследование продолжалось и после его смерти) подвергали детенышей лис стандартизованным тестам, в которых предлагали им корм из человеческих рук, одновременно с тем пытаясь их погладить и приласкать. Детенышей классифицировали по трем категориям. В категорию III попали те, кто пытался укусить человека или просто убегал от него. В категории II оказались детеныши, позволившие себя приручить, но не показавшие экспериментаторам положительной ответной реакции. Детёныши I категории, самые ручные из всех, сами приближались к работникам, виляя своими хвостами и скуля. Когда детеныши вырастали, ученые систематически разводили только животных самой ручной категории.
По прошествии каких-то шести поколений такой селекции на приручаемость, лисы изменились так, что экспериментаторы чувствовали себя обязанными назначить новую категорию, "одомашненная элитная", которая "стремится установить контакт с человеком, скуля, чтобы привлечь внимание, фыркая и облизывая экспериментаторов как собаки". В начале эксперимента ни одна из лис не была в элитной категории. После десяти поколений выведения приручаемости 18 процентов были "элитой", после двадцати поколений - 35 процентов, а после тридцати - тридцати пяти поколений "одомашненные элитные" особи составляли от 70 до 80 процентов экспериментальной популяции.
Такие результаты, возможно, не слишком удивительны, за исключением удивительной величины и скорости эффекта. Тридцать пять поколений прошли бы незамеченными на геологической шкале времени. Еще более интересными, однако, были неожиданные побочные эффекты селекционного разведения на приручаемость. Они были по-настоящему восхитительными и действительно непредвиденными. Дарвин, будучи большим любителем собак, был бы очарован результатом. Прирученные лисицы не только вели себя как собаки, но даже стали внешне похожими на них. Они потеряли свой лисий мех и стали пегими, черно-белыми, как уэльсские колли. Их заостренные лисьи уши сменились гибкими собачьими ушами. Их хвосты на конце завернулись вверх, как у собак, а не вниз, как хвост лисы. Течка у самок стала происходить каждые шесть месяцев, как у сук, вместо одного раза в год, как у лисиц. Беляев утверждал, что они даже издавали звуки как собаки.
Беляев с его лисами, поскольку они становятся ручными и преданными
Эти изменения были побочными эффектами. Беляев и его команда преднамеренно не занимались их селекцией, их интересовала только приручаемость. Остальные похожие на собачьи черты, по-видимому, прибыли под эволюционным покровительством генов приручаемости. Генетиков этим не удивишь. Они выделяют широко распространенное явление, названное "плейотропия", которая выражается в том, что гены имеют несколько эффектов, внешне не связанных. Ударение здесь на слове "внешне". Развитие эмбриона -это очень сложный процесс. По мере того, как мы узнаем о деталях, это "внешне не связанные" превращается в "связанные путем, который мы теперь понимаем, но не понимали прежде". По-видимому, гены висящих ушей и пегого меха плейотропно связаны с генами приручаемости и у лис и у собак. Это иллюстрирует важный вопрос об эволюции. Когда Вы замечаете черту животного и спрашиваете, какова ее дарвинистская ценность для выживания, Вы, возможно, ставите неправильный вопрос. Может оказаться так, что черта, которую вы выбрали, является не той, которая имеет значение. Она, возможно, "прибыла под покровительством", притянута в процессе эволюции некоторой другой чертой, с которой она связана плейотропно.
Итак, эволюция собаки, если прав Коппингер, была делом не только искусственного отбора, а сложной смесью естественного отбора (который преобладал на ранних стадиях приручения), и искусственного отбора (который вышел на первый план позже). Переход мог быть непрерывным, что снова подчеркивает подобие -как понял Дарвин - между искусственным и естественным отбором.
Давайте теперь, в третьем из наших разминочных набегов на естественный отбор, перейдем к цветам и опылителям и увидим кое-что из способностей естественного отбора управлять эволюцией. Биология опыления предоставляет нам некоторые довольно удивительные факты, и поразительность достигает кульминации в орхидеях. Неудивительно, что Дарвин был настолько увлечен ими; неудивительно, что он написал книгу, которую я уже упомянул, "О различных приспособлениях, посредством которых Британские и заморские орхидеи опыляются насекомыми" . Некоторые орхидеи, своего рода "волшебные пули", такие как мадагаскарские, которые мы встречали ранее, дают нектар, но другие нашли способ обойти затраты на кормление опылителей, обманывая их вместо этого. Есть орхидеи, которые напоминают самок пчел (или ос или мух) достаточно сильно, чтобы обманом заставить самцов пытаться совокупляться с ними. Насколько такое их подражание напоминает самок одного конкретного вида насекомых, настолько самцы этого вида могут служить волшебными пулями, летящими от цветка к цветку только одного вида орхидеи. Даже если орхидея напоминает "какую-нибудь пчелу" а не пчелу конкретного вида, то пчелы, которых она обманывает, все еще будут "более-менее волшебными" пулями. Если Вы или я пристально вглядитесь в "мушью орхидею", офрис насекомоносную или "пчелиную орхидею", офрис пчелоносную (см. цветную страницу 5), мы сможем отличить ее от реального насекомого; но взглянув случайно уголком глаза, мы были бы введены в заблуждение. И даже глядя на нее прямо, я сказал бы, что "пчелиные орхидеи" на картинке (h) явно скорее являются "шмелиными" орхидеями, чем орхидеями "домашних пчел". У насекомых сложные глаза, которые не столь остры как наши глаза камерного типа, поэтому формы и цвета орхидей, подражающих насекомым, усиливаемые обольстительными ароматами, подражающими ароматам самок насекомых, более чем способны обмануть самцов. Кстати, вполне вероятно, что схожесть усиливается, если смотреть в ультрафиолетовом диапазоне, чего мы лишены.
Так называемая пауковая орхидея, Brassia (цветная страница 5 (k)), достигает опыления другим родом обмана. Самки различных видов одиночных ос ("одиночных ", потому что они не живут социально большими гнездами, как обыкновенные осенние надоедливые насекомые, названные американцами желтыми жакетами, yellowjackets) ловят пауков, жалят их, чтобы парализовать, и откладывают на них свои яйца как на живую кормовую базу для личинок. "Пауковые" орхидеи достаточно напоминают пауков, чтобы обманом заставить самок ос пытаться их жалить. В процессе они поднимают поллинии - комки зерен пыльцы, производимые орхидеями. Когда они летят дальше, чтобы попытаться ужалить другую паучью орхидею, поллинии переносятся. Кстати, я не могу не добавить в точности обратный случай с пауком Epicadus heterogaster, который мимикрирует под орхидею. Насекомые прилетают к этому "цветку" в поисках нектара, и сразу оказываются съеденными им.
Некоторые из самых удивительных орхидей, практикующих эту уловку соблазнения, могут быть найдены в западной Австралии. Различные виды рода Drakaea известны как "молотковые" орхидеи. Каждый вид имеет тесные отношения с определенными видом осы, известным как Thynnidae. Части цветка имеют грубое сходство с насекомым, обманом заставляющим самца осы Thynnidae пытаться спариться с ним. До сих пор в моем описании нет резких отличий от других Drakaea, мимикрирующих под насекомых орхидей. Но Drakaea имеет замечательную дополнительную уловку - ее рукав: поддельная "оса" держится на конце подвешенной "руки" со сгибающимся "локтем". Вы можете ясно видеть сгиб на картинке (цветная страница 5 (g)). Колебательные движения осы, захватывающей поддельную осу, заставляют "локоть" сгибаться, и оса многократно раскачиваясь вперед-назад, ударяет как молоточек в противоположную сторону цветка - давайте называть ее наковальней - где у того находятся половые органы. Полинии отцепляются и прилипают к осе, которая, в конечном счете, высвобождается и улетает, огорченная, но, очевидно, не умудренная: она повторит представление на другой молотковой орхидее, где вместе с полиниями, которые она переносит, снова бьется о наковальню, так, что ее груз находит предначертанное ему пристанище на женских органах цветка. Я показал фильм об этой поразительной работе в одной из моих Королевских Рождественских Лекций для детей, и его можно увидеть в записи лекции, названной "Ультрафиолетовый Сад".
