Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой

Во второй версии нам намекают, что бог думал, что его первый человек нуждался в компании. Адам, первый человек, был создан одиноким и помещён в красивый оазисный сад. Потом бог подумал: «Нехорошо, что человеку приходится быть одному» и «создал животных на земле и птиц в небе и принёс их к Адаму, чтобы узнать, как он их назовёт».

Почему на самом деле так много разных животных

ЗАДАЧА АДАМА дать название всем животным была сложной — сложнее, чем древние евреи могли себе представить. В настоящее время приблизительно двум миллионам видов даны научные названия, и даже это лишь малая часть количества видов, которые все ещё не названы.

Как же мы определяем, относятся ли животные к одному виду или к разным? Если животные размножаются половым путём, мы можем придумать своего рода определение: животные принадлежат к разным видам, если они не скрещиваются между собой. Существуют пограничные случаи, например, лошади и ослы, которые могут скрещиваться, но их потомство (так называемые мулы или лошаки) бесплодно — то есть, не может производить своё потомство. Поэтому мы относим лошадь и осла к разным видам. Более очевидно, лошади и собаки принадлежат к различным видам, потому что они даже не пытаются скреститься, и не могут произвести даже бесплодное потомство. Но спаниели и пудели принадлежат к одному виду, потому что они успешно скрещиваются, и их щенки могут давать потомство.

Каждое научное название животного или растения состоит из двух латинских слов, обычно напечатанных курсивом. Первое слово означает род, то есть группу видов, а второе — отдельный вид в пределах рода. Например, Homo sapiens (человек разумный) и Elephas maximus («очень большой слон»). Каждый вид является членом рода. Homo представляет собой род. Как и Elephas. Лев — это Panthera leo, род пантер также включает Panthera tigris (тигр), Panthera pardus (леопард (леопард или «пантера») и Panthera onca (ягуар). Homo sapiens — «Человек разумный» — единственный сохранившихся вид нашего рода, но окаменелостям были даны названия Homo erectus — «Человек прямоходящий» и Homo habilis — «Человек умелый». Другие человекоподобные ископаемые достаточно отличаются от Homo, они помещены в иной род, например, Australopithecus africanus (Австралопитек африканский) и Australopithecus afarensis (Австралопитек афарский) (ничего общего с Австралией, кстати: australo — значит просто «Южный», от этого слова также происходит название Австралии).

Каждый род входит в семейство, его название пишут обычным шрифтом с заглавной буквы. Кошки (включая львов, леопардов, гепардов, рысей и множество мелких кошек) составляют составляют семейство Felidae (кошачьи). Каждое семейство принадлежит к отряду. Кошки, собаки, медведи, ласки и гиены принадлежат к различным семействам в пределах отряда Carnivora (хищные). Обезьяны, приматы (включая нас) и лемуры принадлежат к различным семействам в рамках отряда Primates (приматы). И каждый отряд принадлежит к классу. Все млекопитающие относятся к классу Mammalia (млекопитающие).

Сможете ли вы представить дерево, когда читаете это описание последовательности группировок? Это генеалогическое древо: дерево со множеством ветвей, небольших веток и веточек. Кончики веточек — виды. Другие группировки — класс, отряд, семейство, род — являются ветвями и небольшими ветками. Целое дерево — вся жизнь на Земле.

Подумайте о том, почему у дерева так много тонких веточек. Ветви ветвятся. Каждая ветка, в свою очередь, разветвляется, поэтому общее количество веток может быть очень большим. Вот что происходит в эволюции. Чарльз Дарвин изобразил ветвящееся дерево в своей самой известной книге «О происхождении видов». Ниже представлена ранняя версия рисунка дерева Дарвина, который он набросал в одной из своих тетрадей несколькими годами ранее. В верхней части страницы он написал таинственное небольшое сообщение самому себе: «Я думаю». Как вы думаете, что он имел в виду? Возможно, он начал писать предложение, но дети прервали его, и он не закончил. Возможно, он счёл, что легче быстро представить то, о чем он думал, этой диаграммой, чем словами. Скорее всего, мы никогда не узнаем. Есть другие надписи на этой странице, но их трудно расшифровать. Стоит потрудиться, потрудиться, чтобы прочитать примечания великого учёного, написанные в особый день и не предназначенные для публикации.

