Нил Шубин - Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей
Глава 5
От малого к большому
2,4 миллиарда летОколо 4,6 миллиарда лет назад юное Солнце вытолкнуло материю нашей будущей планеты на нынешнюю земную орбиту. Катаклизм, подаривший нам Луну, был далеко не единственным. Если судить по возрасту лунных кратеров и обнаруженных на Земле обломков метеоритов, такие столкновения происходили достаточно часто. Период относительного затишья наступил около 3,9 миллиарда лет назад.
Здесь кроется загадка, долгое время ставившая ученых в тупик. В самых верхних, молодых слоях горных пород содержатся окаменелости — раковины и кости, которые можно увидеть в любом музее естественной истории. А в более глубоких и древних слоях нет ни костей животных, ни спор растений — нет вообще никаких остатков жизни. И это лишенное признаков жизни основание гор — не тонкая прослойка, а многокилометровые слои. Вся история человечества, да и вообще вся история жизни на Земле, уместилась в тонком верхнем слое земной коры. Если историю планеты сжать в один календарный год, то можно сказать, что до середины ноября (около четырех миллиардов лет) Земля была необитаемой. Для Чарльза Дарвина это внезапное появление жизни было «необъяснимой загадкой». Ответ на эту загадку, а также объяснение происхождения современного мира пришли из совершенно неожиданного источника.
Сталелитейные заводы города Гэри в Индиане напоминают гигантские скелеты древних животных. В 50-х годах XX века эти заводы поддерживали автомобильное производство, активно развивавшееся на Среднем Западе. Америке нужно было железо, и Стэнли Тайлер, подобно многим геологам, изучал железосодержащие руды региона. Поскольку в этой местности железо обычно содержится в самых старых породах, в поисках руды геологи чаще всего обращали внимание на основания гор. Тайлеру было известно, что эти камни могут оказаться полезными для геологов, но неинтересны для палеонтологов.
В середине 50-х годов Тайлер изучал образцы, собранные им в глубокой шахте на севере Мичигана. Образцы камней, поднятые с разных глубин, были перевезены в лабораторию в Мэдисоне, штат Висконсин. Тайлер перемалывал каждый образец в порошок и наносил на предметное стекло микроскопа для изучения тонкой структуры минералов и зерен. Сидя за микроскопом, Тайлер занимался обычным делом, а именно описывал цвет, размер зерен и состав каждого образца, что составляет рутинную, но необходимую часть любого геологического исследования.
На одном из стекол Тайлер вдруг обнаружил нечто очень знакомое, но совершенно неуместное в данных образцах — уголь. Он знал, конечно, что уголь представляет собой остатки древних растений и что большая часть угля в то время была обнаружена в слоях горных пород не старше трехсот пятидесяти миллионов лет, когда на Земле активно развивалась растительность. Однако возраст горной породы из Мичигана был совсем другим: ей было почти два миллиарда лет!
Элсо Баргхорн
Тайлер передал образцы другим экспертам. В итоге они попали в руки Элсо С. Баргхорна — куратора отдела ранних растений в Гарвардском музее сравнительной зоологии. Изучив образцы под микроскопом, Баргхорн немедленно подтвердил догадку Тайлера: это были остатки самых ранних из известных на тот момент живых организмов — углеобразующих водорослей и других микроорганизмов.
Это открытие вызвало новые вопросы. Чем дольше Баргхорн разглядывал образцы Тайлера, тем больше древних видов он обнаруживал. В каждом образце было множество спор, филаментов и остатков тысяч одноклеточных животных. Основания гор нашей планеты вовсе не лишены признаков жизни: они буквально переполнены ими!
Теперь «необъяснимая загадка» состояла не в отсутствии жизни, а в невероятном многообразии живых организмов, прежде скрытых от наших глаз. Когда на планете появилась жизнь? Как выглядели первые живые существа? Поиск ответов на эти вопросы и попытки обнаружить другие древние организмы привели к возникновению нового раздела палеонтологии, занимающегося изучением микроскопических окаменелостей в горных породах, возраст которых составляет миллиарды лет.
Охота за столь древними окаменелостями связана с целым рядом трудностей. Горные породы такого типа с высокой вероятностью давно подверглись эрозии, изменились под действием внутреннего жара Земли и других факторов. Но допустим, что вы нашли породу нужного типа. На основании чего вы можете утверждать, что микроскопический пузырек или прожилка в образце — это остатки живых существ, а не вкрапления минерала? Поиск ранних форм жизни основан на привлечении разного рода доказательств — от формы и структуры образцов до их химического состава. Древние организмы не просто выглядят как одноклеточные существа, но и имеют химические следы метаболизма.
Тайлер, Баргхорн и их последователи нашли в камнях доказательства: возраст старейших из известных окаменелостей превышает 3,4 миллиарда лет. Жизнь возникла на ранних этапах развития нашей планеты и стала быстро распространяться в форме бактерий, водорослей и их родственников.
Несмотря на невероятное разнообразие, организмы, преобладавшие на планете в первые миллиарды лет, обладали общим признаком: все они имели микроскопические размеры и состояли всего из одной клетки. Некоторые из них склеивались, образуя колонии, однако ни один организм на Земле в первые три миллиарда лет ее существования не превышал по размеру зернышко риса. Крупным организмам еще только предстояло появиться.
Через увеличительное стекло
«Мертва!» — прокричал Томас Барбур, директор Гарвардского музея сравнительной зоологии, глядя на тельце лягушки в траве у своих ног. Над головой Барбура, на крыше пятиэтажного здания, стоял его коллега, профессор Филип Дж. Дарлингтон, с ведром. Он доставал из ведра лягушек и бросал вниз.
Когда очередная лягушка ударялась оземь и замирала, Барбур кивал. Наконец Дарлингтон спустился с пустым ведром и поинтересовался, как животные перенесли встречу с землей. Барбур кивнул на лягушачьи тушки: «Все мертвы».
Дарлингтон был исследователем старой закалки: в свободное от преподавания в Гарварде время он отправлялся в джунгли на поиски новых видов животных — особенно жуков. О его похождениях рассказывают легенды. Однажды его схватил крокодил и утащил на дно реки, но Дарлингтону удалось отбиться. Истерзанному ученому пришлось совершить дальний переход за помощью. В тот же день он написал жене, что «встретился с крокодилом».
В то время, в 30-х годах XX века, шли дебаты по поводу механизмов расселения животных по планете. Тогда еще не знали о движении литосферных плит. Существовали две основные точки зрения, объяснявшие распространение животных: либо раньше между материками имелись «мосты», что позволяло животным перебираться с одного места на другое, либо животные перемещались благодаря воде и ветру. Дарлингтон яростно отстаивал вторую гипотезу, а его начальник Томас Барбур склонялся к первой.
Эксперимент с лягушками (сейчас нам даже трудно себе такое представить) был проведен с целью проверки одной из гипотез. За кофе в послеобеденные часы в музее двое ученых поспорили и наконец заключили пари. Барбур утверждал, что животные не могли перемещаться с помощью ветра, поскольку при ударе о землю они погибают. Дарлингтон возражал, что ветер может переносить мелких животных на значительное расстояние. Решили проверить теорию экспериментально.
А что же с мертвыми лягушками? Через несколько минут они ожили. В траве прыгало множество лягушек. Дарлингтон доказал справедливость своей гипотезы.
Конечно, в том, что лягушки не разбились, нет ничего сверхъестественного. Это связано с размером животных. Более легкие животные при падении ускоряются медленнее, чем тяжелые, потому что сталкиваются с более сильным сопротивлением воздуха в расчете на массу. Описывая это явление, один из основателей эволюционной генетики Джон Бердон Сандерсон Холдейн заметил: «Можно сбросить мышь в шахту глубиной тысячу ярдов, и… оправившись от легкого шока, она убежит. Крыса погибнет, человек разобьется, а от лошади останется мокрое место».
Представьте себе, что вы хотите предсказать свойства некоего животного (сколь долго оно живет, как передвигается, какова форма его тела), которого вы никогда не видели. Для этого нужно учесть несколько параметров: способ питания, условия обитания, положение в пищевой цепи и так далее. Люди используют этот подход, занося в каталоги измеряемые параметры животных и анализируя данные с помощью ряда статистических инструментов (это позволяет выявить наиболее значимые параметры, определяющие видимые различия). Выясняется, что важнейшим предсказательным параметром является размер животного. Если вам известен размер животного, вы многое сможете сказать о его физиологии: частоте сердечных сокращений в покое (у мелких животных сердце бьется чаще), чувстве опасности (чем крупнее животное, тем меньше страха оно испытывает) и даже продолжительности жизни (крупные животные нередко живут дольше).