В той же самой лекции я обсуждал "ковшовые орхидей" Южной Америки, которые достигают опыления столь же замечательным, но несколько иным способом. У них так же есть специализированные опылители, не осы, а маленькие пчелы, из группы под названием орхидейные пчелы, Euglossini. Опять же, эти орхидеи не дают нектара. И эти орхидеи не заставляют пчел спариваться с ними обманом. Вместо этого они обеспечивают жизненно важный элемент содействия трутням, без которых те были бы неспособны привлечь настоящих самок.
Эти маленькие пчелы, которые живут только в Южной Америке, имеют странную привычку. Они идут на изощренные меры, чтобы собирать ароматные или вообще какие-либо пахнущие вещества, которые они хранят в специальных контейнерах, прикрепленных к их увеличенным задним ногам. У различных видов эти вещества с запахом могут браться от цветов, из мертвой древесины или даже из фекалий. Кажется, они используют собранные духи, чтобы привлечь, или добиться расположения, самки. Многие насекомые используют особые ароматы, чтобы привлечь противоположный пол, и большинство из них производит духи в специальных железах. Самки тутового шелкопряда, например, привлекают самцов на удивительно большом расстоянии, выпуская уникальный аромат, который они производят, и который самцы обнаруживают своими антеннами в мельчайших следах буквально за мили. В случае пчел Euglossini аромат используют самцы. И, в отличие от моли женского пола, они не синтезируют свои собственные духи, а используют пахнущие компоненты, которые они собрали, не как чистые вещества, а как тщательно подобранные смеси, которые они складывают, подобно опытным парфюмерам. Каждый вид смешивает характерный коктейль веществ, собранных из различных источников. И есть некоторые виды пчел Euglossini, которые положительно нуждаются для производства своего характерного для вида аромата, вещества, которое поставляется только цветами особых видов орхидей рода Coryanthes - ковшовых орхидей. Общепринятое название пчел Euglossini - "орхидейные пчелы".
Какая утонченная картина взаимной зависимости. Орхидеи нуждаются в пчелах Euglossini по обычной причине - в качестве "волшебной пули". А пчелы нуждаются в орхидеях по скорее странной причине, что они не могут привлечь пчел-самок без веществ, которые или невозможно или, по крайней мере, слишком трудно найти, разве что через бюро товаров ковшовых орхидей. Но путь, которым достигается опыление, является еще более странным, и это, на первый взгляд, делает пчелу скорее жертвой, чем сотрудничающим партнером.
Трутня Euglossini привлекает к орхидее запах веществ, в которых он нуждается для производства своих сексуальных духов. Он садится на край ковша и начинает соскребывать восковые духи в специальные "ароматовые" карманы в ногах. Но край ковша под ногами скользкий, и на это есть причина. Пчела-самец падает в ковш, заполненный жидкостью, в которой он плавает. Он не может подняться по скользкой стороне ковша. Существует только один выход, и это специальное отверстие размером с пчелу в боковине ковша (не видна на картинке, которая приведена на цветной странице 4). Его ведут "ступеньки" к отверстию, и он начинает ползти через него. Плотное облегание становится еще сильнее, когда "губки" (их вы можете видеть на картинке: они выглядят как патрон от токарного станка или электродрель) сжимают и захватывают его. Пока он удерживается в тисках орхидеи, та приклеивает два поллиния к его спине. Клею требуется время, чтобы затвердеть, после чего губки снова расслабляются и выпускают пчелу, которая летит, снаряженная поллиниями на спине. Все еще в поисках драгоценных ингредиентов для своей парфюмерии, пчела садится на другую ковшовую орхидею, и процесс повторяется. На сей раз, однако, когда пчела пробирается через отверстие в ковше, поллинии соскребаются, и они оплодотворяют пестик этой второй орхидеи.
Интимные отношения между цветами и их опылителями являются прекрасным примером того, что называется коэволюцией -совместной эволюцией. Коэволюция часто встречается между организмами, которые могут что-то выиграть друг от друга, товарищества, в котором каждая сторона дает нечто другой, и обе выигрывают от сотрудничества. Другой красивый пример - набор отношений, которые независимо возникли на коралловых рифах, в различных частях света, между рыбами чистильщиками и крупной рыбой. Чистильщики принадлежат к нескольким разным видам, и некоторые из них даже не рыба вовсе, а креветки - хороший случай конвергентной эволюции. Чистка среди рыб кораллового рифа является таким же проработанным жизненным ремеслом, как охота, или щипание зелени, или поедание муравьев среди млекопитающих. Чистильщики получают средства на существование, выбирая паразитов с тел их более крупных "клиентов". То, что это приносит клиентам пользу, было элегантно продемонстрировано путем удаления всех чистильщиков из экспериментальной области рифа, после чего здоровье многих видов рыб ухудшилось. Я обсуждал привычки очистки в другом месте, поэтому не буду останавливаться здесь.
Коэволюция также происходит между видами, не извлекающими выгоду из взаимного присутствия, такими как хищники и добыча, или паразиты и хозяева. Эти типы совместной эволюции иногда называют "гонкой вооружений", и я отложу их обсуждение до главы 12.
Позвольте мне подвести эту и предыдущую главу к заключению. Отбор - в форме искусственного отбора селекционерами - может превратить дворняжку в пекинеса или дикую капусту в цветную за несколько столетий. Различие между любыми двумя породами собак дает нам общее представление о величине эволюционных изменений, которые могут быть достигнуты меньше чем за тысячелетие. Следующий вопрос, который мы должны задать - как много таких тысячелетий прошло с момента зарождения жизни? Если вспомнить, насколько разительно отличается дворняга от пекинеса, и знать, что между ними всего несколько веков эволюции, то становится интересно, как много времени отделяет нас от начала эволюции, например, млекопитающих? Или с момента, когда рыбы выбрались на сушу? Ответ таков: жизнь началась не столетия назад, а десятки миллионов столетий назад. Измеренный возраст планеты составляет 4,6 миллиарда лет, или 46 миллионов столетий. Со времени общего для всех сегодняшних млекопитающих предка на Земле прошло порядка двух миллионов столетий. Век кажется нам очень продолжительным промежутком времени. Вы можете вообразить два миллиона столетий, сложенных непрерывной цепью? Время, которое прошло с тех пор, как наши предки-рыбы, выползли из воды на сушу, составляет приблизительно три с половиной миллиона столетий: то есть приблизительно в двадцать тысяч раз больше, чем потребовалось, чтобы произвести все разнообразие (действительно очень разных) пород собак от общего предка, которого все они разделяют.
Держите в голове картину различий между пекинесом и дворнягой. Мы здесь не говорим о точных замерах: вполне пойдет просто подумать о различиях между любыми двумя породами собак, поскольку это в среднем - удвоенное количество изменений, внесенных искусственным отбором со времени общего предка. Держите в голове порядок этих эволюционных изменений, потом, экстраполируйте на в 20,000 раз более далекое прошлое. Не так уж трудно становится поверить, что эволюция за это время могла привести нас к количеству изменений, достаточному, чтобы трансформировать рыбу в человека.
Но все это предполагает, что мы знаем возраст Земли и различных ориентиров в ископаемой летописи. Это книга о свидетельствах, поэтому я не могу лишь заявлять даты, а должен подтвердить их. Откуда, в действительности, мы знаем возраст какой-нибудь отдельной горной породы? Откуда мы знаем возраст ископаемого? Откуда знаем возраст Земли? Откуда, если уж на то пошло, мы знаем возраст вселенной? Нам нужны часы, и часы - предмет следующей главы.
ГЛАВА 4 ТИШИНА И МЕДЛЕННОЕ ВРЕМЯ
Если отрицатели истории, которые сомневаются в факте эволюции, не знают биологии, то те, кто думает, что мир возник менее чем десять тысяч лет назад, хуже просто невежд, поскольку они введены в заблуждение до степени извращения. Они отрицают не только факты биологии, но также и факты физики, геологии, космологии, археологии, истории и химии. Эта глава о том, откуда мы знаем возраст горных пород и заключенных в них ископаемых. В ней представлены свидетельства того, что масштаб времени, в течение которого жизнь действовала на этой планете, измеряется не в тысячах лет, а в тысячах миллионов лет.