Ниже дано общее представление о том, как ветвилось древо животных. Представьте себе наследственное разделение одного вида на два. Если каждый из них затем расщепляется ещё на два, то получается четыре. Если каждый из них разделяется на два, то их становится восемь, и так далее, включая 16, 32, 64, 128, 256, 512… Таким образом, удвоение позволяет создать миллионы видов, и это не займёт много времени. Это понятно, но вы спросите — почему виды должны разделяться? Ну, это в значительной степени происходит по той же самой причине, что и разделение языков, поэтому давайте остановимся на мгновение, чтобы задуматься об этом.

Расхождение: как языки и виды делятся

Хотя легенда о Вавилонской башне, конечно же, на самом деле неправдива, она поднимает интересный вопрос: почему существует так много разных языков?

Подобно тому, как некоторые виды похожи между собой и помещены в одно семейство, точно также существуют языковые семьи. Испанский, итальянский, португальский, французский и многие европейские языки и диалекты, такие как романшский, галисийский, каталонский и окситанский, довольно похожи друг на друга; вместе их называют «романскими» языками. На самом деле это название происходит от их общего предка, латинского языка Рима, и никак не связано с романтикой, но давайте использовать выражение любви в качестве примера. В зависимости от страны, в которой вы находитесь, вы можете выразить свои чувства одним из следующих способов: «Ti amo», «Amote», «T'aimi» или «Je taime». На латыни это звучало бы «Те amo» — точно также, как в современном испанском языке.

Чтобы поклясться в своей любви кому‑то в Кении, Танзании или Уганде, можно сказать, на языке суахили «Nakupenda». Чуть дальше на юг, в Мозамбике, Замбии или Малави, где я вырос, вы могли бы сказать на языке ньянджа «Ndimakukonda». На другом, так называемом языке банту в южной Африке, вы могли бы сказать «Ndinokuda», «Ndiyakuthanda» или, на зулусском, «Ngiyakuthanda». Языковая семья банту весьма отличается от романской языковой семьи, и обе отличаются от германской семьи, которая включает в себя голландский, немецкий и скандинавские языки. Посмотрите, как мы используем слово «семья»: мы используем его при определении видов (семейство кошачьих, семейство псовых), языковых семей, а также, конечно, для наших собственных семей (семья Джонса, семья Робинсона, семья Докинза).

Нетрудно понять, как семьи родственных языков возникают на протяжении веков. Послушайте, как говорите вы и ваши друзья, и сравните это с тем, как говорят ваши дедушки и бабушки. Их речь отличается незначительно, и вы можете легко их понять, но они отстоят лишь на два поколения. Теперь представьте себе, как говорят не ваши дедушки и бабушки, а ваши предки в двадцать пятом поколении. Если вы англичанин, то это может напоминать вам конец XIV века — время жизни поэта Джеффри Чосера, изъяснявшегося так:

Что ж, это узнаваемый английский, не так ли? Но я держу пари, что вам было бы нелегко воспринимать его на слух. (Если вы хотите попробовать, вы можете прослушать современного актёра, читающего Чосера, здесь: http:// bit.ly/MagicofReality1.) И если бы тот английский отличался ещё сильнее, вы, вероятно, рассматривали бы его как отдельный язык, столь же отличающийся, как и испанский от итальянского.

Так язык где угодно изменяется век за веком. Можно сказать, что он «дрейфует» во что‑то другое. Дополним фактом, что люди разговаривают на одном и том же языке в различных местах, где они не могут общаться друг с другом (по крайней мере, не могли до изобретения телефона и радио); а также фактом, что языки распространялись в разных местах по — разному. Это относится к особенностям говора, как и к самим словам: подумайте, насколько по — разному звучит английский с шотландским, валлийским, джорди, корнуэльским, австралийским или американским акцентом. Шотландцы легко могут отличить эдинбургский акцент от акцентов жителей Глазго и Гебридских островов. Со временем и говор, и использование слов становились характерной особенностью области; когда два говора достаточно сильно отличаются друг от друга, мы называем их разными «диалектами».

После достаточно долгого разделения различные региональные диалекты стали настолько несхожими, что люди из разных областей перестали понимать друг друга. Сейчас мы называем их отдельными языками. Именно это произошло, когда немецкий и нидерландский язык отошли в разных направлениях от ныне исчезнувшего предкового языка. Именно это произошло, когда французский, итальянский, испанский и португальский независимо отделились от латыни в различных частях Европы.

Вы можете нарисовать генеалогическое древо языков, с «двоюродными братьями» французским, португальским и итальянским на соседних «веточках», и латинский в основании древа — то же, что Дарвин сделал с видами.