Помните, что ученые-эволюционисты находятся в положении сыщиков, запоздавших на место преступления. Чтобы точно определить, когда произошли события, мы зависим от следов, оставленных процессами, зависящими от времени - часов в широком смысле. Одним из первых, что сделает прибывший на место убийства сыщик, это попросит врача или патологоанатома определить примерное время наступления смерти. Многое зависит от этой информации, и в детективной беллетристике почти мистическое благоговение получает эта оценка патологоанатома. " Время смерти" является основным фактом, непогрешимым центром, вокруг которого вращаются более или менее натянутые предположения детектива. Но оценка, конечно, предрасположена к погрешности, погрешности которую можно измерить и которая может быть достаточно большой. Патологоанатом использует различные процессы с временной зависимостью, чтобы оценить время смерти: тело охлаждается с характерной скоростью, трупное окоченение наступает в определённое время, и так далее. Это довольно грубые "часы" доступные для того, кто расследует убийство. Часы, доступные ученому-эволюционисту, потенциально намного более точны - в пропорции к применяемой шкале времени, конечно, не с точностью до ближайшего часа! Аналогия с точными часами более убедительна для юрских пород в руках геолога, чем для остывающего трупа в руках патологоанатома.
Часы, созданные человеком, работают в масштабах времени, очень коротких по эволюционным меркам - часы, минуты, секунды - и процессы, зависящие от времени, которые они используют, быстры: раскачивание маятника, вращение пружинки, колебание кристалла, горение свечи, опустошение сосуда с водой или песочных часов, вращение земли (зарегистрированное по солнечному циферблату). Все часы используют некоторый процесс, который идет с постоянной и известной скоростью. Маятник качается с постоянной частотой, которая зависит от длины маятника, но (по крайней мере, так гласит теория) не от амплитуды раскачивания или массы груза на его конце. Напольные часы с маятником работают в связке маятника с анкером, который продвигает зубчатое колесо, шаг за шагом; тем самым вращение замедлено до скоростей вращения часовой стрелки, минутной стрелки и секундной стрелки. Пружинные часы работают схожим образом. В электронных часах используется электронный эквивалент маятника - колебание определенных видов кристаллов при запитке их энергией от батареи. Водяные часы и свечные часы намного менее точны, но они были полезны до изобретения часов, отсчитывающих события. Они зависят не от подсчета событий, как это делают маятниковые или цифровые часы, а от измерения некоторой количественной величины. Солнечные часы - неточный способ определить время. Но вращение Земли, являющееся процессом с временной зависимостью, на который они опираются, точен в более медленном масштабе времени тех часов, которые мы называем календарем. Это происходит потому, что к этом масштабе времени они больше не являются измеряющими часами (солнечные часы измеряют непрерывную величину угла положения солнца), а становятся отсчитывающими часами (отсчитавающими циклы день/ночь).
Нам доступны как отсчитывающие, так и измеряющие часы на очень медленном временном масштабе эволюции. Но для расследования эволюции мы не нуждаемся просто в часах, которые бы показывали текущее время, как это делают солнечные или наручные часы. Мы нуждаемся в чем-то более похожем на фиксирующий секундомер, который может быть обнулен. Наши эволюционные часы должны быть выставлены на ноль в некоторый момент, так, чтобы мы могли вычислить время, прошедшее после начальной точки, чтобы дать нам, например, абсолютный возраст некоторого объекта, такого как горная порода. Радиоактивные часы для датировки магматических (вулканических) пород удобно обнуляются в момент затведевания расплавленной лавы.
К счастью, доступен ряд обнуляемых естественных часов. Это разнообразие - хорошая вещь, потому что мы можем использовать одни часы, чтобы проверить точность других часов. Еще более удачно, что они чутко покрывают удивительно широкий диапазон временных масштабов, и это нам нужно, потому что масштабы эволюционного времени охватывают семь или восемь порядков. Стоит разъяснить, что это означает. Порядок означает нечто совершенно конкретное. Изменение на один порядок - это одно умножение (или деление) на десять. Так как мы используем десятичную систему счисления, порядок числа - количество нулей, до или после десятичной запятой. Таким образом, диапазон в восемь порядков составляет сто миллионов раз. Секундная стрелка часов вращается в 60 раз быстрее, чем минутная стрелка, и в 720 раз быстрее, чем часовая стрелка, так что эти три стрелки охватывают диапазон менее трех порядков. Он ничтожен по сравнению с восемью порядками, охватываемыми нашим набором геологических часов. Часы, построенные на радиоактивном распаде, доступны для коротких сроков, вплоть до долей секунды; но для эволюционных целей часы, которыми можно отмерять века или, возможно, десятилетия - это самое быстрое, из того, что нам необходимо. Этот быстрый конец спектра естественных часов - годичные кольца и углеродное датирование - полезен в археологических целях, и в датировании экземпляров на шкале времени, которая охватывает одомашнивание собаки или окультуривание капусты. В другом конце шкалы мы нуждаемся в естественных часах, которые бы отмеряли сотни миллионов или даже миллиарды лет. И, хвала природе, которая предоставила нам такой широкий ассортимент нужных часов. К тому же их диапазоны чувствительности перекрываются между собой таким образом, что мы можем использовать их для проверки друг друга.
Часы годичных колец деревьев могут быть использованы для датирования куска дерева, скажем, бревна в доме времен Тюдоров, с удивительным точностью, в буквальном смысле до года. Вот как это работает. Во-первых, как многие знают, можно определить возраст недавно срубленного дерева путем подсчета колец в его стволе, предполагая, что внешнее кольцо представляет настоящее время. Кольца отражают различия роста в разные сезоны года - зимой или летом, сухой сезон и сезон дождей, и они особенно ярко выражены в высоких широтах, где существует сильная разница между сезонами. К счастью, вам не требуется на самом деле срубать дерево, чтобы определить его возраст. Вы можете взглянуть на его кольца, не убивая его, а лишь высверлив отверстие до середины дерева извлекая образец ядра. Но просто подсчет колец не скажет вам, в каком веке бревно вашего дома или мачта вашей галеры викингов было живо. Если вы хотите, датировать давно мертвую древесину, вам придется быть более изощренными. Не просто считайте кольца, а посмотрите на узор из толстых и тонких колец.
Так же, как наличие колец означает сезонные циклы интенсивного и слабого роста, так и некоторые года бывают лучше, чем другие, так как погода меняется из года в год: засуха замедлит процесс роста, а дождливый год ускорит его; есть холодные и теплые годы, и даже годы Эль-Ниньо или катастрофы Кракатау. Хорошие годы, с точки зрения дерева, производят более широкие кольца чем, плохие годы. И узор из широких и узких колец в любом одном регионе, созданный конкретной последовательностью хороших и плохих лет, является достаточно характерным "отпечатком пальца", который точно маркирует годы образования этих колец - чтобы быть распознаваемыми от дерева к дереву.
Дендрохронологи измеряют кольца на свежих деревьях, у которых точная дата каждого кольца определяется путем отсчета назад от года, в котором дерево, как известно, было срублено. На этих измерениях они строят справочную коллекцию узоров колец, с которыми вы можете сравнить узоры колец археологического образца бревна, дату которого вы хотите узнать. Таким образом, вы можете получить заключение: "Эта тюдоровская балка содержит последовательность годовых колец, которая соответствует последовательности из справочной литературы, которая, как известно, сформировалась в годы с 1541 по 1547. Следовательно, дом был построен после 1547 года нашей эры.
Все это очень хорошо, но немногие из сегодняшних деревьев были живы в тюдоровские времена, уже не говоря о каменном веке или ранее. Существуют некоторые деревья - остистые сосны и некоторые гигантские секвойи - которые живут на протяжении тысячелетий, но большинство деревьев, идущих на древесину, вырубается, когда они моложе ста лет или около того. Как, тогда, мы создаем справочную коллекцию колец для более древних времен? Для времен столь отдаленных, что даже самая старая живая остистая сосна не захватывает их? Я думаю, что Вы уже додумались до ответа. Перекрытия. Прочный канат может быть длиной 100 метров , но каждое волокно в нем достигает лишь части этого размера. Чтобы использовать принцип перекрытия в дендрохронологии, вы берете справочные образцы узоров, дата которых известна по современным деревьям. Затем вы идентифицируете узор старых колец современных деревьев и ищете тот же самый узор среди молодых колец давно мертвых деревьев. Затем, вы изучаете узор старых колец этих самых давно мертвых деревьев, и ищете тот же узор в младших кольцах еще более старых деревьев. И так далее. Вы можете выстроить цепочку в прошлое, теоретически на миллионы лет, используя окаменелый лес, хотя на практике дендрохронология используется только в археологических сроках, в масштабах нескольких тысяч лет. И удивительная вещь о дендрохронологии состоит в том, что, по крайней мере, теоретически, вы можете сохранять точность до года даже в отношении ископаемого леса, которому 100 миллионов лет. Вы буквально, можете сказать, что это кольцо в ископаемом дереве юрского периода образовалось на 257 лет позже, чем другое кольцо в другом дереве юрского периода! Если бы имелось достаточно окаменелого леса, чтобы построить непрерывную цепочку в прошлое из настоящего, вы бы смогли сказать, что это дерево не только конца юрского периода, но что оно было живо в 151 432 657 году до нашей эры! К сожалению, у нас нет такой непрерывной цепи, и дендрохронология на практике предоставляет нам всего около 11500 лет. Это, однако, - дразнящая мысль, что, если только мы могли бы найти достаточно много ископаемых лесов, мы могли бы датировать с точностью до года на промежутках в сотни миллионов лет.
Как работает дендрохронология
Годичные кольца - не единственная система, которая везде обещает полную точность до года. Осадочные слои, откладываются в ледниковых озерах. Как и годичные кольца, они меняются по сезонам и из года в год, таким образом, теоретически может быть использован тот же самый принцип, с той же степенью точности. У коралловых рифов также есть годичные кольца, точно так же как у деревьев. Удивительно, но они были использованы для установления даты древних землетрясений. Годичные кольца тоже, кстати, говорят нам о датах землетрясений. Большинство других систем датирования, которые доступны нам, включая все радиоактивные часы, которые мы фактически используем во временном масштабе десятков миллионов, сотен миллионов или миллиардов лет, точны только в пределах величины погрешности, которая примерно пропорциональна самому масштабу измеряемого времени.
Теперь переходим к радиоактивным часам. Их существует довольно много, чтобы можно было выбирать, и, как я уже сказал, они успешно охватывают весь спектр от века до тысяч миллионов лет. У каждых из них есть его собственный предел погрешности, который обычно составляет около 1 процента. Так, если Вы хотите датировать породы, которым миллиард лет, вы должны довольствоваться ошибкой плюс или минус десяток миллионов лет. Если вы хотите датировать породы возрастом в сотню миллионов лет, вы должны удовлетвориться погрешностью порядка миллиона лет. При датировке пород, которым только десятки миллионов лет, вы должны допустить погрешность плюс или минус несколько сотен тысяч лет.
Чтобы понять, как работают радиоактивные часы, мы сначала должны понять, что подразумевается под радиоактивным изотопом. Вся материя состоит из элементов, которые обычно химически объединены с другими элементами. Существует около 100 элементов, несколько больше, если считать элементы, которые когда-либо были синтезированы в лаборатории, и, немного меньше, если считать только те элементы, которые встречаются в природе. Примерами элементов являются: углерод, железо, азот, алюминий, магний, фтор, аргон, хлор, натрий, уран, свинец, кислород, калий и олово. Атомная теория строения вещества, которую, я думаю, принимает каждый, даже креационисты, говорит нам, что каждый элемент имеет свой собственный характерный атом, являющийся наименьшей частицей, на которую вы можете разделить элемент, без чего он перестал бы быть этим элементом. На что похож атом, скажем атом свинца, или меди, или углерода? Ну, он, конечно, не выглядит как свинец или медь или углерод. Он ни на что не похож, потому что является слишком маленьким, чтобы сформировать какое-либо изображение на вашей сетчатке, даже с помощью ультрамощного микроскопа. Мы можем использовать аналогии или модели, чтобы помочь визуализировать атом. Самая известная модель была предложена великим датским физиком Нильсом Бором. Модель Бора, которая сейчас уже является устаревшей, представляет солнечную систему в миниатюре. Роль солнца играет ядро, а вокруг него обращаются электроны, которые играют роль планет. Как и в солнечной системе, почти вся масса атома содержится в ядре ("солнце"), и почти весь объем заключен в пустом пространстве, которое отделяет электроны ("планеты") от ядра. Каждый из электронов крошечный по сравнению с ядром, и пространство между ними и ядром также огромно по сравнению с размерами и того и другого. Любимая аналогия изображает ядро как муху в середине спортивного стадиона. Ближайшее соседнее ядро является другой мухой в середине примыкающего стадиона. Электроны каждого атома носятся по орбите вокруг своих соответствующих мух, будучи меньшими, чем самые крошечные мошки, слишком маленькие, чтобы быть заметными в том же масштабе, что и мухи. Когда мы смотрим на твердую глыбу железа или скалы, мы "реально" смотрим на то, что представляет собой почти полностью пустое пространство. Оно выглядит и ощущается сплошным и непрозрачным, потому что нашим сенсорным системам и мозгу удобно воспринимать его сплошным и непрозрачным. Для мозга удобно представить камень как сплошное тело, потому что мы не можем пройти через него. "Сплошной" это наш способ воспринимать вещи, через которые мы не можем пройти или провалиться из-за электромагнитных сил между атомами. "Непрозрачный" - это наше ощущение, которое мы получаем, когда свет отражается от поверхности объекта и совсем не проходит через него.
Три вида частиц входят в состав атома, по крайней мере, как это представляется моделью Бора. Электроны мы уже встречали. Другие две частицы, значительно большие, чем электроны, но все же крошечные по сравнению с чем-либо, что мы можем представить или ощутить нашими чувствами, названы протонами и нейтронами, и они находятся в ядре. Они почти одинакового размера. Число протонов постоянно для любого конкретного элемента и равно числу электронов. Это число называется атомным номером. Это уникальная характеристика элемента, и нет никаких пробелов в списке атомных номеров - знаменитой периодической системы [Менделеева]. Каждому номеру в последовательности соответствует ровно один и только один элемент. Элемент с атомным номером 1 - водород, 2 -гелий, 3 - литий, 4 - бериллий, 5 - бор, 6 - углерод, 7 - азот, 8 -кислород, и так далее до таких больших чисел как 92, которое является атомным номером урана.
Протоны и электроны несут электрический заряд противоположного знака - мы называем один из них положительным, а другой отрицательным, в соответствии с произвольным соглашением. Эти электрические заряды важны, когда элементы формируют химические соединения друг с другом, главным образом посредством электронов. Нейтроны в атоме связаны в ядре с протонами. В отличие от протонов, они не несут заряда, и они не играют никакой роли в химических реакциях. Протоны, нейтроны и электроны в любом элементе точно такие же, как и в любом другом элементе. Нет такого понятия как протон золота, или электрон меди, или нейтрон калия. Протон - он везде протон, а то, что делает атом меди медью -то, что в нем ровно 29 протонов (и ровно 29 электронов). То, о чем мы обычно думаем как о природе меди, является вопросом химии. Химия - танец электронов. Она вся заключается во взаимодействии атомов через посредство своих электронов. Химические связи легко разрушаются и заново создаются, потому что только электроны отделяются или обмениваются в химических реакциях. Силы притяжения внутри атомных ядер гораздо труднее разорвать. Вот почему "расщепление атома" звучит так угрожающе, но это может происходить в "ядерных", в противоположность химическим, реакциях, и радиоактивные часы зависят от них.
У электронов незначительная масса, таким образом, полная масса атома, его "атомная масса", равна суммарному числу протонов и нейтронов. Обычно она чуть более чем вдвое превышает атомный номер, потому что, как правило, в ядре имеется несколько больше нейтронов, чем протонов. В отличие от числа протонов, число нейтронов в атоме не является диагностической чертой элемента. Атомы любого конкретного элемента могут быть в различных версиях, называемых изотопами, различающихся числом нейтронов, но всегда с одинаковым числом протонов. У некоторых элементов, таких как фтор, есть только один встречающийся в природе изотоп. Атомный номер фтора 9, а его атомная масса 19, из чего вы можете вывести, что у него 9 протонов и 10 нейтронов. У других элементов существует много изотопов. У свинца пять широко распространенных изотопов. Все они имеют одинаковое число протонов (и электронов), а именно 82, что является атомным номером свинца, но с атомной массой в диапазоне между 202 и 208. У углерода три изотопа, встречающихся в природе. Углерод-12 является обыкновенным углеродом с одинаковым количеством нейтронов и протонов - по 6. Существует также углерод-13, слишком короткоживущий, что-бы им заниматься, и углерод-14, который редок, но не слишком редок, чтобы быть полезными для датировки относительно молодых органических образцов, как мы увидим.