Подобно языкам, виды изменяются со временем и с расстоянием. Прежде чем мы рассмотрим, почему это случается, мы должны узнать, как это случается. Для видов эквивалентом слов является ДНК — генетическая информация, которую все живое несёт в себе и которая определяет особь, о чем мы говорили в главе 2. Когда особи размножаются половым путём, они смешивают свои ДНК. И когда члены одной местной популяции мигрируют в другую местную популяцию и вносят в неё свои гены при скрещивании с особями популяции, в которую только что влились, мы называем это «потоком генов».

ДНК двух отдельных популяций видов с течением времени отличается всё больше и больше, подобно тому, как, например, отличаются друг от друга итальянский и французский языки. Из‑за этого особи таких популяций постепенно теряют способность при спаривании произвести продуктивное потомство. Лошади и ослы могут спариваться друг с другом, но лошадиную ДНК отнесло так далеко от ослиной, что обе больше не могут понять друг Oкr друга. Или скорее они могут достаточно хорошо смешиваться — два «диалекта ДНК» могут достаточно хорошо понять друг друга — чтобы создать живое существо, мула, но не достаточно хорошо, чтобы создать существо, которое может размножаться: мулы, как мы видели ранее, бесплодны.

Важное различие между видами и языками в том, что языки могут перенимать заимствованные слова из других языков. После того, как английский, например, развился в виде отдельного языка от романских, германских и кельтских источников, он перенял слово «шампунь» из хинди, «айсберг» с норвежского, «бунгало» с бенгальского и «анорак» с инуитского языка. Виды животных никогда (или почти никогда) не обменивают ДНК, как только они продрейфовали достаточно далеко, после прекращения совместного размножения. Бактерии — другое дело: они обмениваются генами, но в этой книге не хватает места, чтобы описать и это. В остальной части этой главы условимся, что я говорю о животных.

Острова и изоляция: сила разделения

Итак, ДНК видов, как слова в языках, разошлись после разделения. Почему это могло бы произойти? Что могло начать разделение? Очевидный вариант — море. Популяции отдельных островов не встречаются друг с другом — во всяком случае, не часто, и их наборы генов имеют возможность отдалиться друг от друга. Это придаёт островам чрезвычайно важную роль в происхождении новых видов. Но мы можем подумать об острове гораздо шире, чем просто о куске земли, окружённом водой. Для лягушки, оазис — «остров», где она может жить, окружённый пустыней, в которой она жить не может. Для рыбы «остров» — озеро. Суть островов, и для видов, и для языков, в том, что популяции островов отрезаны от контактов с другими популяциями (предотвращая поток генов в случае видов, так же как они предотвращают предотвращают дрейф языков) и поэтому свободны начать эволюционировать в своём собственном направлении.

Следующий важный момент в том, что популяция острова не должна быть полностью изолирована навсегда: гены могут иногда пересекать окружающий их барьер, будь то вода или необитаемая земля.

4 октября 1995 года спутанные бревна и выкорчеванные деревья были выброшены на пляж на Карибском острове Ангилья. На них было 15 зелёных игуан, выживших после, должно быть, опасного путешествия с другого острова, вероятно, Гваделупы, находящегося на расстоянии 160 миль. Два урагана, названных «Луи» и «Мэрилин», промчались через Карибское море в течение предыдущего месяца, выкорчёвывая деревья и бросая их в море. Похоже, что один из этих ураганов, должно быть, снёс деревья, на которые взобрались игуаны (они любят сидеть на деревьях, как я наблюдал наблюдал в Панаме), и унёс их в море. В конце концов, достигнув Ангильи, они слезли со своих нетрадиционных транспортных средств на пляж и начали новую жизнь, питаясь и воспроизводя, и передавая свою ДНК на совершенно новом острове, ставшем им домом.

Мы знаем об этом, потому что игуаны были замечены прибывшими в Ангилью местными рыбаками. Несколькими столетиями ранее, хотя никто этого не видел, что‑то подобное почти наверняка впервые занесло предков игуан на остров Гваделупа. И приблизительно такая же история почти наверняка объясняет присутствие игуан на Галапагосских островах, куда мы и направимся на следующем этапе нашего рассказа.