Теперь следующий важный теоретический факт. Некоторые изотопы являются стабильными, другие нестабильны. Свинец-202 является нестабильным изотопом; свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208 - стабильными изотопами. "Нестабильный" означает, что атомы спонтанно распадаются в нечто другое, предсказуемыми темпами, хотя и в непредсказуемые моменты. Предсказуемость скорости распада - ключ ко всем радиометрическим часам. Другое слово для "нестабильного" - "радиоактивный". Существует несколько видов радиоактивного распада, пригодных в качестве часов. Для наших целей не важно понимать их, но я объясню их здесь, чтобы показать великолепный уровень детализации, которого физики достигли в изучении подобного рода вещей. Такие подробности проливают сардонический свет на отчаянные попытки креационистов подыскать оправдания свидетельствам радиоактивного датирования, и сохранить Землю молодой как Питер Пэн.
Во всех этих видах распада вовлечены нейтроны. При одном виде нейтрон превращается в протон. Это означает, что атомная масса остается та же (так как у протонов и нейтронов одинаковая масса), а атомное число повышается на единицу, таким образом, атом становится иным элементом, на один шаг правее в периодической системе. Например, натрий 24 превращается в магний 24. При другом виде радиоактивного распада происходит в точности обратное. Протон превращается в нейтрон. Снова, атомная масса остается та же самая, но на этот раз атомное число уменьшается на единицу, а атом становится следующим элементом левее в периодической системе. Третий вид радиоактивного распада имеет тот же результат. Залетный нейтрон ударяет ядро и выбивает один протон, занимая его место. Опять же, нет никаких изменений в атомной массе, и снова, атомный номер уменьшается на один, и атом превращается в следующий элемент левее в периодической системе. Существует также более сложный вид распада при которой атом испускает так называемую альфа-частицу. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе. Это означает, что атомная масса уменьшается на четыре, а атомный номер понижается на два. Атом превращается в тот элемент, который находится на две ячейки левее в периодической таблице. Пример альфа-распада - превращение очень радиоактивного изотопа урана 238 (с 92 протонами и 146 нейтронами) в торий 234 (с 90 протонами и 144 нейтронами).
Теперь мы приближаемся к сути всего дела. Каждый нестабильный или радиоактивный изотоп распадается со своей собственной характерной скоростью, которая точно известна. Кроме того, некоторые из этих скоростей значительно медленнее, чем другие. Во всех случаях распад экспоненциальный. Экспоненциальный означает, что если вы начнете, скажем, со 100 граммов радиоактивного изотопа, то не будет так, что фиксированное количество, скажем в 10 граммов, превратится в другой элемент за данное время. Скорее, фиксированная доля того, что оставалось, превратиться во второй элемент. Общепринятой мерой скорости распада является "период полураспада". Период полураспада радиоактивного изотопа - время, затраченное на распад половины его атомов. Период полураспада одинаков, независимо от того, сколько атомов уже распалось - это означает экспоненциальный распад. Вы можете понять, что с таким последовательным располовиниванием, мы никогда, на самом деле, не узнаем, сколько надо, чтобы не осталось ничего. Однако, мы можем сказать, что после того, как пройдет достаточное количество времени - скажем десять полураспадов, число атомов, которое остается, является настолько маленьким, что, для практических нужд можно считать, что все распалось. Например, период полураспада углерода-14 составляет между 5000 и 6000 лет. Для образцов более старых, чем 50 000-60 000 лет, радиоуглеродное датирование бесполезно, и мы должны обратиться к более медленным часам.
Период полураспада рубидия-87 составляет 49 миллиардов лет. Период полураспада фермия-244 составляет 3,3 мс. Такие поразительные крайности служат иллюстрацией колоссального диапазона доступных часов. Хотя период полураспада углерода-15 в 2,4 секунды слишком короток для решения эволюционных вопросов, период полураспада углерода-14 в 5730 лет в самый раз для датирования в археологическом масштабе времени, к чему мы сейчас идем. Изотопом, часто используемым в масштабе эволюционного времени, является калий-40 с его периодом полураспада в 1,26 миллиарда лет, и я собираюсь использовать его в качестве своего примера для объяснения в целом идеи радиоактивных часов. Их часто называют калий-аргоновыми часами, потому что аргон 40 (он на единицу меньше в периодической системе) является одним из элементов, в которые распадается калий 40 (другим, в результате другого вида радиоактивного распада, является кальций 40, находящийся на единицу правее в периодической системе). Если начать с некоторого количества калия-40, то через 1260 миллионов лет половина калия-40 распадется в аргон-40. Это - то, что означает период полураспада. Еще через 1.26 миллиардов лет распадется половина того, что оставалось (четверть от исходного) и так далее. За промежуток времени более короткий, чем 1.26 миллиарда лет, соответственно меньшее количество исходного калия распадется. Итак, представьте, что вы начинаете с некоторым количеством калия-40 в закрытом пространстве, без аргона 40. После того, как несколько сотен миллионов лет прошли, ученый наталкивается на то же самое замкнутое пространство и измеряет относительные пропорции калия 40 и аргона 40. Из этой доли, вне зависимости от абсолютных количеств, зная период полураспада калия-40 и предполагая, что аргона вначале не было, можно оценить время, прошедшее с момента запуска процесса, иными словами, с того времени, как часы "были обнулены". Заметьте, что мы должны знать соотношение родительского (калий 40) и дочернего (аргон 40) изотопов. Более того, как мы видели ранее в этой главе, необходимо, чтобы наши часы были обнулены. Но что имеется в виду, когда говорят о том, что радиоактивные часы были "обнулены"? Процесс кристаллизации придает этому смысл.
Как все радиоактивные часы, используемые геологами, калий-аргоновый отсчет времени работает только для так называемых магматических пород. Магматические породы затвердевают из расплавленных горных пород - подземной магмы в случае гранита, лавы из вулканов в случае базальта. Когда расплавленная порода отвердевает и формирует гранит или базальт, она затвердевает в виде кристаллов. Эти, как правило, небольшие, прозрачные кристаллы, как кварц, но кристаллы, которые слишком малы, чтобы выглядеть как кристаллы для невооруженного глаза. Кристаллы бывают различных типов, и некоторые из них, такие как слюда, содержат атомы калия. Среди них есть атомы радиоактивного изотопа калия 40. Когда кристалл формируется в момент отвердевания магмы, присутствует калий 40, но нет аргона. Часы "обнуляется" в том смысле, что в кристалле нет атомов аргона. По прошествии миллионов лет калий 40 медленно распадается, и, один за другим, атомы аргона 40 заменяют в кристалле атомы калия 40. Накапливающееся количество аргона 40 является мерой времени, прошедшего с момента образования породы. Но по причине, которую я только что объяснил, эта величина имеет смысл только тогда, когда выражается как соотношение калия-40 к аргону-40. Когда часы были обнулены, соотношение составляло 100 процентов в пользу калия-40. Через 1260 млн лет, соотношение будет 50 на 50. Спустя еще 1260 млн лет, половина остававшегося калия-40 будет преобразована в аргон-40, и так далее. Промежуточные пропорции показывают промежуточные времена, с момента когда кристаллические часы были обнулены. Таким образом, геологи, измеряя соотношение между калием 40 и аргоном 40 в куске магматической породы, которую они берут сегодня, могут сказать, когда порода исходно кристаллизовалась из расплавленного состояния. Магматические породы, как правило, содержат много различных радиоактивных изотопов, и не только калий 40. Удачным аспектом того, как затвердевают магматические породы, является то, что они делают это внезапно - так, что все часы в данном куске породы обнуляются одновременно.
Только магматические породы обеспечивают радиоактивные часы, но ископаемые почти никогда не встречаются в магматической породе. Ископаемые формируются в осадочных породах, таких как известняк и песчаник, которые не являются застывшей лавой. Они - слои грязи, ила или песка, постепенно отлогающиеся на дне моря, озера или лимана. Песок или ил уплотняется в течение многих веков и твердеет, как камень. Трупы, попавшие в грязь, имеют шанс фоссилизироваться [сохраниться как ископаемое]. Хотя только небольшая часть трупов действительно становится ископаемыми, осадочные породы - единственные породы, которые содержат ископаемые, о которых стоит говорить.
Осадочные породы, к сожалению, не могут быть датированы с помощью радиоактивности. Вероятно, отдельные частицы ила или песка, которые входят в состав осадочных пород содержат калий 40 и другие радиоактивные изотопы, и поэтому можно говорить, что они содержат радиоактивные часы; но, к сожалению, эти часы бесполезны, потому что они не обнулены должным образом, или обнулены в разное друг от друга время. Частицы песка, которые уплотнены до песчаника, возможно, первоначально содержались в изверженных породах, но эти магматические породы, из которых образован песчаник, кристаллизовались в разное время. Каждая песчинка имеет часы, обнуленные в свое время, и это обнуленное время установлено, вероятно, задолго до формирования осадочных пород и захоронения ископаемых, которых мы пытаемся датировать сегодня. Так, с точки зрения хронометрирования, осадочная порода -сплошной беспорядок. Она не может быть использована. Лучшее, что мы можем сделать, и это - довольно хорошее лучшее, это использовать возраст вулканических горных пород, которые находятся вблизи осадочных пород или внедрены в них.
Для датировки ископаемого вам не требуется в буквальном смысле найти его запрессованым между двумя плитами магматических пород, хотя это отличный способ для иллюстрации принципа. Фактический используемый метод более утонченный, чем этот. Узнаваемо схожие слои осадочных пород встречаются по всему миру. Задолго до того, как радиоактивное датирование было отрыто, эти слои были идентифицированы и названы: кембрийский, ордовикский, девонский, юрский, меловой, эоцен, олигоцен, миоцен. Девонские отложения опознаваемы как девонские, не только в Девоне (графство на юго-западе Англии, что дало им их название), но и в других частях мира. Они явно похожи друг на друга, и они содержат аналогичные виды ископаемых. Геологам уже давно известен порядок, в котором откладывались названные отложения. До появления радиоактивных часов мы просто не знали, когда они образовались. Мы могли расположить их по порядку, потому что, очевидно, более древние отложения, как правило, лежат ниже более молодых отложений. Девонские отложения, например, старше отложений каменноугольного периода (названного в честь каменного угля, который часто встречается в его слоях), и мы знаем это, потому что в тех частях мира, где эти два слоя встречаются в одном месте, девонский слой лежит под каменноугольным (исключения из этого правила встречаются в местах, где мы можем сказать, исходя из других свидетельств, что породы были наклонены, или даже перевернуты). Обычно так не везет, чтобы обнаружился полный набор слоев, от Кембрийского в нижней его части до современных на самом верху. Но, поскольку слои являются столь узнаваемыми, вы можете определить их относительные возрасты, выстраивая друг за другом и собирая их паззл по всему миру.
Так, задолго до того, как мы узнали настолько древними являются ископаемые, мы знали порядок, в котором они были отложены, или, по крайней мере, порядок, в котором откладывались названные отложения. Мы знаем, что кембрийские окаменелости во всем мире -более древние, чем ордовикские, которые старше силурийских; затем идут девонские, затем каменноугольные, пермские, триасовые, юрские, меловые, и так далее. И в пределах этих крупных названных слоев геологи также различают подобласти: верхняя юра, средняя юра, нижняя юра, и так далее.
Названные слои обычно идентифицируются по ископаемым, которые они содержат. И мы будем использовать порядок ископаемых в качестве свидетельства эволюции! Имеется ли здесь риск превращения этого в круговой аргумент? Определенно, нет. Подумайте об этом. Кембрийские ископаемые - характерный набор, безошибочно распознаваемый как кембрийский. На минуту мы используем характерные наборы ископаемых просто в качестве меток для горных пород кембрия, в качестве видов-индикаторов, везде, где мы можем найти их. Несомненно поэтому нефтяные компании нанимают экспертов по ископаемым для идентификации отдельных слоев горных пород, как правило по микроскопическим ископаемым, крошечным существам, называемым фораминиферами, например, или радиоляриями.
Набор характерный ископаемых используется, для распознавания ордовикских пород, девонских пород и так далее. До сих пор все, для чего мы используем эти ископаемые подборки - это определение, является ли пласт породы, скажем, пермским или силурийским. Теперь мы переходим к использованию порядка, в котором названные слои были отложены, с помощью цепочек, составленных по всему миру, в качестве свидетельства того, какие из слоев старше, а какие моложе других. Установив эти два набора данных, мы можем затем последовательно смотреть на ископаемые во все более молодых слоях, чтобы узнать, составляют ли они разумную эволюционную последовательность друг с другом. Они прогрессируют в разумном направлении? Появляется ли определенный тип ископаемых, например млекопитающие, только после определенной даты? Ответ на все такие вопросы - да. Всегда да. Без исключений. Это мощное доказательство эволюции, ибо это никогда не было необходимым фактом, чем-то таким, что должно вытекать из нашего метода идентификации слоев и нашего метода получения временной последовательности.
Это факт, что буквально никто из тех, кого можно отдаленно назвать млекопитающими, никогда не были найдены в девонских породах или в любом более древнем слое. Они не просто встречаются статистически реже в девонских, чем в более поздних породах. Они буквально никогда не встречаются в породах старше определенной даты. Но это не обязано было быть так. Могло бы оказаться, что когда мы копаем ниже и ниже от девона, через силур и даже дальше, через ордовик, мы внезапно нашли бы, что кембрийская эра, более старая чем, любая из них, изобиловала млекопитающими. Это, на самом деле не то, что мы видим, но возможность этого демонстрирует, что не можете придраться к аргументу, что он круговой: в любой момент кто-нибудь мог бы откопать млекопитающее в кембрийской породе и теория эволюции была бы мгновенно подорвана, если бы такое случилось. Эволюция, другими словами, является фальсифицируемой [теоретически способной быть опровергнутой], и поэтому научной, теорией. Я вернусь к этому в главе 6.
Попытки креационистов объяснить такие результаты зачастую оказываются крайне комичны. Ноев потоп, нам говорят, является ключом к пониманию того порядка, в котором мы находим ископаемые остатки основных групп животных. Вот прямая цитата из заслужившего награды креационистского веб-сайта.
Последовательность ископаемых в геологических слоях показывает:
(i) БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ (медленно движущиеся морские животные) погибли первыми сопровождаемые более подвижными рыбами, которые были занесены илом потопа (ii) АМФИБИИ (близко от моря) погибли следующими, поскольку воды поднялись.
(iii) РЕПТИЛИИ (медленно движущиеся наземные животные) умирают следующими.
(iv) МЛЕКОПИТАЮЩИЕ могли убегать от поднимающейся воды, более крупные и быстрые млекопитающие выжили дольше остальных.
(v) ЧЕЛОВЕК проявлял больше изобретательности -цепляясь за бревна, и т.д, чтобы избежать потопа.
Эта последовательность - вполне удовлетворительное объяснение порядка, в котором различные окаменелости найдены в слоях. Это НЕ тот порядок, в котором они эволюционировали, а порядок, в котором они были затоплены во время потопа.
Помимо всех других причин возразить против этого замечательного объяснения, можно сказать, что могла существовать лишь статистическая тенденция, чтобы млекопитающие, например, были в среднем лучше, чем рептилии, в избегании подъема уровня воды. Вместо этого, как и следовало ожидать по теории эволюции, буквально нет млекопитающих в низлежащих слоях геологической летописи. Теория "бегства на возвышенности" была бы на более твердой почве, если бы было статистическое затухание [ископаемых] млекопитающих, по мере продвижения вниз по породам. Не существует никаких трилобитов выше пермских слоев, никаких динозавров (кроме птиц) выше меловых слоев. Еще раз, теория "бегства на возвышенности" предсказывает статистическое затухание.