Галапагосские острова исторически важны, потому что они, вероятно, заронили в Чарльза Дарвина первые мысли об эволюции, когда в качестве члена экспедиции он посетил их в 1835 году на английском военно — морском корабле «Бигль». Они представляют собой цепочку вулканических островов в Тихом океане в районе экватора, примерно в 600 милях к западу от Южной Америки. Все они молоды (всего несколько миллионов лет) и образованы вулканами, поднимающимися со дна моря. Это означает, что все виды животных и растений на островах, должно быть, прибыли из других мест — по — видимому, с материка Южной Америки — и совсем недавно по эволюционным меркам. Как только вид прибыл, он может делать короткие переходы с острова на остров, достаточно часто, чтобы достичь всех островов (возможно, один или два раза в столетие или около того), но достаточно редко, чтобы они могли эволюционировать отдельно — «расходиться», как мы уже говорили в этой главе — в течение промежутков между редкими переходами. Никто не знает, когда первые игуаны прибыли на Галапагосы. Они, вероятно, приплыли с материка так же, как те, которые прибыли в Ангилью в 1995 году. В настоящее время самый близкий остров от материка — Сан — Кристобаль (Дарвин знал его под английским именем Чатема), но миллионы лет назад также были другие острова, которые теперь опустились ниже уровня моря. Игуаны, возможно, прибыли сначала на один из ныне затонувших островов, а затем перебрались на другие острова, включая те, которые сегодня все ещё над водой.

Оказавшись там, они имели возможность процветать на новом месте, как и те, что прибыли в Ангилью в 1995 году. Первые игуаны на Галапагосах эволюционировали, став другими, чем их родственники на материке, частично благодаря простому 'дрейфу' (как языки), а частично потому, что естественный отбор благоприятствовал новым навыкам выживания: относительно бесплодный вулканический остров представляет собой место, очень отличающееся от южноамериканского материка.

Расстояния между различными островами гораздо меньше, чем расстояние от любого из них до материка. Так что случайные морские «рейсы» между островами были довольно частыми: возможно, раз в столетие, а не один раз за тысячелетие. И игуаны со временем начали появляться на большинстве островов, или на всех. Прыжки с острова на остров должны были быть достаточно редкими, чтобы позволить некоторое эволюционное расхождение на этих различных островах между «загрязнениями» генов благодаря более поздним прыжкам: достаточно редкими, чтобы позволить им эволюционировать так, чтобы когда они в конечном счёте встретятся снова, они больше не могли бы вместе размножаться. В результате, в настоящее время на Галапагосах существует три различных вида сухопутных игуан, которые уже не в состоянии скрещиваться между собой. Conolophus pallidus (эндемический вид семейства игуановых — бледный конолоф, прим. пер.) встречается только на острове Санта — Фе. Conolophus subcristatus живёт на нескольких островах, включая Фернандина, Исабела и Санта — Крус (каждая популяция острова, возможно, на пути к превращению в отдельный вид). Conolophus marthae ограничен самым северным в цепи из пяти вулканов на большом острове Исабела.

Кстати, в этой связи возникает ещё один интересный момент. Помните, я говорил, что озеро или оазис может считаться островом, хотя и не состоит из суши, окружённой водой? Ну вот, то же самое происходит и со всеми 5 вулканами на Изабелле. Каждый вулкан в цепи окружён зоной богатой растительности (зеленой на рисунке), которая является своего рода оазисом, отделённым от следующего вулкана пустыней. На большинстве Галапагосских островов по одному большому вулкану, тогда как на Изабелле 5. Если уровень океана повысится (возможно, из‑за глобального потепления) Исабела может стать пятью островами, разделёнными океаном. Фактически вы можете представить каждый вулкан как своего рода остров в острове. Именно таким он мог бы казаться животному вроде сухопутной игуаны (или гигантской черепахи), которая должна питаться растительностью, найденной только на склонах вокруг вулканов.

Любой вид изоляции географическим барьером, который иногда можно пересечь, но не слишком часто, приводит к эволюционному ветвлению. (На самом деле, это не обязательно географический барьер. Есть и другие возможности, особенно у насекомых, но для простоты я не буду вдаваться в подробности). Как только разделение популяции отнесло представителей вида достаточно далеко друг от друга, чтобы они больше не могли спариваться, в географическом барьере больше нет необходимости. Оба вида могут пойти своими отдельными эволюционными путями, не «загрязняя» ДНК друг друга никогда. В основном разделения подобного рода были первоначально ответственны за все новые виды, которые когда‑либо возникали на этой планете: даже, как мы увидим, за изначальное отделение предков, скажем, улитки от предков всех позвоночных, включая нас.

В какой‑то момент в истории игуан на Галапагосах произошло ветвление, которое должно было привести к весьма своеобразным новым видам. На одном из островов местная популяция сухопутной игуаны полностью изменила свой образ жизни. Вместо поедания наземных растений на склонах вулканов, они вышли к берегу и перешли на питание водорослями. Затем естественный отбор благоприятствовал тем особям, которые стали искусными пловцами, и сейчас их потомки обычно ныряют, чтобы пастись среди морских водорослей. Их называют морскими игуанами и, в отличие от сухопутных игуан, они не обитают нигде кроме Галапагосских островов. У них много странных особенностей, которые наделяют их всем необходимым необходимым для жизни в море, и это делает их действительно сильно непохожими на сухопутных игуан Галапагосских островов и всего мира. Конечно, они эволюционировали от сухопутных игуан, но они не являются особенно близкими родственниками современных сухопутных игуан Галапагосов, поэтому вполне возможно, что они эволюционировали от более раннего, ныне исчезнувшего рода, который колонизировал острова с материка задолго до нынешнего Conolophus. Существуют разные расы морских игуан, но не разные виды, на разных островах. Вероятно, в один прекрасный день будет установлено, что эти различные островные расы разошлись достаточно далеко, чтобы называться различными видами рода морских игуан.

Похожая история с гигантскими черепахами, килехвостыми игуанами, странными нелетающими бакланами, пересмешниками, вьюрками и многими другими животными и растениями Галапагосских островов. И то же самое происходит по всему миру. Галапагосы — просто наиболее яркий пример. Острова (в том числе озера, оазисы и горы) производят новые виды. И река может сделать то же самое. Если животным трудно пересечь реку, гены в популяциях по обе стороны реки могут отдаляться друг от друга так же, как один язык дрейфует, чтобы стать двумя диалектами, которые впоследствии могут стать двумя языками. Горные хребты могут сыграть подобную роль в разделении. Такую же роль могут сыграть просто расстояния на равнинах. Мыши в Испании могут быть связаны цепью скрещивающихся мышей через весь азиатский континент с Китаем. Но для гена путешествие через него из мыши в мышь занимает так много времени, что они вполне могли бы быть на отдельных островах. И эволюция мышей в Испании и Китае может пойти в различных направлениях.

У трёх видов Галапагосских сухопутных игуан было лишь несколько тысяч лет, чтобы отдалиться друг от друга в своей эволюции. По прошествии сотен миллионов лет потомки одного предкового вида могли на столько же отличаться, как таракан от крокодила. На самом деле без преувеличения верно, что когда‑то давным — давно был пра — пра — пра — (много пра) прародитель тараканов (и многих других животных, включая улиток и крабов), который был также великим предком (давайте использовать слово «прапредок») крокодилов (не говоря уже о всех других позвоночных). Но нам придётся вернуться и проделать очень — очень долгий путь, может быть, более миллиарда лет, прежде чем мы найдём такого прапредка. Это слишком далёкое прошлое даже для нас, чтобы начать предполагать, каким был первоначальный барьер, который впервые их разделил. Независимо от того, что это было, это, должно быть, было в море, потому что в те далёкие дни не было животных, живших на суше. Может быть, прапредковый вид мог жить только на коралловых рифах, и две популяции оказались на двух коралловых рифах, разделённых негостеприимным глубоководьем.

Как мы видели в предыдущей главе, вам следует вернуться только на 6 миллионов лет, чтобы встретить самых последних общих прапредков всех людей и шимпанзе. Это довольно недавно, чтобы высказать догадку о возможном географическом барьере, который мог вызвать первоначальный раскол. Есть предположение, что это была Великая рифтовая долина в Африке, с людьми, эволюционирующими на востоке, и шимпанзе на западе. Позже предковая линия шимпанзе разделились на обычных и карликовых шимпанзе или бонобо: предполагается, что барьер в этом случае был рекой Конго. Как мы видели в предыдущей главе, общий прапредок всех живущих млекопитающих жил около 185 миллионов лет назад. С тех пор его потомки ветвились и ветвились, снова и снова, производя все тысячи видов млекопитающих, которые мы видим сегодня, включая 231 вид плотоядных (собаки, кошки, ласки, медведи и т. д.), 2000 видов грызунов, 88 видов китов и дельфинов, 196 видов парнокопытных (коровы, антилопы, свиньи, олени, овцы), 16 видов в семействе непарнокопытных (лошади, зебры, тапиры и носороги), 87 кроликов и зайцев, 977 видов летучих мышей, 68 видов кенгуру, 18 видов обезьян (включая людей), и много — много видов, которые вымерли по пути (включая довольно много вымерших людей, известных только по окаменелостям).

Перемешивание, отбор и выживание

Я хочу завершить главу, рассказав эту историю снова несколько иным языком. Я уже вскользь упомянул поток генов, учёные также говорят о так называемом генофонде (по — английски это gene pool, дословный перевод — «бассейн генов»), и сейчас я хочу изложить более подробно, что это значит. Конечно же, не может быть буквально бассейна генов. Слово «бассейн» предполагает жидкость, в котором гены могут перемешиваться. Но гены обнаружены только в клетках живых организмов. Так что же означает «бассейн генов» — генофонд?

В каждом поколении, половое размножение следит за тем, чтобы гены были перетасованы. Вы родились с перетасованными генами вашего отца и вашей матери, что означает перетасованные гены ваших четырёх бабушек и дедушек. То же самое относится и к каждой особи в популяции в течение долгого, долгого эволюционного времени: тысяч лет, десятков тысяч, сотен тысяч лет. В течение этого времени процесс половой перетасовки следил, чтобы гены в пределах всей популяции были так тщательно перетасованы, что имеет смысл говорить о большом, циркулирующем «бассейне генов» — «генофонде».

Вы помните наше определение вида как группы животных или растений, которые могут размножаться друг с другом? Теперь вы можете понять, почему это определение имеет значение. Если два животных являются членами одного и того же вида в одной популяции, это означает, что их гены перемешиваются в одном генофонде. Если два животных — члены различных видов, они не могут быть членами одного и того же генофонда, потому что их ДНК не может смешиваться при половом размножении, даже если они живут в одной местности и часто встречаться друг с другом. Если популяции одного и того же вида географически разделены, их генофонд имеет возможность отдаляться друг от друга — настолько отдаляться, что, в конце концов, если им доводится встретиться снова, они не могут больше размножаться совместно. Теперь, когда их генофонды вышли за рамки смешивания, они стали разными видами и могут продолжать двигаться двигаться далее обособленно в течение миллионов лет к точке, где они могли бы стать столь же отличающимися от друг друга, как люди от тараканов.

Эволюция означает изменение генофонда. Изменение в генофонде означает, что некоторые гены становятся более многочисленными, другие меньше. Гены, которые раньше были широко распространёнными, стали редкими или совсем исчезли. Гены, которые обычно были редкими, становятся распространёнными. И в результате форма, или размер, или цвет, или поведение типичных представителей вида изменяется: оно эволюционирует из‑за изменения числа генов в генофонде. Вот что такое эволюция.

Почему количество различных генов изменяется при смене поколений? Что ж, можно сказать, что было бы удивительно, если бы оно не изменялось, учитывая такую необъятность времени. Подумайте, как язык изменяется на протяжении веков. Английские слова как «thee» и «thou», «zounds» и «avast», такие фразы «stap me vitals», сейчас более или менее выпали из английского языка. С другой стороны, фраза «I was like» (что означает «я сказал»), которое было бы непонятно 20 лет назад, в настоящее время обычное явление. Аналогично, «cool» («прохладно») — слово одобрения.

До сих пор в этой главе мне не требовалось уходить намного дальше, чем идея о том, что генофонды отдельных популяций могут отдаляться друг от друга, как и языки. Но на самом деле, в случае с видами, есть гораздо больше, чем дрейф. Это «гораздо больше» является естественным отбором, в высшей степени важным процессом, который был величайшим открытием Чарльза Дарвина. Даже без естественного отбора мы ожидаем от генофондов, оказавшихся разделёнными, дрейфа. Но они дрейфовали бы довольно бессмысленным образом. Естественный отбор подталкивает эволюцию в определённом направлении, а именно: в направлении на выживание. Гены, которые выживают в генофонде, являются генами, которые способны выживать. И что делает ген способными выживать? То, что помогает другим генам построить тела, способные выживать и размножаться: тела, которые живут достаточно долго, чтобы передать гены, которые помогли им выжить.

Как именно они это делают, варьирует от вида к виду. Гены выживают в телах птицы или летучей мыши, помогая построить крылья. Гены выживают в телах крота, помогая построить крепкие, подобные лопате руки. Гены выживают в тел в телах льва, помогая построить быстро бегущие ноги, и острые когти и зубы. Гены выживают в телах антилопы, помогая построить быстро бегущие ноги, и острые слух и зрение. Гены выживают в телах насекомого, мимикрирующего под лист, делая насекомых, почти неотличимыми от листьев. Несмотря на различие деталей, у всех видов игра называется выживанием генов в генофондах. В следующий раз, встретив животное — любое животное — или любое растение, посмотрите на него и скажите себе, что я смотрю на эту сложную машину для передачи генов, которые её сделали. Я смотрю на машину для выживания генов.

В следующий раз вы, глядя в зеркало, подумайте: это также касается и меня.

Из чего сделаны вещи?

В ВИКТОРИАНСКУЮ ЭПОХУ любимой детской книгой была «Книга чепухи» Эдварда Лира. Так же как стихотворение «Кот и Cова» (которое вы можете знать, потому что оно все ещё известно), «Джамбли» и «Поббль Без Больших Пальцев На Ногах», я люблю Рецепты в конце книги. Рецепт Крошковых Котлет начинается так:

добудьте полоски мяса и, разрезав их на наименьшие возможные кусочки, порежьте их ещё мельче, восемь или может быть девять раз.

Что вы получите, если будете продолжать резать что‑нибудь на меньшие и меньшие кусочки?

Предположим, вы взяли кусок чего‑нибудь и разрезали его пополам, используя самое тонкое и острое лезвие, которое вы смогли найти.

Потом вы разрезали его пополам, затем разрезали эту половину пополам, и так далее, снова и снова.

Станут ли кусочки настолько мелкими, что они не могут стать меньше? Насколько тонок край бритвенного лезвия? Насколько мал острый конец иглы?

Каковы самые маленькие частицы, из которых сделаны вещи?

Все древние цивилизации Греции, Китая и Индии, казалось, пришли к одной и той же идее — что всё сделано из четырёх элементов: воздуха, воды, огня и земли.

Но один древний грек, Демокрит, подошёл немного ближе к правде.

Демокрит думал, что если вы порежете все‑что — угодно на достаточно мелкие кусочки, вы достигнете кусочка настолько мелкого, что он не может быть разрезан дальше. Греческое «резать» будет «tomos», и если вы приклеите «a» в начало греческого слова, это будет значить «нет» или «не может». Итак, «atomic» значит что‑то слишком мелкое чтобы быть разрезанным мельче, и отсюда произошло наше слово «атом». Атом золота — это наименьшая возможная частичка золота. Даже если и можно было бы разрезать его мельче, он перестал бы быть золотом. Атом железа — это наименьшая возможная частичка железа. И так далее.

Сейчас мы знаем, что существуют примерно 100 разных видов атомов, из которых примерно 90 встречаются в природе. Остальные были созданы учёными в лабораториях, но только в ничтожных количествах.

Чистые вещества, состоящие только из одного вида атомов, называются элементами (то же слово, которое когда‑то было использовано для земли, воздуха, огня и воды, но с существенно другим значением). Примеры элементов — водород, кислород, железо, хлор, медь, натрий, золото, углерод, ртуть и азот. Некоторые элементы, такие как молибден, редки на Земле (вот почему вы могли не слышать о молибдене), но более распространены в остальной Вселенной (если вам интересно, откуда мы это знаем, подождите до части 8).

Металлы, такие как железо, свинец, медь, цинк, олово и ртуть, являются элементами. Так же газы, такие как кислород, водород, азот и неон. Но большинство веществ, которые мы видим вокруг себя, не элементы, а соединения. Соединение — это то, что вы получите, когда два или более различных атомов соединяются определённым образом. Вы наверняка слышали, как воду называют H₂O. Это — химическая соединение формула, и она означает, что это соединение одного атома кислорода с двумя атомами водорода. Группа атомов, объединённых в соединение, называется молекулой. Некоторые молекулы очень просты: например, молекула воды состоит всего из этих трёх атомов. Другие молекулы, особенно молекулы в живых телах, состоят из сотен атомов, соединённых весьма специальным образом. Более того, именно способ, которым они соединены, как и тип и число атомов, делает определённую молекулу одним соединением, а не другим.

Вы можете использовать слово «молекула» для того, чтоб описать, что вы получите, объединяя два или больше атомов одного типа. Молекула кислорода, газа, необходимого нам для дыхания, состоит из двух соединённых атомов кислорода. Иногда три атома кислорода объединяются в другой вид молекул, называемый озон. Число атомов в молекуле имеет значение, даже если атомы те же самые.

Озон вреден при вдыхании, но мы получаем пользу от его слоя в верхней атмосфере Земли, который защищает нас от наиболее вредных лучей Солнца. Одна из причин, по которым австралийцам приходится быть особенно осторожными при загорании — «дыра» в озоновом слое на дальнем юге.

Кристаллы — атомы на параде

Кристалл алмаза — огромная молекула, без определённого размера, состоящая из миллионов атомов элемента углерод, связанных вместе и выстроенных вполне определённым образом. Они настолько равномерно распределены внутри кристалла, что вы можете представить их солдатами в строю, за исключением того, что они построены в трёх измерениях, как косяк рыбы. Но число «рыб» в косяке — число атомов углерода даже в самом маленьком алмазе — гигантское, больше чем число всех рыб (плюс всех людей) на Земле. И «связанных вместе» не очень корректное описание, если оно заставляет вас думать об атомах как о твёрдых кусках углерода, плотно упакованных без промежутков между ними. На самом деле, как мы увидим, в основном «твёрдая» материя состоит из пустого пространства. Это потребует некоторого объяснения. Я ещё вернусь к этому позже.

Все кристаллы построены одинаковым («строевым») образом, с атомами, равномерно расставленными по фиксированной схеме, что придаёт форму всему кристаллу. Именно форму мы обычно имеем в виду под «кристаллом». Некоторые «солдаты» способны «выстраиваться» несколькими способами, создавая весьма разнообразные кристаллы. Атомы углерода, построенные одним образом, образуют легендарно твёрдые кристаллы алмаза. Но если они выстроятся по — другому, они образуют кристаллы кристаллы графита, настолько мягкого, что его используют как смазку.

Мы думаем о кристаллах как о прекрасных прозрачных объектах, и даже описываем другие вещи, например чистую воду, как «кристально чистые». Но в действительности, наиболее твёрдое вещество состоит из кристаллов, и наиболее твёрдое вещество непрозрачно. Кусок железа состоит из множества мельчайших кристаллов, сложенных вместе, каждый из кристаллов состоит из миллионов атомов, выстроенных «как на параде» подобно атомам углерода в кристалле алмаза. Свинец, алюминий, золото, медь — все состоят из кристаллов соответствующих им типов атомов. Так же камни, такие как гранит или песчаник — но они часто являются смесями множества разных типов мельчайших кристаллов, сложенных вместе.

Песок тоже кристаллический. Фактически, многие песчинки — это просто маленькие куски камня, сточенные водой и ветром. То же самое верно для грязи, с добавлением воды или других жидкостей. Часто, частицы песка и грязи уплотняются снова, создавая новые породы, называемые «осадочными» — потому что это отвердевшие осадки песка и грязи. («Осадок» — это частички твёрдого вещества, оседающие на дне жидкости, например в реке, или озере, или море.) Песок в песчанике в основном состоит из кварца и полевого шпата, двух распространённых кристаллов в земной коре. Известняк — другое дело. Это — карбонат кальция, как и мел, и он происходит из сточенных скелетиков кораллов и морских раковин, включая раковины крошечных одноклеточных существ, называемых фораминиферы. Если вы видите белый пляж, песок на нём, скорее всего, — карбонат кальция из этого же ракушечного источника.

Иногда кристаллы состоят полностью из одного типа атомов «в строю» — все атомы одного и того же элемента. Примеры — алмаз, золото, медь и железо. Другие кристаллы созданы из двух разных типов атомов, опять «в строю» в строгом порядке, например, чередуясь. Соль (поваренная соль, столовая соль) — не элемент, а соединение двух элементов, натрия и хлора. В кристалле соли, атомы натрия и хлора выстроены поочерёдно. На самом деле, здесь они называются не «атомы», а «ионы», но я не буду вдаваться в подробности, почему. Каждый ион натрия имеет шесть соседей — ионов хлора, под прямыми углами друг к другу: спереди, сзади, слева, справа, сверху и снизу. И каждый ион хлора окружён ионами натрия таким же образом. Все расположение состоит из квадратов, и именно поэтому кристаллы соли, если вы внимательно посмотрите через сильную лупу, кубические — трёхмерное обобщение квадрата — или как минимум имеют квадратные грани. Множество других кристаллов состоят из более чем одного вида атомов «в строю», и многие из них находятся в камнях, песке и почве.

Твёрдое, жидкое, газ: как движутся молекулы