Вернемся к датированию и радиоактивным часам. Поскольку относительный порядок проименованных осадочных слоев хорошо известен, и один и тот же порядок обнаруживается во всем мире, мы можем использовать магматические породы, которые лежат выше или ниже осадочных слоев, или которые внедрены в них, для датирования проименованных осадочных слоев, и, следовательно, окаменелостей внутри них. В качестве уточнения метода, мы можем датировать ископаемые, которые лежат в верхней части, скажем, слоя каменноугольного или мелового периода, как более поздние, чем ископаемые, которые лежат несколько ниже в том же слое. Нам не обязательно искать магматические породы в окрестностях того или иного отдельного ископаемого для его датировки. Мы можем сказать, что наши ископаемые относятся к, скажем, концу девонского периода, по их позиции среди девонских слоев. И мы знаем по радиоактивному датированию магматических пород, обнаруженных в связи с девонскими слоями по всему миру, что девонский период закончился около 360 миллионов лет назад.
Радиоактивные часы
Калий-аргоновые часы - только одни из многих часов, доступных геологам, которые используют тот же принцип в различном масштабе времени. Выше приведена таблица часов, от медленных до быстрых. Обратите еще раз внимание на удивительный диапазон периодов полураспада, от медленного в 49 миллиардов лет до менее чем 6000 лет на "быстром конце". Более быстрые часы, такие как углерод 14, работают несколько иным способом. Это потому, что "обнуление" этих высокоскоростных часов неизбежно отличается. У изотопов с коротким периодом полураспада, все атомы, присутствовавшие при начальном формировании Земли, уже давно исчезли. Прежде чем перейти к радиоуглеродному датированию, стоит сделать паузу, чтобы рассмотреть другую часть свидетельств в пользу старости планеты Земля, возраст которой измеряется в миллиардах лет.
Среди всех элементов, которые встречаются на Земле, 150 устойчивых изотопов и 158 неустойчивых, всего 308. Из 158 неустойчивых 121 уже полностью распались или существуют только потому, что они постоянно возобновляются, как углерод 14 (как мы увидим ниже). Теперь, если мы рассматриваем 37, которые не исчезли, мы замечаем что-то значимое. У каждого из них период полураспада больше, чем 700 миллионов лет. А если мы рассмотрим 121, которые исчезли, у каждого из них период полураспада меньше, чем 200 миллионов лет. Кстати, не запутайтесь. Помните, мы говорим о периоде полураспада, а не жизни! Подумайте о судьбе изотопа с периодом полураспада 100 миллионов лет. Изотопы, период полураспада которых составляет менее одной десятой или около того возраста Земли, исчезли и для практических целей, не существуют, за исключением особых обстоятельств. С исключениями, для которых есть особые причины, понятные нам, изотопы, которые мы находим на Земле, являются только такими, у которых период полураспада достаточно длительный, чтобы сохраниться на очень старой планете. Углерод-14 является одним из этих исключений, и по интересной причине, а именно, что он непрерывно пополняется. Роль углерода-14 в качестве часов поэтому следует понимать по-другому, чем у более долгоживущих изотопов. В частности, что означает обнулить эти часы?
Из всех элементов углерод, кажется, наиболее обязательным для жизни - элемент, без которого жизнь на любой планете труднее всего представить. Это из-за замечательной способности углерода к формированию цепочек, колец и других сложных молекулярных архитектур. Он попадает в пищевые цепи с помощью фотосинтеза, процесса, при котором зеленые растения поглощают молекулы углекислого газа из атмосферы и используют энергию солнечного света, чтобы объединить атомы углерода с водой, создавая сахар. Весь углерод в нас и во всех других живых существах происходит, в конечном счете, через растения, из углекислого газа в атмосфере. И он постоянно возвращается обратно в атмосферу: когда мы выдыхаем, когда мы выделяем, и когда мы умираем.
Большая часть углерода в углекислом газе атмосферы - углерод 12, который не радиоактивен. Однако, примерно один атом на триллион является углеродом-14, который радиоактивен. Он распадается довольно быстро, с периодом полураспада 5730 лет, как мы видели, в азот-14. Биохимия растений слепа к различию между этими двумя углеродами. Для растения углерод - всего лишь углерод. Таким образом, растения берут углерод 14 вместе с углеродом 12, и включают оба этих вида атомов углерода в сахара в той же самой пропорции, в какой они присутствуют в атмосфере. Углерод, входящий в состав в атмосферы (вместе с такой же пропорцией атомов углерода-14 ) быстро (по сравнению с периодом полураспада углерода-14) распространяются через пищевую цепь, когда растения поедаются травоядными, травоядные хищниками и так далее. Все живые существа, будь то растения или животные, имеют примерно равное соотношение углерода-12 и углерода-14, которое является тем же самым соотношением, что мы находим в атмосфере.
Итак, когда эти часы обнуляются? В момент, когда живое существо, будь то животное или растение, умирает. В этот момент оно отсекается от пищевой цепи, и от притока свежего углерода-14 через растения из атмосферы. С течением столетий углерод 14 в трупе, или куске дерева, или части ткани, или чего-то еще постоянно распадается в азот-14. Соотношение углерода-14 к углероду-12 в образце поэтому постепенно падает дальше и дальше ниже стандартного соотношения, которое живущие существа делят с атмосферой. В конце концов, останется только углерод-12 - или, точнее, содержание углерода-14 будет слишком малым, чтобы его измерить. И соотношение углерода-12 и углерода-14 может быть использовано для расчета времени, которое прошло со дня смерти существа, отрезанного от пищевой цепи, и его обмена с атмосферой.
Это очень хорошо, но это работает только потому, что идет непрерывное пополнение запаса углерода-14 в атмосфере. Без этого углерод-14 с коротким периодом полураспада давно бы исчез с лица Земли, наряду со всеми другими естественными изотопами с коротким периодом полураспада. Углерод 14 является особенным, потому что он непрерывно создается космическими лучами, бомбардирующими атомы азота в верхних слоях атмосферы. Азот -самый распространенный газ в атмосфере, и его атомное число 14, то же самое, что и у углерода 14. Различие в том, что у углерода-14 6 протонов и 8 нейтронов, в то время как у азота-14 7 протонов и 7 нейтронов (нейтроны, помните, имеют почти ту же массу, что и протоны). Частицы космических лучей способны, бомбардируя протон в ядре азота, преобразовывать его в нейтрон. Когда это происходит, атом становится углеродом-14, который стоит на одну клетку левее, чем азот в периодической системе. Скорость, с которой это преобразование происходит, примерно постоянна из века в век, и поэтому радиоуглеродное датирование работает. Фактически скорость не является точно постоянной, и в идеале мы должны делать поправки на это. К счастью, у нас есть точная калибровка колебаний поставки углерода-14 в атмосферу, и мы можем ввести поправку на них, чтобы уточнить наши вычисления возраста. Помните, что, примерно для того же самого временного диапазона, покрываемого датированием по радиоуглероду, у нас есть альтернативный метод датирования древесины - дендрохронология - который абсолютно точен до года. Глядя на датируемые по радиоуглероду возрасты деревянных образцов, возраст которых независимо установлен датированием с помощью годичных колец, мы можем откалибровать эту колеблющуюся ошибку в датировании по углероду. Теперь мы можем использовать эти калибровочные измерения, когда мы возвращаемся к органическим образцам, для которых у нас нет данных годичных колец (для большинства).
Датирование по радиоуглероду - сравнительно недавнее изобретение, берущее начало лишь в 1940-ых. В его первые годы требовались существенные количества органического материала для процедуры датирования. Только, в 1970-х техника, называемая масс-спектроскопией, была адаптирована для датирования, в результате чего сейчас необходимы только крошечные количества органического вещества. Это произвело революцию в археологическом датировании. Самым известным примером является Туринская плащаница. Поскольку на этом пресловутом куске ткани оказался запечатлен, кажется таинственным образом, лик бородатого, распятого человека, многие люди надеялись, что он может происходить со времен Иисуса. Она впервые появляется в исторической летописи в середине четырнадцатого столетия во Франции, и никто не знает, где она была до этого. Она находилась в Турине с 1578, и в Ватикане с 1983 года. Когда масс-спектрометрия сделала возможным датирование по крошечному образцу плащаницы, а не значительному куску, который был бы необходим прежде, Ватикан позволил отрезать маленькую полосу. Полоса была разделена на три части и послана в три ведущих лаборатории, специализирующиеся на радиоуглеродном датировании, в Оксфорде, Аризоне и Цюрихе. Работающих в условиях неукоснительной независимости, не сравнивая записей, эти три лаборатории представили свои отчеты о дате, когда лен, из которого соткали ткань, умер. Оксфорд указал на 1200, Аризона 1304 и Цюрих 1274 годы нашей эры. Все эти даты в пределах погрешности, совместимы друг с другом и с датой 1350 года, в котором саван впервые упомянут в истории. Датирование плащаницы остается спорным, но не по причинам, которые ставят под сомнение саму технику радиоуглеродного датирования. Например, углерод в саване, мог быть загрязнен пожаром, который, как известно, произошел в 1532 году. Я не буду рассматривать вопрос далее, потому что саван имеет исторический, а не эволюционный интерес. Тем не менее, это хороший пример, чтобы проиллюстрировать метод и тот факт, что, в отличие от дендрохронологии, он не обладает точностью до года, только до столетия или около того.
Я неоднократно подчеркивал, что существует много различных часов, которые современный эволюционный детектив может использовать, и также что они работают лучше всего на различных, но перекрывающихся временных масштабах. Радиоактивные часы могут быть использованы для независимой оценки возраста одного и того же куска породы, если держать в голове, что все часы были обнулены одновременно, когда этот самый кусок породы кристаллизовался. Когда такие сравнения были сделаны, различные часы были согласованы друг с другом - в рамках ожидаемых пределов погрешности. Это дает большую уверенность в правильности часов. Таким образом, взаимно откалиброванные и проверенные на известных породах, эти часы можно с уверенностью применять к интересным проблемам датирования, таким как возраст самой Земли. В настоящее время установленный возраст в 4.6 миллиарда лет является оценкой, на которой сходятся несколько различных часов. Такое согласование не удивительно, но, к сожалению, мы должны подчеркнуть его, потому что, как я указал во Введении (и описал в приложении), приблизительно 40 процентов американского населения, и несколько меньший процент британского населения, выражают веру в то, что возраст Земли, вовсе не измеряется миллиардами лет, а составляет менее 10.000 лет. Печально, особенно в Америке и в большой части исламского мира, некоторые из этих отрицателей истории владеют властью над школами и их программами.
Итак, отрицатели истории могут заявить, скажем, что что-то неладно с калий-аргоновыми часами. Что если современная очень малая скорость распада калия-40 действовала только после Ноева потопа? Если до этого, период полураспада калия-40 радикально отличался, скажем был длительностью в несколько веков, а не 1.26 миллиарда лет? Специальная оговорка в таком заявлении бросается в глаза. С какой стати законам физики меняться именно так - так масштабно и так удобно? Это выглядит даже более кричащим, если вы должны сделать взаимосогласованные специальные оговорки по каждым из часов отдельно. В настоящее время все применяемые изотопы согласуются друг с другом в определении даты возникновения Земли на времени между четырьмя и пятью миллиардами лет назад. И они основываются на предположении, что период полураспада всегда один и тот же, что мы и фиксируем сегодня, на самом деле, как известные законы физики прямо предписывают им быть. Отрицатели истории должны были бы поиграться с периодом полураспада всех изотопов в их отдельных пропорциях, так, чтобы они все согласовывались с тем, что Земля образовалась 6 000 лет назад. Итак, это - то, что я называю специальной оговоркой! И я даже не упомянул различные другие методы датирования, например, "трековое датирование", которое также приводит к тому же самому результату. Примите во внимание огромные различия во временных масштабах различных часов, подумайте о степени натянутости и сложности подгонки законов физики, которые были бы необходимы, чтобы заставить все часы согласовываться между собой в диапазоне порядков, что Земле 6000 лет, а не 4.6 миллиарда! Учитывая, что единственным мотивом для таких подгонок является желание поддержать миф о сотворении, принадлежащий частной группе племен бронзового века, удивительно, что по вообще кого-либо на это покупается.
Есть еще один тип эволюционных часов, молекулярные часы, но я отложу их обсуждение до Главы 10, после представления некоторых других идей молекулярной генетики.
ГЛАВА 5 ПРЯМО У НАС НА ГЛАЗАХ
Я пользовался метафорой детектива, пришедшего на место преступления, когда уже все закончено, и воссоздающего картину произошедшего по оставшимся уликам. Но, возможно, я слишком поспешно признал невозможность наблюдения эволюции глазами очевидцев. Хотя абсолютное большинство эволюционных изменений произошло задолго до появления человека, некоторые случаи происходят так быстро, что мы можем наблюдать эволюцию собственными глазами в течение одной человеческой жизни.
Есть правдоподобные показатели того, что это может происходить со слонами, которых сам Дарвин выделял как одних из самых медленно-размножающихся животных с одним из самых долгих периодов смены поколений. Одной из основных причин смерти африканских слонов являются люди с оружием, которым нужна слоновая кость либо как трофей, либо на продажу для художественной резьбы. Естественно, что охотники склонны выбирать особей с самыми большими бивнями. Это означает, по крайней мере, в теории, что экземпляры с меньшими бивнями будут иметь селективное преимущество. Как всегда в эволюции будут противоречия в давлениях отбора, и то, что мы увидим эволюционирующим, будет компромиссом. Большие бивни, несомненно, имеют преимущество, когда дело касается соперничества с другими слонами, но оно будет уравновешиваться недостатком, когда они встретят людей с ружьями. Любое усиление интенсивности охоты, будь то в виде браконьерства или легальной охоты, будет вести к смещению баланса преимуществ в сторону меньших бивней. При прочих равных условиях, мы можем ожидать, что результатом охоты будет эволюционная тенденция в пользу слонов с меньшими бивнями, но мы ожидали бы, что уйдут тысячелетия, пока это станет заметно. Мы не ожидали бы увидеть это в течение одной человеческой жизни. А теперь обратимся к некоторым цифрам.
Факт, что существует статистически значимая тенденция к уменьшению бивней, не обязательно означает, что это является эволюционной тенденцией. Так, если начертить кривую среднего роста 20-летних юношей, то на протяжении всего ХХ века во многих странах можно наблюдать значительную тенденцию в сторону увеличения. Обычно считается, что это не эволюционная тенденция, а скорее результат улучшения питания. Тем не менее, в случае со слонами мы имеем веские причины подозревать наличие сильного отбора против больших бивней. Таким образом, хотя график обращается к данным по бивням, полученным легальным отстрелом, давление отбора, которое произвело эту тенденцию, в основном обусловлено браконьерством. Мы должны серьезно отнестись к возможности того, что это настоящая эволюционная тенденция, и, в этом случае, весьма быстрая. Мы должны быть осторожными, прежде чем делать слишком далекие выводы. Может оказаться так, что мы наблюдаем сильный естественный отбор, который с высокой вероятностью ведет к изменениям в частотах встречаемости гена в популяции, но такие генетические эффекты пока не были продемонстрированы. Может быть разница между особями с большими и малыми бивнями не является генетической. Тем не менее, я склонен всерьез рассматривать возможность того, что это настоящая эволюционная тенденция.
Кстати говоря, мой коллега доктор Иэн Дуглас-Гамильтон, являющийся крупный мировым специалистом по изучению популяций диких африканских слонов, также относится к ней серьезно, и полагает, несомненно справедливо, что вопрос должен быть изучен более подробно. Он считает, что эта эволюционная тенденция началась задолго до 1925 года и продолжается после 1958 г. У него есть основание полагать, что та же самая причина, действовавшая в прошлом, является причиной отсутствия бивней у многих локальных популяций азиатских слонов. У нас, похоже, достаточно доказательств для "возбуждения дела" о быстрой эволюции, произошедшей прямо у нас на глазах, дела, которое могло бы оплатить будущие исследования.
Позвольте, однако, обратиться к другому примеру интригующих недавних исследований - исследованию ящериц, обитающих на островах Адриатического моря.
Поделиться книгой: