Загадки мироздания. Известные и неизвестные факты

Глава 1 ПРИРОДА МЫШЛЕНИЯ

С самой древности мы имеем свидетельства того, что человек всегда был убежден в превосходстве мысли над материей, в том, что законы, ограничивающие мир материальный, над идеями и представлениями не властны.

Сейчас уже общеизвестен тот факт, что физически живые организмы состоят из атомов и молекул, которыми правят те же законы, что и камнями под ногами или звездами над головой. Это верно как для венца творения — человека, так и для последнего червя. Но что мы можем сказать о человеческом мышлении? Можно ли подвергнуть анализу творческий гений, приводящий к рождению шедевра? Можно ли взвесить, сосчитать или иным способом измерить эмоции и воображение, любовь и ненависть, страсть, мысли и представления о добре и зле?

Всегда очень хочется поставить мысль превыше материи и считать, что на первую распространяются иные законы, более тонкие, чем на вторую. Тогда естественно сделать вывод, что никакой доктор не сможет прописать такое лекарство, которое могло бы повлиять на сознание. Шекспир вкладывает в уста Макбета циничный вопрос к доктору, который пытается лечить его жену от ночных кошмаров:

Врач не находится что ответить на это, кроме как

Три века спустя после Шекспира врачи все же взялись за «исцеление болящего разума» без каких-либо зелий, патентованных средств или материальных устройств. Законы материального мира были сочтены недействительными в деле управления мышлением — было решено, что инструментом может служить лишь сам мозг. Врачи принялись разговаривать с больными и, что еще важнее, слушать, что говорит сам больной. На смену стетоскопу терапевта и лабораторной пробирке биохимика пришла кушетка психоаналитика.

Сложилось общее мнение о том, что ученым, занимающимся физическими науками, совершенно нечего делать рядом с лежащим на психоаналитической кушетке душевно расстроенным человеком. Для того чтобы подвергнуть сложнейшее явление человеческого мышления изучению с помощью холодных, материальных инструментов науки, требовался особый героизм. Казалось, что любой Георгий Победоносец, который с линейкой и микроскопом в руках отважится бросить вызов огнедышащему змею биохимии мозга, заранее обречен на поражение.

Тем не менее мозг, как и весь прочий организм, тоже состоит из атомов и молекул. Молекулы, содержащиеся в клетках организма, а особенно — мозга столь разнообразны и изменчивы, что уловить все тонкости их крайне быстрого взаимодействия между собой мы пока не в состоянии. Однако сам факт наличия этой сложной мешанины обнадеживает, — по крайней мере, биохимия мозга кажется достаточно сложной, чтобы действительно управлять всем практически бесконечным разнообразием того, что мы называем мыслью.

Сейчас человек приступил к решению этой сложной задачи с помощью новых технологий, и каждый день приносит нам сногсшибательные новости в области биохимии и физиологии мозга. Данные излучаемых мозгом волн анализируются с помощью компьютеров с невиданной доселе полнотой. Более глубокое понимание природы нуклеиновых кислот в свете рассмотрения механизмов наследственности позволило обрести потрясающие знания о работе памяти (подробнее я еще вернусь к этому моменту в главе 2).

Эти новые знания позволяют разрабатывать и выпускать новые химические препараты, оказывающие подчас огромное влияние на работу мозга, что, в свою очередь, еще больше помогает прояснить механизмы этой работы. Последняя из подобных химических технологий вызвала огромный резонанс — ведь с ее помощью была получена, в частности, ЛСД, совершенно новый вид наркотика.

Все эти достижения, позволяющие влиять на тонкие и сложные функции мозга — память, восприятие, рассудок, — появились не на пустом месте. Им предшествовала работа на протяжении почти что целого века над менее сложными аспектами мозговой деятельности. Нервная система, конечно, представляет собой крайне сложное единое целое практически на всех уровнях, но все же в некоторых отношениях удается вычленить некое постепенное возрастание сложности снизу вверх. И именно это ее свойство помогало ученым постепенно продвигаться в своем познании, пока наконец-то сейчас они не оказались в состоянии работать с механизмами нервной системы, действуя на все уровни взаимосвязанным образом.

Ниже головного мозга находится спинной — это узкая масса нервной ткани примерно полметра длиной, проходящая внутри позвоночника. Именно спинной мозг является центром переключения многих наших базовых рефлексов. Дотроньтесь до горячего предмета, и обжигающее ощущение дойдет сначала до позвоночника, а затем преобразуется в нем в исходящий нервный импульс, ответственный за быстрое отдергивание пальца. Палец отдернется гораздо быстрее, чем вы успеете сообразить, что горячо.

Конечно, ни в коем случае не стоит думать, что все рефлексы работают только за счет одного лишь спинного мозга. Спинной мозг имеет множество нервных связей с самыми различными отделами головного мозга, образуя с ним единое неразрывное целое. Однако именно описанное рефлекторное действие ученые смогли осознать раньше других, и я намеренно упрощаю в данном случае картину, чтобы приблизиться ко всей ее полноте в исторической перспективе.

Верхний конец спинного мозга расширяется до medulla oblongata — продолговатого мозга, который входит в группу стволовых структур мозга, или, короче говоря, в ствол мозга. На стволе мозга сверху восседает и сам головной мозг, похожий на большой сморщенный плод. Стволовые структуры обрабатывают вещи чуть посложнее простых рефлексов. В частности, это важный центр контроля нашего равновесия в стоячем положении.

Дело в том, что когда мы стоим, то мышцы наших ног и спины активно работают, чтобы не дать нам упасть, несмотря на воздействие силы тяжести. Чтобы эта работа была не только активной, но и эффективной, требуется постоянно четко рассчитываемое взаимодействие всех мышц. Нельзя, чтобы одна группа мышц напрягалась больше другой — в таком случае группа мышц-антагонистов должна немедленно компенсировать возникший дисбаланс. Как правило, мы не осознаем всей этой работы, но если простоять достаточно долго, нарастает вполне ощутимая усталость, а если человек потеряет сознание стоя, то мышцы его расслабятся и он мгновенно рухнет на землю.

Если бы управление мышцами для поддержания тела в равновесии приходилось продумывать сознательно, то больше времени нам бы ни для чего не осталось. Однако стволовые структуры мозга выполняют всю эту работу сами, не доводя ее до нашего сознания. Человек продолжает стоять и не падает, даже будучи всецело поглощенным своими мыслями, главное — чтобы он в этот момент не спал или не находился без сознания.

Выше ствола мозга находятся два крупных тела со сморщенной поверхностью, оба разделенные примерно пополам. Большее из них называется собственно мозгом, а меньшее — мозжечком.

Мозжечок находится на ступеньку ниже мозга. Он производит более сложную работу, чем поддержание равновесия в неподвижном состоянии, — он рассчитывает взаимодействие мышц для поддержания равновесия в движении. Ведь как мы ходим? Мы поднимаем одну ногу, временно теряя равновесие, падаем вперед и тут же подставляем на место падения ногу, причем точно таким образом, чтобы она касалась земли ровно тогда, когда тело вновь обретает в таком случае равновесие. Если же мы, скажем, протянем руку, чтобы взять карандаш, то рука наша сначала будет двигаться быстро, перед самым карандашом — замедлится, а в момент касания карандаша — вообще остановится.

Работа таких сложных механизмов невозможна без обратной связи. Мы должны либо видеть, либо каким-то иным способом получать информацию о движениях той или иной части нашего тела, оценивать расстояние до цели, скорость и направление движения — и все это делать, непрерывно исходя из положения в каждый конкретный момент времени. За все это отвечает мозжечок. Он выполняет свою работу тоже автоматически, и если нам надо взять карандаш — мы просто берем его, не имея никакого представления о всей сложности только что выполненной задачи. А вот больные церебральным параличом такой обратной связи не получают, поэтому они не способны выполнить простейшее физическое задание, не промахнувшись несколько раз.

На основе получаемой от органов ощущений входящей информации в мозгу должны происходить химические изменения, которые, в свою очередь, порождают нервные импульсы, приводящие к соответствующим ответным реакциям мышц. Подробности этих химических изменений нам пока неизвестны.

Перейдя к мозгу, мы увидим, что теперь химия приобретает для нас еще большее значение. Например, в нижней части мозга находится участок, именуемый гипоталамусом, служащий, помимо прочего, термостатом организма. Постоянная температура поддерживается в организме путем постоянной легкой вибрации мышц со скоростью от семи до тринадцати раз в секунду — этот факт был открыт в 1962 году. Гипоталамус ощущает температуру проходящей сквозь него крови. Если эта температура слишком высока, то скорость вибрации снижается. Это один из способов регулирования температуры тела в условиях резких изменений температуры окружающей среды.

Кроме того, гипоталамус определяет концентрацию воды в крови и с помощью близлежащей железы, гипофиза, соответствующим образом корректирует работу почек. Если кровь слишком разжижена, из нее устраняется больше воды, если слишком густа, то процесс устранения из нее воды замедляется. Гипоталамус постоянно отслеживает содержание в крови не только воды, но и сахара. Если оно слишком сильно падает, то гипоталамус запускает ощущение голода (см. главу 3).

Здесь мы имеем дело с более четким примером прямого химического регулирования. На небольшие (и потому еще безвредные) изменения химического состава крови организм реагирует соответствующими изменениями биохимии, целью которых является предотвращение дальнейших, уже опасных изменений в этом направлении. Таким образом, биохимическое состояние организма постоянно поддерживается в четком равновесии.

Однако сам механизм этот безумно сложен. Все процессы, происходящие в организме, сложным и тонким образом взаимосвязаны, а гипоталамус способен каким-то образом приводить к желаемым изменениям в одной части системы и при этом не навредить другим ее частям. А ведь этого добиться крайне трудно — почти все лекарства, изобретенные человеком, при малейшей неосторожности в применении могут вызывать неприятные побочные эффекты. Гипоталамус же должен действовать совершенно безошибочно, поскольку побочных эффектов его деятельность не вызывает абсолютно никаких.

И вот мы добрались до верхней части головного мозга — именно она отвечает за сознательные действия и ощущения, за мысли и рассуждения, память и воображение. Да, если уж химия таких сравнительно простых механизмов, как рефлексы и поддержание баланса жидкости, ставит нас в тупик, то в таком случае в отношении биохимических механизмов памяти, к примеру, мы должны, по идее, чувствовать себя полностью беспомощными.

Это не совсем так (как мы увидим в следующей главе). В отношении постижения механизмов памяти имеется некоторый прогресс (по крайней мере, так кажется), и на горизонте в этом направлении маячат великие перспективы.

И все вышесказанное распространяется не только на здравый ум. То, что мы называем душевными расстройствами, может оказаться просто сбоем в биохимических механизмах внутримозговых процессов. Если душевные болезни — это вполне материальные расстройства, тогда именно изучение биохимии мозга позволит нам найти те средства, которые столь долго не давались в руки психиатрам.

Возьмем, к примеру, шизофрению — самое распространенное из серьезных психических заболеваний. Само слово это ввел в обиход швейцарский психиатр Пауль Эуген Блейлер, и происходит оно от греческого «расщепленное сознание», поскольку часто отмечалось, что в сознании людей, страдающих этим заболеванием, доминирует одна идея (именуемая «комплексом»), затмевая собой по важности все остальные, как будто что-то вмешалось в гармоничную работу сознания, исковеркав и расщепив его таким образом, что одна часть такого «расщепленного» сознания захватила управление всеми остальными. Ранее шизофрению называли dementia рrаесох («раннее слабоумие», в противопоставление слабоумию старческому — результату ухудшения работы мозга в процессе старения). Шизофрения ведь проявляется довольно рано, как правило в возрасте от 18 до 28 лет.

В зависимости от доминирования того или иного комплекса, шизофрения может существовать в нескольких разновидностях. Это может быть гебефрения (от греческого «детское сознание), при которой преобладающим симптомом является детское или глупое поведение больного; это может быть кататония (от греческого слова, означающего «натянутый, напряженный»), при которой поведение больного действительно выглядит напряженным и больной стремится минимизировать свое взаимодействие с окружающим миром, становясь молчаливым и замкнутым; это может быть паранойя (греч. «безумие»), при которой человек становится чрезвычайно недружелюбным и подозрительным, все время считая, что его преследуют.

Не меньше половины всех пациентов психиатрических лечебниц являются шизофрениками, принадлежащими либо к одному из этих трех типов, либо к какому-то еще, и, по приблизительным подсчетам, шизофренией страдают около одного процента от общего числа людей на Земле. То есть получается, что сейчас в мире живет не менее 30 миллионов шизофреников — население целой страны, такой, как, например, Испания.

Так можно ли исцелить страдающих от этой самой распространенной болезни «сладостным каким-нибудь дурманом»?

Есть прецеденты, дающие основания для надежды. Некоторые психические заболевания уже научились лечить — предположение о том, что мозг в принципе подлежит лечению терапевтическими средствами (хотя бы в некоторых случаях), подтвердилось.

Например, таким образом удалось справиться с пеллагрой, заболеванием, распространенным в Средиземноморском регионе и на юге США. Главными симптомами этой болезни являются понос, дерматит и слабоумие. Как выяснилось, причиной болезни служит нехватка одного конкретного витамина — никотиновой кислоты. Стоит лишь добавить никотиновую кислоту в диету больных, и все симптомы болезни как рукой снимает — не только понос прекращается, не только красная, воспаленная и шелушащаяся кожа возвращается в нормальное состояние, но и психическое расстройство тоже сходит на нет. С помощью одного и того же химического вещества удалось исцелить и тело и разум. Материя, по крайней мере в одном конкретном случае, оказалась превыше разума.

Но причиной пеллагры служит нехватка вещества, поступающего извне. А что мы можем сказать о расстройствах, вызываемых нарушениями внутреннего функционирования самого организма? За все химические реакции в нем отвечают сложные химические вещества, именуемые ферментами — каждой реакцией управляет свой фермент. Что же происходит, если человек рождается неспособным производить какой-то определенный фермент?

Именно такая ситуация приводит, например, к развитию болезни, именуемой «фенилпировиноградная олигофрения», симптомом которой является тяжелая степень умственной отсталости. Это врожденное заболевание — по счастью, не слишком распространенное. Оно развивается у детей, чей организм с рождения оказывается неспособным производить фермент, управляющий превращением одного вещества (фенилаланина) в другой (тирозин). Не имея возможности вступать в положенные ему химические реакции, фенилаланин вступает в другие, в результате чего образуются неестественные для организма вещества. Эти неестественные вещества накапливаются в организме и начинают мешать обменным процессам внутри мозга.

Увы, в этом случае положение нельзя исправить столь же просто, как в случае с пеллагрой. Недостающий витамин организму предоставить легко, недостающий фермент — пока невозможно. Единственное, чего пока удалось добиться, — это некоторого улучшения психического состояния больных, сидящих на бедной фенилаланином диете.

Можно предположить, что шизофрения тоже является результатом нехватки некоего химического вещества, но что это за вещество, получает ли его организм извне или вырабатывает самостоятельно? Доктор А. Хоффер из больницы Саскатунского университета в Канаде уже несколько лет занимается лечением шизофрении большими дозами никотиновой кислоты и сумел добиться в этом деле значительного успеха. Очевидно, некоторые разновидности шизофрении, как и пеллагра, являются следствием витаминной недостаточности.

Для лечения шизофрении требуется больше никотиновой кислоты, чем для лечения пеллагры, и Хоффер предлагает этому факту следующее объяснение: в организме никотиновая кислота переходит в состав более сложного вещества, именуемого обычно сокращением НАД (вместо полного названия никотинамидадениндинуклеотид). Именно это вещество и участвует в дальнейшем метаболизме. Здоровый организм легко и быстро формирует НАД из никотиновой кислоты, если получает ее с пищей. Именно поэтому стоит только добавить в диету, до того бедную никотиновой кислотой, небольшое количество этого вещества — и симптомы пеллагры исчезают. Причиной шизофрении же может являться некий сбой в химических процессах внутри самого организма, следствием которого может оказаться, в частности, затрудненность формирования НАД. Соответственно, для того, чтобы поврежденный химический аппарат организма производил хоть немного необходимого НАД, следует поставлять с пищей избыточное количество никотиновой кислоты.

Согласно данным, обнародованным Хоффером, в первой половине 1966 года он попробовал лечить больных с помощью уже синтезированного заранее НАД, и результаты этого эксперимента оказались достаточно обнадеживающими — с помощью небольших доз удавалось быстрее добиться улучшений. Впрочем, как всегда и случается в экспериментальных ситуациях «на грани познанного», из других лабораторий одновременно с этим поступают данные о неэффективности применения НАД.

Что бы ни представлял собой этот сбой в химических процессах организма — неспособность ли производить НАД из никотиновой кислоты или что-то еще, — очевидно одно, а именно что он является наследственно передаваемой характеристикой. Предрасположенность к шизофрении передается по наследству — это факт. В среднем шансы развития шизофрении у среднего человека — один к ста. Однако у братьев и сестер шизофреников эти шансы возрастают до одного к семи, а у людей, имеющих брата или сестру близнеца, страдающих шизофренией, вероятность получить это заболевание — три к четырем.

Люди, как правило, не рождаются шизофрениками — это не врожденное заболевание в том смысле, в котором таковым является та же фенилпировиноградная олигофрения. Скорее следует представить этот дефект таким образом: некое звено биохимического механизма у шизофреника не является отсутствующим или разорванным, а скорее обладает повышенной хрупкостью и очень быстро изнашивается с ходом жизни. Именно эта хрупкость и наследуется.

В чем же участвует этот НАД (если, конечно, именно НАД всему причиной)? Каким образом он поддерживает организм в норме? Что именно в организме идет наперекосяк в отсутствие НАД?

Подозрение пало на ту часть схемы обмена веществ, которая начинается с вещества под названием адреналин. В очень малых количествах адреналин стимулирует определенные нервы, которые управляют сердцебиением, сосудистым давлением, дыханием и т. д. Выделение адреналина в стрессовых ситуациях является одной из функций надпочечников — небольших желез, находящихся, как явствует из названия, над почками. Когда мы злимся или пугаемся, сразу же запускается производство адреналина и у нас повышается давление, сердце начинает биться чаще и легкие тоже принимаются работать в более быстром темпе. Организм переводится на «аварийный» режим работы, позволяющий более эффективно сражаться или убегать.

Естественно, после того, как опасная ситуация миновала, необходимо вернуть организм в нормальное состояние. Для этого он обладает химическими механизмами быстрого разрушения адреналина. За это разрушение отвечает фермент аминоксидаза, соединяющийся с адреналином и связывающий его, таким образом, до того момента, когда он будет естественным образом утилизирован.

Теперь предположим, что фермент этот отвлечется на какое-то другое занятие. Как правило, ферменты очень специфичны, то есть могут взаимодействовать только с определенными молекулами, обладающими только им свойственной формой, а с любыми другими молекулами взаимодействовать не могут. Фермент и молекула представляют собой специфичную пару, как ключ и замок (см. главу 7). Конкретный ключ может открыть только свой конкретный замок

Однако специфичность ферментов не является чем-то совершенным. Фермент может вступить в соединение с молекулой, форма которой очень похожа на форму молекулы, для которой он предназначен Таким образом, такая молекула-заместитель конкурирует с «правильной» молекулой за место в связи с ферментом, и если она занимает это место, то с «правильной» молекулой фермент уже не может соединиться. В таких случаях говорят, что действие фермента ингибировано, от английского слова, означающего «подавить». Описанное явление носит название «конкурентное ингибирование» и может очень серьезно влиять на биохимические процессы.

Соединившись с «правильной» молекулой, фермент выполняет свою задачу и отпускает ее; соединившись же с «неправильной», он может оказаться связанным с ней навсегда, как ключ, втиснутый по ошибке не в ту замочную скважину и сломавшийся в ней. В таких случаях даже небольшое количество «неправильного» вещества может вызывать долговременное нарушение биохимических процессов, привести к необратимому ущербу для организма или даже к его смерти. Обычно именно таким образом действуют яды.

Итак, предположим, что некий фермент, аминоксидаза или какой-то еще, становится объектом конкурентного ингибирования со стороны некоего вещества, которое формируется в отсутствие НАД и не формируется в его присутствии.

Предположение о том, что механизм конкурентного ингибирования действительно имеет место в данном процессе, косвенно подтверждается на примере произрастающего на юго-западе Америки кактуса, содержащего вещество, именуемое «мескалин». Молекула мескалина имеет некоторое общее сходство с адреналином — очевидно, достаточно близкое, чтобы мескалин мог вступать во взаимодействие с аминоксидазой. Факт этого взаимодействия, пусть даже затрагивающего один-единственный фермент, может оказывать самое крупномасштабное воздействие на всю биохимию мозга. Химические взаимодействия внутри мозга можно уподобить трехмерному кружеву из сложнейшим образом переплетенных связей. Стоит толкнуть или дернуть одну из нитей, и сдвинутся все — в той или иной степени. Итак, когда человек жует кусочек мескалинсодержащего кактуса, фермент, которому предписано разрушать адреналин, вместо этого, оказывается связанным с мескалином и адреналин начинает накапливаться, что приводит к различным эффектам. Человек начинает испытывать ощущения, не обоснованные объективной реальностью. Обычные предметы принимают странные, причудливые оттенки. Короче говоря, мескалин вызывает галлюцинации и является, стало быть, галлюциногеном.

Далее — действия поедателя мескалина тоже не соответствуют окружающим его реальным обстоятельствам. Они основаны на его искаженном восприятии, а иногда не соответствуют даже и этому восприятию. Поведение его становится странным и непредсказуемым. Индейцы юго-запада Америки, познавшие все эти переживания на собственном опыте поедания кактуса, сделали совершенно естественный для них вывод, что поедание кактуса открывает для них дверь в иной мир, лежащий за пределами обычных ощущений. Поэтому они стали использовать мескалин в религиозных целях.

Поведение употребившего мескалин похоже на поведение шизофреника, и естественно возникает вопрос, не вызывается ли шизофрения образованием в организме некоего химического вещества, эффект действия которого сходен с эффектом действия мескалина. Возможно, в условиях дефицита НАД это гипотетическое вещество образуется быстрее, и поэтому люди, имеющие врожденную склонность к снижению эффективности НАД-образующих реакций, в итоге оказываются подверженными воздействию этих химических веществ.

В лабораторных условиях адреналин легко превратить в самую малость отличающийся от него адренохром. Если ввести адренохром в кровоток, это тоже приводит ко временной смене поведения испытуемого на шизоподобное. В здоровом организме адренохром не образуется, но, может быть, он образуется в организме шизофреника?

Подобные соображения пробудили у ученых интерес к изучению и подробному анализу тех частей организма шизофреника, которые можно легко получить для исследований, например кровь или мочу. Если окажется, что некое вещество будет обнаружено в организме всех, или почти всех, шизофреников и при этом не будет обнаружено в организме здоровых людей, то можно будет сделать вывод, что именно оно всему виной.

Одной из методик исследования вырабатываемых организмом жидкостей является бумажная хроматография. При использовании этого способа молекулы различных веществ, содержащихся в жидкостях, разделяются и молекулы каждого вещества занимают свое отдельное место на листе пористой бумаги. Затем путем определенных химических реакций окраски участки, занимаемые молекулами того или иного вещества, можно сделать видимыми невооруженным глазом.

В 1962 году Арнольд Фридгофф из Нью-Йоркского университета обнаружил, что при помощи одной из таких реакций можно получить розовое пятно на бумаге, на которой была разложена моча 15 из 19 шизофреников; при этом моча ни одного из 14 не-шизофреников такого пятна не дала.

С тех пор подобным же образом была рассмотрена моча гораздо большего числа обследуемых. Так, в ходе серии экспериментов, проведенных С.А. Кларком в Ливерпульском университете, материал ни одного из 265 здоровых людей не дал при окраске розового пятна, как и материал 126 человек, страдавших не шизофренией, а другими заболеваниями. Зато в материале 46 из 84 шизофреников розовые пятна обнаружены были. Большая часть шизофреников, моча которых не содержала розовых пятен, принадлежала к разновидности параноиков. Что касается шизофреников непараноидальных разновидностей, то среди них розовое пятно обнаруживалось в материале четверых из каждых пяти.

Так что же за вещество отображалось этим загадочным розовым пятном? Оно получило название «диметоксифенилэтиламин» и по строению оказалось чем-то средним между адреналином и мескалином.

Иными словами, получается, что в организме некоторых шизофреников самостоятельно вырабатываются галлюциногены, в результате чего эти люди ведут себя как постоянно сидящие на мескалине.

Это лишь начало «физико-химической» атаки на шизофрению, но начало многообещающее. Розовое пятно на бумаге (или результаты химических анализов в любой другой форме) поможет врачам диагностировать шизофрению на самых ранних этапах, когда она еще не оказывает заметного влияния на поведение человека и, возможно, легче поддается лечению. Есть надежда, что с помощью изучения химических процессов, приводящих к образованию розового пятна, можно будет определить «то самое» дефектное звено в биохимическом механизме и сконцентрировать таким образом усилия в поиске средства победы над этим заболеванием.

Но адреналин — не единственное вещество, активно участвующее в работе мозга. Можно назвать еще, к примеру, серотонин.

Значение серотонина было ясно продемонстрировано в свете изучения диэтиламида лизергиновой кислоты — знаменитой ныне ЛСД. Она имеет несколько более сложное строение, чем серотонин, но химики легко выделят в молекуле ЛСД серотониновый «скелет», — так что неудивительно, что ЛСД может конкурировать с серотонином за некий конкретный фермент, так же (и с тем же эффектом) как ДМФЭ конкурирует с адреналином. Иными словами, введение ЛСД может привести к накоплению в мозгу серотонина и вызывать, таким образом, шизоподобную симптоматику.

Этот факт был обнаружен случайно, в 1943 году, когда химик доктор Альберт Хофман работал над ЛСД с какими-то вполне обыденными для химика целями. Видимо, несколько кристаллов кислоты случайно налипли ему на кончики пальцев, а оттуда — попали на губы. После этого химик впал в дремотное состояние и, чувствуя себя неспособным продолжать работу, побрел домой, где его и настигло состояние опьянения с галлюцинациями. Хофман предположил, что всему причиной ЛСД, и на следующий день, набравшись храбрости, он проглотил примерно одну стотысячную унции этого вещества, рассудив, что это должна быть небольшая доза. На самом деле доза оказалась чрезмерной — хватило бы и десятой доли от этого количества. И снова его захлестнули галлюцинации, а все остальное уже является достоянием истории.

Через двадцать четыре часа Хофман полностью пришел в себя, и, находясь под воздействием ЛСД, он не нанес вреда ни себе, ни окружающим. К сожалению, этот факт не является общим правилом, — индивидуальные различия в биохимических механизмах обмена веществ могут быть очень велики, так что воздействие, оказываемое ЛСД на разных людей, может оказаться совершенно различным. У одного галлюцинации будут средними, у другого — очень сильными; один восстановится быстро, другой будет приходить в себя очень долго.

Химические механизмы у одних людей являются на определенных участках более хрупкими, чем у других, в том смысле, что с большей вероятностью могут дать сбой. Если речь идет об участке, сбой на котором может привести к развитию шизофрении, то такому человеку вряд ли стоит экспериментировать с ЛСД.

В нормальных условиях даже на хрупких участках биохимический механизм нормально справляется с обычными нагрузками в течение всей жизни человека, поэтому далеко не у всех предрасположенных к шизофрении людей в итоге развивается это заболевание. Однако под мощным ударом со стороны ЛСД слабое звено может пасть, и галлюцинации, временные и забавные для одних, могут овладеть мозгом других навсегда.

Поскольку никто не может знать, насколько прочны его биохимические механизмы, то применение ЛСД без профессионального наблюдения можно сравнить с «русской рулеткой». ЛСД — это дверь во временное помешательство, но некоторые могут пройти в нее только один раз, без возврата.

Вообще, ЛСД — это важный инструмент изучения психических заболеваний. Сегодняшнюю работу с ЛСД можно уподобить работе ученых врачей прошлого, которым приходилось подолгу возиться с опасными бактериями, чтобы находить средства против инфекционных заболеваний.

Но есть одно важное отличие. Исследователи XIX века не считали, что заразить себя бациллой холеры — это кайф и развлечение.

Глава 2 ПОМНЮ, ПОМНЮ…

Принято отождествлять хорошую память с развитым интеллектом. Популярные лет десять назад программы тестирования считались методикой обнаружения гениев, на самом деле представляя собой лишь задачки на объем памяти, порой (хоть и не всегда, конечно) не имеющий ничего общего с мощным интеллектом.

В качестве примера крайности в этом отношении можно вспомнить тех знаменитых близнецов, именами которых недавно пестрели заголовки газет, — они прославились тем, что могли точно и быстро назвать день недели для любой заданной им даты, пусть даже отстоящей от сегодняшней на тысячи лет.

Как им удается это делать — до сих пор неизвестно. Помнят ли они весь календарь наизусть или каким-то образом сумели проиндексировать его по неделям? Или они помнят дни недели для каких-то ключевых дат и от них уже отсчитывают все остальные? Мы не знаем этого, а сами близнецы не могут нам ни объяснить, ни подсказать. Дело в том, что они умственно отсталые.

Более того, их потрясающая способность высчитывать дни недели не распространяется ни на какие другие вычисления. Они не в силах постичь даже простейшего сложения и вычитания.

Случаи подобной одаренности известны в истории. Так, еще в XVIII веке в Англии жил некий Джедедия Бакстон, способный в уме перемножить 23 145 789 на 5 642 732 на 54 965 и быстро выдать правильный ответ, но и он страдал той же формой умственной отсталости и до конца дней своих оставался поденным рабочим. Некий Зера Колберн, родившийся в Вермонте в 1804 году, мог за несколько секунд высчитать, сколько будет 8¹⁶ (восемь умножить на восемь шестнадцать раз), или почти мгновенно извлечь кубический корень из 268 336 125. Но более ничем особым он не отличился.

Можно назвать целый ряд других подобных фактов. Как же у них у всех это получалось? Скорее всего, дело в практически неограниченной памяти на числа. Расчеты, которые эти люди производили в голове, мог бы сделать и любой обычный человек, но с карандашом и на бумаге, куда можно было бы записывать промежуточные результаты. «Арифметические гении» все эти промежуточные результаты способны держать в уме и считывать оттуда же. Имеются свидетельства о людях, которые могут довести такие расчеты до середины, потом отвлечься на что-то другое и через долгий период времени вернуться все к той же задаче безо всяких проблем. Поскольку все расчеты совершаются при этом с той же потрясающей скоростью, можно предположить, что дело в постоянной упорной практике.

Конечно, обладать арифметической одаренностью, подобной описываемой, могут не только люди со средним или ниже среднего интеллектом. Действительно гениальные математики, вроде Андре М. Ампера, Джона Уоллиса, Леонарда Эйлера или величайшего Карла Фридриха Гаусса, тоже обладали выдающейся числовой памятью. Однако, хоть память и помогала им в работе, все же не она составляла суть их гениальности.

И все же оставим случаи особой одаренности, совмещаемой хоть с низким, хоть с высоким интеллектом, и взглянем на положение дел в целом: мы увидим, что, как правило, между памятью и интеллектом действительно существует некая зависимость. Чем умнее человек, тем лучше у него память. Хорошим примером одновременно как интеллекта, так и памяти человека служит такая характеристика, как его словарный запас.

Поэтому если нас спросят, от чего же именно зависит, что у одного человека память лучше, чем у другого, мы можем ответить: чем бы этот фактор ни оказался, именно он же определяет, почему один человек умнее другого.

Все теории памяти, как древние, так и современные, рассматривают один из двух возможных вариантов: запоминание по образу или запоминание по ассоциации. Нам эти теории кажутся чем-то естественным. Мы завязываем узелок на пальце, чтобы не забыть купить хлеба, и всякий раз, глядя на него, вспоминаем: «Ах да! Не забыть купить хлеба!» Взглянув таким образом на палец несколько раз, мы уже твердо запоминаем необходимость произвести желаемое действие.

Русский физиолог Иван Павлов сумел добиться получения у животных условных рефлексов с помощью продолжительных ассоциаций. Он звонил в колокольчик, после чего показывал собаке миску с едой; в качестве ответной реакции у собаки начиналось слюноотделение. В конце концов, после ряда повторов, собака настолько прочно отождествляла еду со звуком колокольчика, что слюноотделение у нее начиналось уже на один лишь звук колокольчика. Получается, что механизм слюноотделения собаки «запомнил», что колокольчик означает еду.

Так родилась школа психологии, именуемая «бихевиоризм», наиболее ревностные приверженцы которой утверждают, что любое обучение и все ответные реакции суть условные рефлексы. По этой теории при заучивании стихотворения наизусть каждая строчка ассоциируется с предыдущей, или, иными словами, каждая строчка вызывает последующую, как условный рефлекс.

Однако понятно, что память не всегда можно объяснить как последовательность стимулов и реакций, когда один объект напоминает другой, тот — третий и т. д. Человек может помнить и образы.

Да позволено мне будет привести примером себя самого (чью еще память я могу знать так хорошо, как собственную?). Память на числа у меня самая заурядная. Я не могу перемножить в уме два трехзначных числа. Зато карту Соединенных Штатов я в любой момент могу представить перед глазами и способен воспроизвести ее по памяти, не ошибившись ни одним штатом. В детстве я частенько выигрывал какую-то мелочь, написав на спор названия всех штатов менее чем за пять минут.

Память может иметь и различные сроки. Существуют краткосрочные и долгосрочные воспоминания. Пока набираешь телефонный номер, он очень легко удерживается в памяти, затем он автоматически забывается. Однако те номера, которыми человек пользуется часто, переходят в область долгосрочной памяти — их можно вспомнить даже после перерыва в несколько месяцев.

Легко выдвинуть предположение, что память начинается с краткосрочной, а затем становится долгосрочной. Чтобы понять, как это происходит, давайте сначала рассмотрим строение нервной системы.

Нервная система состоит из множества микроскопических клеток — нейронов. Они имеют неправильную форму, с выпирающими в том или ином направлении отростками. Эти отростки называются «дендритами», от латинского слова, означающего «дерево», потому что похожи на ветви дерева. Самые длинные отростки носят название «аксоны» и могут достигать в длину несколько сантиметров, а то и дециметров. Дендриты или аксоны одного нейрона могут подходить очень близко к другим нейронам, но никогда не коснутся их. Между ними всегда будет изолирующее пространство — синапс.

Получивший стимуляцию нейрон способен передавать вдоль своей поверхности и по всем отросткам слабый электрический импульс. Как правило, на синапсе этот импульс останавливается, но при определенных условиях химическая среда синапса изменяется таким образом, что электрический импульс преодолевает изолирующее пространство и переходит в следующую клетку. Таким образом, выборочно преодолевая определенные синапсы, электрический импульс может следовать тем или иным путем по нервной системе.

Теперь предположим, что при каждом получаемом нами ощущении происходят некие изменения в определенной группе синапсов, позволяющие электрическому импульсу проходить через них. Эти группы синапсов выбираются таким образом, чтобы импульс мог переходить из одной клетки в другую, и в конце концов образуется замкнутая цепь клеток, по которой какое-то время движется электрический импульс, как автогонщик по стадиону. Первоначальное ощущение и конкретную замкнутую цепь клеток можно рассматривать как связанные ассоциацией. Пока организм каким-то образом ощущает движение импульса по некоторой замкнутой цепи и отделяет его от всех остальных (как именно это происходит, пока неизвестно), он помнит и ощущение, породившее движение этого импульса.

Однако со временем воздействие, оказываемое на синапсы, ослабевает, движение импульса по цепи останавливается и воспоминание стирается. Так работает краткосрочная память.

Но предположим, что каждый раз, когда каким-то образом ощущается движение нервного импульса по замкнутой цепи, синапсы открываются в еще большей степени, что усиливает движение импульса. В конце концов измениться может и физическое строение клеток — между клетками, участвующими в цепи, формируется большее количество дендритов, что еще больше облегчает путь нервному импульсу. В конце концов доходит до того, что импульс может двигаться уже самостоятельно, без какой-либо дополнительной реактивации. Так работает долгосрочная память.

Естественно, чем дольше происходило движение нервного импульса по замкнутой цепи, тем тверже оно могло закрепиться, поэтому нам, как правило, легче вспомнить выученное в юности, чем в прошлом году.

Можно предположить, что в некоторых индивидуальных случаях строение мозга может оказаться таким, что отдельные типы долгосрочных воспоминаний, к примеру те, что касаются чисел, формируются особенно легко, порождая тем самым специфический талант у людей, чей мозг может быть и неприспособленным при этом к демонстрации высокого интеллекта. Возможно, некоторые типы замкнутых цепочек нервного импульса, ввиду длительного использования, начинают формироваться быстрее и легче, чем прочие, и поэтому случается так, что кто-то легко запоминает имена, но никак не может запомнить лиц или что некий рассеянный профессор прекрасно помнит все подробности относительно своего предмета, но с трудом припоминает свой домашний адрес.

Но может ли в мозгу физически разместиться столько замкнутых нервных цепочек? По некоторым подсчетам, за время жизни человека мозг его поглощает около одного квадриллиона — 1 000 000 000 000 000 — битов информации.

В мозгу около десяти миллиардов (10 000 000 000) клеток серого вещества — нейронов и примерно в девять раз больше вспомогательных клеток — глий (нейроглий). Некоторые ученые выдвигают предположение, что клетки глии, небольшие по размеру, используются при краткосрочной памяти, а нейроны, более крупные, — в долгосрочной. Если считать, что в каждой цепочке задействованы две клетки, то получается, что в мозгу могут разместиться десять миллионов квадриллионов цепочек — в десять раз больше, чем можно заполнить воспоминаниями целой жизни. Конечно же множество клеток не могут участвовать в цепочках друг с другом, поскольку не соседствуют между собой, но, с другой стороны, в таких цепочках может быть соединено и не две, а больше клеток — вплоть до нескольких десятков. Если считать десятками, то получится, что в мозгу во много раз больше места, чем может понадобиться для хранения всех возможных воспоминаний.

Вполне возможно, что в мозгу достаточно места не только для того, чтобы хранить все необходимые циклы, но даже и для того, чтобы дублировать каждый из них по нескольку раз, потому что мозг может подвергаться достаточно обширным хирургическим операциям без какого-либо заметного ущерба для памяти. Если в процессе хирургической операции разрушается одна копия какого-то определенного цикла, то остальные копии, находящиеся где-то в других областях мозга, продолжают свою службу.

И все же, можем ли мы полностью быть уверенными в такой, казалось бы, очевидной вещи, что долговременные воспоминания возникают из кратковременных? Иногда при электростимуляции отдельных областей мозга (это бывает необходимо при определенных хирургических операциях) оперируемого захлестывают волны воспоминаний. Эти воспоминания настолько полны реалистичных деталей, что пациент практически проживает заново какую-то часть своей жизни, даже если при этом одновременно прекрасно ощущает все происходящее в реальности. Так, Уилдер Пенфилд из университета МакГилл сумел таким образом заставить пациента вспомнить обрывки музыки из детства последнего и пережить заново несколько сцен того периода.

Подобного рода наблюдения могут привести к выводу о том, что в мозгу на самом деле вечно хранятся во всей полноте воспоминания обо всех полученных когда-либо ощущениях. То есть долговременными являются все воспоминания без исключения, но с помощью какого-то механизма они быстро блокируются, если не подтвердить их важность постоянными возвратами к тому или иному воспоминанию. Тогда можно предположить, что «феноменальной памятью» ее носители обязаны каким-то сбоям в функционировании механизма блокировки.

Зигмунд Фрейд, как впоследствии и его последователи, считал такую блокаду воспоминаний явлением ни в коей степени не автоматическим и не механическим. Напротив, с его точки зрения, это активный процесс, пусть и бессознательный. Отдельные воспоминания по какой-то причине отбираются для того, чтобы быть забытыми, потому что это воспоминания о событиях болезненных, шокирующих или смущающих, о наказаниях или унижениях, о событиях, не укладывающихся в принятый образ представлений о жизни. Фрейд называл этот процесс «вытеснением».

Вытеснение часто проходит несовершенно, и психоаналитики полагают, что причиной неврозов является как раз именно несовершенство самого механизма забывания. Воспоминание, которое предполагалось забыть, время от времени все равно всплывает, правда, в замаскированном виде (часто эта маскировка является иррациональной, то есть «невротической»), По Фрейду, исцеление от невроза кроется в том, чтобы с помощью свободных ассоциаций, анализа сновидений или других техник вытащить вытесненное воспоминание в сферу сознания. Став сознательным, это воспоминание влияет на личность уже рациональным, а не невротическим образом.

Однако далеко не все врачи придерживаются фрейдистских взглядов, и уж точно каждый может вспомнить примеры, когда забываются воспоминания никоим образом не травматического характера. Если мозг действительно является идеальным запоминающим инструментом, то избирательное забывание является необходимым условием выживания. Если держать в памяти каждый телефонный номер из тех, что вы когда-либо видели или слышали, то как сложно будет найти среди них тот, который необходимо набрать!

Что же представляет собой на самом деле механизм вспоминания? Даже если предположить существование избирательного забывания, все равно вопрос остается открытым. Как человек выбирает один объект среди множества схожих, хранящихся в мозгу?

Вернусь снова к собственному примеру. У меня достаточно хорошая память на исторические имена и даты. Спросите меня год смерти королевы Елизаветы I, и я без запинки отвечу — 1603-й и так же быстро назову 336 год до н. э., если меня спросят, в каком году был убит Филипп Македонский. Я сам не знаю, как у меня получается так быстро выбирать даты. У меня нет никакой сознательной системы, и никаких особых усилий при этом я тоже не ощущаю.

Найти в мозгу области, в которых непосредственно сосредоточены те самые замкнутые цепочки нервного тока, или хотя бы установить точно, существуют ли они на самом деле, — задача сложнейшая. Может быть, лучше подойти к делу и с другой стороны — рассматривать не клетки и их физиологию, а молекулы и их химию? Еще в 1874 году английский биолог Т. Г. Хаксли предположил, что за каждое отдельное воспоминание отвечает отдельная молекула мозга.

Казалось бы, задача по переходу от изучения клеток (которые можно хотя бы увидеть) к изучению совершенно невидимых молекул лежит для исследователя где-то на промежутке между «очень трудно» и «практически невозможно», но на самом деле это не так. Тут скорее можно вспомнить анекдот о враче, который велел сильно простуженному больному облиться водой и посидеть на сквозняке. «Что вы говорите, доктор?! — возмутился больной. — Тогда моя простуда превратится в воспаление легких!» — «Совершенно верно, — без тени смущения ответил врач. — А воспаление легких мы лечить уже умеем!»

В течение 1950-х годов биохимики получали все больше и больше доказательств тому, что в процессе производства белка важное участие принимает сложный элемент рибонуклеиновая кислота (обычно обозначаемая аббревиатурой РНК). Эти доказательства очень хорошо сочетались с уже имевшимися на тот момент сведениями о том, что в клетках, производящих необычно большое количество белков, содержится и необычно высокая концентрация РНК. Это относится как к растущим и делящимся клеткам, так и к клеткам, вырабатывающим богатые белковым содержанием выделения.

Однако, как ни странно, оказалось, что самая высокая концентрация РНК обнаруживается в клетках мозга, которые не растут, не размножаются и ничего не вырабатывают. Для чего же в них столько РНК?

Решением этой загадки вплотную занялся шведский невролог Холгер Хиден в университете Гётеборга. Он разработал технологию, позволяющую отсоединять от ткани мозга отдельные клетки для последующего анализа их на содержание РНК. Объектом исследования ученый выбрал крыс. Он создавал условия, в которых крысам приходилось овладевать новыми навыками, например долго удерживать равновесие на натянутой проволоке. И к 1959 году Хидену удалось установить, что в клетках мозга крыс, которым приходилось учиться, содержание РНК оказывалось в среднем на 12 процентов выше, чем в клетках мозга тех крыс, которые жили вольготно и спокойно.

Получается, что РНК необходима для обучения, а следовательно, и для запоминания (без которого обучение невозможно себе представить). Но мыслимо ли это? Можно представить себе, что комбинаций из сотен миллиардов клеток, содержащих замкнутое кольцо нервного тока, достаточно для хранения всех воспоминаний жизни, но неужели для всех этих же воспоминаний может хватить различных вариантов молекул одного и того же вещества?

Давайте посмотрим. Молекула РНК представляет собой длинную цепочку, состоящую из четырех родственных, но четко различающихся между собой элементов. Каждое звено цепочки — это один из этих четырех элементов, обозначим их как А, В, С и D. Соответственно, для цепочки, состоящей всего из двух звеньев, возможно представить 4x4, то есть 16 вариантов: АА, АВ, AC, AD, ВА, ВВ, ВС, BD, СА, СВ, СС, CD, DA, DB, DC и DD. Соответственно, для цепочки из трех звеньев таких вариантов может быть уже 4 х 4 х 4, то есть 64, и т. д.

По мере удлинения цепочки количество возможных комбинаций ее структурных единиц возрастает с катастрофической скоростью. Молекула РНК, состоящая всего из 25 элементов, может принять любой из квадриллиона возможных вариантов; таким образом, если считать, что каждое ощущение, когда-либо испытанное человеком в жизни, записывается в виде отдельной молекулы РНК, то длины молекулы в 25 элементов окажется вполне достаточно.

На самом же деле молекулы РНК состоят из сотен элементов, а не из двух с половиной десятков. Поэтому нет никаких сомнений в том, что молекула РНК — инструмент, вполне пригодный для записи как любых учебных сведений и прочих воспоминаний, накапливаемых человеком за всю жизнь, так и в миллион раз большего объема информации.

Итак, предположим, что действительно имеется картина такой вот «РНК-памяти». Все клетки организма быстро и с легкостью умеют вырабатывать РНК, но, как правило, подавляющее большинство клеток способны создавать лишь небольшое количество вариантов этого вещества, для своих узкоспецифических задач. Остается предположить, что в клетках мозга, напротив, может вырабатываться бесчисленное множество вариантов РНК, так что каждое новое ощущение вызывает образование новой РНК, несколько отличающейся от всех предыдущих, и в будущем обращение к этой молекуле позволит возродить и породившее ее ощущение.

И действительно, в ходе своих опытов Хиден установил, что в мозгу крыс, подвергавшихся принудительному обучению, не только увеличивалась концентрация РНК, но и сами молекулы видоизменялись. Менялось соотношение четырех структурных элементов РНК между собой, появлялись новые их комбинации, отличающиеся от обычных.

Каким же образом клетка мозга реагирует на ощущение путем образования молекулы РНК? Формируется ли вариант молекулы случайным образом, а затем «приписывается» определенному ощущению? Если да, то может ли получиться так, что один и тот же вариант молекулы будет образован несколько раз в течение жизни человека и каждый раз будет «назначен» новому воспоминанию, не смешаются ли воспоминания между собой в таком случае? Скорее всего, такого происходить в любом случае не должно хотя бы потому, что количество потенциально возможных вариантов настолько велико, что вероятность повторного выпадения одной и той же комбинации стремится к нулю.

Однако вполне возможно, что для каждого определенного ощущения имеется свойственная только ему комбинация РНК, то есть одно и то же ощущение «записывается» одной и той же РНК у всех живых существ.

В пользу последнего предположения свидетельствуют результаты работ Джеймса В. Макконнела из Мичиганского университета. Объектом его экспериментов являлись планарии — плоские черви около четырех сантиметров длиной. Ученый заставлял их пережить сначала световую вспышку, а сразу вслед за ней — электрический удар. От электрошока тела червей сокращались, а вскоре стали сокращаться и от одной лишь вспышки, даже тогда, когда электрического удара за ней не следовало. У червей образовался условный рефлекс, то есть они «научились» ждать электрический удар после световой вспышки, предположительно, путем образования соответствующих единиц памяти в виде молекул РНК.

Этих «обученных» планарий разрубили на мелкие кусочки и скормили другим, «необученным». Затем «необученных» червей стали проводить через тот же процесс «обучения», и оказалось, что они начинают реагировать на световую вспышку гораздо быстрее, чем черви из контрольной группы. Можно предположить, что они получили необходимые РНК с пищей, таким образом «съев чужую память».

Значит, определенная РНК все же каким-то образом связана с определенным ощущением. Вариант молекулы выбирается неслучайным образом, поскольку РНК, образованная в ответ на конкретный стимул у одних планарий, «сработала» и оказавшись в организме у других.

Работавший вместе с Макконнелом Аллан Л. Джейкобсон впоследствии продолжил эти эксперименты уже в Калифорнийском университете. Вместо грубой передачи молекул через поедание одним червем другого целиком (в этом случае остается возможность того, что рефлекс был закодирован какой-то другой молекулой), он напрямую выделил и пересадил именно РНК от обученных червей необученным. Так тоже «сработало», и ученые полностью убедились, что информация о воспоминании передается именно через РНК.

Но не будем ограничиваться одними лишь планариями. А то некоторые скептически настроенные исследователи особо подчеркивают тот факт, что реакция планарий на раздражитель так слаба, что трудно понять, где тут обученные черви, где необученные, и можно ли назвать хоть одного червя действительно обученным вообще. Джейкобсон взялся за обучение и более высокоорганизованных животных — крыс и хомяков, приучив их двигаться к кормушке по звуковому или световому сигналу. После того как у подопытных животных образовывался условный рефлекс, их забивали, а содержащуюся в их мозге РНК вводили животным, не проходившим обучения. И снова получившие такую инъекцию животные проходили аналогичное обучение гораздо быстрее, поскольку в их организме уже присутствовала часть той РНК, которую требовалось образовывать. Интересно отметить, что действенным оказался и межвидовой «перенос памяти», от хомяка к крысе например.

После публикации доклада Макконнела, посвященного планариям, возникли шуточные (по крайней мере, мне хочется верить, что это были шутки) предположения о том, что теперь нет для студента лучшего способа выучиться, чем съесть своего преподавателя.

Тороплюсь сказать о том, что есть и альтернативные точки зрения. Возможно, что ускорить обучение может и приток вообще любой РНК, — так сказать, массированная поставка сырья. И действительно, есть информация о том, что инъекции такой «нерефлекторной» РНК значительно улучшают способность к обучению в пограничных состояниях.

Тогда почему бы не стимулировать организм просто вырабатывать побольше РНК? Известно, что лекарственное вещество Cylert (его правильное химическое название — магниевая соль пемолина, или, еще строже, «2-имино-5-фенил-4-оксазолидинонато(2)-диаквомагнезия») повышает выработку РНК на 35-40 процентов. На крысах его действие выражалось в значительной степени повышения обучаемости животных.

Подобного рода эксперименты проводятся (с соблюдением всех мер предосторожности) и на людях, в первую очередь — на больных с симптомами преждевременного старения. По данным доктора Эвена Кэмерона из медицинского центра Элбани, удалось добиться улучшений как минимум у 17 из 24 больных.

Однако статья, опубликованная 5 августа 1966 года в журнале Science и подписанная большим числом ученых из восьми различных исследовательских центров, не оставила камня на камне от эйфории, охватившей было все научное сообщество. В статье содержались данные о полном провале множества независимых друг от друга попыток «перенести знание» посредством пересадки РНК от обученных крыс к необученным.

Правда, тех, кто твердо верит в грядущие перспективы, эти данные не смущают. Можно сказать, что, совершая огромный шаг в данной научной области, ученые как бы зависли сейчас в воздухе, а ведь объект начатой ими работы — крайне сложная и тонкая материя. Условия всех проводимых разными лабораториями экспериментов различаются, пусть в мелочах, но эти мельчайшие отличия могут оказаться принципиальными. Не говоря уж о том, что объективно измерить такой неуловимый параметр, как «обучаемость», очень сложно — один экспериментатор сочтет испытуемого «обучаемым», другой — нет. В той самой статье, опубликованной в Science, содержалась такая фраза: «Надо отметить, что неспособность выдавать воспроизводимые результаты — обычное свойство ранних стадий исследований, когда еще не установлен полный перечень всех факторов, оказывающих влияние на результат».

Наличие отрицательных результатов совершенно не обязательно доказывает, что РНК не имеет отношения к механизмам памяти, не доказывает даже того, что память в принципе нельзя перенести от одного существа к другому. Отрицательные результаты могут четко доказывать только одно — что техника такого переноса на сегодняшний момент крайне несовершенна. Это и неудивительно для столь ранней стадии исследований.

Нельзя рассматривать молекулы РНК как существующие сами по себе. Они ведь откуда-то берутся? Например, известно, что определенные молекулы РНК формируются в клеточном ядре, как «копии» похожих, чуть более сложных по строению, молекул, известных как ДНК. Никаких других способов формирования организмом молекул РНК ученым не известно, и многие из них сомневаются в том, что поступающие извне ощущения могут напрямую стимулировать производство молекул РНК.

Молекулы ДНК — это структурный элемент генов, носителей наследственности, передающихся от родителей к детям с помощью сложного, но достаточно надежного механизма.

В каждой клетке имеется длинная цепочка молекул ДНК, и каждая из ДНК, составляющих эту цепочку, может использоваться для производства своей РНК-копии определенного строения. Возможно, некоторые составляющие ген молекулы ДНК с самого начала могут служить моделями, и именно их РНК-копии и представляют собой тот набор РНК, который необходим для обычного функционирования клеток.

Далее, можно предположить, что другие молекулы ДНК с самого начала являются заблокированными, а получение определенного ощущения из внешней среды разблокирует отдельный участок молекул ДНК, после чего начинает формироваться молекула РНК, соответствующая этой «освобожденной» молекуле.

Тогда получается, что у каждого из нас с самого рождения уже имеется запас всех возможных воспоминаний, так сказать, «банк памяти» в виде содержащихся в его генах молекул ДНК, которого достаточно на все случаи жизни. Банки памяти отдельных представителей одного и того же биологического вида, а возможно — и родственных видов, могут быть практически одинаковыми. Если все это действительно так, то понятно, что молекула РНК, несущая определенное воспоминание у одного человека, будет нести его же и у другого и почему в принципе можно переносить от одного человека к другому приобретенные знания.

Цепь биохимических соответствий не с РНК начинается и не на РНК заканчивается. Главной функцией молекул РНК, насколько нам известно, является производство белковых молекул. Каждая конкретная молекула РНК используется для формирования строго определенного белка. Так, может быть, для функционирования памяти необходима не сама РНК, а соответствующий ей белок?

Проверить это предположение можно, например, с помощью лекарства пуромицин. Он нарушает химический механизм формирования белка, не оказывая при этом влияния на саму РНК.

Луис Б. Флекснер с женой Джозефой провели в медицинском колледже университета Пенсильвании серию соответствующих экспериментов с пуромицином. Для начала они научили мышей правильно проходить простой лабиринт, избегая удара электротоком. Получив инъекцию пуромицина, обученные мыши быстро забывали все, чему их научили, несмотря на то что молекулы РНК в их организмах оставались такими же, как были до того. Обучить их заново удавалось только после того, как действие пуромицина заканчивалось.

Однако для получения подобной амнезии важно ввести инъекцию препарата достаточно быстро. В случаях, когда Флекснеры выжидали больше пяти дней и только потом вводили мышам пуромицин, забывания навыков не происходило. Все выглядело так, как будто за это время успевало образоваться что-то постоянное, как будто навык перенесся из краткосрочной памяти в долгосрочную, над которой пуромицин уже не властен.

Заслуживает упоминания еще один эксперимент, связанный с переучиванием. Мышь сначала научили двигаться по лабиринту по маршруту А, чтобы не подвергнуться удару электротоком, а затем вдруг стали бить током всякий раз, когда она вступала на этот «безопасный» маршрут. Теперь, чтобы избежать удара током, мыши надо было двигаться по маршруту В. После того как животное обучалось двигаться по новому маршруту, ему вводили пуромицин. Оно тут же забывало маршрут В, как кратковременное воспоминание, но маршрут А, как воспоминание долговременное, продолжал оставаться в ее памяти, и мышь принималась снова упорно вставать на маршрут А.

Все это можно объяснить через те замкнутые циклы тока, о которых я писал в начале статьи. Предположим, что с помощью РНК формируются белки, участвующие в образовании новых дендритов или активации старых. Если представить действие этих процессов как продолжительное и постепенное, то легко предположить картину, когда в первые несколько дней новообразуемые циклы тока еще слабы и неустойчивы, и если прервется поставка некоего нужного белка, то они с легкостью прерываются. Чуть позже, когда дендриты дорастают до нужного размера, замкнутый цикл тока становится сильным и устойчивым, необходимость в белке отпадает и пуромицин становится бессильным.

Подразумевается, что описанный процесс соответствует переходу навыка из области краткосрочной памяти в область долгосрочной памяти. Так, может быть, все обстоит иначе?

Джейкобсон (тот самый, который осуществлял перенос РНК от одного живого существа к другому) проводил эксперименты и по обучению и переобучению планарий. Пересадив РНК от таких «переобученных» червей другим планариям, ученый выявил у этих планарий склонность к образованию первичного, «старого» навыка и никакой склонности к образованию «нового», достигнутого в процессе переобучения.

Возможно, что, когда планарию приучают «забыть» некий навык, образующиеся в процессе обучения молекулы РНК не удаляются из организма, а просто деактивируются каким-то образом. Если РНК перенести, а блокирующий агент (чем бы он ни был) — нет, то воспоминание будет перенесено, а «забывание» — нет. Такая схема укладывается в гипотезу о том, что на самом деле все воспоминания являются долговременными и организм производит дополнительную работу нервных клеток не для того, чтобы что-то вспомнить, а для того, чтобы что-то забыть. Вполне по Фрейду.

Изучение механизмов памяти — область безумно интересная и связанная с множеством ожиданий от будущего, как надежд, так и страхов. Можно ли улучшить память с помощью таблеток? Можно ли учиться быстрее и овладевать большим объемом знаний путем химической стимуляции? Можно ли стать умнее в целом? Можно ли внешними манипуляциями подстроить мозг под наши потребности? Можно ли своими силами превратиться из человека в сверхчеловека? А может быть, наоборот, некоторые решат, что требуется прямо противоположное, и научатся превращать человека в идеального раба?

Но какими бы радостными или пугающими ни были все эти перспективы, до их практического воплощения еще далеко. Человечество сделало лишь первый шаг по тернистой дороге, конец которой скрывается за горизонтом.

Глава 3 ЧЕЛОВЕК ГОЛОДНЫЙ

Людей, страдающих излишним весом, поучать легко. Их можно стращать перспективой ранней смерти и безапелляционно велеть им меньше есть. Можно мягко советовать уделять больше внимания специальным физическим упражнениям, например, отодвиганию стула в направлении прочь от стола где-то посреди трапезы или резким поворотам головы из стороны в сторону в ответ на предложение добавки.

Кажется, нет ничего проще, чем следовать таким советам. Так почему же множество людей продолжают набирать вес, несмотря на то что излишний вес порождает дискомфорт, лишает человека привлекательности и увеличивает риск ранней смерти? Почему толстяк продолжает есть?

Этот феномен модно объяснять психологическими причинами. Многие психиатры утверждают, что причина недуга, отражающегося на состоянии всего тела, кроется в бессознательном. Они называют ожирение «психогенным».

По такой версии люди, имеющие некоторый умеренный излишний вес и не страдающие при этом никакими определенными гормональными расстройствами, являются жертвами личностных проблем, что заставляет их переедать вопреки советам друзей и собственному здравому смыслу, вопреки самому искреннему желанию следить за диетой.

То ли их в детстве чрезмерно опекали и перекармливали до образования необратимой привычки к перееданию, то ли их, наоборот, напрочь отвергали, что вынудило их искать компенсации в еде. Может быть, к поиску утешения в поедании пищи их подтолкнула травма отлучения от груди. Возможно, они так и застряли на оральном этапе эротического развития, не сумев перерасти его, или, наоборот, навязчиво потребляют пищу, чтобы скрыть от себя самих подавленное желание отвергнуть как пищу, так и мать.

В общем, недостатка в возможных объяснениях происходящего психоаналитики не испытывают и утверждают в заключение, что излечиться от навязчивой потребности в еде можно с помощью психоанализа. Однако увеличение числа психоаналитиков в течение одного-двух последних поколений никак не сказалось на снижении числа людей с излишним весом. Напротив, толстяков становится все больше. Если судить по результатам, то похоже, что психологический подход к проблеме имеет какие-то серьезные недостатки.

Несколько лет назад двое ученых из колледжа штата Айова объявили о результатах своей попытки проверить гипотезу о психогенном происхождении полноты. Они изучили данные около сотни девушек — учащихся сельских школ, разделив их на две группы: в одну вошли девушки, которые на протяжении как минимум трех лет имели излишний вес, а в другую — девушки с весом в пределах нормы.

Если бы «психогенная» теория была верна, то полные девушки демонстрировали бы большую эмоциональную неустойчивость, чем девушки с нормальным весом; их успеваемость в школе была бы ниже нормы и прочие тесты тоже показывали бы тревожные результаты.

Однако, когда такое сравнение было действительно произведено, оказалось, что полные девушки никоим образом не выделяются из общего числа обследованных. И успеваемость их, и эмоциональная устойчивость, и сексуальные предпочтения — все оказалось абсолютно таким же, как и у их более стройных сверстниц. Единственная разница, которую удалось обнаружить исследователям, заключалась в том, что родители полных девушек сами обладали более плотной конституцией, чем родители худых.

Это и неудивительно. Из множества предыдущих исследований уже было известно, что лишь 10 процентов детей родителей, имеющих нормальный вес, будут полными. Если же один из родителей сам является полным, вероятность того, что у ребенка будет излишний вес, возрастает до 50 процентов. А у двоих полных родителей ребенка та же судьба ожидает с вероятностью уже 80 процентов.

Можно сделать из этого вывод, что излишнее потребление пищи — привычка, воспитанная родительским примером. Однако пример разделенных близнецов показывает, что они набирают один и тот же вес, даже если воспитывались в совершенно различных условиях.

Остается только с тревогой обратиться к изучению наследственности. Возможно, существует некое наследуемое свойство, ведущее к перееданию, и тогда получается, что главная причина излишнего веса лежит в сфере физиологии.

Некоторые диетологи так и считают, сетуя на то, что исследования в области физиологии ожирения тормозятся несерьезным отношением к вопросу со стороны людей с нормальным весом (в том числе врачей и диетологов), которые зачастую уверены, что с перееданием легко можно справиться простым усилием воли.

Неспособность к подобному волевому усилию принято порицать как чревоугодие; если же будет обнаружена физиологическая причина переедания, то это снимет с обжоры ответственность, что некоторые считают просто аморальным.

Но полностью исключить физиологию уже не удастся. Факт наследования склонности к полноте уже признан исследователями и изучается на материале животных, которым гораздо сложнее, чем людям, приписать сложную психологическую мотивацию. Так, получены линии лабораторных мышей, которые, получив возможность есть сколько пожелают, поглощают пищу до тех пор, пока не станут весить в два раза больше обычных мышей (притом что обычных мышей тоже в еде никто не ограничивает). Их «склонность к ожирению» является наследственной, и ее можно проследить от поколения к поколению.

Многие виды мясного скота представляют собой именно такие отобранные линии. Например, домашние свиньи — это просто ходячие фабрики по выработке сала, совершенно не похожие на своих предков — поджарых, стройных диких свиней. Почему же тогда фактор наследственности следует игнорировать в отношении людей? Ведь логично предположить, что причиной ненормального ожирения может быть наследование некоего дефекта биохимии организма.

Все мы знаем, что прием пищи регулируется с помощью аппетита. Когда человек голоден — он ест, когда сыт — прекращает есть. Большинству людей такой автоматической регулировки достаточно, чтобы поддерживать свой вес более-менее на одном уровне (с колебаниями в пределах 2-3 процентов). Этим счастливчикам незачем особенно следить за тем, что и в каких количествах они едят. Их организм сам следит за своим весом.

Но не всем так везет. Есть люди, которые постоянно набирают вес, как только перестают следить за своей диетой. Чтобы не растолстеть, им приходится сознательно ограничивать свой аппетит, вечно есть меньше, чем хочется, отчего их жизнь подчас становится поистине несчастной.

Большинство таких людей, чей аппетит превышает потребности организма, набирают некоторое количество излишнего веса и на этом останавливаются. Ведь каждый лишний набранный килограмм приходится постоянно поднимать, ворочать и перемещать, на что и тратится дополнительная энергия, получаемая от избытка поглощаемой пищи. Но некоторые в ответ на увеличение расхода энергии начинают есть еще больше и таким образом все набирают и набирают вес до тех пор, пока не принимают решения бороться с этим процессом сознательно.

Причем излишний вес — это проблема, связанная не только с приемом пищи. Одно из недавних исследований состояния школьников показало, что большинство полных детей едят даже меньше, чем дети с нормальным весом, но они проводят свое свободное время сидя перед телевизором, а не участвуя в подвижных играх и других видах активного отдыха.

Набор или потеря веса регулируется отношением количества поглощаемой пищи к расходу энергии при этом. Излишний вес обретают те люди, кто постоянно ест «чуть больше», чем требуется для свойственного им расхода энергии, не важно, велик или мал этот расход. И именно этот излишек энергии и откладывается в виде жира.

Может быть, у таких людей просто что-то не в порядке с аппетитом? Можно провести аналогию между аппетитом и термостатом, регулирующим температуру обогревательных приборов. Термостат можно настраивать на различные значения, и может получиться так, что под его руководством обогреватель поднимет температуру в комнате несколько выше комфортной; так и аппетит может оказаться настроенным на разные уровни. Тот, у кого настройки аппетита сбиты в сторону завышения потребностей, становится Человеком Голодным. Он и проголодается раньше других, и дольше будет оставаться голодным — неудивительно, что ему предстоит быстро обрасти жиром.

Это плохо. По нашим американским меркам, жирным быть некрасиво, и к тому же мы четко знаем, что излишний вес представляет собой опасность для здоровья. Для толстяка вероятность заболеть диабетом в четыре раза выше, чем для человека с нормальным весом, а болезнями сердечно-сосудистой системы — в два раза. Из соображений заботы как о своей внешней привлекательности, так и о своем здоровье многие толстяки пытаются похудеть — обычно для этого садятся на диету. Но для людей с повышенным аппетитом диета — это мучение. Кроме того, на урезание рациона организм такого человека реагирует, как правило, снижением двигательной активности, в результате чего, несмотря на все претерпеваемые муки, такие люди теряют меньше веса, чем люди с нормальным аппетитом, потребляющие тот же объем пищи.

Садясь на диету, толстяк, можно сказать, вручную удерживает бегунок регулятора своего аппетита на нужной позиции. Такому худеющему приходится все время быть начеку, ведь стоит ему расслабиться, как аппетит снова становится прежним и вес опять начинает расти. Вокруг нас полно толстяков, которые когда-то путем долгих усилий сумели похудеть, а затем снова набрали весь свой вес.

На аппетит можно воздействовать не только с помощью одних лишь волевых усилий. Можно принимать таблетки, снижающие аппетит. Можно попытаться «обмануть» организм, если есть очень медленно или маленькими порциями. Существуют целые «обманные» диеты, основанные на употреблении жирной пищи с низким содержанием углеводов, поскольку жиры якобы быстрее утоляют аппетит, чем углеводы, и при этом на более долгий срок. Но какие уловки ни используй, как только от них откажешься — вес в конце концов снова вернется к прежнему уровню.

Где же находится регулятор аппетита и как он работает? Кажется, что место его расположения — часть мозга, носящая название «гипоталамус» (см. главу 1). Если подопытному животному химическим или хирургическим путем повредить гипоталамус, аппетит его возрастает многократно. Животное начинает жадно есть и вскоре становится толстым.

А вот как именно работает аппетит — вопрос весьма спорный. Если его колебания определяются не «душевным дискомфортом», а чем-то более физическим и материальным, то чем же именно?

Интересное предположение на этот счет содержится в теории, выдвинутой Джин Майер, физиологом из Гарвардского медицинского колледжа. В этой теории важное значение придается уровню глюкозы в крови. Глюкоза — это вид сахара, всегда обнаруживаемый в крови в небольших количествах. Запасы глюкозы организм хранит в печени в виде крахмалообразного вещества, называемого «гликоген». Клетки организма поглощают глюкозу из крови и используют ее для извлечения энергии. По мере расходования глюкозы, растворенной в крови, печень вырабатывает дополнительное ее количество из гликогена и снова выбрасывает в кровь — ровно столько, сколько необходимо для того, чтобы компенсировать затраты. При активной деятельности клетки используют больше глюкозы, поэтому печень преобразует гликоген в глюкозу с повышенной скоростью; на отдыхе, напротив, расход глюкозы уменьшается и преобразование гликогена в глюкозу тоже замедляется. В целом процесс оказывается очень хорошо сбалансированным. Но на самом деле уровень глюкозы не является всегда полностью однородным. В перерывах между приемами пищи уровень глюкозы в крови медленно снижается, после еды — повышается. Майер выдвинула предположение, что именно эти колебания и управляют расположенным в гипоталамусе центром аппетита. Клетки этого центра, по теории Майер, непрерывно анализируют уровень глюкозы в крови: когда он снижается, включается чувство голода, когда он повышается, включается ощущение сытости.

Если принять теорию Майер за истину, то возникает следующий вопрос: а чем же регулируется уровень глюкозы в крови? Чем определяется тонкий баланс между противоположно направленными процессами поглощения и формирования глюкозы организмом?

Насколько нам известно, этот баланс управляется в основном двумя гормонами, вырабатываемыми определенными клетками поджелудочной железы. Один из них хорошо известен — это инсулин. Действие инсулина заключается в понижении уровня глюкозы, скорее всего, за счет облегчения процесса поглощения глюкозы клетками организма. Если вдруг по какой-то причине уровень глюкозы поднимается слишком высоко, то инсулин начинает вырабатываться и выбрасываться в кровоток, клетки начинают активнее поглощать глюкозу и ее уровень снижается.

Второй гормон — глюкагон. Он оказывает противоположно направленное действие.

Его действие заключается в поддержании высокого содержания глюкозы в крови, по-видимому, засчет стимуляции переработки хранящегося в печени гликогена в глюкозу. Если уровень глюкозы вдруг падает слишком низко, то поджелудочная железа начинает активно работать, производя глюкагон, гликоген начинает активно преобразовываться в глюкозу, а та — выбрасывается в кровоток, в результате чего уровень глюкозы в крови снова повышается. Согласованная деятельность обоих гормонов обеспечивает содержание глюкозы в крови на постоянном уровне, допуская лишь незначительные колебания, на основании которых гипоталамус и регулирует чувство голода.

Но что же происходит, если в этом налаженном взаимодействии случается сбой?

Достаточно часто (даже слишком часто) организм теряет способность формировать инсулин в необходимом объеме. Склонность к этому нарушению метаболизма является наследственной, и возникающее в таком случае заболевание получило название «сахарный диабет».

Когда организму не хватает инсулина, ткани теряют способность поглощать глюкозу и ее уровень в крови возрастает до опасных значений. Однако клетки гипоталамуса, задача которых в том, чтобы определять этот уровень, без инсулина сами тоже поглощают очень мало глюкозы и, соответственно, воспринимают ситуацию так, как будто глюкозы в крови мало, то есть включают чувство голода. Поэтому диабетик всегда голоден и, если не будет себя контролировать, будет переедать. Правда, при этом он все равно будет терять вес, так как эффективно использовать получаемую из пищи глюкозу все равно не сможет.

А что же второй гормон, регулирующий уровень глюкозы, — глюкагон? Имеются сведения, что инъекция глюкагона приводит к повышению уровня глюкозы и сразу же вслед за этим — к потере аппетита. Эти факты вполне соответствуют предположениям Майер.

Возникают вопросы, один интереснее другого. Может ли быть так, что снижение способности организма вырабатывать глюкагон приводит к тому, что уровень глюкозы в крови всегда будет слишком низким, а следовательно, аппетит — завышенным? Не страдают ли излишне полные люди на самом деле от низкого уровня глюкагона? Является ли склонность вырабатывать слишком мало глюкагона наследственной?

Если все вышеперечисленное верно, то не может ли быть так, что проблемы с управлением выработкой инсулина в организме начинаются тогда, когда гормон-антагонист, глюкагон, уже вырабатывается со сбоями? Не потому ли толстяки более предрасположены к диабету, чем люди с нормальным весом? И нельзя ли контролировать ожирение с помощью введения гормонов, как сейчас контролируют диабет?

Ответы на все эти вопросы пока что неизвестны. Но, каковы бы они в итоге ни были, глупо и бесполезно считать толстяков безвольными, психически неуравновешенными или просто прожорливыми. Брань, запугивание или анализ сновидений очень редко помогают им, разве что на время. Даже если в каких-то конкретных пунктах теория Майер и окажется неверной, почти наверняка можно сказать, что в целом в основе полноты все же лежит некий физиологический механизм, который в конце концов будет открыт и изучен во всех подробностях. Когда это произойдет, можно будет разработать рациональную гормонотерапию и излишний вес станет возможным лечить, как любую другую физическую болезнь. Но что же делать до тех пор?

Выход есть. Желающим похудеть надо уяснить главное — следует запастись терпением. Полностью расслабиться им уже никогда не удастся, и раз уж им приходится сдвигать бегунок регулятора своего аппетита вручную, то лучше делать это мягко и плавно.

Конечно, можно сесть на строгую диету или удариться в спорт, чтобы удивить друзей и порадовать себя быстрым успехом. Но как только искусственное давление на аппетит ослабеет, рано или поздно (чаще всего рано) организм восстановит привычный режим поглощения пищи.

Лучше есть всегда чуть меньше, чем хочется, но важно делать это постоянно. Плюс к этому чуть больше, чем хочется, заниматься спортом или иной физической активностью, и тоже постоянно. Получая каждый день чуть меньше калорий, а затрачивая чуть больше, человек будет потихоньку, медленно, но верно, терять в весе без лишних страданий. Долгосрочные результаты в этом случае будут гораздо лучше, ведь такие плавные изменения приведут к тому, что работать с аппетитом будет становиться все легче.

Имеются результаты как минимум одного долгосрочного исследования, свидетельствующие о том, что если некогда страдавший излишним весом человек сможет удерживать нормальный вес на протяжении от полугода до года, то, скорее всего, ему это удастся и дольше. Кажется, что достаточно долгое и плавное «ручное» воздействие на ручку регулирования аппетита приводит к тому, что его настройки в конце концов устанавливаются на более низкие значения.

Наберитесь терпения. Выиграть эту гонку можно лишь медленными, но постоянными усилиями.

Примечание. Когда я писал вышеприведенную главу, у меня у самого было около двадцати килограммов лишнего веса, и мне это совершенно не мешало. Состояние собственного здоровья казалось мне превосходным, ни диабета, ни расстройств сердечно-сосудистой системы ничего не предвещало. Более того, я был полон энергии, у меня всегда было хорошее настроение, в общем — никто не мог привести мне причину, по которой стоило бы ограничивать себя во вкусной еде.

Но, написав эту главу, я задумался. Моим близким удалось убедить меня попробовать применить собственные увещевания на себе самом. В конце концов я обнаружил, что пятнадцать килограммов действительно удалось сбросить. С тех пор я без особых усилий удерживаю достигнутый вес на протяжении уже двух лет. Конечно, мне приходится для этого сидеть на диете — в том смысле, что я ем уже не столько, сколько в те беззаботные дни, но это дается мне без труда.

Да, пять лишних килограммов все же остались со мной. Что ж, теперь, переработав главу второй раз, я, может быть, наберусь решимости и попробую избавиться и от них.

Глава 4 КРОВЬ ПОДСКАЖЕТ

В венах каждого из нас находится персональная энциклопедия, которую врачи и биохимики лишь постепенно учатся читать. Они все еще корпят над наиболее непонятными абзацами, но того, что они уже сумели распознать, оказалось достаточно, чтобы продлить жизнь множеству людей.

В старину была такая поговорка: «кровь подскажет». Жизнь показала полную несостоятельность этой народной мудрости в ее первоначальном смысле, поскольку оказалось, что все те качества, которые должна была, по идее, «подсказывать кровь» — честность, храбрость, хорошие манеры, ну, или противоположные им, — определяются средой и воспитанием, никоим образом не являясь наследственными.

И лишь на заре XX века началось изучение той информации, которую кровь несет в себе на самом деле. И выяснилось, что кровь действительно может «подсказывать» — но только тогда, когда ей задают правильные вопросы.

В 1901 году было установлено, что существует четыре основные группы крови. Внешних отличий между кровью различных групп не существует; определить группу крови человека по внешности или по результатам изучения любой другой составляющей его организма, кроме самой крови, невозможно.

Разница же оказалась в следующем: при смешивании образцов крови, принадлежащих к разным группам, красные кровяные тельца одной из них слипаются вместе, образуя аморфную массу. При смешивании образцов крови, принадлежащих к одной и той же группе, такого никогда не происходит. В лабораторных условиях это выглядит, конечно, интересно; в организме же живого человека такая реакция оказывается смертоносной, поскольку слипшиеся комки красных кровяных телец забивают жизненно важные сосуды почек, печени, сердца, мозга…

Так, наконец, было получено удовлетворительное объяснение тому разнообразию результатов, которое сопутствовало попыткам переливания крови, имевшим место ранее XX века. На протяжении всей истории человечества врачам периодически приходило в голову восполнить смертельную кровопотерю своего пациента путем переливания крови от другого человека. Иногда эта процедура приводила к спасению больного, чаще — к его смерти.

В XX веке переливание крови превратилось в безопасную и общераспространенную процедуру. Для этого оказалось необходимым выполнение всего тишь одного условия — чтобы донор и реципиент принадлежали к одной группе крови или, в крайнем случае, чтобы группа крови донора входила в список совместимых с группой крови реципиента.

Группа крови — наследственный признак, передающийся по определенной закономерности, так что кровь может не только «подсказать», допустимо ли в данном случае ее переливание, но и немного рассказать о родственных связях.

Например, у отца и матери, имеющих группу крови А (II), не может родиться ребенок с группой крови В (III).

Если обнаруживается, что группа крови их ребенка — все же В (III), то одно из двух: либо младенца случайно подменили в роддоме, либо его настоящий отец — совсем другой мужчина. Многочисленные родственники в таком случае могут дружно и страстно заверять, что у ребенка нос и подбородок точь-в-точь как у отца, но это все уже ничего не значит. Даже если нос и подбородок действительно похожи — это не более чем совпадение. В таком случае кровь подсказывает со стопроцентной точностью, и тут уж ничего не поделаешь. Остается только надеяться, что в лаборатории что-то напутали с анализами.

Кровь таит в себе сведения о родственных отношениях и более широкого характера. К примеру, такой фактор группы крови, как отрицательный резус-фактор (Rh-), в достаточной степени распространен среди европейцев и их потомков, обитающих на других континентах. А в крови аборигенов Азии, Африки, Австралии и Америки он практически не встречается.

В самой же Европе концентрация обладателей отрицательного резус-фактора выше всего среди басков, проживающих в Испанских Пиренеях, — там доля носителей этого фактора составляет около трети всего населения. Возможно, баски являются наиболее чистыми современными представителями «древнеевропейского» населения, которое впоследствии по всей Европе тысячелетиями разбавлялось пришельцами из Азии и Северной Африки.

Предположение о том, что баски — последние представители праевропейцев, косвенно подтверждается и тем фактом, что их язык не является родственным ни одному языку на Земле.

Отслеживая изменение соотношения различных групп крови у населения по мере передвижения по земному шару, ученые пытались составить карту массовых миграций прошлого. Группа крови В постепенно исчезает по мере передвижения по Европе с востока на запад, от Уральских гор до Атлантического океана; возможно, что таким образом отмечены волны нашествий азиатских захватчиков — гуннов, монголов и прочих, поскольку самая высокая на Земле концентрация населения с группой крови В наблюдается в Центральной Азии. По группам крови населения можно также отследить нашествия австралийцев на север и японцев — на запад.

Пытаться отслеживать все это только по четырем основным группам крови очень сложно — все четыре имеют очень широкое распространение, и соотношения их не очень сильно меняются от региона к региону.

К счастью, за последние полвека было открыто множество дополнительных групп крови. Количество возможных сочетаний этих типов в крови одного отдельно взятого человека составляет 1 152 900 000 000 000 000 даже с учетом того, что некоторые из них являются крайне малораспространенными.

Эта огромная цифра в 400 миллионов раз превышает численность всего населения земного шара. Поэтому вполне вероятно, что если бы существовала лаборатория, где можно было бы протестировать кровь на наличие каждой из известных науке групп крови (а таких лабораторий в мире, к сожалению, нет), то в ней могли бы отличить кровь любого человека от крови любого другого (за исключением разве что однояйцовых близнецов).

Так что, возможно, каждый из нас все время носит с собой визитную карточку. Если полностью типировать вашу кровь, то любой сотрудник лаборатории, произведя соответствующие анализы, сможет сказать: «Я уверен, это кровь Джона Ду!»

С помощью подробного анализа можно будет раз и навсегда выяснить любые родственные отношения — от установления отцовства до вычерчивания маршрутов блуждания полинезийцев или пути попадания индейцев в Америку.

Однако интересующимся такими маршрутами антропологам следует поторопиться. С появлением автомобилей народы стали перемешиваться гораздо быстрее, а сейчас, с массовым использованием пассажирской авиации, и океаны перестали быть серьезной преградой для смешивания различных кровей. Если тенденция окажется стойкой, то уже через несколько поколений нельзя будет толком проследить никакие миграции прошлого.

В целом все вышеизложенное говорит о том, что кровь может, по крайней мере теоретически, поведать нам о том, кто мы такие.

Интересно, можем ли мы извлечь из нее другие сведения о себе? Например, о том, здоровы мы или больны, если больны — то чем и насколько серьезно. Или, еще лучше, можно ли по анализу крови предсказать, когда и чем нам еще только предстоит заболеть?

Да, по крайней мере теоретически, кровь может нам все это рассказать. На правильно заданный вопрос она всегда даст точный ответ.

И дело тут не в праздном любопытстве — стремление заглянуть в предсказывающий будущее хрустальный шар является одним из сильнейших желаний человека. Все мы становимся жертвами болезней, и чем больше мы знаем о них, тем проще нам с ними бороться — замедлять ход их течения, выздоравливать, а лучше всего предотвратить сам факт заболевания.

Известно, что чем раньше диагностировано заболевание, тем легче его лечить. Любое достаточно далеко зашедшее заболевание проявляется в виде симптомов, или его никто не признал бы за болезнь. Но организм ведь борется с недугом с самого начала, и если уж дошло до симптомов — значит, битва уже в значительной степени проиграна, по крайней мере на данном этапе. Следовательно, лучше всего результат лечения будет в том случае, если с болезнью начать бороться задолго до того, как симптомы станут заметны невооруженным глазом.

Любая деятельность организма, хоть здорового, хоть больного, отражается в сложном химическом составе крови. Давайте рассмотрим это положение на примере диабета.

Диабетик, чья болезнь зашла уже достаточно далеко, теряет в весе, хотя и ест очень много (см. главу 3); он много пьет и много мочится. Его мучают зуд, нарывы и ряд других, более серьезных, хоть и менее заметных, расстройств. К этому моменту дела большого уже очень плохи, он практически неизлечим.

Причина диабета — в нехватке одного определенного гормона, инсулина. Инсулин управляет уровни в крови глюкозы — одного из видов сахара. По мере уменьшения в крови инсулина концентрация глюкозы возрастает до тех пор, пока глюкоза не начинает попадать даже в мочу. Наличие глюкозы в моче позволяет диагностировать диабет на той стадии, когда больного еще можно спасти.

Но для того, чтобы он мог продолжать комфортную жизнь, эта стадия болезни все равно является уже слишком запущенной. Можно брать на анализ саму кровь и проверять, не является ли концентрация глюкозы в ней повышенной, пусть и не настолько, чтобы глюкоза попадала в мочу. Или, более того, можно «проверить на прочность» те участки биохимии организма, которые отвечают за концентрацию глюкозы. Тогда сразу станет ясно, дадут ли системы контроля уровня глюкозы в организме сбой в случае повышенной нагрузки, даже если в нормальной ситуации все показатели пока в норме. Таким образом можно диагностировать диабет на самой ранней стадии.

Такой анализ называется «сахарная проба». Обследуемому дают выпить большую дозу раствора глюкозы и берут анализ крови до этого и несколько раз после.

Глюкоза быстро всасывается через кишечник и выбрасывается в кровь. В результате концентрация глюкозы в крови, естественно, резко возрастает. Ответной реакцией организма на возросший уровень глюкозы является повышение выработки инсулина, с помощью которого концентрация глюкозы быстро приводится в норму. У здорового человека концентрация глюкозы составляет около 100 миллиграммов на 100 миллилитров крови. Через сорок пять минут после приема глюкозы эта цифра возрастает до 200, но еще час спустя снова опускается до 100.

Если же показатель сначала поднимается гораздо выше 200, а затем возвращается к норме в течение нескольких часов, то это значит, что организм не справляется с задачей по выработке инсулина в достаточных количествах, и высока вероятность того, что у обследуемого развивается диабет. В случае, когда болезнь удается диагностировать на столь ранней стадии, с помощью правильной диеты и системы физических упражнений человек может неопределенно долго избегать дальнейшего развития заболевания. До необходимости в инъекциях инсулина в таком случае может никогда и не дойти.

Рассмотрим другой пример — деятельность щитовидной железы, управляющей скоростью всех процессов биохимии организма. Этот показатель называется «интенсивность основного обмена». До последних нескольких лет ее определяли, заставляя обследуемого дышать, вдыхая кислород из камеры, поскольку приближенное значение интенсивности основного обмена можно высчитать, исходя из объема потребления кислорода. Однако щитовидная железа вырабатывает определенные гормоны, управляющие интенсивностью обмена. В этих гормонах содержатся атомы йода, которые в составе белков крови переносятся от щитовидной железы к другим органам. После того как был разработан метод тестирования на «белково-связанный йод», долгий и не очень точный кислородный тест отошел в прошлое. Теперь стоит взять лишь каплю крови на анализ, и все становится ясно.

Заболевания почек, как и диабет, диагностировать легко лишь на последних стадиях. Необходимо было что-то придумать, чтобы облегчить раннюю диагностику. Главной функцией почек является фильтрация отходов из крови, а основным отходом организма является мочевина. Соответственно, несложно измерить концентрацию мочевины в крови, и если обнаруживается, что она выше нормы, то вполне вероятно, что почки потихоньку перестают справляться со своей работой.

Печень — это самая главная химическая фабрика в организме, и жизненно необходимо, чтобы она работала без перебоев. Но все производимые ею вещества распространяются по тканям организма только с потоками крови, так что по концентрации этих веществ в крови тоже можно установить, не возникло ли каких-либо проблем в работе печени. Возьмем, к примеру, желтуху — болезнь, при которой в крови сверх нормы увеличивается концентрация желто-зеленого пигмента билирубина. Причиной тому может быть проблема с красными кровяными тельцами, которые начинают слишком быстро распадаться, образовывая при этом большие количества билирубина. А может оказаться всему виной и печень, если она начнет вдруг вместо выделения билирубина в кишечник выделять его в кровь. Произведя два различных анализа на билирубин, биохимик сразу же увидит, где проблема — в крови или в печени.

Кровь — это открытая книга, но написана она чрезвычайно сложным языком. Биохимики могут выделить из крови каждое из многих десятков веществ, а по концентрации многих из них диагностировать некоторые заболевания. Так, повышение уровня белка серумамилазы может свидетельствовать о приближающемся панкреатите; повышение концентрации другого белка, алкалинфосфатазы, — о наступающем раке костей; а слишком большое количество кислой фосфатазы — о раке простаты. Превышение концентрации белка трансаминазы может указывать на проблемы с сердцем, а повышение уровня жирных веществ — на вероятность развития атеросклероза. Таких примеров можно привести десятки.

Нет ни одного теста, который четко указывал бы на одно конкретное заболевание, но каждый тест сужает поле поиска, и с помощью комбинации тестов его можно сузить вполне значительно. Врач получает ясное направление работы, и это тогда, когда еще ни один симптом не получил возможности развиться и когда еще очень высоки шансы на полное выздоровление больного или хотя бы на предотвращение дальнейшего прогресса болезни.

Что ждет нас в будущем? Есть все основания полагать, что ценность крови, как инструмента диагностики, будет только возрастать. После Второй мировой войны постоянно разрабатывались все новые и новые технологии, позволяющие анализировать все более сложные смеси со все большей точностью. С каждым годом мы все точнее можем разлагать кровь на составляющие.

Но далеко не любое отклонение от среднестатистических показателей является патологией. Взять хотя бы те же группы крови. Насколько известно, обладатель группы А так же нормален, как и обладатель группы В, способен прожить столько же и вести столь же здоровую жизнь. Но все же между ними налицо различие, которое нельзя не учитывать, например, при переливании крови.

Могут существовать и другие подобные отличия, не выходящие за пределы нормы, но тем не менее требующие учета.

Вот пример: одной из самых важных функций крови является снабжение различных клеток веществами, необходимыми для построения живой ткани. Основными из них являются двадцать два родственных между собой вещества, объединяемые под названием «аминокислоты». Они могут встречаться как самостоятельно, так и в составе огромных молекул — белков. Состав аминокислот в крови конкретного человека может иметь очень важное значение в лечебном процессе (см. главу 5).

Так что, возможно, в следующем столетии биохимия человека будет полностью индивидуализирована. Кровь человека станет не просто его визитной карточкой, а «личным делом» с записями обо всем его прошлом, настоящем и будущем.

Шерлок Холмс будущего должен будет заниматься анализом крови. И действительно, вполне можно представить, что по капле крови можно будет предсказать будущее не хуже, чем по игральной карте из колоды. Только кровь, в отличие от карты, будет не туманно предрекать «дорогу дальнюю» или «казенный дом», а вполне конкретно предписывать диету, предостерегать о грозящих опасностях и извещать о легких неполадках в биохимии организма, которые могут перерасти в серьезные проблемы, если им вовремя не придать значения. К тому времени как у вас появятся внуки, информации, получаемой из капли крови, будет достаточно, чтобы они прожили долгую и здоровую жизнь.

Глава 5 ВАШЕ ХИМИЧЕСКОЕ «Я»

Для нас само собой разумеется, что не существует двух полностью одинаковых людей. Ребенок без труда узнает свою маму, а молодой человек страстно заверяет свою возлюбленную, что никто в мире не сравнится с ней. Даже между однояйцовыми близнецами есть какие-то минимальные различия. Зрение человека способно улавливать массу индивидуальных различий; то же самое можно сказать и об обонянии собаки. Но поэты утверждают, что взгляд не способен проникнуть вглубь дальше кожи, а телереклама говорит то же самое и о запахе.

Так можем ли мы проникнуть глубже? Существуют ли такие же индивидуальные различия и во внутреннем функционировании организма, столь же очевидные холодному и беспристрастному химическому анализу? Да, конечно, все мы используем для переноски кислорода гемоглобин, а для производства энергии — одни и те же ферменты; у всех у нас есть легкие, сердце и почки. Все мы можем питаться одной и той же пищей, страдать одними и теми же болезнями, и все мы в итоге умрем. Но есть еще кое-что.

В предыдущей главе мы рассуждали о роли крови в отображении химической индивидуальности человека — теперь пора продвинуться еще дальше.

В течение первых пары десятилетий XX века английский врач Арчибальд Гаррод занимался изучением обмена веществ у людей, а именно исследованием последовательности химических реакций, с помощью которых организм разлагает пищу для получения энергии и построения тканей. Ему попадались случаи, когда организм человека оказывался лишенным способности осуществлять ту или иную реакцию — всего одну, но результаты зачастую становились плачевными (подобные примеры уже приводились выше).

Такие химические отклонения являются врожденными. Весь инструментарий для своей биохимической деятельности, полный или дефектный, человек получает с рождения (хотя в некоторых случаях дефект сказывается гораздо позже). Гаррод назвал отклонения от нормы «врожденными дефектами обмена веществ».

Разумеется, легче всего распознать те дефекты, которые приводят к развитию серьезных заболеваний, таких как диабет (см. главу 4), или имеют заметные внешние симптомы (пример — алкаптонурия, сравнительно безвредное заболевание, при котором моча в некоторых случаях становится черной).

Понимая, что внутриклеточные химические механизмы в высшей степени сложны, Гаррод выдвинул вполне логичное предположение, что могут существовать и такие отклонения, которые не приводят к появлению опасных или заметных внешних симптомов; иными словами, метаболизм каждого отдельного человека может иметь некие минимальные отличия от метаболизма любого другого человека, не являющиеся ни преимуществом, ни недостатком. С этой точки зрения каждый из нас уникален не только внешне, но и внутренне.

Вот смотрите. Организм умеет вырабатывать особые защитные белки (антитела), которые вступают в реакцию с чужеродными молекулами и нейтрализуют их. Это один из лучших способов защиты от вторгающихся в организм бактерий и вирусов. После того как у человека один раз выработались антитела против вируса кори, в дальнейшем эта болезнь ему уже не страшна — у него формируется иммунитет против нее. Вакцина Сэбина стимулирует организм вырабатывать антитела против вируса полиомиелита путем введения самого этого вируса, но только в такой форме, которая не может привести непосредственно к развитию заболевания. Таким образом, организм приобретает иммунитет, не рискуя при этом заболеть полиомиелитом по-настоящему.

Механизм выработки иммунитета имеет и обратную сторону — иногда случается так, что организм формирует чувствительность и к совершенно безвредным инородным веществам, например к некоторым видам цветочной пыльцы или пищи. Такой «ошибочно сформированный» иммунитет называется аллергией.

Каждое определенное антитело четко различает все чужеродные вещества между собой (к примеру, белок утиного и куриного яйца), даже в тех случаях, когда и химику разница между ними неочевидна. И тем более все антитела способны отличать чужеродные вещества от молекул, свойственных самому организму.

Раз антитело может отличать один белок от другого, значит, между ними имеются какие-то различия. Если это так, то получается, что белки каждого человека на земле должны отличаться от белков каждого из остальных людей (за исключением случая однояйцовых близнецов). Косвенным доказательством тому является тот факт, что пересаженный участок кожи может прижиться лишь в том случае, когда он взят с тела самого больного или с тела его однояйцового близнеца, если больному посчастливилось такого близнеца иметь.

Белки кожи любого другого человека организм больного распознает как чужеродные и начнет формировать против них антитела. Эти антитела не дадут трансплантату прижиться, отстояв, таким образом, химическую индивидуальность больного — правда, в данном случае ценой угрозы для его же здоровья.

До сих пор все чудеса медицины достигались путем методов «массированных атак», а научная медицина искала средства, которые подходили бы всем и каждому. Аспирин утоляет боль практически у всех, пенициллин практически всегда останавливает рост определенных бактерий в организме любого человека. Так что врач может всем и каждому прописывать эти лекарства — с оглядкой, разумеется, на редкие случаи гиперчувствительности к ним незначительного меньшинства людей.

Однако по мере накопления знаний к таким «универсальным» терапевтическим методам прибавятся и более тонкие, основанные на индивидуальных потребностях организма каждого. Врачам придется признать, что у человека имеется не только психологическое и биологическое «я», но и химическое тоже.

Несомненно, первые шаги в этом направлении будут связаны с белками. В конце концов, большую часть веществ, вызывающих формирование антител, представляют собой белки, и сами антитела тоже являются белками. Очевидно, что присутствующие в организме белки немного различаются между собой, и для того, чтобы извлечь из этих различий преимущества, организм может формировать особые, дополнительные белки.

О каких же различиях идет речь? Начнем с того, что белки состоят из крупных молекул. Даже средняя по размеру белковая молекула имеет в своем составе около 400 000 атомов. Для сравнения упомянем, что молекула воды состоит из трех атомов, а молекула сахара, который мы употребляем в пищу, — из 45.

В составе белковой молекулы атомы расположены по блокам, именуемым аминокислотами, в каждый из которых входит от 10 до 30 атомов. Аминокислоты, скрепленные последовательно, как бусы на ниточке, и составляют молекулу белка.

В общем все аминокислоты построены практически одинаково, разница между ними — лишь в деталях. Каждый конкретный белок состоит из аминокислот 15-22 различных видов, объединенных в цепочку, в которой всего могут оказаться тысячи аминокислотных молекул.

Естественно, если два белка состоят из разного количества аминокислот, то они уже различаются между собой, и антитела используют это различие. Точно так же понятно, что даже если два белка состоят из одинакового количества аминокислот, но количественные соотношения различных видов аминокислот в их составе различаются, то этого тоже достаточно, чтобы один белок четко отличался от другого.

Интересно, что даже если два белка состоят из одного и того же количества аминокислот и процентное соотношение аминокислот разных видов в их составе тоже одинаково, они все еще могут отличаться друг от друга за счет различий в порядке нахождения аминокислот в цепочке. Ведь если взять ожерелье из 20 бусин — пяти красных, пяти желтых, пяти синих и пяти зеленых, — то путем перестановки бусин на нитке можно получить 12 миллиардов различных комбинаций.

А строение белков еще сложнее. В состав среднего белка входит не 20, а более 500 аминокислот, а самих аминокислот не четыре, а 20 видов. И для того, чтобы записать число возможных комбинаций аминокислот в молекуле белка среднего размера, потребуется цифра более чем с шестью сотнями нулей.

Так что понятно, что конечно же у каждого человека вполне могут иметься собственные белки, отличающиеся от белков любого другого человека. Вполне возможно, что не только у каждого из ныне живущих людей, но и у каждого из когда-либо живших на Земле млекопитающих состав белков, а с ним — и вся внутренняя биохимия, имел строго индивидуальный характер.

Что ж, если белки в организме каждого живого существа имеют индивидуальное строение, а к чужеродным белкам организм болезненно чувствителен, то как же мы вообще едим пищу? К счастью, пища попадает в наш организм не в первозданном виде. Она сперва оказывается в пищеварительном тракте, где претерпевает определенные изменения. И лишь после этого она всасывается сквозь стенки кишечника и попадает, таким образом, собственно в организм.

В процессе переваривания пищи белки расщепляются на отдельные аминокислоты и в организм попадают именно они. Если бы в организм попало хоть малейшее количество самого белка, тут же началась бы иммунная реакция, которую мы назвали бы аллергией. Аминокислоты же совершенно безопасны.

Из части полученных аминокислот организм уже сам строит белки собственного образца, формируя из них собственные ткани, а другую часть — расщепляет для получения энергии. Естественно, при построении собственных белков аминокислоты используются в пропорциях, свойственных самому организму, а не в тех, в которых эти же аминокислоты использовались в белках, входивших в состав переваренной пищи. К счастью, организм способен справляться с такой диспропорцией за счет умения переделывать одни аминокислоты в другие. Из аминокислот, полученных в избытке, он достраивает недостающее количество аминокислот другого вида.

Правда, эта способность организма ограниченна. Около ста лет назад было обнаружено, что если крыс кормить только зерном в качестве единственного источника белка, то они умирают. А вот если к зерну добавить небольшое количество молочного белка, то крысы нормально живут на такой диете. Объяснение этому факту нашли в том, что в белке, получаемом из зерна, отсутствует аминокислота триптофан, в большом количестве содержащаяся в молочном белке. Очевидно, формировать триптофан из других белков организм крыс оказался не в состоянии, и отсутствие этой необходимой тканям аминокислоты приводило к смерти животного.

В 1930-х годах американский биохимик Уильям С. Роуз провел ряд экспериментов на студентах своего университета и установил, что существует восемь аминокислот, которые организм человека не способен производить самостоятельно. Он назвал их «необходимыми» аминокислотами, поскольку присутствие этих веществ в пище является необходимым условием для здоровья.

При достаточно разнообразном питании вряд ли кто-нибудь из нас будет всерьез страдать от недостатка необходимых аминокислот. Некоторый дискомфорт можно испытывать только в том случае, если мы сами, намеренно или неосознанно, выбираем себе ограниченную диету, которая оказывается бедна той или иной необходимой аминокислотой.

Диетологи хорошо умеют анализировать пищу на аминокислотный состав; им известны среднесуточные нормы потребления всех аминокислот. Подробно рассмотрев любую диету, можно понять, каких аминокислот в ней не хватает и как восполнить их нехватку с помощью введения в рацион дополнительных продуктов или таблеток. Это опять же решение «для всех», но возможен и более индивидуальный подход.

Существует достаточно простой способ измерить индивидуальные потребности человека. Организм производит белки для нужд собственных клеток; эти белки циркулируют в крови и имеют, предположительно, то же индивидуальное процентное соотношение аминокислот, которое свойственно организму обследуемого в целом. Можно взять капельку крови на анализ и взять из содержащихся в ней белков «химические отпечатки пальцев» — индивидуальное соотношение аминокислот. Сравнив его с соотношением аминокислот в диете обследуемого, можно сделать ему уже индивидуальные предложения по желательным изменениям в питании.

Человеку, в чьей биохимии имеются врожденные нарушения, можно в таком случае предложить индивидуальное лечение, а не навязывать ему то же, что и всем. Если мыслить более масштабно, то такой подход можно распространить и на целые географические области, где низкий уровень жизни населения препятствует полноценному питанию.

По мере возрастания медицинских и химических знаний, рано или поздно наступит тот день, когда обмен веществ каждого человека с раннего детства будет периодически подвергаться анализу и в центральном медицинском архиве будут храниться записи о каждом. И тогда врач вообще не будет лечить больного иначе, кроме как основываясь на предварительном изучении личного дела — разве что в экстренных случаях.

В конце концов, ведь к врачу за помощью обращается не все человечество в вашем лице — к нему обращаетесь лично вы, ваше химическое «я».

Глава 6 МОЛЕКУЛЫ: ВЫЖИВАЕТ САМЫЙ ПРИСПОСОБЛЕННЫЙ

Как уже говорилось в предыдущей главе, благодаря своей сложной молекулярной структуре белки являются одним из важнейших ключей к химической индивидуальности человека. Одними из наиболее значимых белков являются различные ферменты, о которых я уже упоминал в главе 1.

Так что неудивительно, что биохимики так активно взялись за изучение строения ферментов — и не без результатов.

Ферменты, как и все прочие белки, состоят из сравнительно простых структурных единиц — изаминокислот. Аминокислот существует около двадцати различных видов; в маленьких молекулах ферментов аминокислоты каждого вида представлены в количестве от двух до шести штук; в крупных молекулах ферментов — по нескольку десятков штук.

Биохимикам известно подробное строение каждой аминокислоты. Им в точности известно, каким образом одна аминокислота соединяется с другой для образования так называемой «пептидной цепочки». Поэтому для выяснения точной формулы белка необходимо установить, какие аминокислоты в нем представлены, по скольку аминокислот каждого вида и каков их порядок в пептидной цепочке.

Пептидную цепь можно подвергнуть гидролизу путем нагревания в растворе кислоты. В ходе этого процесса цепочка распадается на отдельные аминокислоты. Получившуюся смесь впоследствии можно подвергнуть анализу и подсчитать, сколько молекул каждой из аминокислот присутствовало в цепочке.

Но этого мало. Нужно установить еще, в каком порядке эти аминокислоты были представлены в пептидной цепи. Количество возможных комбинаций огромно даже для простейших белков. Возьмем, к примеру, такой гормон, как окситоцин — одну из самых маленьких белковых молекул естественного происхождения. Его молекула представляет собой пептидную цепь, в которую входят аминокислоты всего восьми видов, причем каждый вид представлен всего одной аминокислотой. Однако и этого достаточно, чтобы обеспечить 80 220 возможных вариантов чередования аминокислот в пептидной цепочке.

А когда дело доходит до больших белковых молекул, то задача становится чрезвычайно сложной, но все-таки не безнадежной. Установить порядок аминокислот в длинной цепочке можно, разрубая ее на мелкие участки по две-три аминокислоты в каждом и выясняя порядок следования аминокислот по всем этим отрезкам. К 1953 году, например, описанным образом был полностью установлен порядок аминокислот в молекуле гормона инсулина (см. главу 4).

Инсулин стал первой белковой молекулой, загадка строения которой была решена с помощью описанного алгоритма. Процесс решения занял восемь лет. Однако по мере дальнейшей разработки технологии срок, необходимый для разгадки строения крупных белков, становился все меньше. Так уже вскоре был установлен состав молекулы рибонуклеазы (фермента, который стимулирует распад рибонуклеиновой кислоты — той самой знаменитой РНК, о которой столько упоминалось в главе 2), которая представляет собой пептидную цепь из 124 аминокислот.

Процесс, путем которого рибонуклеаза (как и любой другой фермент) вызывает химическую реакцию, сам по себе настолько сложен и интересен, что заслуживает отдельного описания, чем я и займусь в следующей главе. Разумеется, как только химики установили точное строение молекулы фермента, их тотчас же заинтересовал вопрос о том, что же именно в этом строении придает молекуле ее потрясающую способность вызывать определенную химическую реакцию, в данном случае — распад РНК.

Химики осторожно начали работу в этом направлении, заменяя в рибонуклеазе то одну, то другую аминокислоту, стараясь понять, где же в ней «активный элемент», какие же именно участки молекулы непосредственно задействованы в реакции. Оказалось, что даже минимальное изменение одних аминокислот приводит к потере работоспособности фермента, в то время как другие аминокислоты можно было изменять в довольно значительной степени без какого-либо эффекта. Ключевыми оказались аминокислоты 12 (принадлежащая к разновидности гистидин), 41 (лизин) и 119 (снова гистидин).

Кажется вполне вероятным, что, несмотря на то что эти аминокислоты довольно значительно отстоят друг от друга в цепочке, все три вместе представляют собой единый активный элемент. Ведь пептидная цепь — не прямой стальной прут, а скорее гибкая нить, которую можно сложить таким образом, чтобы звенья № 12, 41 и 119 оказались рядом. Тогда образуется что-то вроде устойчивого соединения из трех аминокислот.

В «сложенном» таким образом виде молекулу фермента удерживают особого вида связи между определенными группами атомов. Очень важна роль аминокислоты цистин в одной из подобных связей. Цистин — это в какой-то степени двойная молекула. Каждая половинка ее является сама по себе полноценной аминокислотой, а соединяются между собой эти половинки посредством цепочки, в которую входят два атома серы (так называемый «дисульфидный мост»). Одна половинка молекулы цистина может входить в состав одной пептидной цепочки, а другая — другой. Таким образом, получается, что дисульфидный мост удерживает вместе не просто две половинки одной молекулы, а две отдельные пептидные цепочки (или два участка одной и той же цепочки).

В молекуле рибонуклеазы имеются четыре таких дисульфидных моста, связывающие различные участки пептидной цепочки. Помимо них, существуют еще и другие, более слабые виды дополнительных связей в молекуле, и все они вместе прочно удерживают пептидную цепочку в сложенном виде, благодаря чему в ней и складывается активный элемент.

Но если для формирования активного элемента в молекуле необходимыми являются лишь несколько присутствующих в ней аминокислот, то зачем нужна сотня с лишним остальных? Некоторые из причин уже очевидны.

Если рибонуклеазу разрубить на две части, скажем, по двадцатой аминокислоте, то ни одна из получившихся частей не будет работоспособна. Но если смешать растворы обеих получившихся частей, работоспособность окажется в значительной степени восстановленной. Создается впечатление, что обе части молекулы обратно соединяются из смеси именно правильным образом, хотя могли бы соединяться бесчисленным количеством неправильных вариаций. Очевидно, в ферменте аминокислоты выстроены таким образом, что цепочка просто не может не складываться правильно, так чтобы необходимые для формирования активного элемента аминокислоты не оказывались рядом. Возможно, именно для «самостоятельного» складывания цепочки правильным образом и необходимо наличие такого большого количества соответствующих звеньев.

К чему же такие сложности? Зачем выстраивать длинную цепь просто ради того, чтобы наверняка обеспечить формирование активного элемента; не проще ли было бы просто объединить три необходимые аминокислоты в одну трехзвенную цепочку, а с остальными — распрощаться?

В первую очередь причина в том, что совершенно не нужно, чтобы фермент всегда был активен.

Возьмем для примера распространенные ферменты трипсин и химотрипсин. Это пищеварительные ферменты, воздействующие на пищу в нашем кишечнике. Они обеспечивают расщепление белков пищи на короткие цепочки, которые затем будут расщеплены на аминокислоты и всосаны кишечником.

Такие ферменты являются составной частью сложной группы и должны выполнять свою работу только в нужный момент. Поэтому изначально они вырабатываются в неактивной форме, в которой известны под названием «трипсиноген» и «химотрипсиноген». Для того чтобы активизироваться, пептидные цепочки этих ферментов необходимо свернуть определенным образом, так чтобы образовался активный элемент. Однако сделать это непросто. Чтобы это произошло, необходимо разорвать пептидную цепочку в определенном месте. Тогда оставшаяся часть цепочки сама сворачивается правильным образом и получается активизированный фермент: химотрипсиноген превращается в химотрипсин, а трипсиноген — в трипсин.

Таким же образом и рибонуклеаза, которой необходимо правильным образом свернуться для образования активного элемента, сворачивается, по-видимому, не всегда, а только в определенных обстоятельствах. Соответственно, в зависимости от потребностей организма она может иметь как активный, так и неактивный вид. Если бы вместо длинной рибонуклеазы вырабатывался один лишь ее активный элемент, фермент был бы активен всегда, а это не соответствует потребностям сложного и тонкого живого организма.

Давайте вернемся к только что упомянутым пищеварительным ферментам. Молекула трипсина состоит из 223 аминокислот, выстроенных в три пептидные цепочки, объединенные между собой цистиновыми мостами; молекула химотрипсина несколько крупнее. Аминокислотное строение обоих ферментов уже установлено.

Активные элементы трипсина и химотрипсина оказались одинаковыми, и в целом их строение наполовину совпадает. Неудивительно, что и действие обоих ферментов одинаково — оба они вызывают расщепление белковых молекул в ходе пищеварительного процесса.

Но есть в их строении и различия, благодаря которым трипсин крепится к белковым молекулам одним образом, а химотрипсин — другим. По отношению к собственному активному элементу оба фермента ориентированы по-разному и поэтому полными дубликатами друг друга не являются.

Из-за таких различий в ориентации трипсин расщепляет не все аминокислотные связи, а лишь некоторые из них, например ту, при которой задействован уже упомянутый мной лизин, или другая аминокислота — аргинин, в определенных аспектах похожая на лизин. Химотрипсин же расщепляет другие аминокислотные связи — те, в которых участвуют аминокислоты фенилаланин, тирозин и триптофан (их объединяет присутствие в структуре молекулы кольца из шести атомов углерода).

Несмотря на то что активные элементы трипсина и химотрипсина одинаковы, назначение остального тела этих молекул оказывается различным. Таким образом, с помощью наличия двух различных между собой ферментов организм получает дополнительную гибкость в управлении пищеварительными процессами, которой не имел бы, если бы вместо длинной пептидной цепочки фермент представлял бы собой единый активный элемент.

Сходство трипсина и химотрипсина наталкивает на мысль о наличии у них общего «молекулярного предка». А причиной наблюдаемых между ними различий является тот факт, что в процесс наследования способности формировать определенные ферменты иногда может вторгнуться искажение (так называемая «мутация»).

Понятие эволюции методом естественного отбора можно с равным успехом применить как к живым организмам в целом, так и к пептидным цепочкам. Если функционирование новой, формируемой под воздействием мутации пептидной цепочки оказывается неэффективным или отсутствующим вообще, то ее носитель умрет. Если же действие новой, мутировавшей пептидной цепочки окажется несколько отличающимся от действия старой или даже принципиально другим, но тоже полезным, то ее носитель выживет и, возможно, видоизменится сам. Среди молекул, как и среди живых организмов, тоже выживает наиболее приспособленный.

Более того, эволюция молекул может пролить свет и на эволюцию организмов. Недавно было изучено строение фермента цитохром С, участвующего в обработке тканями кислорода, у 13 видов живых существ, от человека до плесени. Оказалось, что около половины из 104-108 аминокислот этого белка присутствуют в организмах всех 13 видов в одинаковом порядке. Это еще одно свидетельство в пользу того, что все живое имеет общего предка.

Чем сильнее различаются между собой биологические виды живых существ, тем больше отличается и строение в их организмах соответствующего фермента. Молекула цитохрома С в организме человека лишь на одну аминокислоту отличается от аналогичной молекулы в организме макаки-резуса. А вот от молекулы цитохрома С тунца ученые нашли уже 21 отличие, а от молекулы из организма плесени — 48 отличий (хотя напомним, что функция цитохрома С в организмах всех перечисленных биологических видов одна и та же).

Несомненно, что если химикам удастся упростить и доработать свою технологию до такого состояния, когда станет возможным изучение множества ферментов у множества живых видов, то обнаруженные при этом различия помогут в подробностях раскрыть ход эволюции жизни на Земле.

Глава 7 ФЕРМЕНТЫ И ОБРАЗЫ

В одном из классических химических экспериментов, с которого часто начинается изучение общей химии в колледже, экспериментатор получает кислород путем разложения бертолетовой соли (в состав которой входят атомы кислорода). При проведении этого опыта необходимо четко соблюдать условия. Студент должен не просто нагреть бертолетову соль — необходимо сначала добавить двуокись марганца, в состав которой тоже входит кислород. Если этого не сделать, то бертолетову соль придется нагревать очень сильно, а выход кислорода все равно будет небольшим. При наличии же двуокиси марганца достаточно лишь немного нагреть смесь, и кислород начнет активно выделяться.

Необходимо объяснить студенту, что сам диоксид марганца при этом в реакции не участвует, хотя бы для того, чтобы студент не решил, что кислород выделяется из двуокиси марганца, а в осадок выпадает металлический марганец. Действие двуокиси марганца заключается только в ускорении каким-то образом распада бертолетовой соли. При этом сама двуокись марганца не потребляется — достаточно, чтобы она просто присутствовала. В данном случае двуокись марганца является катализатором реакции, а сам процесс, при котором одно вещество самим своим присутствием влияет на ход реакции других веществ, называется катализом.

Если ограничиться вышеприведенными сведениями (как часто делают), то новичок может сделать вывод и всю жизнь считать, что катализ — это такое чудо. Само признание того, что некое вещество может влиять на процесс без непосредственного вступления в него, одним своим присутствием, сразу порождает представление, что либо бертолетова соль каким-то мистическим образом чувствует присутствие двуокиси марганца и начинает вести себя по-другому, либо мы наблюдаем случай дистанционного воздействия (например, телекинеза) на бертолетову соль со стороны могущественной молекулы двуокиси марганца.

Излишняя таинственность в науке только помеха, ведь сама задача науки заключается в том, чтобы сделать Вселенную как можно менее таинственным местом. Если учесть, что стоит студенту заняться в будущем промышленной химией, и ему придется постоянно сталкиваться с катализируемыми реакциями, а если он изберет биохимию, то и здесь обязательно будет иметь дело с необходимыми белковыми катализаторами — ферментами, то понятно, что подобный налет таинственности совсем уж нежелателен.

Естественно, нет необходимости надолго прерывать вводный курс химии ради подробного отклонения в область химии поверхностей с целью раскрыть завесу тайны катализа. Студенты все равно ничего не поймут, потому что у них еще нет соответствующей базы знаний, да это и не нужно. Достаточно просто отметить, что никакой тайны в катализе нет, а подробное объяснение подождет.

Чтобы устранить таинственность, нужно всего лишь привести студентам известные примеры того, как реакцию можно ускорить с помощью присутствия внешнего воздействия, — примеры, явно лишенные какой-либо мистики. Короче говоря, студент может быть не готов к объяснениям из области высшей химии, но он всегда готов к восприятию метафорического образа.

Если этот образ окажется достаточно наглядным, го студент запомнит его навсегда. Даже если он никогда не пойдет дальше базового курса химии, то хотя бы в одном аспекте химия лишится в его глазах мистического налета. Так совершится еще один вклад в рационалистическую систему мировоззрения человека, которая в итоге приводит к научному мышлению. Если же студент в дальнейшем перейдет к курсу высшей химии, то там катализу будет уделено особое внимание и под него будет подведена точная теоретическая база, но, по крайней мере, изначальный подход у нашего студента уже будет правильным и он сможет воспринимать материал с большим доверием.

Так как же катализатор может повлиять на ход реакции самим своим присутствием? Какую аналогию такому феномену может предложить жизнь? Давайте возьмем в качестве аналогии скольжение кирпича по наклонной плоскости.

Давайте вместо распадающейся с высвобождением кислорода бертолетовой соли представим себе кирпич, скользящий вниз по слегка наклонной плоскости с высвобождением энергии. Оба процесса являются спонтанными, но и для первого и для второго необходим изначальный толчок. Бертолетову соль надо сначала нагреть; кирпич нужно подтолкнуть рукой.

Допустим, что наклонная доска, на которой лежит кирпич, имеет грубую поверхность и между ней и кирпичом возникает сильное трение. Тогда, несмотря на силу тяжести, воздействующую на кирпич, он остановится сразу же, как только его перестанут толкать рукой.

Теперь предположим, что и кирпич и доска покрыты тонким слоем льда. Теперь кирпич будет скользить вниз гораздо легче, от самого слабого толчка, а то вообще сам по себе.

Но ведь лед не толкает кирпич, не усиливает силу тяжести, вообще не прилагает к кирпичу никаких усилий. Он сам по себе вообще ничего не делает. Он просто присутствует. Да и нужно-то его немного — лишь столько, чтобы покрыть тонким слоем соприкасающиеся части доски и кирпича. Причем в идеальном случае лед еще и не тратится в процессе скольжения. Когда кирпич уже соскользнул вниз, весь лед остается на месте — можно ставить на доску второй обледенелый кирпич, за ним — третий и т. д.

Катализатор определяют как вещество, способное ускорять химическую реакцию фактом своего присутствия в небольших количествах и не подвергающееся в результате реакции изменениям. Стоит убрать из определения слово «химическую», и мы увидим, что лед, покрывающий доску, является самым настоящим катализатором.

Можно привести и другую аналогию — с письменным столом. Представьте себе, что посреди пустыни стоит человек с карандашом и листом бумаги, а вокруг него — только мягкий пересыпающийся песок. Человек хочет что-то написать на листе.

Писать он умеет, у него есть чем писать и на чем. Однако прочесть написанное им в таких условиях будет сложновато, а то и невозможно, а бумага в процессе написания практически неизбежно порвется.

Теперь представим себе, что вдруг под рукой у нашего писателя обнаруживается гладкий письменный стол из полированного дерева. Карандаш на полировке не пишет, но как разительно изменится при этом вся ситуация в целом!

Никаких дополнительных тайн письма человеку не открывается, инструмент его — карандаш — остается прежним, да и предмет, на котором он может писать, — все тот же лист бумаги.

Однако теперь текст получится ровный, четкий и понятный — и все благодаря письменному столу, который ускоряет и облегчает процесс самим фактом своего присутствия, при этом не претерпевая в процессе написания текста никаких изменений. И карандаш, и бумага в какой-то степени затрачиваются при написании текста, да и сам пишущий тратит на этот процесс некоторое количество калорий энергии, и только письменный стол не несет никаких потерь. В дальнейшем с его помощью можно осуществить неограниченное количество подобных действий; короче говоря, он является полноценным катализатором.

Кстати, обе приведенные метафоры говорят еще об одном, о том, что катализ — это, как правило, феномен, связанный с поверхностью; о том, что для ускорения реакции (будь то скольжение кирпича, написание письма или распад бертолетовой соли) необходимо предоставить наилучшим образом подходящую для процесса поверхность.

Позже, уже в ходе более глубокого изучения предмета, студенту объяснят, что катализ ускоряет реакцию, никоим образом не сдвигая при этом точку равновесия. Предположим, к примеру, что у нас имеются вещества А и В, которые вступают в реакцию с образованием веществ С и D. Естественным образом эта реакция будет происходить лишь до определенного момента — она остановится по достижении системой равновесного состояния, то есть такого, когда все доли каждого из четырех веществ — А, В, С и D — в смеси достигнут определенного уровня. Присутствие катализатора лишь ускоряет ход реакции в том смысле, что равновесное положение достигается быстрее, но по его достижении реакция точно так же останавливается.

Более того, если изначально взять С и D, то и они вступят между собой в реакцию с образованием А и В, — и эта реакция тоже будет протекать додостижения системой равновесного состояния. Интересно, что и ход такой обратной реакции можно ускорить с помощью того же самого катализатора.

Когда студента впервые в жизни ставят перед этим фактом, то наличие вещества, способного подталкивать реакцию в обоих направлениях, как будто обладая точным знанием о том, где именно находится точка равновесия, может показаться ему какой-то чертовщиной.

Однако несложно показать, что катализатор на самом деле подталкивает реакцию не в обоих направлениях, а только в одном — достаточно вернуться к метафоре с кирпичом на наклонной плоскости. Представим теперь, что поверхность, на которой лежит кирпич, — не ровная прямая, а что-то вроде параболы концами вверх, то есть самая низкая точка траектории движения кирпича находится не на одном из концов, а где-то между ними. Тогда если поверхность грубая и шершавая, то кирпич с обоих краев плоскости будет сползать к середине, но очень медленно, а если покрыть поверхность слоем льда — то он легко соскользнет к одной и той же самой низкой точке, не важно, с какого из краев.

Если наблюдать за происходящим четко сверху, остановка кирпича всегда в одной и той же точке, ничем не отличающейся от других, при движении в любом направлении покажется явлением мистическим и таинственным. Однако стоит посмотреть сбоку, и станет ясно, что направление движения кирпича на самом деле всегда одно и то же — вниз, куда его тянет сила тяжести. Именно это движение вниз и ускоряет катализатор-лед.

Если обозначить, скажем, левый край поверхности, как смесь А и В, а правый — как смесь С и D, то любому студенту станет ясно, что лед, конечно, не занимается расчетами того, в каком направлении толкать кирпич. Он просто помогает кирпичу быстрее соскользнуть вниз.

Студентам наглядно будет показано, почему катализ обратимой реакции не приводит к сдвигу точки равновесия и почему ускорение реакции в том или ином направлении не подталкивает ее двигаться в том же направлении дальше. Очевидно ведь, что оттого, что кирпич и поверхность, по которой он скользит, покроют льдом, процесс скольжения, конечно, ускорится, но на положение самой нижней точки поверхности это никак не повлияет, равно как и не заставит кирпич проскочить эту точку и застрять где-то посреди противоположного склона.

В программе более продвинутых курсов студенты узнают о существовании такой вещи, как химический потенциал, который можно рассматривать как в некотором отношении аналог известного нам с детства гравитационного потенциала, и на этом этапе познания когда-то обрисованный образ опять же сослужит им хорошую службу.

Но не стоит ограничивать область применения метафор лишь элементарными вещами. В конце концов будет объяснено, что эффект катализа достигается за счет снижения энергии активации. Иными словами, вещество, подвергающееся воздействию фермента, сначала вступает в некое нестабильное промежуточное соединение, из которого тут же образуется окончательный продукт. Формирование этого нестабильного промежуточного соединения требует приложения довольно большого объема энергии, а без его образования не получится и окончательного продукта (хотя он как раз и не является особенно энергоемким веществом). Поэтому вся реакция не может проистекать быстрее, чем формируется промежуточное соединение.

Наличие же катализатора делает это промежуточное соединение более стабильным, что позволяет формировать его с приложением меньшего количества энергии, что ускоряет процесс образования этого соединения, а значит, и всей реакции.

Часто энергию активации (так называется энергия, необходимая для формирования промежуточного вещества) представляют в виде «порога» между исходными веществами и конечными продуктами реакции. Присутствие фермента снижает этот порог, соответственно облегчая массовый переход через него. Еще одну интересную метафору можно привести, если представить обратимую реакцию в виде шоссе, по которому в обе стороны мчатся автомобили, а энергию активации — в виде «лежащего полицейского»; однако эта метафора оставляет открытым вопрос, каким же именно образом наличие катализатора вдруг способствует снижению порога. Зато это можно наглядно продемонстрировать с помощью образа «завязывания шнурков».

Представим себе человека, который стоит посреди необозримого грязного поля. У него развязался шнурок, и надо его завязать. При этом ему очень не хочется упасть в грязь. Пока наш герой стоит на обеих ногах, на одной из которых ботинок с развязанным шнурком, он находится в устойчивом положении и падение ему не грозит. Когда шнурок будет завязан, опасность падения окажется далеко позади.

Но вот сам процесс завязывания шнурка сопряжен с ослаблением равновесия. Для этого надо либо нагнуться, либо присесть на корточки, либо поднять ногу, то есть оказаться в рискованном положении, когда можно либо запачкать часть одежды, либо вообще упасть. Такая нестабильность промежуточного положения заставит нашего героя двигаться медленно и осторожно.

Если же под рукой у него окажется прочно стоящий на месте стул, на который можно будет усесться, ситуация радикальным образом изменится. Сидя на стуле, человек легко может поднять одну ногу, нисколько не теряя при этом равновесия. Быстро завязав шнурок, он встанет и пойдет по своим делам.

В описанном примере не только понятно, что стул — это катализатор (обратите внимание — опять его задача оказывается в том, чтобы предоставить подходящую поверхность!), но и видно, что помогает он именно тем, что стабилизирует промежуточное состояние. Так мы можем наглядно продемонстрировать тезис о снижении энергетического порога.

Можно себе представить, что если шнурки необходимо завязать большому количеству людей, то с помощью стула, сидя на котором они будут делать это по очереди, весь процесс значительно ускорится. В таком случае можно будет говорить о том, как катализатор «стул» ускоряет «реакцию завязывания шнурков».

Когда студент впервые узнает о ферментах, эти катализаторы, так тесно связанные с самой жизнью, кажутся ему совершенно загадочными. Они имеют белковую природу, но при этом разделяют все фундаментальные свойства ферментов как таковых. Образы «кирпича на наклонной доске», «письменного стола» и «завязывания шнурков» справедливы по отношению к ним не меньше, чем по отношению к диоксиду марганца.

Но ферменты — более тонкая материя. Одно из главных отличий белковых катализаторов (ферментов) от минеральных — в том, что первые гораздо более специфичны. Зачастую один фермент может катализировать только одну реакцию из бессчетного множества. Однако не стоит воспринимать это как необъяснимую загадку природы. Даже поверхностного знакомства со строением белков достаточно, чтобы понять, что из белковых молекул можно составить самые сложные поверхности путем перестановки аминокислот в белках. Кстати, если развить метафору о «завязывании шнурков», то можно очень хорошо показать преимущества именно строго специализированной поверхности.

Стул — он и есть стул, но и стулья бывают разные. Обычный кухонный стул вполне годится на роль катализатора для ускорения реакции завязывания шнурков. Но представьте себе стул, специально разработанный именно для этой цели, — с автоматизированными спинкой, подлокотниками и подножками. К примеру, когда человек садится на стул, замыкается контакт и одна из подножек вместе с ногой поднимается на нужную высоту, одновременно с этим спинка наклоняется чуть вперед, а подлокотники — вперед и вовнутрь, так чтобы кисти обеих рук оказались в одной точке со шнурками на надетом на ногу ботинке. Так за долю секунды, без каких-либо действий со своей стороны, сидящий окажется в идеальном положении для завязывания шнурков; завязавший же шнурки выталкивается в сторону специальным рычагом — стул становится свободен для следующего пользователя.

Очевидно, что такое специально сконструированное кресло гораздо сильнее ускорит «реакцию завязывания шнурков», чем обычный кухонный стул. Оно еще более стабилизирует промежуточное положение. Однако в силу своей специализации такое кресло окажется неприменимым для любых других целей. Скажем, если молодой человек захочет посидеть в нем с любимой девушкой на коленях, то движение различных частей кресла его весьма удивит. Даже если сами движения рук, ног и спины покажутся ему лишь забавным сюрпризом, то завершающее выталкивание уж точно вряд ли понравится как ему самому, так и девушке.

Если же вы заходите посидеть в таком кресле просто для того, чтобы почитать газету, то тут же вскочите в раздражении сами еще до того, как вас выпихнет оттуда автоматически.

В обоих случаях в следующий раз такой желающий посидеть уже будет искать для своих целей либо стандартный стул, либо специально сконструированный уже непосредственно для его целей, скажем кресло-для-сидения-с-девушкой или кресло-для-чтения-газет.

Короче говоря, специально сконструированное кресло (фермент) является одновременно и более эффективным, и более специализированным катализатором, чем «общий» катализатор (как правило, минерального происхождения). Эффективность и специализация, как правило, всегда идут рука об руку.

Для наглядности объяснения совсем не обязательно выдумывать воображаемые кресла. Можно ведь вспомнить и о стоматологическом или парикмахерском кресле, а то и об электрическом стуле. Если сравнить их все с обычным кухонным стулом, то сразу становится ясно, насколько специализированная поверхность может повысить эффективность действия.

Специализация вспоминается и тогда, когда речь заходит о конкурентном ингибировании (см. главу 2). Скажем, один фермент выборочно катализирует распад вещества А. Он не будет катализировать ни распад вещества В, ни распад похожего на А вещества А'; однако присутствие А' помешает нормальной работе фермента в отношении А, а присутствие В — нет.

В этом случае уместно воспользоваться самой распространенной метафорой, имеющей отношение к ферментам, — образом «ключа и замка». Фермент, воздействующий на определенное вещество А, можно сравнить с замком, к которому это вещество А является ключом. Вещество В, совершенно не похожее на А, можно в таком случае уподобить другому ключу, который даже вставить нельзя в замок, предназначенный для А. Поэтому повлиять на замок с помощью ключа А нельзя никак.

Но вот вещество А', похожее на А, можно уподобить ключу, близкому к А по рисунку бороздок. Его уже можно в принципе вставить в замок. Правда, сами бороздки его отличаются от бороздок ключа А, так что повернуть замок с помощью этого ключа невозможно. Но ведь он уже занял замочную скважину! Пока он находится в ней, ключ А тоже не может открыть замок. Замок является временно заблокированным, а фермент, аналогию с которым мы проводим, называется в таком случае ингибированным.

Студенту предстоит узнать не только об отдельных ферментах, но и о группах ферментов. Придет день, когда он узнает, что некие входящие в состав организма вещества выделяют энергию путем попарного переноса атомов водорода от одного вещества к другому, пока в конечном итоге они не окажутся присоединенными к кислороду с образованием воды. Большая часть высвобождаемой в процессе всех этих реакций энергии хранится в виде так называемых «высокоэнергетических фосфатных эфиров» — в процессе переноса каждой пары атомов водорода образуется в среднем три молекулы этих веществ.

Процесс переноса водорода похож на процесс передачи по цепочке ведер с водой на пожаре, и каждый шаг этого процесса катализируется отдельным ферментом.

Зачем же так сложно — много шагов, много ферментов? Не лучше ли было бы сразу соединить два атома водорода с кислородом с помощью одного-единственного фермента? Для ответа на этот вопрос мы используем еще одну метафору — образ лестницы.

Допустим, что некто хочет спуститься с шестого этажа на первый, а гравитационный потенциал, которого он неизбежно лишится в ходе такого спуска, сохранить путем заведения трех часов-ходиков. Для этого достаточно, проходя вниз мимо этих часов, взять рукой цепочку с гирями и вытягивать собственным весом ее по мере спускания по лестнице.

Если с шестого этажа на первый наш персонаж будет спускаться через шесть лестничных пролетов (аналог схемы с несколькими ферментами), то он будет двигаться неторопливо, сможет спокойно ухватить нужную цепочку, проходя мимо, и плавно вытянуть ее, ничего не повредив в механизме часов.

Можно, конечно, спуститься и по-другому — перелезть через перила и спрыгнуть в лестничную шахту (аналог одношаговой системы). Предположим, что наш герой имеет хорошую спортивную подготовку и не разобьется — тогда он и на первый этаж быстрее попадет, и от гравитационного потенциала избавится так же наверняка, как и при спуске по лестнице. Но вот завести часы ему при этом вряд ли удастся. Высвободить энергию таким образом можно, а вот сохранить — нет.

И еще: спуск с шестого этажа на первый по лестнице — реакция обратимая. Подняться обратно через пять лестничных пролетов вполне возможно, затратив вполне допустимое количество энергии. А вот запрыгнуть одним махом с первого этажа на шестой не может, наверное, никто.

Точно таким же образом и реакция, проходящая в несколько шагов, на каждом из которых высвобождается не так много энергии, во-первых, позволяет сохранить выделяющуюся энергию, а во-вторых, является гораздо легче обратимой, а значит, и более контролируемой организмом. Высвобождение большого количества энергии в один шаг хоть и проще, но не позволяет эффективно сохранять выделяемую энергию и крайне затрудняет обращение реакции вспять в случае необходимости.

Приведенные метафоры, скорее всего, не являются ни единственно возможными, ни даже самыми лучшими из возможных. Просто мне пришли в голову именно они. Важны не эти конкретные образы — важен сам принцип обучения через метафору. Ведь метафора как таковая тоже является катализатором — самим фактом своего присутствия, не изменяя самого научного содержания курса, она ускоряет процесс обучения и при этом не тратится, так что ее можно использовать сколько угодно.

Глава 8 ЩЕПОТКА ЖИЗНИ

Из предыдущей главы уже можно понять, что живая материя — тончайшее и сложнейшее явление, для постижения которого потребуется весь человеческий гений, а может быть, и его не хватит. Так из чего же состоят живые существа, какой же материал делает возможным существование этого величайшего феномена — жизни?

Если человеческое тело разложить на атомы и посмотреть состав получившейся смеси, то сразу выяснится, что:

1) почти все атомы будут принадлежать к одному из не более чем полудюжины элементов;

2) в эти полдюжины войдут самые распространенные на Земле элементы.

Самую значительную часть тела человека составляет вода, а каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Кроме воды, живой организм состоит по большей части из органических (то есть углеродосодержащих) веществ. Самые важные органические вещества — это белки, в состав которых входят атомы азота, водорода, кислорода и углерода.

Неорганических, то есть минеральных, веществ в организме человека больше всего в костях. Самыми распространенными в их составе атомами, помимо вышеперечисленных, являются кальций и фосфор.

Итак, атомно-пропорциональный состав человеческого организма из расчета на десять тысяч атомов можно представить так:

6300 атомов водорода,

2550 атомов кислорода,

940 атомов углерода,

140 атомов азота,

30 атомов кальция,

21 атом фосфора,

19 атомов других элементов.

Выглядит крайне банально. Кислород — это самый распространенный элемент на Земле. Кальций, углерод и фосфор тоже входят в дюжину самых распространенных элементов, по крайней мере в земной коре. Из водорода состоит большая часть океана, а из азота — большая часть атмосферы.

Но давайте на секунду отвлечемся от этих полудюжины атомов — они представляют собой основу жизни. Для чего же в таком случае нужны оставшиеся 19 из 10 000? Если 9981/10000 живого организма можно собрать из шести элементов, то так ли уж необходимы эти жалкие 19/10000?

Да, они необходимы. Природа — как хороший повар, который знает, что при готовке торта из муки, молока и яиц надо не забыть добавить по щепотке того и этого.

Давайте же рассмотрим поподробнее, что это за «дополнительные» элементы. Для этого рассчитаем пропорции в более представительных масштабах — из расчета не на десять тысяч атомов, а на миллион. Среди них будет

998 100 атомов шести вышеперечисленных элементов,

570 атомов калия,

490 атомов серы,

410 атомов натрия,

260 атомов хлора,

130 атомов магния,

38 атомов железа,

2 атома других элементов.

Вот у нас и получилась вторая полудюжина. Эти элементы присутствуют в организме в объеме «средних щепоток». Каждый из них необходим для жизни.

Атомы серы — важная составляющая практически всех белков организма, без которых жизнедеятельность невозможна.

Натрий, калий и хлор присутствуют в организме в виде атомов, несущих электрический заряд (ионов), растворенных в жидкой среде организма. Ионы калия и натрия несут положительный заряд. Ион натрия встречается чаще всего в межклеточной жидкости, а ион калия — во внутриклеточной. Ионы хлора несут отрицательный электрический заряд; их именуют также зачастую хлорид-ионами. Хлорид-ионы встречаются как во внутриклеточной, так и в межклеточной жидкости, уравновешивая таким образом положительные заряды как ионов натрия, так и ионов калия.

Помимо прочего, эти положительные ионы отвечают и за электрические явления организма. Изменения в распределении ионов натрия и калия внутри и снаружи нервных клеток приводят к возникновению слабых электрических токов, сопровождающих нервные импульсы. Без этих токов не будет и самих нервных импульсов, а без нервных импульсов не будет и самой жизни.

Около половины магния, содержащегося в организме человека, входит в состав костей. Остальной магний в виде положительно заряженных ионов растворен в жидкой среде. Магний участвует в энергетических реакциях организма. Небольшие объемы химической энергии передаются от одного соединения к другому, как правило с помощью вещества, известного под сокращенным названием АТФ (полностью расшифровывающимся как аденозинтрифосфат). Для каждой реакции с участием АТФ требуется присутствие магния; таким образом, магний необходим для энергообмена, а значит, и для самой жизни.

В каждой молекуле гемоглобина содержится четыре атома железа. Гемоглобин — растворенное в крови вещество, подхватывающее в легких кислород и переносящее его ко всем остальным клеткам тела. Именно атом железа и является непосредственно задействованным в транспортировке, так что без железа жизнь невозможна.

На примере гемоглобина и АТФ легко понять, почему некоторые элементы требуются организму в совсем небольшом количестве. Каждая молекула гемоглобина переносит из легких к клеткам организма по четыре атома кислорода, а затем возвращается за новой порцией. Каждая молекула АТФ тоже передает только один пакет энергии, а затем видоизменяется таким образом, чтобы отправиться за следующим.

Вспомните, как строители по кирпичику возводят стену дома: ведь для строительства не требуется по отдельному рабочему для каждого кирпича! Один строитель может уложить миллион кирпичей, если будет работать достаточно долго. Даже если вам нужно уложить очень много кирпичей, для этого потребуется всего несколько строителей.

Так же и здесь: организму требуется очень много кислорода, но для его переноски хватает небольшого количества атомов железа; энергии требуется тоже много, но с этой задачей справляется небольшое количество атомов магния, присутствующих в составе соответственно гемоглобина и АТФ.

Конечно, нам не во всех случаях известно, почему для той или иной работы используется именно тот или иной элемент. К примеру, почему именно ион магния? Почему в АТФ не может использоваться, к примеру, ион кальция (имеющий практически те же химические свойства)? Вопрос интересный, но ответа на него нет.

Аналогию со строителями можно использовать и дальше — применительно к другим элементам, тоже необходимым для жизни, но в еще меньших количествах, чем даже железо. Это так называемые «рассеянные элементы», или «микроэлементы».

Давайте теперь рассмотрим пропорциональный химический состав живого организма еще масштабнее — из расчета не на десять тысяч или миллион атомов, а на миллиард. Мы получим:

999 998 000 атомов вышеперечисленных элементов,

1500 атомов цинка,

170 атомов марганца,

170 атомов меди,

125 атомов фтора,

20 атомов йода,

10 атомов молибдена,

5 атомов кобальта.

Практически весь фтор в организме входит в состав зубов. Этот элемент в общем-то не является необходимым для жизни в строгом смысле — лишь для здоровья зубов. Все остальные же микроэлементы — да, жизненно необходимы.

Атомы йода входят в состав молекул гормонов щитовидной железы. Эти гормоны управляют скоростью производства и использования организмом энергии. Самого гормона требуется для этого очень мало — ведь одного крошечного термостата достаточно, чтобы управлять огромной печью. Йод необходим для производства гормона щитовидной железы, а значит, и для жизни.

Из всех жизненно необходимых элементов в природе йод встречается реже всех. Он требуется нам в крошечных количествах, но в почве многих регионов его все равно не хватает, а значит, не хватает и в выращенных на этой почве растениях и в мясе питающихся этими растениями животных. Поэтому бывает необходимо искусственно добавлять йод в городской водопровод и изготавливать йодированную поваренную соль.

Марганец, медь, цинк, молибден и кобальт входят в состав ферментов, необходимых организму для катализа той или иной реакции (см. предыдущую главу). Раз для жизнедеятельности необходимы сами ферменты, то необходимы и входящие в их состав элементы.

Вы можете удивиться: какую пользу организм вообще может получить от кобальта, если его всего пять атомов на миллиард?

Но давайте подумаем, пять атомов на миллиард — так ли это мало в действительности? По приблизительным подсчетам, организм человека состоит примерно из 50 триллионов клеток. Но атом — гораздо меньше клетки, и в каждой клетке, как бы мала она ни была, может содержаться не менее 100 триллионов атомов.

Если из каждого миллиарда этих атомов пять — атомы кобальта, то получается, что в каждой клетке содержится в среднем по 500 000 атомов кобальта. Выходит, даже самая маленькая щепотка не так уж мала.

Итак, теперь в нашем распоряжении — рецепт приготовления человека, где расписаны все ингредиенты. Так, может быть, стоит нам взять все эти элементы в нужной пропорции, смешать и…

Но об этом — в следующей главе.

Глава 9 СОЗДАТЬ ЧЕЛОВЕКА

В сентябре 1965 года собравшиеся на 150-е национальное собрание Американского химического общества химики услышали из уст своего президента доктора Чарлза Прайса следующий призыв:

— Я хотел бы заблаговременно поднять вопрос, имеющий огромное общественное значение, которому и научное сообщество и правительство должны уделить серьезное внимание. Следует поставить национальной целью искусственный синтез живой материи! ‹…› Мне кажется, что сейчас мы отстоим от синтеза, по крайней мере частичного, живых систем не дальше, чем в 1920-х отстояли от высвобождения энергии атомного ядра, а в 1940-х — от появления человека в космосе.

Только представьте себе — синтезировать жизнь! Этому стремлению человека столько же лет, сколько самой цивилизации.

В древности, если верить Гомеру, были некие «златые девы», помогавшие Гефесту, греческому богу-кузнецу, ковать доспехи для Ахилла. В Средневековье бытовала легенда о Големе, роботоподобном глиняном существе, в которого вдохнул жизнь пражский рабби Лёв с помощью неизрекаемого имени Божьего. Из более современных сюжетов можно вспомнить сказку о Пиноккио — ожившей деревянной кукле.

Осуществится ли вековая мечта человечества или навсегда останется в области фантастики?

Именно этот вопрос и обсуждался ранее в 1960 году на собрании ученых, посвященном данной проблеме. Ученые — люди осторожные, и некоторые из них утверждали, что синтез живой материи станет возможен лишь тысячи лет спустя; другие, более смелые, называли сроки в сотни лет. Несколько дерзких оптимистов оперировали десятилетиями будущего.

Но когда этот же вопрос задали нобелевскому лауреату генетику Герману Мюллеру, он четко ответил: «Это произошло пять лет назад!»

Понятно, что утверждение о том, что живая материя была синтезирована в 1955 году, звучит несколько странновато. Что же Мюллер имел в виду?

Что ж, если слова Мюллера звучат и двусмысленно, то причина этой двусмысленности — в двусмысленности самого определения живой материи, в открытости вопроса о том, насколько простой по строению объект можно уже называть живым.

Обычный человек, не имеющий отношения к науке, назовет «живой» только достаточно сложную систему. В первую очередь, конечно, при словах «живое существо» в голову приходит не кто иной, как сам человек, и стоит задаться целью представить себе искусственно созданное живое существо, как воображение услужливо подсовывает образы типа чудовищ Франкенштейна. Самая напрашивающаяся в таком случае картинка — распростертое на операционном столе совершенное тело мужчины или женщины, над которым колдует ученый, занимаясь «вдыханием» в тело жизни с помощью какого-то хитрого излучения или химического вещества.

Разумеется, живое существо никогда не будет создано именно таким образом.

Стоит ли стараться собрать сразу целого человека-со всеми костями, мышцами, мозгом, железами и кровеносными сосудами? Ведь даже природа так не делает! Никто не вступает в жизнь готовым взрослым человеком. Все живые организмы, сколь угодно сложные, в том числе и сам человек, строят себя сами, начиная с очень простой формы (по крайней мере, по сравнению с окончательным результатом).

Живые организмы состоят из клеток — крошечных (как правило, микроскопических) пузырьков жизни. В организме человека в среднем насчитывается примерно 50 триллионов клеток, но существуют и очень простые формы жизни, состоящие всего из одной клетки, например амеба.

Но даже и те организмы, что разрастаются до триллионов клеток, начинают свое существование с одной-единственной клеточки — оплодотворенной яйцеклетки. Целый человек получается всего-навсего из крошечного пузырька живой массы, из пузырька, который еле-еле можно разглядеть невооруженным глазом при хорошем освещении и стопроцентном зрении. Из этой оплодотворенной яйцеклетки в тепличных условиях плаценты в матке матери в течение девяти месяцев формируется ребенок, в состав которого входит уже около двух триллионов клеток.

Получается, что для того, чтобы создать живого человека, достаточно всего лишь синтезировать одну клеточку — оплодотворенную яйцеклетку. Это чрезвычайно сложно, но все же проще, чем синтезировать взрослый организм целиком и сразу. Стоит только синтезировать эту яйцеклетку, и дальше все пойдет само. Конечно, надо еще обеспечить оплодотворенной яйцеклетке необходимые условия для развития, но эта задача, возможно, скоро войдет в число решаемых.

Биологи могут достаточно долго поддерживать в живом состоянии отдельные органы и куски живой ткани. Еще перед Второй мировой войной известный хирург Алексис Кэрелл сумел отщипнуть кусок сердечной ткани от эмбриона цыпленка и продержать его в живом и растущем состоянии на протяжении более тридцати двух лет (чрезмерно разрастающуюся ткань периодически приходилось обрезать). Тогда это было очень сложно сделать хотя бы потому, что ученому пришлось предпринять очень много усилий, чтобы предохранить живую ткань от заражения бактериями. Сейчас же, после изобретения антибиотиков, бактериальное заражение уже не представляет особой опасности, и поддерживать ткани в живом состоянии в лаборатории стало гораздо проще.

Проделать нечто подобное с человеческими тканями не дают сейчас проблемы лишь этического, а не технического характера. В 1961 году доктор Дэниэль Петруччи из итальянского города Болонья заявил, что сумел оплодотворить донорскую яйцеклетку в пробирке, в которой некоторое время после этого жил и развивался эмбрион[2].

Часто звучат предложения о том, чтобы замораживать сперму великих людей и помещать ее в криохранилище с целью передать выдающиеся гены как можно большему количеству потомков. Оплодотворенные яйцеклетки с той же целью тоже можно пересаживать суррогатным матерям — тогда генетическая мать сможет производить в год по 13 детей со своими генами. К тому же у молодой и энергичной суррогатной матери дети получатся более здоровые, чем получились бы у более старой генетической.

Но есть ли необходимость в суррогатных матерях вообще? Предположим, что банки спермы и яйцеклеток будут использовать в качестве источников биологического материала, а яйцеклетки будут оплодотворять и выращивать в синтетической матке, где будут искусственно воспроизводиться все необходимые условия — температура, давление, возможно, даже звуки и вибрации сердцебиения матери.

До сих пор, насколько известно, оплодотворенные яйцеклетки удавалось провести вне материнской утробы только через самые ранние стадии развития. Процесс замирал еще до того, как начинали формироваться какие-либо органы. Но если удастся изобрести какой-то аналог плаценты, то станет возможным искусственное воспроизведение всего процесса выращивания человека из яйцеклетки и сперматозоида. Ученые уже придумали для этого особый термин — «эктогенез».

Эктогенетическое развитие, конечно, будет крайне ценно для науки, поскольку позволит нам путем непосредственного наблюдения узнать многое о развитии жизни.

Да и общество, признавшее и допустившее эктогенез, получит много преимуществ от того, что эмбрионы будут развиваться в людей в идеальных условиях — избегая болезней, ударов, нехватки питательных веществ и прочих ненужных случайностей, которым они могут подвергнуться, находясь в утробе живой матери.

В условиях перенаселенности нашего мира особую важность приобретает вопрос о необходимости технологий поддержания численности населения на управляемом уровне. В условиях эктогенетического размножения людей это делать будет гораздо проще. Разумеется, к сексуальной жизни людей эктогенез не будет иметь никакого отношения — ведь и сейчас люди далеко не всегда занимаются сексом с целью заведения детей.

Кроме того, и сами эмбрионы в условиях эктогенеза станут гораздо более доступны для пристального изучения, и можно будет давать развиваться лишь тем из них, которые пройдут проверку на наличие физических или биохимических отклонений, что невозможно сделать, когда ребенок с самого начала развития находится в глубине материнской утробы.

Полное размежевание секса и размножения произведет революцию в общественном отношении к первому. Секс утратит свое значение как элемент противопоставления добра и зла и займет, наконец, свое законное место естественного человеческого инстинкта, перестав быть вечным источником неврозов.

Разумеется, есть у такого будущего и антиутопические стороны. Кто будет выбирать генетических родителей для потомства? На какой основе будет производиться выбор? Сейчас мы еще не можем сказать, насколько безопасным окажется эктогенетическое общество. Остается надеяться, что к тому моменту, как создание такого общества окажется технически возможным, мы уже будем это знать.

Но эктогенетическое общество — это не воплощение мечты об искусственном создании жизни. Эктогенез — это лишь перенос уже существующего в виде оплодотворенной яйцеклетки живого существа в другое место и доведение его там до зрелого состояния; лишь декорации вызревания изменятся при эктогенезе с плоти материнской утробы на стеклянную пробирку.

Что же можно сказать о возможности создания самой изначальной клетки из неживых материалов? Вот тогда мы бы действительно создали принципиально новое живое существо, никоим образом не происходящее от какого-либо из уже существующих.

Легко сказать… Даже одна отдельно взятая клетка — крайне сложная система, несмотря на малый размер, — гораздо более сложная, чем океанские лайнеры и небоскребы, которые мы умеем создавать.

Давайте обратимся за помощью к природе и посмотрим, как же она сама формирует клетки. Ответ оказывается простым — все существующие сегодня клетки всех живых существ происходят от других таких же клеток. Клетки, присутствующие в вашем организме, происходят от изначальной оплодотворенной яйцеклетки; она, в свою очередь, была образована из отцовского сперматозоида и материнской яйцеклетки, а те происходили, в свою очередь, от других клеток, и линии происхождения обеих этих клеток можно проследить до двух оплодотворенных яйцеклеток, из которых в конечном итоге и получились ваши отец и мать. Такую преемственность можно проследить и дальше — на миллиарды лет назад — для всех ныне живущих существ.

Но ведь когда-то, в самом начале, первые клетки ведь должны же были образоваться не из других клеток? Как же это случилось? Неизвестно. Мы можем только строить догадки.

Потребовалась великая дерзость научной догадки, чтобы ученые смогли выдвинуть предположение о том, что переход от неклеток к клеткам, от мертвого к живому, свершился в ходе слепого, случайного химического процесса. Наша западная культура была слишком глубоко пропитана представлениями о святости и уникальности жизни и совершенно не готова была признать ее результатом случайности. Слишком прочно укоренились представления о божественности, о целенаправленном сотворении живых существ, и человека в особенности, как то описывает Библия. Даже те, кто разумом отрицал истинность Библии, не могли набраться духу и избавиться от впитанных с детства представлений.

Так что неудивительно, что разрушить эту зачарованность первым сумел биохимик из Советского Союза — официально атеистического государства. Этим биохимиком оказался А.И. Опарин, чьи труды на эту тему датируются начиная с 1924 года. По его гипотезе, первые живые клетки появились благодаря неизбежному и достаточно простому природному явлению.

В частности, большую роль Опарин придавал естественному образованию капель одной из жидкостей при растворении в другой в тех условиях, которые преобладали в первобытном океане.

Сейчас, поколение спустя, в этом же направлении гораздо дальше продвинулся Сидней Фокс из Института молекулярной эволюции в университете Майами.

Профессор Фокс для начала создал химическую систему, разработанную таким образом, чтобы максимально воспроизводить условия, бытовавшие, по представлениям химиков, на Земле несколько миллиардов лет назад, и стал эту систему нагревать — уж чего-чего, а тепла, благодаря Солнцу, на нашей планете всегда было предостаточно.

Сначала в растворе находились лишь простые вещества, которые были очень широко распространены на Земле много эпох назад; и выяснилось, что одного лишь нагревания достаточно, чтобы из этих веществ образовывались аминокислоты, а затем эти же аминокислоты сами по себе объединялись в длинные белкообразные цепочки, которые ученый назвал «протеиноидами».

Лучше всего это получалось при температурах выше точки кипения воды, и некоторые биологи сомневались, что в условиях первобытной Земли такой процесс мог происходить без того, чтобы образуемые протеиноиды не распадались с той же скоростью, с какой и формировались. Однако Фокс тут же обрисовал картину, при которой протеиноиды образовывались в горячем вулканическом пепле, а затем тут же растворялись и смывались горячим дождем, не успевая в массе своей распасться.

Далее Фокс обнаружил, что при растворении его протеиноидов в горячей воде и последующем остывании раствора большие белкообразные молекулы демонстрируют тенденцию скапливаться вместе и слипаться в крошечные шарики, которые ученый назвал «микросферами».

Эти микросферы во многом напоминают простейшие клетки. По размеру и форме они напоминают маленькие бактерии. Как и клетки, они окружены некоей мембраной. Путем соответствующих изменений окружающей жидкости их, как и клетки, можно заставить раздуваться или, наоборот, ссыхаться. На них могут образовываться почки, которые могут иногда вырастать до больших размеров и отсоединяться. Они могут делиться надвое, могут объединяться в цепочки. Даже вещество внутри микросфер имеет некоторые свойства рабочих лошадок живой ткани — ферментов.

Конечно, микросферы не соответствуют ни одному определению живой ткани, но разве граница между живым и неживым непременно должна быть четкой и резкой? Многие биологи считают, что такой однозначной границы быть не может. Скорее живую и неживую материю разделяет широкая зона, находящиеся в которой объекты можно рассматривать как в некоторой степени живые, а в некоторой — неживые. Если придерживаться такой точки зрения, то микросферы, хоть им и далеко еще до собственно живой ткани в строгом смысле слова, уже не являются полностью неживыми.

Возможно, Фокс или кто-то другой сможет, подталкивая микросферы все дальше, провести их через весь путь от неживого к несомненно живому. А может быть — нет. Сложно сказать.

Может быть, попытки перепрыгнуть от ничего сразу к клетке — изначально ошибочны. Вполне возможно, что клетка — не самый подходящий объект для выбора в качестве первичной цели в попытке создать живую материю. Скорее всего, не она первой появилась на свет в ходе естественной эволюции от неживого к живому. Клетка в том виде, в котором мы ее знаем, может представлять собой не пример самой примитивной живой ткани, а результат ее долгой эволюции. Ведь на протяжении несчетных миллионов лет перед тем, как появилась первая клетка, наверняка должны были существовать более простые структуры. Просто стоило появиться на свет клеткам, как они полностью вытеснили своих предшественников в ходе конкурентного отбора, и теперь нам кажется, что проще клеток ничего нет, не было и быть не может.

Но эти «протоклетки» исчезли не совсем бесследно.

В каждой клетке содержатся еще более мелкие тела. Например, клеточное ядро, в котором находятся хромосомы, обеспечивающие механизм наследственности. Снаружи ядра в клетке располагаются митохондрии, представляющие собой энергетический аппарат. В клетках растений имеются хлоропласты — живые аналоги солнечной батареи, превращающие энергию солнечного света в пищевые запасы энергии химической.

Все эти органеллы могут представлять собой потомков протоклеток. Возможно, что протоклетки пришли к совместному существованию с образованием сложных структур как к более эффективному, чем самостоятельное. И уже эти объединения протоклеток (известные нам сейчас как клетки) и завоевали весь мир.

Самыми важными изо всех органелл можно назвать хромосомы. Каждому виду живых существ свойственно свое характерное количество хромосом. Например, в клетках человека их 46, и все вместе на определенных стадиях роста клеток они напоминают массу толстых переплетенных макарон.

Каждый раз, когда клетка делится надвое, каждая хромосома подвергается изменениям, в результате которой из одной хромосомы получается две, причем абсолютно одинаковые. Этот процесс получил название «репликация». Если проследить историю 46 хромосом любой из 50 триллионов клеток организма взрослого человека, то выяснится, что они происходят от 46 хромосом изначальной оплодотворенной яйцеклетки. А хромосомы этой оплодотворенной яйцеклетки были получены из двух родительских клеток, половина — из отцовского сперматозоида, половина — из материнской яйцеклетки. И происхождение каждой из них тоже можно проследить вплоть до оплодотворенной яйцеклетки соответствующего родителя и т. д.

Именно хромосомы отвечают за формирование ферментов в клетке. В каждом поколении хромосомы обоих родителей образовывают новую комбинацию; да и иные небольшие изменения в хромосомах тоже происходят при переходе от родителей к детям. В результате не бывает двух живых существ, чьи хромосомы в точности совпадают, а значит, в чьих клетках производятся в точности одинаковые ферменты. (Из этого правила есть одно исключение — однояйцовые близнецы, происходящие из одной и той же оплодотворенной яйцеклетки.)

Именно ферменты отвечают за химические механизмы, действующие в каждой клетке, а значит, именно они придают каждому живому существу его индивидуальность. Поэтому и следует рассматривать хромосомы как основу клетки, так же как мы рассматриваем клетку как основу взрослого живого существа.

Микросферы Фокса не имели этой важнейшей составляющей. Если бы мы могли синтезировать хромосомы, а затем внедрить их в микросферы, у нас, несомненно, получилась бы живая материя. Впрочем, если бы мы могли синтезировать хромосомы, то не исключено, что можно было бы создать им такие условия, когда они сами собрали бы вокруг себя целые клетки.

Последнее предположение не так удивительно, как кажется, поскольку имеется и непосредственное свидетельство в пользу того, что хромосомы представляют собой более базовую единицу живой материи, чем клетки. Клеток без хромосом не бывает, а вот хромосомы (несколько видоизмененные, правда) бывают и без клеток.

Мы называем такие хромосомообразные объекты вирусами. Вирус гораздо меньше клетки и гораздо проще по строению. По размерам вирус равен хромосоме, по химическому строению и функциям — сходен с ней.

Вирусоподобные объекты существовали миллиарды лет назад, задолго до того, как началась эволюция клеток, и уже тогда они были способны к самостоятельной репродукции. Видимо, все необходимое для роста и размножения в то время входило непосредственно в их состав, а значит, они были несколько сложнее современных вирусов.

Существующие сегодня вирусы, так сказать, развращены существованием клеток. Современный вирус — это чистой воды паразит, утративший все средства к самостоятельному существованию и вне клетки способный лишь не разрушаться, не более того. Однако стоит ему проникнуть в подходящую клетку, как ее-то химический механизм вирус оказывается вполне способным использовать для своих целей. За счет ресурсов клетки вирус размножается и иногда в процессе этого убивает саму клетку.

Сначала было много споров насчет того, считать ли вирус живым существом, и сейчас большинство биологов сошлись на том, чтобы считать. Это решение стало одной из причин других споров — о том, когда, же будет искусственно синтезирована живая материя. Если под живой материей подразумевать целую клетку — то до этого еще далеко. Если же под живым существом подразумевать вирус — то наша цель гораздо ближе, чем кажется.

Как правило, вирус репродуцируется, только попав в клетку, используя ее ферменты, строительный материал и энергию, которых в клетке предостаточно. Но что, если взять небольшое количество вирусов и предоставить им все необходимое вне клетки?

В октябре 1965 года профессор Сол Шпигельман из университета Иллинойса представил результаты своей работы в этом направлении. Ему удалось получить вирус в пробирке. В некотором смысле это можно назвать синтезом простейшей живой формы, но все-таки это был не совсем полноценный синтез. Изначально для размножения была использована часть вируса, так что весь процесс напоминает скорее выращивание цыпленка (или человека) из яйца. А мы хотели бы видеть синтез живой ткани с самого начала — из полностью неживой материи.

Чтобы понять, как такое возможно вообще, давайте рассмотрим химическое строение хромосомы или вируса.

Содержимое хромосомы или вируса представляет собой длинную, закрученную спиралью цепочку атомов, представляющую собой молекулу нуклеиновой кислоты. Разновидность нуклеиновой кислоты, содержащаяся как в хромосомах, так и в более сложных вирусах, называется «дезоксирибонуклеиновая кислота», сокращаемая обычно как ДНК. Молекулу ДНК окружает белковая оболочка.

Молекулы как ДНК, так и белка имеют чрезвычайно сложное строение и могут иметь бесчисленное множество вариантов (см. главу 2). О разнообразии белков биохимики знали на протяжении уже более века, а вот нуклеиновые кислоты попали в поле зрения ученых достаточно недавно. Кроме того, белки строятся из составных единиц более двадцати различных типов, а нуклеиновые кислоты — только из четырех. Поэтому до 1940-х годов считалось само собой разумеющимся, что именно белки, а не ДНК представляют собой самую важную часть хромосомы или вируса. Однако начиная с 1944 года стали накапливаться факты, говорящие в пользу именно ДНК.

В качестве примера можно привести эксперимент, который провел в 1955 году Хайнц Френкель-Конрат, занимаясь химическими исследованиями в Калифорнийском университете в Беркли. Френкель-Конрат сумел разделить белковую оболочку и нуклеиновокислотное ядро вируса. Ни одна из этих составляющих по отдельности, ни белок, ни нуклеиновая кислота, не могла заразить клетку — вирус казался мертвым. Тогда ученый смешал обратно белок с нуклеиновыми кислотами, и некоторая часть вирусов смогла снова объединиться и обрести способность заражать клетки.

Некоторое время этот эксперимент воспринимался как убийство живого организма с последующим его воскрешением. Хотя организм, о котором идет речь, и представлял собой простейшую из возможных форму жизни, новость о самой возможности воскрешения попала во все заголовки газет.

Впрочем, выяснилось, что никто в ходе эксперимента не умирал и не воскресал. Живым существом оказалась сама нуклеиновая кислота. В некоторых (очень редких) случаях ей удавалось заразить клетку и в отсутствие белковой оболочки. Белок помогает нуклеиновой кислоте проникнуть в клетку, как автомобиль помогает человеку добраться из Нью-Йорка до Чикаго, но в принципе нуклеиновая кислота может, хоть и с трудом, сделать это сама, так же как человек может в случае крайней необходимости добраться из Нью-Йорка до Чикаго пешком.

Оказалось, что и при заражении клетки целым, не разделенным, вирусом внутрь клетки проникает лишь нуклеиновая кислота. Белковая оболочка, выполнив свою задачу — облегчив проникновение, остается сброшенной снаружи. Нуклеиновая же кислота, попав внутрь клетки, не только размножается сама, но и обеспечивает формирование там же белковой оболочки (ведь составляющий ее белок не совпадает в точности ни с одним из белков, вырабатываемых клеткой самостоятельно).

На нуклеиновых кислотах, и в первую очередь на самой важной их разновидности — ДНК, — ученые сосредоточили свое внимание после 1944 года. Физик новозеландского происхождения Морис Уилкинс, один из британских разработчиков атомной бомбы во время Второй мировой войны, рассмотрел ДНК с помощью облучения молекул рентгеновскими лучами. Полученные им таким образом фотографии тщательно изучили британский коллега ученого биохимик Фрэнсис Крик и американец доктор Джеймс Уотсон. В 1953 году эти двое установили строение ДНК, выяснив, что это двойная спираль из четырех различных, но очень похожих между собой структурных единиц, получивших название «нуклеотиды».

В зависимости от распределения нуклеотидов между собой возможных вариантов строения всей молекулы ДНК получается несчетное множество. Уотсон и Крик установили, что молекула ДНК может формировать новые молекулы, являющиеся точной копией ее самой.

Другие биохимики долго и кропотливо выясняли и наконец установили, каким именно образом последовательность элементов ДНК приводит к образованию белка с конкретной, единственно соответствующей ей последовательностью аминокислот. Отдельные участки ДНК способны производить каждый свой фермент, и именно таким образом ДНК и управляет всей внутриклеточной химией. Система соответствий последовательности нуклеиновой кислоты и последовательности аминокислот в белке называется генетическим кодом.

Теперь очевидно, что главной химической реакцией живой материи является способность молекулы ДНК воспроизводиться. Эта реакция — основной закон жизни, все остальное — лишь комментарии. Следовательно, если мы сможем образовать молекулу ДНК из простых, неживых химических соединений, то это и будет синтезом изначальной жизни. Конечно, между этим достижением и синтезом человека может лежать еще целая пропасть научной работы, но все же синтез ДНК стал бы первым настоящим шагом по мосту через эту пропасть. А граница между живой и неживой материей была бы пересечена раз и навсегда.

А как же пересекла эту границу в свое время сама природа? Ведь это произошло миллиарды лет назад, когда не было еще ни ферментов, которые могли бы облегчить работу, ни других нуклеиновых кислот, которые могли бы послужить шаблоном.

Скорее всего, на доисторической, безжизненной еще Земле лишь достаточно простые по строению молекулы могли присутствовать в большом количестве в океане, который принято считать колыбелью жизни, и в атмосфере. Состав этих молекул можно приблизительно высчитать по общему составу молодой Земли (а его, в свою очередь, по известному нам составу Солнца и всей Вселенной в целом) с применением известных нам химических законов.

Итак, предположим, что мы взяли исходные молекулы воды, аммиака, метана, синильной кислоты и прочих и стали подвергать их энергетическому воздействию в виде ультрафиолетового и радиоактивного излучения, потоков электронов и электрических разрядов (молний). Всего этого в условиях доисторической Земли было предостаточно. Что же произойдет?

Чарлз Дарвин, основатель теории эволюции путем естественного отбора, задался этим вопросом еще сто лет назад. Его интересовало, не мог ли химический состав живых существ самостоятельно зародиться из такой системы; не имела ли место некая химическая эволюция, аналогичная эволюции биологической.

Первым, кто попытался с помощью эксперимента найти ответ на этот вопрос, стал Мелвин Кальвин из Калифорнийского университета. В 1951 году он стал подмечать, что под воздействием энергонесущего излучения из простых веществ могут образовываться сложные.

В 1952 году Стэнли Миллер из Чикагского университета продвинулся еще дальше в этом вопросе. Он поместил простые химические вещества вроде тех, что присутствовали на доисторической Земле, в камеру, совершенно лишенную какой бы то ни было живой материи, и на протяжении недели подвергал их воздействию электрических разрядов. Через неделю в смеси обнаружилось достаточно много гораздо более сложных веществ, в том числе четыре аминокислоты, аналогичные встречающимся в составе природных белков.

С тех пор целый ряд других химиков, в их числе Филипп Абельсон из Института Карнеги и Джоан Ото из Хьюстонского университета, проводили подобные же эксперименты. Под воздействием энергии в различных формах из простых веществ во всех проводимых экспериментах образовывались сложные, а из этих сложных — еще более сложные. И все получаемые сложные вещества оказывались сходными с теми, что обнаруживаются в составе живых тканей. Видимо, когда-то давно и естественный путь зарождения жизни был таким же — вслепую и наугад, но неуклонно вперед.

В частности, цейлонско-американский биохимик Сайрил Поннамперума во время работы в Научно-исследовательском центре Эймса при НАСА продемонстрировал процесс пошагового производства молекул нуклеотидов — строительного материала для нуклеиновых кислот. В нуклеотиде содержится атом фосфора. Следовательно, в исходный состав были добавлены простые фосфорсодержащие соединения. Совместно с такими учеными, как Карл Саган и Руфь Маринер, Поннамперума провел серию экспериментов, в результате которых была получена полноценная нуклеотидная молекула. К 1963 году уже удалось синтезировать нуклеотиды в особо энергетически насыщенной форме, из которых можно создавать и сами нуклеиновые кислоты.

И вот в сентябре 1965 года Поннамперума объявил о том, что ему удалось продвинуться еще на шаг — объединить два нуклеотида в динуклеотид, в котором оба нуклеотида были соединены с помощью той же самой химической связи, что объединяет нуклеотиды и в естественных нуклеиновых кислотах.

Теперь в распоряжении химиков оказалась непрерывная цепь поэтапного синтеза, начиная с самых простых веществ, существующих на нашей планете с тех пор, как она впервые обрела современный вид, и заканчивая молекулами, из которых состоят уже сами нуклеиновые кислоты. В этой цепи нет ни одного недостающего звена.

Возникает картина неизбежности молекулярной эволюции. Стоит лишь взять планету, похожую на Землю, где имеется достаточно простых химических соединений, добавить энергии от ближайшего Солнца, и избежать образования нуклеиновой кислоты не удастся. Единственное, что останется на долю ученых в таком случае, — это просто следить за процессом, в крайнем случае — ускорять его.

Синтез нуклеотидов путем удобных химических методов (ведь не обязательно делать это с помощью хаотического процесса, как Поннамперума) стал уже привычным делом. Шотландский химик Александр Тодд (ныне — барон Тодд Трампингтонский) в 1940-х годах синтезировал несколько различных нуклеотидов.

Но что же мы можем сказать о переходе от нуклеотидов непосредственно к нуклеиновой кислоте?

В 1955 году испано-американский биохимик Северо Очоа с помощью правильно подобранных ферментов сумел в ходе своих опытов в Нью-Йоркском университете сформировать из раствора высокоэнергетических нуклеотидов молекулы, очень похожие на естественные нуклеиновые кислоты, несмотря на то что изначально в растворе не имелось ни одной нуклеиновой кислоты, которая могла бы послужить моделью.

Именно этот синтез нуклеиновой кислоты Мюллер и имел в виду в 1960 году, когда сказал, что живую материю уже синтезировали пять лет назад.

Если быть совсем точными, то молекулы нуклеиновой кислоты, синтезированные без шаблона, имеют совершенно хаотичный порядок следования нуклеотидов и, как правило, более простое строение, чем естественные молекулы. Понятно, что искусственно синтезированные нуклеиновые кислоты не помогают работе ни одной клетки и не способны проникать в клетки и размножаться там. Обладая потенциалом живой материи, они тем не менее ничем этот потенциал не проявляют.

Итак, на сегодняшнем этапе развития биологии ученые могут

1) создавать молекулы нуклеиновой кислоты по образцу присутствующей в системе некоей природной молекулы. Такие молекулы можно рассматривать как живые, но они не являются созданными из полностью неживых исходных материалов;

2) создавать молекулы нуклеиновой кислоты из полностью неживых исходных материалов. Такие молекулы до сих пор пока не демонстрируют никаких свойств живой материи.

Наука пока не в силах создать из полностью неживого сырья полноценную живую молекулу нуклеиновой кислоты, но такое положение дел продлится недолго, и именно это имел в виду Прайс в той цитате, с которой я начал главу.

Давайте же заглянем в будущее и посмотрим, какие последствия мы получим, когда человечество научится создавать искусственные нуклеиновые кислоты, искусственные вирусы, искусственные хромосомы, искусственную жизнь.

Какие опасности грозят нам сейчас? Допустим, ученые создадут вирус, который сможет проникать в клетки, — совершенно новый вирус, против которого человек, может быть, никогда не сможет выработать никакой защиты. Может ли получиться так, что новая, невообразимо смертоносная чума, вырвавшись из пробирки, уничтожит все человечество, а может быть, и всю клеточную жизнь на Земле?

Вероятность такого исхода очень мала. Проникновение вируса в клетку и дальнейшее использование вирусом клетки в своих целях — чрезвычайно сложное явление. Этот механизм обладает работоспособностью только благодаря миллиардам лет медленной эволюции, а вирусы, как правило, могут паразитировать только на клетках конкретных видов.

Поэтому допустить появление вируса, который случайно окажется непобедимым для всех систем иммунитета и при этом будет обладать свойством разрушать все клетки человеческого организма, можно лишь с очень большой натяжкой. Выражаясь математическим языком, вероятность такого события не исключена, но крайне мала.

Так давайте же лучше рассмотрим более конструктивные и оптимистические возможности, которые сможет предоставить нам наука.

Над миром встает заря дня, когда мы сможем повторить предыдущий триумф человечества на новом — гораздо более тонком и сложном — уровне.

Когда-то, в далекие доисторические времена, человек вел образ жизни охотника и собирателя. Он ел диких животных, которых удавалось убить, или фрукты и ягоды, которые удавалось найти. Если человеку не везло в погоне или в поиске, то он оставался голодным.

Потом люди научились приручать животных — кормить их, присматривать за ними, а взамен пользоваться их молоком, шерстью и рабочей силой и забивать их на мясо в случае необходимости. Научились выращивать растения и собирать урожай. Человек перестал быть охотником и собирателем и стал пастухом и землепашцем. В результате пищи у него стало гораздо больше. В результате этих потрясающих открытий около 10 тысяч лет назад произошел первый в истории человечества демографический взрыв.

В отношении материи, из которой состоят клетки, мы пока что находимся на стадии «охоты и собирательства». Возьмем для примера инсулин. Инсулин — это белок, вырабатываемый особыми клетками в железе, именуемой поджелудочной. Это не фермент, а гормон, необходимый для правильного функционирования организма. Его отсутствие (или недостаток) в организме приводит к диабету (см. главу 3).

Диабетик может вести нормальный образ жизни, если будет регулярно получать инъекции инсулина. Инсулин для этих инъекций получают из поджелудочной железы забиваемых коров и свиней. Мы «собираем» инсулин из тех поджелудочных желез, которые нам удается найти. А их бывает ровно одна на каждое забитое животное, то есть запас ограничен.

Конечно, этого ограниченного запаса хватает, но зачем заниматься собирательством инсулина, если у нас появился шанс получать его, «разводя стада» молекул? Что, если нам взять из клетки поджелудочной железы не сам инсулин, а молекулу нуклеиновой кислоты, которая запускает производство инсулина? Если мы «одомашним» эту нуклеиновую кислоту и будем предоставлять ей достаточно необходимого сырья, то она сможет производить инсулин в неограниченных количествах, как корова производит молоко. Тогда у нас будет свой собственный запас инсулина и мы перестанем зависеть в этом отношении от количества забиваемых животных. Более того, возможно, нам удастся заставить эту нуклеиновую кислоту реплицироваться самостоятельно и тогда нам вообще не понадобятся больше никакие животные.

Разве не заманчиво выглядит будущее, в котором появятся заводы и фабрики, где вместо лязгающих железных механизмов будут трудиться микроскопические нуклеиновые кислоты? Человечество вполне сможет искусственным образом получать сотни, тысячи сложных ферментов и других белков. С помощью некоторых ферментов удастся проводить некоторые химические реакции лучше, чем посредством любого из ныне известных способов. Появятся и новые вещества, пригодные к использованию в медицинских целях.

Возможно даже, что часть получаемого таким образом биологического материала можно будет употреблять в пищу. Искусственно изготовленные белки будут добавляться в естественную пищу в тех регионах земного шара, где питания не хватает. Да, искусственное изготовление белков будет недешево обходиться, особенно поначалу, но зато сами белки будут представлять собой чистую идеальную пищу — ни костей, ни хрящей, ни жира, сплошной продукт с высочайшей питательной ценностью.

Скорее всего, большинство людей на Земле воспротивятся введению такой неестественной диеты, но колонисты на Луне или Марсе должны высоко ее оценить. Ведь там не пасется скот и не растут яблони, а с учетом того, во сколько обойдется транспортировка пищи в космосе, похоже, что нуклеиновым кислотам будет где развернуться. Сырье-то для будущих молекул найти можно будет без проблем и в составе местных минералов (хорошо бы там оказались известняк и гидросиликаты).

На самом деле, скорее всего, именно от достижений в области использования нуклеиновых кислот в первую очередь зависит вероятность колонизации Солнечной системы на практике.

Человечество совершенно не обязано в своих целенаправленных экспериментах в точности копировать работу природы. В конце концов, нуклеиновые кислоты реплицируются на самом деле ведь не совсем точно. Иногда в процессе репликации происходят небольшие ошибки. Нельзя сказать, что это само по себе плохо, поскольку иногда случается так, что благодаря этим ошибкам получается совершенно новая нуклеиновая кислота, которая начинает приносить дополнительную пользу клетке, в которой появилась на свет. Именно благодаря таким случайным изменениям в строении нуклеиновых кислот за два миллиарда лет эволюционного развития из амебы получился человек.

Люди научились способствовать этим изменениям в нуклеиновых кислотах в процессе репликации. Вероятность ошибок при репликации оказалось возможным увеличивать путем обработки нуклеиновых кислот нагреванием, радиацией, определенными химическими веществами. Нуклеиновые кислоты нового образца строят белки (многие из которых являются ферментами) также с ошибками, получая новые, которым не было раньше аналогов. Скорее всего, большинство этих новых белков окажутся бесполезными, но некоторые вполне могут иметь новые, очень важные свойства, каких в природе еще никогда не наблюдалось. Химикам подобное уже знакомо. Сотню лет назад они научились получать химические соединения, не существующие в природе. Так появились на свет новые красители, новые лекарства и даже новые макромолекулы, например синтетические волокна и пластмассы. И во многих случаях новые вещества имели серьезные преимущества перед любыми природными аналогами.

Почему же нам тогда не производить новые нуклеиновые кислоты, которые будут создавать новые белки, возможно превосходящие все имеющееся в природе? Мы можем не только «разводить» нуклеиновые кислоты, но и «выводить» новые их разновидности, точно так же, как мы выводим новые породы скота или новые сорта пшеницы.

А можно ли применить технологии новых аминокислот напрямую к людям? Давайте поразмышляем дальше.

Каждая хромосома состоит из сотен, если не тысяч, блоков — нуклеиновых кислот, каждая из которых способна создавать определенные белки. Самое старое название этих блоков — «гены». У каждого человека имеется свой личный набор генов, и не исключено, что у любого из нас в клетках присутствуют и дефектные гены, неспособные правильно создавать нужные ферменты.

Чаще всего эти дефекты легки и незаметны — но не всегда. Ученые пытаются разобраться в генах всеми доступными средствами. В 1962 году Роберт Эдгар из Калифорнийского технологического института сумел установить около половины генов, присутствующих в определенном вирусе, через анализ создаваемых этими генами ферментов.

В конце концов, конечно, будут изобретены технологии, с помощью которых можно будет определить функцию каждого гена в заданном наборе хромосом[3]. Все клетки одного и того же организма имеют один и тот же набор генов, так что подобный анализ можно будет провести на материале, скажем, белых кровяных телец из капли крови.

Может быть, придет время, когда каждый будет подвергаться подобному анализу с рождения. Что можно сделать по результатам генного анализа, когда набор генов индивидуума установлен и проанализирован? В первую очередь, зная, какие гены несут дефект, можно предсказать угрозы здоровью человека, а значит, и принять профилактические меры. Зная свои физические возможности, человеку легче правильно планировать карьеру. Карта генного анализа может стать важнейшим документом каждого, который необходимо всегда иметь с собой, а копия которого будет храниться в каком-нибудь центральном архиве.

Несмотря на то что каждая клетка одного и того же организма содержит один и тот же набор генов, сами гены выражают себя в разных клетках по-разному. Клетки специализируются, одни становятся нервными, другие — мышечными, третьи — клетками кожи, четвертые — печени и т. д. Каждая клетка имеет свой собственный набор ферментов, что означает, что в клетке каждого типа деятельность одних генов подавляется, а других — запускается «на полную катушку».

Каким образом одни гены блокируются организмом, а другие — «включаются», ученые до сих пор в подавляющем большинстве случаев не знают. Но именно этот вопрос сейчас пользуется наибольшей популярностью у исследователей, и над ним сейчас работают со всех сторон. Одни ученые перебирают содержащиеся в хромосомах белки в поисках блокирующего агента; другие — исследуют продукты деятельности ферментов, которые, по мере накопления, могут замедлять действие породивших их ферментов. Возможно, что именно подобного рода обратная связь и обеспечивает блокировку генов. Изучаются и все другие возможности.

Предположим, люди научатся разблокировать гены. Тогда мы получим клетки со всеми свойствами первоначальной оплодотворенной яйцеклетки. Если таким образом удастся произвести «деспециализацию»[4] клеток культи утраченной руки или ноги, то, может быть, удастся отрастить конечности заново? А может быть, удастся регенерировать и нервные клетки или клетки глаза и наши потомки не будут знать страшных слов «паралич» и «слепота»?

Вернемся к оплодотворенной яйцеклетке и вопросу о генном анализе. Предположим, что оплодотворенной яйцеклетке дали разделиться пополам, после чего одну из двух получившихся клеток извлекли из системы. Ущерба, таким образом, никому не нанесено, поскольку вторая оставшаяся клетка может самостоятельно делиться дальше, и из нее вырастет в конечном итоге полноценный взрослый человек. На самом деле именно так — когда каждая из двух клеток первого цикла деления оплодотворенной яйцеклетки почему-то начинает развиваться самостоятельно — и получаются однояйцовые близнецы.

Извлеченную клетку можно использовать для генного анализа. По результатам этого анализа будет видно, можно ли дать второй клетке развиваться дальше, в полноценного человека, или она изначально дефектна и человек, родись он, будет носителем неизлечимого генетического заболевания[5].

Теперь предположим, что при анализе обнаружится, что один важный ген в оплодотворенной яйцеклетке поврежден и здоровый человек из нее не вырастет, но остальные гены — настолько хороши, что, будь их обладатель здоров, он оказался бы совершенным существом. С точки зрения человечества было бы непростительно терять такой образец из-за одного-единственного дефектного гена. Нельзя ли будет заменить этот поврежденный ген на здоровый, взяв последний из какого-нибудь генетического банка?

В 1964 году Мюриэл Роджер из Университета Рокфеллера объявил о том, что ему удалось перенести отдельный ген из одной бактериальной клетки в другую. В результате такой генетической трансплантации клетка-реципиент обрела способность вырабатывать новый для себя фермент. Так что идея генетического переноса в принципе не является нереализуемой.

Теперь предположим, что в некоей оплодотворенной яйцеклетке имеется не один, а несколько поврежденных генов, слишком много, чтобы из нее можно было получить полноценного человека. Но допустим, ни один из этих дефектных генов не относится к работе, скажем, сердца или почек. Нельзя ли взять отдельно здоровые гены и вырастить на их основе именно эти органы для будущих трансплантаций?

Звучит дико, но наука развивается страшно быстрыми темпами. Огромного, немыслимого прогресса удается достичь всего за несколько десятилетий. Шестьдесят лет спустя после неуклюжего полета аппарата братьев Райт уже имелись реактивные самолеты, способные облететь весь земной шар. Сорок лет спустя после того, как Роберт Годдард поднял свою первую ракету на жидком топливе на высоту 50 метров, запущенные человеком ракеты летели уже дальше Марса.

Так кто сейчас может сказать, каким будет уровень биологической инженерии к 2000 году, до которого многие из нас к тому же и не доживут?

Конечно, возможности, связанные с биоинженерными успехами, не могут не вызывать и опасений. Хватит ли наших знаний для того, чтобы играть с жизнью и смертью, подобно Богу?

Может, и не хватит. Но человеку рисковать не впервой. Он уже рискнул уподобиться Богу, когда впервые начал с помощью силы своего разума изменять окружающий мир. Одомашнив животных, изобретя земледелие и начав строить города, человек создал цивилизацию. Это коренным образом изменило все существование человека. Да, эти изменения привели к возникновению проблем, которых раньше не было, но в целом жизнь изменилась к лучшему и возвращения назад к варварству не хочет никто.

И потом, когда люди создали паровую машину, приручили электрический ток, придумали двигатель внутреннего сгорания и разработали атомную бомбу, получение каждой из этих технологий все дальше отдаляло человека от исходного положения. При этом возникли просто огромные проблемы, но, опять же, мало кто захочет вернуться обратно в доиндустриальную эпоху.

Несомненно, эра биологической инженерии принесет в нашу жизнь еще больше принципиальных перемен и новых проблем, но примеры прошлого показывают, что человеку свойственно справляться с такими изменениями, получая от них гораздо больше благ, чем рисков.

Кроме того, если суть этих перемен будет в том, что человек возьмется улучшать себя самого, то и с возникающими по ходу проблемами управляться будет уже человек улучшенный.

Каждое предыдущее усовершенствование будет облегчать работу по следующему, и, двигаясь по этой восходящей спирали, человек может наконец достичь желанной чистоты и окунуться в солнечное будущее безграничных возможностей.

Глава 10 ГОРЯЩЕЕ ВЕЩЕСТВО

С самого момента своего открытия горючий газ водород произвел на человечество революционное воздействие. С его помощью были повержены старые теории и установлены новые. Он уже два раза вел людей к звездам, а теперь этот газ предоставляет нам возможность получить безграничные запасы энергии, необходимой для будущих потребностей человека.

История водорода началась с пламени, поскольку в XVII веке первые химики получили при реакции железа с кислотой новый газ, который, как оказалось, взрывается при нагревании. Они назвали его «горючим газом».

Английский химик Генри Кавендиш, занявшийся изучением нового вещества в 1766 году, обнаружил, что тот способен порождать нечто более примечательное, чем пламя. Оказалось, что при сжигании этого газа и соединении его с чем-то, содержащимся в воздухе (как выяснилось позже — с кислородом), образуются капли жидкости, которая представляет собой не что иное, как воду. Вода, рождающаяся в пламени!

Мир химии был потрясен. Ведь тысячелетиями считалось, что вода — это первоэлемент, что ее невозможно получить из сочетания каких-то более простых элементов. Теперь же выходило, что вода — это продукт сочетания двух газов!

Горючему газу дали новое имя — «водород». Образование воды из водорода стало одним из козырей, позволивших французскому химику Антуану Лорану Лавуазье смести старые теории и заложить вместо них основы современной химии.

Но этим необычные свойства водорода не исчерпывались. Водород оказался не только горючим, не только источником воды, но и крайне легким по весу. Кубический метр водорода весит всего 90 граммов (для сравнения — кубический метр воздуха весит более чем в десять раз больше — 1 килограмм 300 граммов). На самом деле водород — вообще самое легкое вещество на свете.

В 1783 году французы братья Монгольфье наполнили горячим воздухом шелковый мешок и отпустили его вверх. Горячий воздух легче, чем холодный, поэтому получившийся шар поплыл по воздуху, как бревно — по реке. Когда же горячий воздух остыл, шар опустился.

Но зачем использовать горячий воздух, если новооткрытый газ, водород, оказался гораздо легче, чем любой воздух, даже в холодном состоянии? Его подъемная сила гораздо больше, и он вполне может нести гондолу по воздуху — вместе с сидящими в ней людьми.

В начале XIX века по всей Европе и Америке в воздух поднимались наполненные водородом воздушные шары. Для кого-то это были игрушки, захватывающее развлечение. Для ученых же это оказалось первой возможностью изучать небесные высоты — первым шагом на пути к звездам.

Кроме того, это изобретение можно было бы использовать и для коммерческого воздухоплавания, оставалось только обрести независимость от ветра. В 1900 году немецкий изобретатель граф фон Цеппелин построил воздушный шар сигаровидной формы с алюминиевым каркасом и снабдил его пропеллером. Так был изобретен дирижабль, и люди впервые в массовом порядке отправились покорять высоту на крыльях водорода.

Но нельзя забывать, что водород все же крайне огнеопасен. Огромный шар, наполненный водородом, всегда представляет собой хранилище взрывчатки, — и любой удар по такой цели будет безошибочен. А нанести такой удар может что угодно, например искра статического электричества. Так, в 1937 году вспыхнула наполненная водородом оболочка огромного дирижабля «Гинденбург», и весь корабль был уничтожен в течение нескольких минут.

Впрочем, к тому моменту дирижабли и так уже отживали свое. Ясно стало, что будущее — за летательными аппаратами тяжелее воздуха.

Так что похоже, что водороду найдется использование только на земле. Химики применяют его во множестве «восстановительных» реакций, например для превращения несъедобных овощных масел в полезные твердые жиры. А горючесть водорода нашла свое применение в водородных горелках, которые режут сталь, как масло.

Что же еще?

Несмотря ни на что, водород не сдался. Пламя горящего водорода заставило дирижабль рухнуть вниз, но оно же заставляет ракету лететь вверх! Конец эры дирижаблей совпал с началом эры ракет.

Обычный самолет может маневрировать только в воздухе, где содержится достаточное количество необходимого для сжигания топлива кислорода. Кроме того, воздух должен быть еще и достаточно плотен, чтобы поддерживать вес самой машины.

А вот ракета несет на борту и топливо, и кислород. Когда эти две составляющие объединяются, происходит взрыв и раскаленные газы вырываются из сопел вниз. По закону действия или противодействия, известному также как третий закон Ньютона в честь знаменитого английского ученого, открывшего этот закон в 1683 году, раз часть массы ракеты (газы) вылетает вниз, то вся остальная ракета должна лететь вверх, в противоположном направлении.

По мере того как выхлопные газы вылетают вниз, ракета движется вверх все быстрее. В конце концов она выйдет за пределы атмосферы (которая ей не нужна ни для поддержки, ни в качестве источника кислорода) и выйдет в космос.

Высота, на которую поднимется ракета, зависит, в частности, от того, каким образом выбрасываются выхлопные газы. Чем быстрее они вылетают (чем яростнее происходит реакция), тем больше скорость ракеты, а значит, и высота, на которую она поднимется. Поэтому ученые-конструкторы очень активно искали топливо, которое обеспечило бы наиболее бурную реакцию.

В первых ракетах, вроде игрушечных, что запускают на Четвертое июля[6], или почти игрушечных, которые применялись в военных действиях XIX века, топливом служил порох. В порохе содержится богатое кислородом вещество селитра, а также углерод и сера, которые под воздействием нагревания вступают в активную реакцию с кислородом селитры. То есть в порохе тоже соединены топливо и кислород.

Но порох — не очень мощное топливо. В 1926 году американский изобретатель Роберт Годдард понял, что с помощью жидкого топлива можно добиться большего. И 16 марта упомянутого года запустил на ферме своей тетушки Эффи в Обурне, штат Массачусетс, первую в мире реактивную ракету на жидком топливе. Использованное им горючее — смесь бензина с жидким кислородом — оказалось в пять раз мощнее, чем тротил. Вскоре ракеты на таком топливе стали подниматься на многие километры в воздух со сверхзвуковой скоростью.

Первыми ракету с реактивным двигателем придумали американцы, но зрелости эта идея достигла в Германии. Во время Второй мировой войны немцы создали боевую ракету «Фау-2». После войны, в 1946 году, мы вывезли к себе в США некоторых немецких конструкторов и взялись за дело всерьез. К сожалению, сам Годдард не дожил до этого всего год.

Сочетание бензина с кислородом продолжали использовать и далее, но ясно было, что эта смесь не является идеальным горючим. Изо всех видов химического топлива энергичнее всего горит водород (в сочетании с кислородом или фтором). Поэтому ракета на водородном топливе могла бы подняться гораздо выше и нести более тяжелый груз, чем на смеси бензина с кислородом той же массы.

Казалось бы, снова настал звездный час водорода, но оставалась одна проблема. В обычной форме водород использовать нельзя — килограмм водорода занимает 9 кубических метров, а объема в любой ракете маловато.

Поэтому надо было перевести водород в какую-то более компактную форму. Можно было бы добиться этого путем сжатия под давлением, но это сложно и опасно. Впрочем, существует еще один способ уменьшить газ в объеме без нагнетания давления — остудить его до жидкого состояния.

После Второй мировой войны компактный водород необходим был не только для ракетных двигателей — шли работы по созданию новой бомбы.

Обычная атомная бомба, выбрасывающая энергию за счет расщепления урана — вроде той, с помощью которой было сломлено сопротивление Японии, — в новой бомбе должна была служить лишь детонатором еще более страшного взрыва. Причиной последнего стало бы насильственное слияние атомов водорода в гелий. Такая бомба получила название «термоядерной», или «водородной».

Так что необходимость в больших количествах жидкого водорода имелась налицо. Однако на пути к достижению этой цели оставался ряд препятствий.

Водород — очень распространенное вещество. Именно атомы водорода составляют две трети от всех атомов как в бензине, так и в океанской воде. А в живой ткани, в том числе и в вашем собственном организме, водород составляет три пятых от общего количества атомов. Да и в земной коре почти каждый тридцатый атом — водород.

Однако сам по себе, не в соединении с другими элементами, водород не встречается. Выделение же атомов кислорода из различных молекул было поначалу процессом сложным и дорогим. Это делалось путем обработки некоторых металлов кислотами или пропускания электрического тока через воду — для скромных нужд XIX века таких технологий было достаточно.

Вскоре после Второй мировой войны представители группы нефтяных и газовых компаний собрались для разработки совместного проекта по производству горючего из природного газа. Ими была изобретена технология сжигания природного газа с последующим глушением пламени в нужный момент для того, чтобы реакция горения осталась незавершенной и вместо углекислого газа и воды ее продуктами оказались угарный газ и водород. Эти два газа при определенных условиях можно снова объединить с получением топлива.

Сработало. Но получение горючего таким образом оказалось экономически нерентабельным по сравнению с получением его из огромных естественных нефтяных месторождений, обнаруженных во время и после войны. Однако научная работа была проведена не зря. Разработанный учеными механизм оказался самым дешевым способом получения водорода.

Следовательно, когда в середине XX века возникла потребность в большом количестве водорода, ее было чем удовлетворить. А вот предоставить водород непременно в жидком виде оказалось сложнее.

На протяжении всего XIX века химики пытались сжижать газы. Некоторые, например хлор и диоксид серы, легко поддавались усилиям исследователей. Стоило чуть остудить их, и они сразу же переходили в жидкое состояние. Впрочем, достаточно было и некоторого увеличения давления, без снижения температуры.

Другие же газы, например кислород, азот и водород, упорно отказывались сжижаться, несмотря ни на значительное снижение температуры, ни на повышение давления. Их классифицировали как «постоянные газы». Однако уже в 1869 году химиками было обнаружено, что, если не опустить температуру ниже некоей «критической точки», то никакое давление не поможет перевести газ в жидкую форму. Получается, что для таких газов, как кислород, азот и водород, такая критическая точка находится на очень низкой отметке температурной шкалы.

Тогда химики сосредоточили свои усилия на снижении температуры, и к 1880-м годам удалось перевести в жидкую форму кислород и азот. Азот дался труднее. Жидкий азот закипает при -195 °С, а водород даже и при этой температуре остается газом.

И только в 1895 году английский химик Джеймс Дьюар сумел первым получить жидкий водород. Температура кипения этого вещества оказалась -53 °С, лишь на 20 градусов выше абсолютного нуля — самой нижней точки температурной шкалы.

Итак, оказалось, что жидкий водород получать можно, а если затратить достаточно усилий — его можно получать и в большом количестве. Однако еще на протяжении пятидесяти лет он оставался не более чем лабораторным курьезом.

Главной проблемой в отношении жидкого водорода было то, что эта жидкость крайне нестабильна и в любой момент может испариться. Самая тщательная лабораторная изоляция помогала лишь до определенной степени, поскольку жидкий водород сам по себе генерирует некоторое количество тепла.

Это явление заслуживает отдельного объяснения. При обычных условиях водород существует в виде скопления молекул, каждая из которых представляет собой пару атомов.

Каждый атом водорода состоит в основном из одной центральной постоянно вращающейся частицы, именуемой «протоном». В одних молекулах водорода протоны обоих атомов вращаются в одном направлении; в других — в противоположном. Первая разновидность водорода получила название «ортоводород», а вторая — «параводород». В обычном газообразном водороде три четверти молекул — это ортоводород, а оставшаяся четверть — параводород.

В молекуле ортоводорода содержится больше энергии, чем в молекуле параводорода. При переходе водорода в жидкую форму ортомолекулы постепенно превращаются в менее энергичные парамолекулы. Разница в энергетическом уровне орто- и параводорода в таком случае высвобождается в виде тепла.

Постепенное превращение ортомолекул в парамолекулы приводит к постепенному же нагреванию общей массы жидкого водорода и выпариванию последнего со скоростью один процент в час, даже если камера с водородом идеальным образом изолирована. Более того, если камера не вентилируется, то давление в ней может при этом возрасти до опасного уровня.

Напрашивается решение проблемы путем предварительного превращения всех ортомолекул в парамолекулы. Тогда мы получим чистый параводород, который, при должной изоляции, можно держать в жидком состоянии очень долго.

Существуют вещества, способные послужить катализаторами процесса и ускорить такое превращение. К примеру, уже в 1929 году было обнаружено, что ускорению нужного превращения способствует угольный порошок. А в 1952 году, когда нужда заставила, ученые выяснили, что с помощью особым образом обработанного оксида железа можно за несколько секунд превращать ортоводород в параводород в больших количествах.

После доработки процедуры в промышленных масштабах стало возможным массовое получение жидкого водорода в такой форме, когда в условиях должной изоляции путем испарения жидкость теряет один процент не за час, а за трое суток. Цена производства такого водорода упала до одного доллара за килограмм, и сейчас строятся заводы, где будет вырабатываться по двадцать и более тонн водорода в сутки. Потребность человечества в водороде удовлетворена полностью и останется удовлетворенной, несмотря на свой постоянный рост.

Кажется, брезжит еще один, новый способ использования водорода — для производства электроэнергии. Как правило, электричество вырабатывается генератором, работающим на тепловой энергии горящего угля или мазута (или на энергии падающей воды). При переходе энергии из тепловой формы в электрическую значительная часть ее неизбежно теряется. Если бы можно было объединять топливо с кислородом напрямую в единой электрической батарее (так называемой «топливной батарее»), то весь процесс в целом можно было бы сделать более эффективным.

В экспериментах по созданию топливных батарей испытывались различные виды топлива: угольный порошок, угарный газ, метан. Трудности практического характера, лишающие такие батареи экономической рентабельности, велики, но преодолимы. Наиболее перспективной кажется на сегодняшний день водородно-кислородная топливная батарея. Такие батареи уже работают, по крайней мере в небольших масштабах, и, возможно, не за горами тот день, когда с помощью водорода электричество станет, таким образом, дешевле и доступнее.

После войны жидкий водород получил новое, экзотическое применение в пузырьковых камерах, предназначенных для отлавливания странных короткоживущих ядерных частиц, производимых мощными современными машинами, расщепляющими атомы. Изобрел эти камеры в 1952 году американский физик Дональд Глейзер. Одна пузырьковая камера находится в Калифорнийском университете — она имеет длину 1,2 метра и содержит 570 литров жидкого водорода.

Но и для топливных батарей, и для пузырьковых камер требуется сравнительно немного жидкого водорода. Основной расход всего жидкого водорода, который может произвести современная промышленность, — это использование в качестве топлива ракет и реактивных двигателей. В частности, жидкий водород может питать энергией те огромные ракеты, что унесут человека на Луну.

Одна из причин, побуждавших государства после войны в спешке производить жидкий водород в огромных объемах, исчезла. Да, в первых примитивных водородных бомбах действительно использовался жидкий водород, но это оказалось непрактичным. Соблюдение требований к изоляции приводило к настолько значительному увеличению размера и веса бомбы, что она превращалась в нечто чудовищное и неподъемное.

Очевидным выводом стало использование не самого водорода, а соединения водорода с легким металлом — литием. Соединение это, гидрид лития, оказалось не менее взрывчатым после взрыва запала, чем сам водород. При этом гидрид лития является твердым веществом при обычной температуре, представляя собой, таким образом, хранилище водорода в компактном виде безо всякой изоляции или нагнетания давления. В таком виде водородная бомба сразу стала готовой к размещению на борту самолета или в ракетной боеголовке.

Мы все, конечно, надеемся, что водородная бомба никогда не будет использована. Но вот другой вариант применения процесса слияния ядер водорода, напротив, является предметом надежд всего человечества. Если человек научится управлять этим процессом и сможет сделать его медленным и постоянным, то все энергетические потребности человека будут удовлетворены на неопределенный срок.

Необходимо всего лишь поднять температуру некоторого объема водорода до точки, при которой начнется слияние, а дальше процесс станет поддерживаться самостоятельно. Причем желательно обойтись при этом без атомной бомбы. Решить эту задачу было бы легче, если бы можно было заставить атомы водорода вступать в слияние при как можно более низкой температуре.

Этого можно добиться, если использовать водород достаточно редкого вида. Я уже упоминал о том, что в атоме водорода содержится частица, именуемая протоном. Однако примерно в одном атоме водорода из 7 тысяч содержится, помимо протона, еще одна частица, получившая название «нейтрон». Атом водорода, чье ядро содержит и протон, и нейтрон, имеет массу в два раза больше обычного атома, за что его и назвали «тяжелым водородом», или «дейтерием» (от греческого «второй», поскольку он содержит еще и «вторую», «дополнительную» частицу).

Дейтерий открыл в 1932 году американский химик Гарольд Юри. Разница в массе в два раза позволяет сравнительно легко выделить этот элемент из общей водородной массы, но в течение десяти лет его продолжали считать не более чем академически любопытным отклонением от нормы. И только во время Второй мировой войны выяснилось, что вода, в состав которой входит дейтерий (так называемая «тяжелая вода»), может представлять собой важный элемент ядерного реактора.

Но мало того — уже после войны выяснилось, что слияние дейтерия происходит гораздо легче, чем слияние обычного водорода. Поэтому при всех попытках овладеть реакцией слияния водорода стал использоваться только дейтерий.

Но даже в этом случае речь все еще идет о температуре в миллионы градусов, при которой атомы дейтерия распадаются на смесь элементарных частиц, именуемую «плазмой». Температура плазмы слишком высока, чтобы можно было давать ей соприкасаться со стенками камеры, из какого бы материала она ни была сделана. Но, пользуясь тем, что плазма электрически заряжена, ученые сумели удержать ее на месте не стенками, а электромагнитными полями.

Проблема сложная, но с каждым годом нам удается поднимать температуру дейтерия все выше и удерживать ее все дольше. Не за горами тот день, когда человек полностью овладеет слиянием водорода.

А тогда, может быть, еще до конца XX века по всей Земле появятся принципиально новые электростанции. Питаться они будут от небольших камер с жидким дейтерием, которые повсеместно придут на смену вагонеткам с углем и танкерам с нефтью. И именно водород, в той или иной форме, сможет не только пронести человека к звездам, но и помочь ему преодолеть бедность и несчастье на самой Земле.

Глава 11 ДА БУДЕТ НОВЫЙ СВЕТ!

В 1960 году американский физик Теодор Гарольд Мейман подверг брусок искусственного рубина облучению ярким светом. Оказалось, что поглощаемый материалом свет снова испускается наружу, но в измененном виде. Теперь весь свет представлял собой тонкий луч насыщенного красного цвета, исходящий из торца бруска.

Такого света еще никто никогда не видел. Более того, такого света раньше никогда не существовало ни на Земле, ни где-либо еще во всей Вселенной — насколько нам известно. Искусственный рубин Меймана стал первым в мире лазером — устройством, в котором мы сегодня видим как луч смерти, так и волшебный инструмент для хирургии, фотографии, коммуникаций, изучения космоса и еще с полдесятка областей.

Что же такого уникального в этом лазерном луче? С виду — просто цветной луч, каких и раньше люди видели предостаточно. Значит, есть в нем что-то, невооруженным глазом неразличимое? Чтобы понять, что именно, надо сначала вкратце рассказать о природе обычного света.

Представим себе свет как поток волн. Резонно было бы задаться в таком случае вопросом: «волн в чем?», и этот вопрос поставил бы нас в тупик, но сейчас мы в такие тонкости углубляться не будем. Просто представим себе некие волны, и все.

Не стоит думать, что представить свет в виде волн — значит нарисовать волнистую линию вдоль всей протяженности луча света. Свет от далеких звезд попадает к нам через триллионы километров, так что «вся протяженность» окажется в таком случае немалой. Вместо этого, представим себе волны разбитыми на маленькие отрезки, по несколько колебаний на каждом. В дальнейшем мы будем называть эти отрезки «фотонами», от греческого слова, означающего «свет».

Фотоны очень малы. Сорокаваттная лампочка, свет от которой, как мы все сами видели, слаб и тускл, испускает около квинтиллиона (1 000 000 000 000 000 000) фотонов в секунду.

Между собой фотоны не всегда одинаковы. Самое важное отличие одних фотонов от других в том, что одни несут больше энергии, чем другие. В подробности того, «что такое энергия», мы сейчас углубляться тоже не будем, ограничившись утверждением о том, что фотон с более высоким энергетическим содержанием может делать нечто, чего фотон с более низким делать не может.

К примеру, красный свет состоит из фотонов, энергия которых в два раза меньше, чем энергия фотонов фиолетовых. Попадая на обычную фотопленку, фотоны красного света, не имея на то достаточно энергии, не производят никаких химических изменений в покрывающем пленку составе. Если же на пленку попадают более энергетически насыщенные фотоны фиолетового света, то химикаты состава распадаются и пленка затуманивается.

Именно поэтому в фотолабораториях, где проявляют и печатают фотографии, используется освещение красным светом. Ведь такой свет безвреден для пленки.

В солнечном свете содержатся фотоны с самым разнообразным энергетическим содержанием. В нем присутствуют все фотоны, способные воздействовать на сетчатку наших глаз, которую можно рассматривать как живую и очень сложную фотопластинку, а кроме того — фотоны недоступного нашим глазам инфракрасного света, несущие меньше энергии, чем любой видимый свет, и также невидимого ультрафиолетового света, несущие больше энергии, чем фотоны любого цвета, доступного глазу. В целом же все формы света, как видимого, так и невидимого, можно рассматривать также как электромагнитное излучение.

Фотоны ультрафиолетового света несут так много энергии, что могут повредить сетчатку, именно поэтому опасно долго смотреть прямо на солнце. Энергии, содержащейся в фотонах ультрафиолетового света, хватает даже для того, чтобы приводить к химическим изменениям в нашей коже, благодаря чему кожа обретает загар.

Фотоны рентгеновских лучей и гамма-излучения, несущие энергии еще больше, чем ультрафиолет, могут пробивать путь прямо сквозь тело человека. Если при этом они повреждают определенные молекулы, то производимые при этом химические реакции приводят к тяжелым, часто смертельным последствиям для здоровья. Именно поэтому людям, работающим с радиоактивными веществами, и сотрудникам атомных электростанций приходится соблюдать столько предосторожностей, чтобы не подвергнуться облучению.

Раз мы представили фотоны короткими отрезками волн, то пора объяснить, чем же фотоны с высоким содержанием энергии отличаются от фотонов с низким. Обратим внимание на длину каждого отдельного колебания. Представим себе отрезок волны длиной в один дюйм и нарисуем столь плавный ее изгиб, что на всю длину получится только одно колебание. А рядом нарисуем другой отрезок, тоже длиной в один дюйм, но теперь на этом дюйме будет умещаться десять колебаний.

Количество колебаний на участке волны определенной длины является для этой волны важной характеристикой — частотой. Частота волны, в которой на дюйм приходится десять колебаний, — в десять раз выше, чем волны, где одно колебание занимает целый дюйм длины.

Чем больше энергетическое содержание фотона, тем выше частота соответствующего света. В фотоне красного света на сантиметр волны приходится около 14 000 колебаний, фиолетового — вдвое больше, около 28 000. Разница в частоте световых волн видимой части спектра и обеспечивает нам ощущение разных цветов.

Теперь давайте разберемся, откуда же берутся эти фотоны? Для этого нам придется рассмотреть строение самой материи, из которой состоит Вселенная.

Материя состоит из крошечных частиц, которые называют атомами. Атомы, как и более мелкие частицы, входящие в их состав, как и более крупные частицы, в состав которых входят сами атомы, содержат энергию. Чаще всего энергия проявляет себя движением — частицы, обладающие большей энергией, движутся или вибрируют быстрее.

Частицы материи не просто «могут обладать энергией» — они могут обладать лишь определенными ее объемами. Частицы каждого конкретного вида могут обладать энергией в типичном для них объеме, и ни в каком другом. Поэтому можно говорить о том, что каждая частица имеет некий характерный для нее энергетический уровень. Частица может иметь тот или иной, более низкий или более высокий, энергетический уровень, но ни в коем случае не некий промежуточный.

Можно провести аналогию с мелкой монетой. Если у вас в кармане звенят пятицентовики, то у вас может быть в общей сумме 45 или 50 центов, но 47 центов у вас быть не может. Если же ваши монетки — сплошь четвертаки, то 50 центов у вас в кармане по-прежнему может оказаться, а вот 45 — уже нет.

При сгорании куска дерева энергия, высвобождаемая при реакции соединения частиц дерева с частицами воздуха, переходит в энергию окружающего воздуха. Все частицы выбрасываются наружу с высоким уровнем энергии.

Однако они не сохраняют высокий уровень энергии навсегда. Все частицы имеют склонность к пребыванию на как можно более низком энергетическом уровне. Поэтому вскоре частицы, поднятые на высокий энергетический уровень, возвращаются обратно на низкий. При этом они отдают энергию в окружающее пространство в виде фотонов.

Если бы все частицы окружающей среды вокруг горящего дерева были бы одинаковы и все поднимались на один и тот же высокий энергетический уровень и возвращались на один и тот же низкий, то все отдаваемые фотоны имели бы одно и то же энергетическое содержание и одну и ту же частоту.

Но это не так. Дополнительную энергию получают абсолютно все виды частиц, и количество получаемой ими энергии может оказаться самым разным. Соответственно фотоны отдаются очень разные — некоторые из них (меньшинство, правда) лежат в видимой части спектра, поэтому пламя костра освещает окрестности. В солнечном свете тоже присутствуют фотоны самых различных частот, поэтому в нем представлен практически полный спектр всего света, который только существует в природе. Еще пару десятилетий назад ученые считали, что эта мешанина частот является практически неотъемлемым свойством любого света.

Теперь предположим, что все частицы, с которыми мы имеем дело, принадлежат исключительно к одному типу и что все молекулы, таким образом, получают один и тот же невысокий уровень энергии.

В таких условиях отдельные частицы постоянно будут то набирать достаточно энергии, чтобы переместиться на следующий энергетический уровень, то снова терять набранный излишек энергии в виде фотона определенной частоты. Среди рассматриваемых частиц всегда будут такие, которые уже набрали энергию и находятся в данный момент в процессе ее потери. Так что из такой системы всегда будут испускаться фотоны, причем одной и той же частоты, и в результате мы будем иметь луч постоянной частоты.

К примеру, было обнаружено, что аммиачный газ можно заставить испускать определенное низкочастотное излучение, получившее название «микроволна». Частота микроволнового излучения от аммиака — меньше одного колебания на сантиметр. Сравните с 14 000 колебаний красного света!

Эти колебания — ровны и неизменны. Они постояннее, чем колебания любых рукотворных маятников или даже небесных тел. В 1949 году американский физик Гарольд Лайонс показал, как можно с помощью этих колебаний управлять изменением времени, и изобрел атомные часы, гораздо более точные, чем любые другие часы, известные на тот момент. Но с помощью такого излучения можно не только измерять время.

Частицы, из которых состоит аммиак, перескакивают с более низкого энергетического уровня на более высокий тогда, когда поглощают фотон с соответствующим содержанием энергии. Но что происходит, если фотон попадает в частицу, которая уже и так имеет высокое энергетическое содержание? Может быть, оно становится еще выше? Нет!

В 1917 году Альберт Эйнштейн показал, пользуясь чисто теоретическими доводами, что, если фотон соответствующего энергетического значения попадет в частицу, уже находящуюся на высоком энергетическом уровне, он не будет поглощен; напротив, частица, в которую он попадет, снова перескочит обратно на нижний энергетический уровень.

При этом молекула, перемещающаяся уровнем ниже, испускает еще один фотон, в точности равный тому, который в нее попал. Более того, даже двигаться этот фотон будет в том же направлении, что и первый. В результате получится, что после удара фотона в молекулу мы будем иметь два фотона одной и той же частоты, движущиеся вместе.

Что же произойдет, если каждый из этих двух фотонов попадет в некие частицы, уже находящиеся на высоком энергетическом уровне? Каждая из них будет сброшена на более низкий энергетический уровень и при этом испустит по фотону, таким образом, всего мы будем иметь четыре фотона одинаковой частоты, движущиеся все вместе. Соответственно, если они все тоже попадут по частицам, находящимся на высоком энергетическом уровне, количество летящих вместе фотонов снова удвоится и т. д.

В обычных обстоятельствах вероятность такого хода событий крайне мала, поскольку на высоком энергетическом уровне частицы пребывают очень недолго. В любой отдельно взятый момент большинство частиц газа, скажем аммиака, находится на низком энергетическом уровне и, соответственно, вероятность попадания фотона в низкоэнергетическую частицу гораздо выше, чем в высокоэнергетическую.

Но американский физик Чарлз Гард Таунс придумал, как отделить частицы с высоким энергетическим уровнем от частиц с низким с помощью электрически заряженного устройства. В 1953 году ему удалось заполнить небольшую ячейку частицами аммиака, находящимися исключительно на высоком энергетическом уровне. Попадая в такую ячейку, фотон определенного размера неизбежно порождает путем попадания по частице еще один подобный себе фотон, затем — еще два, затем — еще четыре и т. д., по описанной выше схеме.

Один-единственный фотон может запустить лавину одинаковых фотонов за долю секунды. Соответственно, такое устройство можно использовать в качестве усилителя. Допустим, что из некоей точки в небе исходит очень слабое излучение, настолько слабое, что никакие приборы его не улавливают. Если это излучение попадает в ячейку, наполненную молекулами аммиака, находящимися на высоком энергетическом уровне, то оно вызовет лавинообразное испускание фотонов, которое уже нельзя будет не заметить, а уже из этого факта можно будет сделать вывод о существовании первоначального фотона, который эту лавину вызвал.

Таунс назвал свое устройство «мазер» (maser), от первых букв английских слов в словосочетании microwave amplification by stimulated emission of radiation — «микроволновое усиление путем стимулированного испускания излучения».

Мазер с аммиаком будет работать только с фотонами одной определенной частоты, но ведь аммиак — не единственное вещество, на котором может работать мазер. Были найдены твердые вещества, в которых используются другие сочетания энергетических уровней. Короче говоря, ученые разработали мазеры для фотонов самых разных частот.

Сначала все мазеры могли работать только по сессиям. Систему надо было сначала каким-то образом наполнить частицами с более высоким энергетическим уровнем, а затем входящий фотон всю ее разряжал, и мазер переставал работать, пока его снова не наполнить частицами с высоким уровнем.

Голландско-американский физик Николас Бломберген сумел обойти эту проблему путем введения системы с тремя уровнями — низким, средним и высоким. Систему наполняют высокочастотными фотонами, способными перевести содержащиеся в мазере атомы с низкого уровня на высокий. Вторая группа фотонов, более низкой частоты, сбивает систему сначала с высокого уровня на средний, а потом — со среднего на низкий. Оба процесса могут проходить независимо друг от друга, так что получается, что одновременно первая группа фотонов поднимает систему на более высокий энергетический уровень, а вторая — сбивает на более низкий. В целом вся система работает, таким образом, непрерывно.

Однако нет никаких причин ограничиваться микроволновым излучением. Почему бы не начать работать на других энергетических уровнях, чтобы производить более энергичные фотоны, частоты которых окажется достаточно для производства видимого света? Мазер, производящий такой видимый свет, получил название «оптического мазера», или «лазера» (это слово образовано по тому же принципу, что и мазер, но вместо «м» от microwave — «микроволновый», в нем используется «л» от light — «световой»).

В 1958 году Таунс указал, что создание лазера теоретически вполне возможно, а в реальности это устройство впервые создал Мейман, о чем я уже написал в начале главы. Первый лазер Меймана работал по прерывистой схеме, и после быстрой разрядки его приходилось снова заряжать энергией. Однако не успел закончиться 1960 год, как физик Али Джаван в лаборатории Белла уже создал постоянный лазер.

Теперь понятно, чем свет лазерного луча отличается от любого другого известного нам света.

Во-первых, лазерный луч состоит из очень сильного света. При порождении обычного светового излучения испускаются фотоны самых разных частот, а лазерный луч состоит из совершенно одинаковых фотонов. Лишь малая их часть принадлежит видимому отрезку светового спектра.

Во-вторых, лазерный луч очень однороден. Обычный свет состоит из фотонов самых разных частот, а лазерный луч — из совершенно одинаковых фотонов. Поэтому на всем своем протяжении луч имеет один ровный цвет. Такой цвет называется «монохромным» (от греческих слов «один» и «цвет»).

В-третьих, лазерный луч очень узок. Фотоны обычного света движутся во все стороны, и луч обычного света из-за этого трудно удержать от рассеивания. А фотоны лазерного луча движутся все строго в одном и том же направлении. Поэтому обычный свет можно уподобить толпе людей, каждый из которых движется туда, куда надо лично ему, а луч лазера — колонне марширующих в ногу солдат.

Естественное стремление фотонов лазерного луча двигаться в одном и том же направлении подчеркивается и устройством производящей его трубки. Концы этой трубки сделаны со всей возможной точностью плоскими, ровными и параллельными. Один из них посеребрен и представляет собой идеальное зеркало, а второй посеребрен лишь слегка. Когда механизм лазера запускает производство фотонов, они движутся тоже во всех направлениях. Большинство таких фотонов сразу же свободно уходят сквозь стенки трубки. Однако те, которые оказываются направленными вдоль трубки, попадают сначала на одно отражающее зеркало, потом, отразившись от него, — на второе, оттуда — опять на первое, все время по пути лавинообразно порождая новые фотоны, движущиеся в том же направлении.

В конце концов, когда фотонов становится достаточно много, их лавина прорывается сквозь тот конец трубки, что посеребрен лишь слегка, и получается лазерный луч. Составляющие этот луч фотоны настолько одинаковы между собой по частоте и направлению, что переходят один в другой практически незаметно, так что весь луч можно изобразить как одну непрерывную волну. Такое излучение называют «когерентным», от английского слова, означающего «сцепленный, связанный».

Состоящий из когерентного света лазерный луч практически вообще не рассеивается. Пронизывая пространство, он тратит крайне мало энергии. Лазерный луч можно сфокусировать так, чтобы попасть им в чашку кофе, находящуюся на расстоянии в тысячу километров. В 1962 году лазерный луч, запущенный с Земли, достиг Луны. При этом он рассеялся до диаметра в три километра, пройдя расстояние примерно в четыреста тысяч километров.

Уникальным свойствам лазерного луча может найтись масса интересных применений. В частности, узость луча позволяет сфокусировать на малой площади достаточно большую энергию. Температура на этой площади так быстро возрастает до критических значений, что требуется прилично поработать, чтобы тепло успело в достаточном объеме улетучиться, не нанеся вреда.

В связи с этим лазер может стать средством профилактики некоторых глазных болезней — им можно успеть скрепить ослабевшую сетчатку так быстро, что окружающие ткани не успеют пострадать от высокой температуры. Точно так же можно уничтожать и опухоли на коже, не обжигая здоровой кожи.

Лазером можно выпарить кусочек металла, а пар — быстро подвергнуть спектрографическому анализу; можно быстро и чисто пробуравить отверстие в металле или даже в драгоценном камне. Возможно, с помощью лазерного луча удастся когда-нибудь добиться и температур, достаточно высоких, чтобы запустить управляемую реакцию слияния ядер водорода, и решить таким образом раз и навсегда энергетическую проблему (см. главу 10).

Разумеется, к сожалению, все то же самое, что и с куском металла, лазер может сделать и с человеком. В 1965 году были разработаны лазеры, в которых частицы подталкиваются на высокий энергетический уровень с помощью химических реакций. Значит, мы можем представить себе и пистолет, в котором энергия химической реакции будет не толкать по стволу свинцовую пулю, а испускать вспышку лазерного луча. Такой луч бесшумно поразит человека намертво, не оставив следов и улик в виде пули, по которой можно было бы впоследствии произвести трасологическую экспертизу. Вот это получился бы воистину тот самый луч смерти, о котором столько писали в фантастических рассказах.

А если появятся лазерные пистолеты, то почему бы не появиться и лазерным пушкам? Вспышка излучения огромного лазера вполне сможет продырявить броню танка или корабля. Такой «снаряд», состоящий из света, пролетит точно по прямой к цели со скоростью 300 000 километров в секунду, и не будут ему помехой ни ветер, ни температура, ни вращение Земли, ни сила тяготения, ни любой другой параметр из тех, что осложняют прицел материальных снарядов.

В качестве оружия дальнего радиуса действия луч смерти имеет ряд ограничений. Облака, туман, дым или пыль могут рассеять и ослабить его. А идеально прямая траектория делает неуязвимой для такого оружия любую цель, расположенную за горизонтом, ведь луч не будет изгибаться, повторяя округлость земной поверхности.

Но если попытаться заглянуть в будущее, можно увидеть там все условия для использования лучей смерти в космосе. В вакууме, лежащем за пределами атмосферы, нет ни облаков, ни тумана, ни пыли и никакие горизонты не ограничивают область применения оружия. Ожидают ли человечество в будущем, несколько поколений спустя, межзвездные баталии, где космические корабли будут обмениваться вспышками лазерных орудий и любое попадание будет означать смертельное поражение цели?

Для создания таких мощных лазерных лучей потребуется очень много энергии, но сейчас идет работа над созданием лазеров, которые будут получать энергию из солнечного света. В космическом пространстве Солнце никогда не скрывается и не заходит за тучу, так что там его энергия всегда под рукой.

Но будем надеяться, что к тому моменту общество созреет до такой степени, что лазерное оружие, ни тяжелое, ни легкое, никогда не будет использовано. Лазерному лучу найдутся и мирные способы применения. Например, можно использовать лазер в сфере коммуникаций, которая сейчас полагается на низкочастотные фотоны микроволн и радиоволн.

Эти низкочастотные фотоны можно модулировать, то есть заставлять поток фотонов регулярным образом изменяться для того, чтобы производить с их помощью механические вибрации диафрагмы, которые, в свою очередь, порождают звуковые волны в воздухе. Аналогично с помощью колебаний электрического тока можно порождать свет с изменяющейся заданным образом интенсивностью. Таким образом мы получаем радио и телевизионное изображение, тоже сопровождаемое звуком.

Чтобы сигналы разных передач не путались между собой, их следует передавать с помощью фотонов достаточно сильно различающихся между собой частот. В низкочастотном диапазоне спектра таких четко разделяемых участков мало, поэтому количество теле- и радиоканалов, способных вещать в длинноволновом диапазоне, ограниченно.

Если же использовать в качестве передаточных волн свет, частота которого гораздо выше, то появится возможность для передачи гораздо большего количества различных сигналов одновременно. Для наглядности представим себе, что диапазон радиоволн — от 1 до 10, а диапазон световых волн — от 1 000 000 000 до 10 000 000 000. И в том и в другом случае последняя цифра в десять раз больше, чем первая, но в первом случае в разницу между ними укладывается только десять целых чисел, а во втором — девять миллиардов и одно.

Для того чтобы служить каналом передачи информации, излучение должно иметь упорядоченную частоту и четкую направленность. Добиться этого от длинных радиоволн было несложно, но для очень коротких и высокочастотных световых волн — невозможно. Пока не появился лазер. Остается проблема модуляции световых волн лазерного луча, но над ней сейчас активно работают. В 1965 году в Нью-Йорке была создана рабочая установка, в которой по одному лазерному лучу толщиной в карандаш через целую комнату транслировались семь телевизионных каналов одновременно.

Придет ли время, когда лазерный луч будет служить человечеству, направляемый и усиливаемый с помощью специальных коммуникационных космических спутников? Если это случится, то таким образом можно будет передавать все существующие в мире теле- и радиоканалы и останутся ресурсы еще на сколько угодно новых.

Атмосферные помехи не будут оказывать никакого влияния в космосе. Космические корабли и орбитальные станции смогут основывать на лазерной связи все коммуникации друг с другом и со станциями на безвоздушных небесных телах (например, на Луне).

Передавать таким образом можно не только словесную информацию. Будучи абсолютно прямым, лазерный луч может стать средством четкого географического позиционирования одного корабля или станции по отношению к другому такому же объекту. Более того, отразившись от обследуемого объекта, луч немного изменит свою частоту в зависимости от того, удаляется объект или приближается, и насколько быстро при этом движется. Таким же образом по изменению частоты луча можно будет определить, вращается ли обследуемый объект, и если да, то с какой скоростью.

Конечно, запустить для обследования далекого предмета можно и обычный свет — если только его удастся каким-то образом сжать в плотный луч, обладающий достаточной энергией, чтобы преодолеть большое расстояние и вернуться обратно отраженным без значительных потерь. Но обычный свет состоит из фотонов столь широкого спектра частот, что в нем невозможно будет заметить те малые изменения частот, о которых идет речь. Представим себе толпу людей, где все куда-то спешат по своим делам. Если каждый в такой толпе сделает шажок влево, скорее всего, на фоне общего мельтешения это пройдет незамеченным. Если же колонна марширующих солдат сдвинется на тот же шаг влево, то это невозможно будет упустить. Думаю, аналогия достаточно наглядна.

Так что вполне вероятно, что к тому моменту, когда космическая эра достигнет своей зрелости, все коммуникации, которые неизбежно при этом возрастут до невероятных объемов, будут осуществляться с помощью лазерных лучей. Лучи эти будут непрестанно сновать в пространстве от одного форпоста человечества к другому. Скорее всего, без использования лазера полноценное освоение космоса попросту не состоится.

Но давайте спустимся с небес на землю. Область применения лазера, лежащая в самой ближайшей перспективе, — фотография. При обычном фотографировании свет записывается на пластинку или пленку благодаря оказываемому им воздействию на соответствующие химикаты. Чем ярче свет, тем сильнее его воздействие. Значит, на химических веществах образуется рисунок, соответствующий тому шаблону света и теней, который отображают световые волны, испускаемые или отражаемые предметом. Этот рисунок и есть фотография.

Теперь предположим, что лазерный луч попадает на зеркало, а с зеркала отражается без искажений на фотографическую пластинку. Одновременно с этим другой лазерный луч отражается от некоего фотографируемого предмета и тоже попадает на фотопластинку, но уже в искаженном виде. Искажение объясняется тем, что поверхность предмета неровна и отражается только часть луча, а другая часть — поглощается при попадании на предмет. Кроме того, отраженная часть луча еще и рассеивается, отражаясь в различных направлениях.

На фотографической пластинке оба луча, сохранившийся и искаженный, встречаются. При этом записывается, как и при обычной фотографии, общая яркость света. При пересечении и наложении друг на друга волн обоих лучей тоже вырисовываются точные подробности фотографируемого предмета. Такое наложение называется «интерференцией». На пластинке в таком случае запишется не только яркость света, но и шаблон интерференции.

Физики теоретически предполагали такую возможность уже много лет назад, но обычный свет не подходит для таких целей. Многочисленные разночастотные фотоны обычного света, двигаясь в различных направлениях, произвели бы такую мешанину интерференции, что извлечь из нее полезную информацию оказалось бы просто невозможно.

Но вот с помощью лазерного луча уже можно воспроизвести четкий рисунок интерференции, зависящий только от природы фотографируемого предмета. На пластинке сохраняется информация и о яркости света, и об интерференции — и такой фотографический процесс получил название «голография», где «голо-» означает «целостный».

Но при взгляде на саму пластинку мы ничего пока не поймем. Рисунок интерференции — микроскопичен.

Если теперь через эту пластинку, именуемую голограммой, пропустить лазерный луч, то образуется изображение, соответствующее первоначально сфотографированному предмету. Оно может быть частично трехмерным, если сфотографировать его под разными углами. Впервые это было осуществлено в 1964 году, а к 1966-му уже отпала необходимость в лазерном луче для создания изображения — теперь это можно делать и с помощью обычного света, так что весь процесс стал дешевле и практичнее. Однако в целом лазерный луч все же остается необходимым — для воспроизведения самой голограммы.

Теперь можно сфотографировать голографическим образом быстро движущийся предмет или, скажем, короткоживущий предмет, чтобы потом не торопясь изучить его голограмму (предоставляющую, понятно, гораздо более подробную информацию, чем просто фотография). Да и подробности на голограмме просматриваются гораздо четче, так что ученые ждут не дождутся появления микроскопической голографии, чтобы с небывалой прежде ясностью изучить микромир.

А может быть, придет день, когда голография будет настолько хорошо разработана, что полноценное трехмерное изображение можно будет транслировать по телевидению. Тогда на смену плоскому черно-белому изображению придет полностью правдоподобное трехмерное цветное представление.

Дождемся ли мы, чтобы при очередном конкурсе на звание «мисс Америка» красотки дефилировали из одного угла нашей собственной комнаты в другой? Даже если не забывать о том, что это лишь бестелесные изображения, бесплотные порождения лучей света, — все равно было бы неплохо!

Глава 12 ОКЕАН-ШАХТА

Наши шахты истощаются. При этом население растет скачкообразными темпами, а промышленность — еще большими, так что полезных ископаемых Соединенных Штатов хватит ненадолго. Самые богатые наши месторождения меди исчерпаны. Приходится искать способы довольствоваться более бедными рудами.

Но все не так уж плохо. Что касается некоторых видов полезных ископаемых, то их самое богатое и обширное месторождение находится прямо у наших дверей и к его разработке никто еще даже не приступал.

Речь идет об океане.

Площадь Мирового океана — более 360 000 000 квадратных километров, он занимает около семи десятых всей земной поверхности. Его средняя глубина — 3,7 километра, так что приблизительно можно сказать, что общий запас морской воды на Земле — 1 332 000 000 кубических километров.

Месторождением полезных ископаемых океан можно считать благодаря тому факту, что все эти миллионы кубических километров состоят не из одной лишь воды. Каждый, кто хоть раз в жизни купался в океане, знает, что океан — это не только вода. У «просто воды» вкус совершенно не такой.

На самом деле собственно вода составляет 96,75 процента состава океанской воды, а в этих 96,75 процента растворено 3,25 процента твердых веществ. Это очень много в абсолютном исчислении, — чтобы осознать, насколько много, нам не нужно даже рассматривать весь океан. Обойдемся и бассейном морской воды.

Итак, представим себе бассейн 15 метров в длину и 9 метров в ширину средней глубиной 1 метр 80 сантиметров. Если наполнить его морской водой, то в него поместится 285 тонн жидкости и девять с четвертью тонн из них будут составлять растворенные в воде твердые вещества. Если теперь всю воду из бассейна выпарить, то на дне останется девять с четвертью тонн осадка. Немало для скромного бассейна, верно?

Как явствует из вкуса морской воды, большую часть растворенных в ней твердых веществ составляет обычная поваренная соль — хлорид натрия. Так что одной поваренной соли на дне нашего бассейна останется 7,75 тонны; кроме этого, еще три четверти тонны будут весить соединения хлора с другими веществами, не с натрием.

Но даже если отбросить хлористые соединения, в нашем высушенном бассейне все еще останется три четверти тонны веществ, не имеющих отношения ни к натрию, ни к хлору. После соответствующей обработки из этого остатка мы извлечем 340 килограммов магния, 225 килограммов серы, 105 килограммов кальция, 100 килограммов калия, 16 килограммов брома и около 12 килограммов прочих веществ, среди которых — практически все элементы таблицы Менделеева: медь, серебро, золото, уран и даже радий.

Разумеется, не все так просто. Чтобы извлечь минералы из океана, необходимо собрать отдельные рассеянные атомы, а для этого требуется затратить энергию. Чем меньше концентрация искомого вещества в растворе, тем больше необходимо энергии затратить на его извлечение. От этого никуда не деться.

К счастью, во многих случаях само Солнце уже выполнило за нас часть работы. Периодически в результате геологических процессов получается так, что неглубокое море оказывается отрезанным от океана вздыбившейся косой суши. Если климатические условия способствуют тому, чтобы вода в получившемся внутреннем море испарялась быстрее, чем реки способны восполнять ее запасы, то оно постепенно высыхает и содержащаяся в нем соль становится все более сконцентрированной. В конечном итоге море может пересохнуть полностью, оставив после себя на поверхности все когда-то растворенные в ней твердые вещества.

Соляные копи — это остатки высохших когда-то морей. А нам известно, как велико значение соли. Ее не только кладут в пищу (что, впрочем, уже само по себе необходимо). Для нее существуют сотни способов промышленного применения. Именно поваренная соль является главным сырьем для производства таких важных химических веществ, как газообразный хлор, соляная кислота, гидроксид натрия, карбонат натрия, и многих других, каждое из которых, в свою очередь, тоже имеет множество применений.

Если внутреннее море пересыхает медленно, то соль откладывается слоями. Это происходит потому, что хлористый натрий — одна из самых слаборастворимых солей, содержащихся в морской воде. И она же присутствует в море в наибольшей концентрации. Поэтому по мере постепенного высыхания моря хлористый натрий начинает выпадать в осадок уже тогда, когда для сохранения других веществ в растворенном виде воды еще вполне достаточно. А на последних стадиях высыхания моря уже и другие вещества начинают осаждаться поверх хлористого натрия. Таким образом, Солнце не только отбирает минералы у моря для нас, но даже сортирует их для нашего удобства.

В качестве известного примера процесса подобного расслоения можно назвать соляные месторождения под Стассфуртом в Германии. Это было самое лучшее в мире месторождение калиевых солей, и поэтому калиевые соли в Германии стоили дешевле, чем где-либо в мире. На севере Чили есть высохшие соляные озера, которые служат богатыми источниками нитрата натрия и нитрата калия. До Первой мировой войны эти месторождения служили главным источником нитратов, необходимых для производства удобрений и взрывчатых веществ.

Существуют также и соляные озера, еще не пересохшие окончательно. По периметру этих озер уже образовались соляные месторождения, а вода в них содержит очень высокие концентрации растворенных веществ. Самыми известными примерами такого рода являются Мертвое море в Израиле и Большое Соленое озеро в штате Юта. Минералы Мертвого моря — важный ресурс Израиля.

Кроме того, на свете есть множество солончаков и подземных водоемов с соленой водой, из которых добывают в промышленных масштабах, к примеру, йод.

Но вернемся к самому океану — насколько реально действительно добывать минералы непосредственно из него? Смогут ли ученые разработать искусственный аналог процессу пересыхания?

Возможно. Как минимум два вещества уже добываются из морской воды в необходимом количестве.

Одно из них — магний. Его атомы являются третьими по распространенности в морской воде после атомов натрия и хлора. Извлекают его следующим образом: морскую воду закачивают в огромные резервуары, куда добавляют окись кальция (негашеную известь). Кстати, сама окись кальция берется тоже из моря, ведь ее получают путем прокаливания раковин устриц. Окись кальция вступает в реакцию с водой и растворенными в ней ионами магния, в результате чего образуется гидроксид магния и выпадает в осадок.

Этот осадок отфильтровывают и путем реакции с соляной кислотой переводят в хлорид магния, который пропускают через различные фильтры и сушилки, а в конце концов с помощью электрического тока разлагают на газообразный хлор и металлический магний. Хлор впоследствии снова включается в состав соляной кислоты и используется для обработки следующей партии гидроксида магния.

Второе вещество, получаемое человеком из морской воды, — бром. Бром добывать труднее, чем магний, ведь его концентрация в океане в двадцать раз меньше. Однако задача по его сбору тоже уже решена учеными.

Для этого сначала окисляют большой объем морской воды, а потом добавляют в нее хлор в газообразном виде. (И хлор, и соляная кислота сами также добываются при этом из морской соли.) Хлор вступает в реакцию с ионами брома, содержащимися в морской воде, и в этом состоянии его можно «выдуть» из воды. То есть сквозь морскую воду пропускается воздух, который, поднимаясь наверх, «прихватывает» с собой некоторое количество паров брома. Этот воздух пропускают через трубы, устланные карбонатом натрия. Газообразный бром при этом поглощается с образованием бромистого натрия и бромата натрия. После того как бром концентрируется таким образом в малом объеме, его уже легко оттуда извлечь.

Существует еще и третье вещество, добываемое тоже из морской воды, но не так напрямую. Это йод. Содержание в мировом океане йода в тысячу раз меньше, чем содержание в нем брома. Во взятом нами для примера бассейне после выпаривания останется пуд брома, но вот йода там окажется чуть менее пятнадцати граммов. Для рентабельной промышленной добычи этого слишком мало.

Вернее, слишком мало для добычи с использованием технологий, доступных человеку. Живым существам, обитающим в море, водорослям например, йод необходим для собственной жизнедеятельности, и они постепенно, неторопливо собирают его атом за атомом из морской воды, которой омываются. Поэтому человеку остается только собирать сами водоросли. Затем собранные водоросли сжигаются в специальной печи, и в получившейся золе уже содержится один процент чистого йода. Эта зола, содержание йода в которой в двести тысяч раз выше, чем в морской воде, является вполне подходящим сырьем для коммерчески рентабельной добычи йода. Впервые йод был обнаружен в золе от сгоревших водорослей еще в 1811 году.

Океан — неистощимый источник этих веществ. Мало того что уже содержащегося в нем количества их более чем достаточно для удовлетворения всех потребностей человечества, но даже если предположить, что человек однажды полностью опустошит океан, то дожди и реки, постоянно смывающие в него все необходимые составляющие, очень быстро снова насытят воду всеми элементами.

Скорее всего, в будущем начнется промышленная добыча из океана и других необходимых веществ, помимо трех перечисленных. Причем не обязательно, чтобы концентрация добываемых веществ была высока. Оказалось, что на больших площадях океанского дна есть месторождения самородного магния, никеля, кобальта и меди. Разработка месторождений на дне моря станет обычным делом в будущем.

Давайте посчитаем, насколько богата и перспективна «океанская шахта». Одного кубического километра воды хватит, чтобы наполнить более четырех миллионов таких бассейнов, а кубических километров воды в океане, как я уже говорил, — 1 332 000 000. Так что неудивительно, что в океане содержится пятьсот квадриллионов (500 000 000 000 000 000) тонн твердых веществ. В том числе

2 000 000 000 000 000 тонн магния,

100 000 000 000 000 тонн брома и

75 000 000 000 тонн йода,

и этого запаса человечеству хватит надолго.

Кроме того, в океанской воде растворено и огромное количество некоторых других металлов (не считая запасов, кроющихся под морским дном). В частности, это

15 000 000 000 тонн алюминия,

4 500 000 000 тонн меди,

4 500 000 000 тонн урана,

1 000 000 000 тонн тория,

450 000 000 тонн серебра,

45 000 000 тонн ртути,

6 000 000 тонн золота и

45 тонн радия.

Однако эти огромные запасы разбросаны по всему океану, и мы еще не знаем рентабельных способов их добычи.

Глава 13 ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ

1960-е годы принесли нам новые знания об атмосфере соседних планет. Наблюдения, полученные с зондов, поднявшихся высоко над нашей собственной атмосферой, предоставили свидетельства того, что облака на Венере состоят из ледяных частиц. Mariner 4, пролетая в 1965 году мимо Марса, сообщил нам, что его атмосфера гораздо тоньше, чем считалось раньше.

Но все эти недавние наблюдения лишь подтверждают предположения астрономов, выдвинутые давным-давно. Наша земная атмосфера уникальна и не похожа на атмосферу ни одной планеты из тех, что находятся в зоне досягаемости.

Атмосферы известных нам планет можно классифицировать по четырем категориям:

во-первых, у планеты или другого холодного небесного тела может вообще не быть атмосферы или атмосфера может быть столь тонкой, что различить ее из космоса невозможно;

во-вторых, атмосфера может быть богатой водородом и его соединениями и являться, таким образом, благоприятной для восстановительных реакций. Такую атмосферу можно назвать «восстановительной»;

в-третьих, атмосфера может быть богатой кислородом, и тогда ее можно назвать «окислительной»;

в-четвертых, в атмосфере может не содержаться ни водорода, ни кислорода, а только те газы, которые не участвуют ни в окислительных, ни в восстановительных реакциях. Такую атмосферу можно назвать «нейтральной».

Планеты нашей Солнечной системы (за исключением Плутона[7], об атмосфере которого мы вообще не знаем ничего) распределяются по вышеперечисленным категориям таким образом:

1) отсутствующая или почти отсутствующая атмосфера: Меркурий;

2) восстановительная атмосфера: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун;

3) окислительная атмосфера: Земля;

4) нейтральная атмосфера: Венера, Марс.

Из 31 спутника планет Солнечной системы единственный, о котором известно, что у него есть атмосфера, — это Титан, крупнейший спутник Сатурна. Его атмосфера — восстановительная. Все же остальные спутники, включая нашу Луну, атмосферы не имеют или почти не имеют.

Короче говоря, нигде в нашей Солнечной системе, кроме самой Земли, окислительной атмосферы нет. Нигде больше нет свободного кислорода.

Почему?

Начнем с рассмотрения того облака пыли и газа, из которого, как принято считать, возникла наша Солнечная система. По мнению астрономов, около 90 процентов этого облака составлял водород, а еще 9 процентов — гелий. В оставшийся 1 процент вошли кислород, неон, азот, углерод, кремний, магний, железо, сера и аргон, скорее всего, именно в таком порядке убывания концентрации, и прочие элементы — в еще меньшем количестве.

Углерод, кремний, магний, железо и сера при обычной температуре — твердые вещества и образуют друг с другом твердые же соединения (карбиды, силициды и сульфиды). По мере образования в облаке завихрений атомы и молекулы этих веществ начали слипаться с образованием сначала песчинок, затем камней, а в конце концов — и так называемых «малых планет». Вокруг этих последних со временем сформировались планеты. Что касается Земли, то на ней тяжелые металлы осели в самом ядре, а каменистые вещества образовали толстую внешнюю кору.

Водород, ввиду своего подавляющего количественного преобладания, вступал в соединение с чем угодно. Он соединялся с кислородом, образуя воду (Н₂0), с азотом, образуя аммиак (NH₂), с углеродом, образуя метан (СН₄), с серой, образуя сероводород (Н₂S). Вот с гелием, неоном и аргоном водороду соединяться не удавалось, поскольку эти три газа являются так называемыми «благородными» (инертными) и вообще не вступают ни в какие соединения, насколько нам известно.

Все эти вещества — водород, гелий, неон, аргон, вода, аммиак, метан и сероводород — имеют низкую температуру плавления, то есть при обычных температурах являются газами, за исключением воды, которая, впрочем, тоже представляет собой легко испаряющуюся жидкость.

При тех низких температурах, при которых образовывались планеты, некоторые из этих веществ (в первую очередь это относится к воде и аммиаку) могли быть твердыми и наравне с металлами и камнями образовывать ядра малых планет. Да и те вещества, что сохраняли газообразную форму, тоже могли попадать в эти ядра, заполняя полости в них.

Но затем в центре Солнечной системы огромная масса вещества сконденсировалась до такой степени, что внутреннее нагревание породило ядерный взрыв. Родилось Солнце.

Солнечное тепло испарило все вещества, имеющие низкую температуру кипения, и из недр формирующихся планет начали выделяться газы. Эти газы не вступали в химическую реакцию с твердым веществом планеты — их удерживала теперь только сила тяготения. Если молекулы газа двигались медленно, то слабой гравитации оказывалось достаточно, чтобы удержать их; если же они двигались быстро, то планета теряла их.

Чем выше температура газа, тем быстрее движутся его молекулы и тем легче их потерять. Малые планеты, находившиеся близко к Солнцу, получая от него больше всего тепла, стали быстро терять атмосферу. Газы, сдуваемые солнечным ветром (состоящим из вылетающих из Солнца частиц), уносились во внешние, более холодные регионы Солнечной системы.

По мере формирования внешних планет они обретали значительную атмосферу, не только за счет собственного газа, но и за счет газа, поступающего из более теплых глубин Солнечной системы, утраченного более близкими к Солнцу планетами. Именно поэтому Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун так велики по сравнению с «внутренними» планетами. Они состоят по большей части из водорода и его соединений, которых было так много в первоначальном газовом облаке. Эти планеты имеют толстый слой восстановительной атмосферы, состоящей из водорода, гелия, аммиака и метана.

А вот внутренняя группа малых планет полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Свободный водород и инертные газы улетучились навсегда. Часть молекул воды, аммиака, метана и водорода осталась на планетах только за счет удержания слабыми химическими связями с твердой корой.

Но процесс образования полноценных планет из древних малых планет продолжался — планеты увеличивались и их гравитационные поля — тоже. Внутренние ядра планет нагревались, молекулы газов высвобождались из химических соединений и устремлялись наружу, вылетая на поверхность под действием внутреннего давления или в результате вулканической деятельности. Меркурий так и не увеличился до достаточных размеров, чтобы удерживать эти газы в условиях непрекращающегося нагревания со стороны близко расположенного к нему Солнца. Из-за малого размера и слабого гравитационного поля он и сейчас практически лишен атмосферы.

Другие близкие к Солнцу планеты — Венера, Земля и Марс — увеличились в размерах больше, чем Меркурий, и при этом сохраняли менее высокую температуру, так что им удалось удержать часть газов при себе. Сравнительно небольшой Марс удержал лишь тонкий слой атмосферы, Земля и Венера смогли сохранить больше. Молекулы аммиака, метана и водорода окутали Венеру, Землю и Марс тонким слоем «вторичной атмосферы», восстановительной по своим химическим свойствам.

Из недр планет вырвалась наружу и вода. Некоторое количество ее так и осталось в газообразном виде в атмосфере, но большая часть все же сконденсировалась в жидкость. На Земле медленно образовывались огромные океаны, но на Венере, которая меньше и горячее Земли, и воды осталось явно меньше, а на совсем небольшом Марсе — еще меньше.

Именно в условиях восстановительной атмосферы и зародилась жизнь. Более того, именно такая атмосфера и является обязательным условием для зарождения жизни (см. главу 9). Для того чтобы жизнь могла зародиться, сначала должны были сформироваться сложные молекулы, состоящие в основном из атомов водорода и углерода. Если бы атмосфера тогда была бы насыщена, как сейчас, свободным кислородом, то эти молекулы не смогли бы сформироваться.

Кроме того, такие молекулы могли образоваться только за счет энергетически насыщенного ультрафиолетового излучения Солнца, которое без помех обрушивалось на древнюю атмосферу и океан. Если бы в атмосфере содержался кислород, он отразил бы ультрафиолет и океан не получил бы необходимой энергии.

Да, та же самая энергия ультрафиолета, которая помогла сформироваться первым сложным углеводородным молекулам, послужила бы разрушению тех из них, что стали бы слишком сложными. Так что простейшие формы жизни, имевшие уже очень сложный молекулярный состав, могли существовать только в океане на глубине нескольких десятков метров, куда уже не проникали ультрафиолетовые лучи. В верхних слоях воды могли формироваться умеренно сложные молекулы, чтобы потом, опускаясь вниз, служить пищей первым живым существам.

Но даже по мере развития жизни на Земле атмосфера продолжала эволюционировать. Ультрафиолетовое излучение, пробиваясь сквозь атмосферу, разлагало молекулы воды на свободный водород и свободный кислород (этот процесс называется «фотодиссоциацией»).

Чем меньше масса молекулы газа, тем быстрее она движется при любой заданной температуре и тем легче ей вырваться за пределы гравитационного поля. Атомы водорода, высвобожденные после распада молекулы воды, постепенно покидали нашу планету, улетая в межпланетное пространство.

А вот атомы свободного кислорода оказались достаточно массивны, чтобы гравитация Земли смогла удержать их. Они соединялись между собой, образуя молекулярный кислород (где каждая молекула состоит из двух соединенных между собой атомов кислорода), который далее уже вступал в соединение с другими веществами. Соединение кислорода с каменистыми веществами, содержащимися в почве, давало окислы минералов — в основном силикаты. Соединялся кислород и с атмосферными газами — аммиаком, метаном, сероводородом, образовывая в ходе реакций в первом случае азот и воду, во втором — углекислый газ и воду, а в третьем — серу и воду.

Образованная в ходе этих реакций вода также подвергалась фотодиссоциации, и процесс продолжался. Сера входила в состав твердой коры, образовывая сульфиды или в соединении с кислородом — сульфаты. Атмосферные аммиак и метан постепенно полностью перешли в азот и углекислый газ за счет постепенного уменьшения водных запасов. Так восстановительная атмосфера сменилась нейтральной.

На Марсе аналогичный процесс на этом и закончился. Его тонкая атмосфера состоит сейчас практически целиком из углекислого газа, а водные запасы планеты снизились настолько, что воды еще хватает на образование тонких полярных ледяных шапок.

На Венере атмосфера сейчас состоит, предположительно, из азота и углекислого газа. Воды на этой планете достаточно много и сейчас, но все же ее водные запасы ученые оценивают как 1/10000 от земных.

Атмосфера Венеры всегда была толще, чем атмосфера Марса, поэтому и сейчас в ней гораздо больше углекислого газа, чем в марсианской, и это принципиально важный момент.

Углекислый газ практически не поглощает свет видимой части спектра, но инфракрасное излучение поглощает в значительной степени. Солнечный свет проходит сквозь атмосферу, содержащую углекислый газ, попадает на сушу и море и поглощается в форме тепла. Нагретая поверхность отдает часть тепла обратно в виде инфракрасного излучения, но атмосферный углекислый газ поглощает его, и тепло не уходит; в результате атмосфера нагревается.

Планета, атмосфера которой бедна углекислым газом и другими газами, поглощающими излучение, будет оставаться холодной, упуская инфракрасное излучение в космос, а другая планета, пусть даже находящаяся на таком же расстоянии от Солнца, но богатая атмосферным углекислым газом, будет, удерживая инфракрасное излучение, нагреваться. Такое действие углекислого газа называется «парниковым эффектом», поскольку стекло или пленка в парнике выполняют ту же функцию пропускания света и удержания инфракрасного излучения, благодаря чему в парнике тепло и влажно даже зимой.

По мере того как атмосфера Венеры становилась нейтральной и в ней образовывалось все больше и больше углекислого газа, температура этой атмосферы становилась все выше и выше. В конце концов температура и атмосферы и самой планеты достигла такой точки, при которой вода стала испаряться, образовывая облака. Сейчас эти облака вечно покрывают всю территорию планеты. Водяные пары тоже поглощают инфракрасное излучение, так что присутствие облачного слоя в атмосфере Венеры еще больше усилило парниковый эффект.

Создается впечатление, что такой процесс может продолжаться и дальше, при условии, что изначально имелось достаточно воды. Кислород будет и дальше выделяться в атмосферу, а когда весь аммиак и весь метан будут превращены в азот и углекислый газ, а все каменистые вещества поверхности планеты — в силикаты, поступающий с этого момента кислород начнет накапливаться в атмосфере как таковой. Однако этого не происходит.

Как только свободный кислород попадает в атмосферу, он начинает поглощать ультрафиолетовое излучение, в процессе чего двухатомные молекулы обычного кислорода превращаются в более энергетически насыщенные трехатомные молекулы озона.

Озоновый слой образовывается в верхних слоях атмосферы и поглощает ультрафиолет. По мере накопления озона все меньше ультрафиолетовых лучей пробивается через его слой и достигает нижних слоев атмосферы, где находятся водяные пары. В конце концов фотодиссоциация прекращается. Таким образом, фотодиссоциация — это процесс саморегулирующийся. С ее помощью восстановительная атмосфера может превратиться в нейтральную, как и произошло на Марсе и на Венере, но не в окислительную.

Как же получилась окислительная атмосфера на Земле?

Сначала на Земле имела место такая же фотодиссоциация, как и на Венере, только, наверное, она проходила медленнее, так как Земля находится дальше от Солнца и получает меньше ультрафиолета. Но запасы воды на Земле все равно уменьшались, а атмосфера ее постепенно становилась нейтральной, так что планета потеряла в конечном итоге около половины от общих своих запасов воды. К счастью, Земля могла себе это позволить — на ней осталось еще достаточно воды, чтобы хватило на тот океан, который мы имеем сегодня.

Но на этом процесс на Земле, в отличие от Венеры, не закончился. Появился новый фактор, связанный с эволюцией океанских живых форм первобытной Земли. Без этого фактора первые формы жизни ждал бы невеселый конец — появись они на Марсе, им оставалось бы лишь безропотно ждать, пока пересохнут дающие им жизнь водоемы, а возникни они на Венере — быстро сварились бы насмерть в кипящей воде перегретой планеты.

Земную жизнь ждала бы такая же печальная участь, если бы не пришло неожиданное избавление. В то время существовала еще только одноклеточная жизнь, не сложнее современных бактерий. Эти существа безвольно плавали в океане на определенной глубине, питаясь кусочками сложных молекул, падающими сверху. Питание первобытных одноклеточных зависело от того, с какой скоростью ультрафиолетовое солнечное излучение может производить для них пищу.

И вдруг появилась молекула, которую мы знаем под названием «хлорофилл». Эта молекула строится вокруг сложного, но стабильного атомного кольца, которое создается из более простых молекул под воздействием ультрафиолетового света. Иногда у такого кольца появляются короткие радикалы — цепочки атомов, торчащие в разные стороны от самого кольца. Из определенного сочетания таких радикалов и получился хлорофилл — вещество, способное поглощать свет видимой части спектра, лучше всего красной. Зеленый свет хлорофилл отражает, так что внешне он имеет яркий зеленый цвет. Поглощая видимый свет, хлорофилл получает из него энергию, и эта энергия производит определенные химические изменения.

Когда в клетках живых существ появился хлорофилл, они обрели важный инструмент, позволивший им делать то, чего они раньше никак не могли. Теперь первобытные одноклеточные получили возможность, поглощая энергию видимого света, проводить с ее помощью ряд химических реакций, заканчивающихся образованием сложных пищевых молекул, которыми клетка может питаться, не дожидаясь получения пищи извне. Этот процесс известен нам как фотосинтез.

Одним из следствий распространения фотосинтеза стало то, что теперь энергия уже видимого света стала широкомасштабно использоваться для разложения воды на водород и кислород. В отсутствие хлорофилла видимый свет, энергетическое содержание которого ниже, чем ультрафиолетового, таких реакций вызывать не может.

Под воздействием множества клеток, оснащенных хлорофиллом, вода распадается гораздо быстрее, чем под действием ультрафиолета. Клетки, в которых использовался хлорофилл, получали больше пищи и размножались быстрее, чем клетки, в которых хлорофилла не было. Со временем, по прошествии множества лет, практически все первобытные живые существа стали использовать хлорофилл, и фотосинтез стал основным способом существования. Поскольку хлорофилл зеленого цвета, то и все живое на Земле позеленело.

Может показаться, что фотосинтез должен был лишь ускорить процесс распада воды и приблизить тем самым переход от восстановительной атмосферы к нейтральной. Но нет, фотосинтез способен на большее!

Теперь стадия нейтральной атмосферы перестала быть конечной для эволюции. После окончательного формирования нейтральной атмосферы и появления излишков кислорода в свободном виде в верхних слоях атмосферы действительно сформировался защитный кислородный, а затем и озоновый слой. Ультрафиолетовое излучение перестало достигать поверхности планеты, и фотодиссоциация прекратилась. Но видимый свет по-прежнему продолжал проникать в глубь атмосферы, и фотосинтез продолжался. Фотосинтез, в отличие от фотодиссоциации, не саморегулирующийся процесс в этом отношении. В воздух выделялось все больше и больше кислорода, и атмосфера Земли, пройдя стадию нейтральности, стала окислительной.

Пусть так, но почему углекислый газ, накапливаясь в атмосфере, не привел к парниковому эффекту и земные океаны не закипели, подобно венерианским?

К счастью, распад молекул воды не единственная химическая реакция, вызываемая фотосинтезом. Образующиеся в результате распада молекулы водорода не попадают в атмосферу, чтобы потом постепенно улетучиться в космос. Вместо этого, водород принимает участие в ряде химических реакций, заканчивающихся соединением его с углекислым газом для образования крахмала и других составляющих растительных клеток.

Таким образом, фотосинтез, хоть и приводит к выбросу в атмосферу кислорода, не выбрасывает при этом и водород, а использует его для очистки атмосферы от углекислого газа. В итоге земная атмосфера стала практически полностью состоять из азота и кислорода.

Когда именно все это происходило — точно неизвестно. Самые правдоподобные предположения, основанные на химическом составе древних камней, говорят о том, что свободный кислород появился в атмосфере один-два миллиарда лет назад, а жизнь на Земле к тому моменту уже существовала еще один-два миллиарда лет.

Примерно 600 000 000 лет назад количество кислорода в атмосфере составляло уже как минимум одну десятую от сегодняшнего. Это вызвало биологическую революцию, и наступил, по терминологии геологов, кембрийский период.

До кембрийского периода, когда в атмосфере не было или почти не было кислорода, простейшие формы жизни получали энергию из сложных органических молекул путем разложения их на более простые без произведения каких-либо принципиальных изменений в их химическом строении. Такой процесс называется «ферментация».

Однако, когда в атмосфере появилось более-менее значительное количество кислорода, живые существа, в метаболизме которых используется объединение питательных веществ с атмосферным кислородом, смогли получать из того же количества питательных веществ в двадцать раз больше энергии.

Получение доступа к такому объему энергии стало для жизни сильнейшим толчком к развитию. За сто миллионов лет кембрийского периода появились первые сложные живые формы и разнообразие их многократно возросло.

Возникли первые многоклеточные организмы из собравшихся воедино клеток. Оказавшись в составе таких организмов, определенные группы клеток получили возможность специализироваться. Некоторые из них научились быстро сокращаться, другие — проводить электрические импульсы. Так появились мышцы и нервы. Для придания организму структуры, не позволяющей погибнуть под собственной тяжестью, а заодно и для защиты от внешних воздействий появились раковины и другие жесткие конструкции. Казалось, нет предела изобретательному разнообразию форм жизни, получившей наконец-то доступ к настоящим объемам энергии.

Эти раковины и другие жесткие конструкции оставались и после смерти самого организма и за тысячи лет окаменели. Камни кембрийского периода хранят очень много подобных останков, именуемых «окаменелостями», в то время как в камнях, датируемых более ранними периодами, окаменелости отсутствуют.

Предположительно, примерно 400 000 000 лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло сегодняшнего уровня. Озоновый щит прочно прикрывал планету, и ультрафиолетовые лучи достигали ее поверхности в столь малом количестве, что живые формы вполне могли долго находиться на открытом солнце без вреда для себя.

Тогда живые существа впервые в истории вышли на сушу, чтобы заселить континенты.

Но эволюция атмосферы не закончилась, придя к сегодняшнему состоянию. Содержание то одного, то другого вещества в ней периодически колебалось, и самые важные последствия имели колебания содержания углекислого газа.

Сегодня углекислый газ составляет лишь 0,03 процента атмосферы, но его значение непропорционально велико. Не только потому, что он представляет собой единственный продукт питания всей растительной (а следовательно, и животной) жизни на Земле, но и ввиду обеспечиваемого им парникового эффекта. Даже небольшие колебания концентрации углекислого газа могут оказывать сильное влияние на температуру Земли.

В истории были периоды, когда благодаря вулканической активности по всей планете в воздух выбрасывалось необычно большое количество углекислого газа и его концентрация несколько повышалась. В атмосфере накапливалось при этом чуть больше тепла, и Земля начинала нагреваться. В тепле и в условиях большого количества углекислого газа по всей планете начинался расцвет растительной жизни, сушу устилали густые леса. Именно после таких периодов и появлялись угольные и нефтяные месторождения, обязанные своим происхождением живым существам таких лесов.

А бывало и так, что в периоды активного горообразования огромные объемы каменистой породы выталкивались из недр Земли на поверхность. Вещества этих новых гор, ранее никогда не входившие в контакт с воздухом, начинали вступать в соединение с атмосферным углекислым газом для образования карбонатов. В результате количество свободного углекислого газа в атмосфере падало, парниковый эффект ослабевал и Земля остывала. Если она остывала ниже определенного порога, начинался ледниковый период. Сейчас мы находимся в конце затянувшегося периода горообразования и нашествия ледников.

Однако теперь человечество и само, посредством собственных технологий, оказывает влияние на климат.

Человек добывает из земли уголь и нефть, которые откладывались миллионами лет, и сжигает все за пару веков. При этом снова образовывается углекислый газ, тысячи лет назад встроенный растениями в собственные ткани, ставшие потом углем и нефтью.

Ежегодно сжигается шесть миллиардов тонн угля, нефти и природного газа, и уровень углекислоты в атмосфере медленно растет (несмотря на то что в основном она растворяется в океане и потребляется растениями). Подсчитано, что если темпы производства человеком углекислого газа останутся на прежнем уровне, то к 2000 году его будет содержаться в атмосфере на 25 процентов больше, чем сейчас, а к 2300 году — вдвое больше.

От наличия в воздухе 0,06 процента углекислого газа никто из нас не отравится, конечно, но что же произойдет с парниковым эффектом? Средняя температура на Земле медленно поползет вверх. Она уже несколько поднялась в первой половине XX века, возможно, именно благодаря увеличению содержания углекислого газа в воздухе.

Если на Земле станет чуть теплее, можно ожидать таяния полярных льдов, в результате чего уровень воды в Мировом океане поднимется. Даже если считать, что увеличившееся давление воды продавит океанское дно, все равно после полного таяния ледниковых шапок уровень моря будет метров на 60 выше, чем сейчас.

Все прибрежные территории континентов, где сейчас проживает больше всего людей, окажутся затопленными. Правда, по предварительным подсчетам, даже при самом резком развитии ситуации полностью полярные шапки растают не быстрее чем лет за 400, так что у человечества будет время подготовиться. Например, справиться с ситуацией помог бы полный отказ от сжигания угля и нефти в пользу применения атомной энергии. Специально разработанные устройства для широкомасштабного устранения углекислого газа из атмосферы могли бы остужать Землю, а по океанам можно было бы рассеивать вещества, с помощью которых удавалось бы эффективнее отражать солнечный свет.

В качестве последнего средства можно было бы переселить людей из некоторых районов поближе к полюсам — ведь эти пустынные сейчас местности смогут в случае потепления прокормить множество людей.

Атмосфера Земли, не раз уже устраивавшая кризисные ситуации всему живому на нашей планете, грозит уже в ближайшем будущем разразиться еще одним небывалым кризисом.

Глава 14 АТМОСФЕРА ЛУНЫ

Сейчас, когда запущенные человеком космические аппараты приближаются к Луне, кружатся вокруг нее, опускаются на нее и мы готовимся к тому, чтобы высадить на Луну человека, нам полезна любая информация о Луне, какую мы только можем получить. Вот что мы можем сказать, к примеру, об атмосфере Луны?

Вы скажете, что на Луне нет атмосферы.

Да, действительно, ничего даже отдаленно напоминающего земную атмосферу на Луне нет. И все же что-то на ней присутствует. Она не может вообще не иметь атмосферы. Вот как это можно показать.

Земля состоит из двух радикально различающихся между собой частей (как яйцо, состоящее из центрального желтка и окружающего его белка). «Желтком» Земли является никелево-железное ядро, плотность которого примерно в десять раз больше плотности воды. Его окружает «белок» — силикатная кора, плотность которой мала — всего втрое больше плотности воды. Соответственно, средняя плотность Земли представляет собой значение среднее между этими двумя цифрами — в 5,5 больше плотности воды (или 5,5 грамма на кубический сантиметр).

Плотность Луны — 3,3 грамма на кубический сантиметр. Для того чтобы иметь настолько меньшую, чем Земля, плотность, Луна должна быть лишена какого-либо крупного ядра из железа и никеля и представлять собой практически сплошной силикат.

Логично предположить, что по химическим элементам состав Луны сходен с составом земных горных пород. И то и другое формировалось в одно и то же время и из одних и тех же материалов. Если в земной коре содержится 2 процента калия, то и от Луны (целиком) следует ожидать того же.

Масса Луны — 73 430 000 000 000 000 000 000 килограммов, то есть, грубо округляя, 80 квинтиллионов тонн. Масса лунного калия (в первом приближении) — 1 800 000 000 000 000 000 000 килограммов, или почти 2 квинтиллиона тонн.

Существует три вида атомов калия. Два из них, калий-39 и калий-41, составляют примерно 99 процентов от общих запасов калия. Однако 0,0119 процента от всего калия существует в виде редкого изотопа, калия-40, обладающего интересными свойствами. Общая масса калия-40 на Луне может составить 214 000 000 000 000 000 килограммов, или 214 триллионов тонн.

Необычное свойство калия-40 — это его радиоактивность. Период полураспада этого элемента — 1,3 миллиарда лет, что означает, что за такой срок половина существующих атомов калия-40 распадется. Большинство распадающихся атомов (точнее, 89 процентов) отдают один электрон и становятся стабильными атомами кальция-40. Однако ядро остальных 11 процентов, напротив, принимает электрон из окружающей среды, и эти атомы становятся, таким образом, стабильными атомами аргона-40.

Когда известен период полураспада радиоактивного вещества, легко подсчитать скорость его распада в единицу времени. На Луне каждую секунду распадается 3600 граммов калия-40, в результате чего каждую секунду образуется 3240 граммов кальция-40 и 360 граммов аргона-40.

Именно аргон-40 нас интересует в первую очередь, поскольку аргон — это газ, а значит, на Луне идет постоянный процесс образования собственной атмосферы. Да, 360 граммов — это немного, но это ведь только за одну секунду, а сколько их проходит, этих секунд…

Не стоит забывать, что раньше на Луне, как и везде, было больше калия-40 — 1,3 миллиарда лет назад его было вдвое больше, чем сейчас, а четыре миллиарда лет назад — в восемь раз больше.

Если подсчитать, сколько аргона было образовано за те четыре миллиарда лет, в течение которых Луна является твердым телом, с учетом того, что с самого начала калия-40 было в несколько раз больше, то получится, что всего за все это время было образовано 150 000 000 000 000 000 килограммов, или около 150 триллионов тонн аргона.

Для сравнения — это почти в три раза больше аргона, чем имеется в нашей собственной атмосфере (куда он попал и продолжает попадать точно таким же образом — формируясь из калия-40).

Если бы весь этот аргон сейчас присутствовал на поверхности Луны, на ней имелась бы сейчас атмосфера с массой равной 1/30 земной атмосферы. Кроме того, поскольку площадь поверхности Луны в шестнадцать раз меньше площади поверхности Земли, ее атмосфера имела бы при этом плотность всего в два раза меньше земной.

Однако, как нам хорошо известно, на Луне атмосферы нет. Что же случилось с производимым Луной аргоном?

Во-первых, калий-40 все же распределен по всей массе Луны. Аргон, образуемый во внешних слоях лунной почвы, еще может каким-то образом выбраться наружу, но, формируясь в более глубоких слоях, он оказывается в ловушке, из которой не в силах выбраться. (Аргона, вырабатываемого на Земле, это тоже касается. Общее количество аргона, замурованного в земной коре, как минимум в пять, а возможно, и в пятнадцать раз больше, чем аргона, имеющегося в атмосфере.)

Но ведь даже и 1/15 вырабатываемого на Луне аргона хватило бы, чтобы на ней сейчас существовала атмосфера плотностью 3 процента от земной, а этого мы не наблюдаем.

Действительно, есть и еще одна причина. Гравитационное поле Луны в шесть раз меньше, чем Земли. У него просто не хватает сил удержать вырабатываемый аргон. Луна теряет свой аргон почти с той же скоростью, с какой он просачивается наружу сквозь поры лунного грунта.

Почти с той же, но не совсем! На то, чтобы улетучиться с Луны, аргону требуется некоторое время, так что вблизи лунной поверхности всегда существует некоторое небольшое количество аргона.

На самом деле, наблюдая за радиоволнами, испускаемыми различными небесными телами, астрономы давно обратили внимание на свойства волн, которые по пути к Земле задевали Луну. Эти волны приходили в слегка искаженном виде, и было подсчитано, что причиной таких искажений может быть лунная атмосфера, состоящая из заряженных частиц и имеющая плотность в десять триллионов раз меньше, чем земная атмосфера.

Немного — но хоть что-то!

Глава 15 ЧЕЛОВЕК И СОЛНЦЕ

Древние люди обожествляли Солнце. Эхнатон, фараон Египта с 1375 по 1358 год до н. э., поклонялся Солнцу и написал ему хвалебный гимн, сохранившийся по сей день. Пятнадцать веков спустя, когда в Римской империи набирало силу христианство, его главным конкурентом был митраизм — культ Солнца.

И действительно, если уж какой-то неодушевленный предмет и заслуживает поклонения — то это Солнце! Благодаря ему на Земле происходит смена дня и ночи, послужившая первобытному человеку для получения представления о времени. Именно Солнце несет нам тепло и жизнь, и каждый рассвет люди встречали с радостью, поскольку свет снова и снова приносил им избавление от ужасов ночи. Если свет Солнца бледнел и тускнел, как, например, зимой, то вокруг сгущались лед и смерть. Неудивительно, что если солнечный диск вдруг что-то закрывало прямо посреди ясного дня, то всех, кто это видел, охватывала паника.

Современная наука с еще большей ясностью показала, насколько мы зависим от Солнца. Если не считать вулканического тепла и ядерных реакций, все используемые нами источники энергии восходят в конечном итоге к Солнцу. Океаны сохраняют жидкое состояние только благодаря солнечному теплу, а выпариваемая этим теплом вода возвращается к нам животворным дождем. Нагревание атмосферы обеспечивает нам ветер и перемену погоды.

Солнечные лучи предоставляют энергию, необходимую зеленым растениям для того, чтобы производить крахмал из углекислого газа и свободный кислород — из воды. Получается, что и пища, которую мы едим, и кислород, которым мы дышим, — это все дары Солнца.

Что же представляет собой это Солнце, которому мы стольким обязаны? Мы видим перед собой шар света, шар чистого и совершенного света, невесомый и божественный — именно таким и считали Солнце древние. Один древнегреческий астроном в свое время с помощью геометрических выкладок показал, что Солнце должно быть больше самой Земли, а значит, Земля вращается вокруг Солнца, но такую очевидную чушь в то время даже слушать никто не стал.

Однако восемнадцать столетий спустя появился польский астроном Николай Коперник, и в 1543 году он опубликовал подробную теоретическую схему вращения Земли вокруг Солнца. После ста лет споров его точка зрения наконец восторжествовала. В 1610 году итальянский ученый Галилей поспособствовал такой смене понятий, указав, что на Солнце есть черные пятна, а значит, оно не так уж совершенно и является материальным телом, а не божественной субстанцией.

Позже, в 1683 году, английский ученый Исаак Ньютон разработал теорию всемирного тяготения, и человечество узнало, чем еще обязано Солнцу. Огромное солнечное тело охватило своим гравитационным полем миллиарды километров пространства вокруг себя, и именно благодаря силе этого поля Земля ровно кружится вокруг Солнца, не приближаясь к нему слишком близко и не удаляясь слишком далеко. Солнце держит Землю бережно и заботливо, как мать — младенца на руках.

По представлениям современной науки, Солнце — это материальный шар 1 390 473 километров в диаметре, совершающий оборот вокруг своей оси за двадцать пять дней. По сравнению с ним Земля — как горошина рядом с баскетбольным мячом. Если бы Солнце было полым, в него уместилось бы миллион с четвертью планет размера Земли, и еще место бы осталось. Правда, плотность материи на Земле несколько больше, чем на Солнце, так что для того, чтобы набрать материала на новое Солнце, потребовалось бы всего 333 000 таких планет, как Земля.

Самые мелкие части Солнца, которые мы можем разглядеть, на самом деле чудовищно огромны. Материя его верхних слоев, нагретая до температуры в 5000 °С, находится в постоянном движении, одни ее части поднимаются наверх, другие — опускаются вниз, создавая впечатление рисовой каши. Но каждое рисовое зернышко в ней имеет диаметр в тысячи километров.

На поверхности Солнца образуются гигантские завихрения с сильными магнитными свойствами. Энергия на создание этого магнетизма и прочих сильных помех берется из температуры самого Солнца. Поэтому вихри остывают до 4000 °С. По обычным меркам, это, конечно, горячо, но по сравнению с окружающей солнечной поверхностью они так холодны, что снаружи кажутся на общем фоне черными пятнами. Именно эти солнечные пятна и заметил в свое время Галилей.

Эти солнечные пятна, завихрения на Солнце, имеют тысячи километров в диаметре. Диаметр одного из них, измеренный в 1947 году, оказался равен 84 000 километров. Такую гигантскую воронку не смогли бы остановить и три дюжины планет, равных Земле.

Появление солнечных пятен — явление циклическое. Их количество год от года растет, пока не достигнет пика, во время которого лик Солнца испещрен оспинами. Затем интенсивность солнечных пятен идет на спад. Полный цикл занимает одиннадцать лет.

В период наибольшего количества солнечных пятен наиболее высока и активность Солнца по выбросу материи на тысячи километров в пространство против собственной силы гравитации. Эти вылетающие сгустки красного пламени называются «протуберанцами». Невооруженным глазом их не заметить, но с помощью современных инструментов, позволяющих «отключить» сияние самого солнечного диска, можно увидеть те из них, что отлетают в направлении перпендикулярном плоскости наблюдения.

Иногда сияние солнечного диска отключается для наблюдателя и естественным образом. Речь идет о солнечных затмениях. Они случаются, когда Луна проходит ровно между Солнцем и Землей. По странному совпадению крошечная Луна находится от нас ровно на таком расстоянии, чтобы ее видимый размер в точности совпадал с видимым размером огромного Солнца. Поэтому, когда Луна проходит между Землей и Солнцем, совпадение получается почти идеальным.

Когда это случается (что, к сожалению для астрономов, бывает нечасто), само раскаленное добела Солнце заслоняется от нас, а чуть светящаяся внешняя атмосфера Солнца становится похожей на жемчужно-белый туман. Это — солнечная корона, окружающая солнечный диск, очень горячий, но очень разреженный газ. Лишь в последние двадцать лет наблюдения с космических аппаратов предоставили сведения о том, насколько она на самом деле горяча — больше миллиона градусов по Цельсию. Этого достаточно, чтобы, помимо обычного света, солнечная корона излучала и в диапазоне рентгеновских лучей. Однако вещество солнечной короны очень разрежено в пространстве, и поэтому, несмотря на высокую температуру, в целом содержание тепла в ней невелико.

Астрономы полагают, что в самом начале развития Солнечной системы материя, из которой она состоит, представляла собой разреженное облако пыли и газа, медленно кружащееся и сокращающееся под действием собственных гравитационных сил.

По мере того как материя сжималась к центру, температура центра все возрастала. Это неизбежное явление. Даже сжатие воздуха в ручном насосе приводит к нагреву этого воздуха; а температура в центре Земли, сжатом со всех сторон тысячами тонн металла и камня, достигает нескольких тысяч градусов.

Таким же образом материя Солнца, обладающего гораздо большей массой, чем Земля, своим давлением привела к нагреву собственного центра до невероятных высот.

Чем выше температура, тем энергичнее движутся атомы, и, наконец, система доходит до такого состояния, когда столкновения атомов становятся столь яростными, что электроны начинают соскакивать с внешних оболочек и атомное ядро остается «голым». На этом этапе материя обрушивается сама в себя — так и Солнце превратилось в тот шар, который мы видим сегодня.

Почти всю материю Солнца в самом начале составлял водород, а ядро атома водорода — это одна невероятно крошечная частица, именуемая «протон». По мере того как температура продолжала расти, эти протоны, уже лишенные электронов, сталкивались между собой все сильнее и сильнее, до тех пор пока при столкновениях не стали образовываться новые, более сложные ядра, состоящие уже из четырех частиц, — ядра гелия.

При слиянии атомов водорода с образованием гелия высвобождается огромное количество энергии. Именно этот процесс происходит при взрыве водородной бомбы. Короче говоря, в Солнце произошел ядерный взрыв, и оно превратилось в гигантскую водородную бомбу, благодаря свету и теплу которой мы живем. В отличие от маленьких водородных бомб, изготавливаемых человеком, Солнце не взорвалось сразу и навсегда, отойдя в небытие, поскольку его огромная сила притяжения удерживает солнечное вещество на месте.

Опасная радиация этой мощнейшей водородной бомбы нам тоже не страшна. Подавляющая часть опасного излучения даже не выходит за пределы Солнца. В его центре, где собственно и происходит процесс слияния водорода, температура составляет около 14 миллионов градусов по Цельсию, но весь этот жар не может попасть наружу иначе, кроме как медленно просачиваясь сквозь тысячи километров солнечного вещества. Поверхность Солнца по сравнению с этим ядром можно назвать лишь теплой, а та небольшая часть опасного излучения, которая все же пробирается наружу, в основном поглощается атмосферой Земли, не достигая поверхности планеты.

Прошло, наверное, пять или шесть миллиардов лет с того момента, как в сжимающемся центре Солнца вспыхнуло ядерное пламя, но за все это время в гелий успела превратиться лишь небольшая часть его обширнейших водородных запасов. Даже сегодня значительно больше половины солнечного вещества составляет водород, и ядерного топлива в Солнце еще достаточно, чтобы оно продолжало гореть, как сейчас, еще как минимум десять миллиардов лет.

От Солнца до Земли долетает гораздо больше, чем полагали до последнего времени. Не вся материя протуберанцев, отрывающихся от солнечной поверхности, возвращается обратно. Часть ее, подобно мельчайшим морским брызгам, уносимым ветром в глубь материка, покидает Солнце насовсем и в виде тончайших пучков улетает в пространство.

Именно из этой материи, представленной электрически заряженными протонами и электронами, состоит солнечная корона, уходящая все дальше и дальше от Солнца до тех пор, пока совсем не теряется в бесконечности пространства, постоянно пополняясь новой солнечной материей. Эту разреженную материю, вечно стремящуюся прочь от Солнца, называют «солнечным ветром», и он ощутим даже на том расстоянии, на котором находится Земля, — 150 000 000 километров.

Здесь, в окрестностях Земли, солнечная материя разрежена до предела, но все же плотность ее достаточна, чтобы окружающее нас пространство отличалось от чистого вакуума. Иными словами, можно сказать, что орбита Земли лежит внутри солнечной короны.

Заряженные частицы солнечной материи притягиваются магнитным полем Земли, дуги которого тянутся от одного полюса к другому, достигая наибольшей высоты в районе экватора.

Солнечные электроны и протоны собираются в магнитном поле Земли, следуя его изгибам и образуя вокруг планеты оболочку, по форме напоминающую пончик. Это так называемые «пояса Ван Аллена», названные в честь американского физика Джеймса Ван Аллена, открывшего их в 1958 году.

Возле магнитных полюсов заряженные частицы прижимаются вплотную к верхним слоям атмосферы Земли, где именно они обеспечивают красоты полярного сияния.

Солнечный ветер — явление непостоянное. Иногда, повинуясь неким непредсказуемым причинам, его сила возрастает. Чаще всего это совпадает с пиками солнечной активности, а непосредственно усиление солнечного ветра связывают со вспышками на Солнце. Бывает так, что пространство вокруг некоего солнечного пятна на час или около того вспыхивает особенно ярко, и из этой вспышки в пространство испускается сильнейший сноп частиц.

Если этот сноп оказывается направленным к Земле, то в тот же день облако частиц окажется в верхних слоях нашей атмосферы. Северное сияние станет ярче обычного, а в сводках погоды напишут о магнитных бурях.

Эти бури могут оказывать сильное воздействие на современную технику. Радиосообщение, к примеру, основано на том, что в верхних слоях атмосферы имеется область, содержащая электрически заряженные фрагменты атомов, называемые «ионами» (поэтому и вся область получила название «ионосфера»). Эти ионы обладают способностью отражать радиоволны. Однако, когда ионосферу наводняют заряженные частицы извне, отражение радиоволн начинает происходить с ошибками. Радиопереговоры тонут в помехах, которые могут сохраняться по тридцать часов.

Солнечный ветер оказывает на земные дела и более повседневное воздействие, причем крайне важное. Речь идет о дожде. Как нам сейчас известно, для того, чтобы пролился дождь, мало наличия влажности в воздухе, мало даже наличия облаков. Должны каким-то образом образоваться дождевые капли, а это не всегда происходит легко. Они образовываются, как правило, вокруг какой-нибудь подходящей пылинки, имеющей необходимые размер, форму и химические свойства. Современные технологии «разгона туч» основаны именно на обработке дождевых облаков соответствующими химическими веществами.

Ионы также представляют собой естественное ядро для дождевых капель, и вполне возможно, что при прочих равных вероятность дождя зависит от того, насколько верхние слои атмосферы богаты ионами. В целом ионов всегда больше в годы повышенной солнечной активности и сильного солнечного ветра. Поэтому в эти годы и дождей выпадает больше.

Так, по результатам измерений, уровень воды в озере Эри в годы наибольшей солнечной активности поднимается выше всего. Также, изучая годовые кольца деревьев, росших на юго-западе Соединенных Штатов, ученые установили, что наиболее толстые кольца, соответствующие годам с наибольшим количеством дождей, повторяются через одиннадцать лет, как и периоды солнечной активности.

Если же мы задумаемся о том, как сильно влияют на все живое колебания в выпадении дождей, то на солнечную активность можно списать вообще все, что угодно. Периодическая нехватка дождей может приводить к засухе и голоду, а следовательно — к периодам политической смуты и военной активности. Неудивительно, что многие пытались построить циклы войн и депрессий, основываясь на циклах солнечной активности. Однако солнечная активность оказывается достаточно иррегулярной, а человеческое поведение — достаточно сложным, чтобы до сих пор сводить все подобные попытки на нет.

Наступает век космических путешествий, и свойства Солнца приобретают особую важность для космонавтов. Атмосфера Земли поглощает большую часть опасной радиации, но стоит выйти за ее пределы — и угроза облучения встает во весь рост. В непосредственной близости от Земли космонавты еще могут полагаться на защиту стен своей космической станции (и, что еще важнее, земного магнитного поля), но чем дальше от Земли — тем грознее опасность.

По пути к Луне космонавт будет нуждаться в защите от интенсивной радиации поясов Ван Аллена. Хотя, возможно, ему удастся проскочить через полярные проходы в поясах.

Дальше в открытом космосе космонавт не сможет чувствовать себя в безопасности, даже если уровень радиации вокруг него будет находиться на допустимом уровне. В любой момент внезапная вспышка на поверхности Солнца может выплеснуть в его направлении сноп опасных частиц, который не удастся отразить. Некоторые из зафиксированных вспышек оказывались настолько яростными, что приводили к выплеску самого энергетически насыщенного излучения из известных — космических лучей.

На самой Луне, где нет заслуживающей упоминания атмосферы (см. главу 14), исследователи могут столкнуться с тем, что одной из самых главных подстерегающих их опасностей станет непредсказуемое поведение солнечного ветра, случайным образом разражающегося смертоносными вспышками.

Ясно, что о Солнце необходимо знать как можно больше. В этом может помочь недавно открытая странная небольшая частица, именуемая «нейтрино». Эти частицы высвобождаются при проходящих в центре Солнца реакциях слияния водорода наравне с обычным излучением.

Обычному излучению требуется столько времени, чтобы достичь поверхности Солнца, и оно подвергается при этом стольким изменениям, что в итоге по нему можно судить только о солнечной поверхности, но никак не о его ядре — разве что делая некие косвенные выводы.

А вот нейтрино настолько малы и имеют так мало отношения к обычной материи, что они вырываются из центра Солнца со скоростью света, и солнечное вещество не оказывает при этом на них никакого влияния. До Земли они добираются через восемь минут после своего возникновения, прямо из центра Солнца.

Сейчас ученые занимаются разработкой нейтринных телескопов, которые могут представлять собой, например, контейнеры с определенными химическими веществами, способными остановить хотя бы несколько нейтрино солнечного происхождения. Из того, сколько именно частиц удастся остановить, и из прочей информации, которую удастся из них извлечь, можно будет установить температуру и другие факторы солнечного центра гораздо точнее, чем мы это делаем сейчас.

Узнав природу самого центра Солнца, мы разгадаем многое из того, что сейчас кажется загадочным и таинственным. Пятна на Солнце, протуберанцы, вспышки, солнечный ветер — все это можно будет расписать по пунктам и, возможно, составить прогнозы. С обретением этого нового знания можно будет в безопасности преодолевать обширные космические пространства, так же как обретение компаса позволило европейским мореходам безошибочно преодолевать бурные и опасные морские просторы.

Глава 16 ИМЕНА ЗВЕЗД

Известна байка про некое наивное юное дарование, которое, забредя на лекцию по популярной астрономии, впоследствии удивлялось: «Я понимаю, как астрономы высчитывают расстояние до звезд, температуру их поверхностей… Но вот как они узнают имена звезд?»

На самом деле настоящие имена есть у очень немногих звезд. Большинство же из них известно лишь по упоминаниям в каталогах, и вместо имен у них длинная строка цифр.

Даже среди звезд, достаточно ярких для того, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, многие имеют вместо названия лишь букву греческого алфавита, которую называют перед именем созвездия, к которому эти звезды принадлежат. Например, ближайшая к нам звезда, альфа Центавра, называется так потому, что является самой яркой звездой в созвездии Центавр (Кентавр), и поэтому помечается первой буквой греческого алфавита — альфой. «Альфа Центавра» означает «первая в Центавре». Существуют также бета Центавра, гамма Центавра и т. д.

Однако около 250 звезд все же имеют собственные имена, из которых широкой публике известно, наверное, не более дюжины. Последнее достойно сожаления, поскольку есть что-то очень приятное в том, чтобы называть одну звезду Рукба, а другую — Бенетнаш. Это настоящие имена настоящих звезд.

Даже наши старые знакомые, те несколько звезд, имена которых вспоминаются так часто, что их слышали даже люди далекие от астрономии, будут восприниматься более живыми, если мы разберемся в том, что же значат их имена на самом деле.

Самая яркая звезда на небосводе, чье имя нам наиболее знакомо, — Сириус. Она принадлежит к созвездию Большой Пес, поэтому и саму звезду иногда называют Псовой звездой. Из-за того, что эта звезда так ярка, древние считали, что, когда посреди лета ее бывает видно на небе днем вместе с Солнцем, она вносит свой вклад в летнюю жару; и в самом имени эта вера отражена, ведь слово «Сириус» происходит от греческого seirios — «ярко горящий».

Как оказалось, Сириус, самая яркая звезда созвездия Большой Пес, — звезда двойная. Ее звезда-напарник очень мала, диаметром всего в два раза больше нашей Земли. Поэтому ее нередко неуважительно называют Щенком.

Яркая звезда, расположенная к западу от Сириуса, принадлежит уже к созвездию Малый Пес. Находясь западнее Сириуса, она, естественно, и восходит, и заходит чуть раньше, чем он. Поэтому такой звезде было дано название Процион, от греческих слов, означающих «перед псом».

Неподалеку от двух «медвежьих» созвездий, Большой и Малой Медведиц, находится созвездие Волопас. Древние изображали его в виде человека с двумя собаками на привязи. Собак в данном случае представляли звезды в небольшом созвездии между Волопасом и Большой Медведицей — созвездии Гончие Псы. Волопас с собаками явно представляли собой защиту всего остального небосвода от свирепых медведей. Следовательно, самая яркая звезда созвездия Волопас получила имя Арктур, от греческих слов, означающих «страж медведя».

Древние очень серьезно относились к тем образам, которые рисовало их воображение. Так, например, созвездие Возничий они изображали как старика с уздечкой в одной руке и козой с козлятами в другой. Поэтому звезды с одного из боков созвездия называли «Козлятами», а самая яркая из них получила название Капелла, что по-латыни означает «Козочка».

Или взять созвездие Дева. Его изображали в виде молодой женщины со снопом колосьев пшеницы в руках. Предположительно, причиной тому тот факт, что Солнце входит в созвездие Дева в начале осени, когда пшеница созревает и начинается сбор урожая. Поэтому звезда, находящаяся в этих колосьях, называется Спика, что по-латыни означает «колос».

Иногда имена звезд не так сильно привязаны к образам созвездий. В созвездии Близнецы есть две близко расположенных звезды, видимо и вдохновившие древних на объединение звезд в созвездия. Римляне дали им имена самых известных близнецов из своей мифологии — Кастора и Поллукса.

Регул — это самая яркая звезда созвездия Лев. В переводе с латыни ее название означает «малый царь», что, видимо, должно символизировать ее положение главного украшения царя зверей. Еще более символично название звезды Антарес, что означает «соперник Ареса». Арес — это бог войны пантеона древних греков, которого римляне впоследствии назвали Марсом. Антарес — это красная звезда, цветом соперничающая с Марсом.

Но самое символичное и описательное название носит все же Полярная звезда, обозначающая Северный полюс, благодаря чему ее еще иногда называют Северной звездой.

Но некоторые звезды носят и совершенно не подходящие им имена. Так, созвездие Орион («Охотник») изображают в виде великана, поднявшего левую руку, чтобы прикрыться от бросающегося на него Тельца, а правой держащего наготове для удара дубину. На его левом плече находится звезда под названием Воительница; я не уверен, что самому Ориону понравилась бы идея женщины-воина.

Однако подавляющее большинство названий звезд имеют не греческое и не латинское, а арабское происхождение. Именно поэтому так много названий начинается со слога «ал» — арабского артикля.

Возьмем, к примеру, семь звезд ковша Большой Медведицы. Их видел каждый; это созвездие способен показать любой житель Северного полушария, даже ничего больше не знающий о звездах. А как они называются?

Вот каковы их названия, начиная с конца ручки ковша и заканчивая теми двумя звездами, что указывают нам на Полярную: Алкаид, Мицар, Алиот, Мегрец, Фекда, Мерак и Дубхе.

Название первой звезды из списка, Алкаид, звучит так, как будто его придумали для противокислотного средства, но на самом деле оно имеет арабское происхождение (как и все остальные) и означает «вождь», поскольку именно она ведет все семь звезд по небу.

Название второй звезды, Мицар, означает «пелена». Это надо объяснить. Рядом с Мицаром расположена значительно более слабая звезда. Саму по себе ее можно было бы разглядеть без труда, но присутствие рядом более яркой затмевает ее, как бы набрасывая пелену. Чтобы разглядеть вторую звезду, требуется достаточно хорошее зрение, и на протяжении многих веков с помощью этой двойной звезды проводили медицинские тесты на зрение. Вторая звезда, о которой идет речь, — Алькор, что в переводе с арабского означает «слабый».

Название третьей звезды Большого Ковша — Алиот, на арабском языке означает «толстый овечий хвост». Если это сбивает с толку, то вспомните о том, как греки изображали Ковш — в виде медведицы, таким образом, что четыре звезды самого ковша составляли заднюю половину медведицы, а три звезды ручки — ее хвост. Мы-то с вами знаем, что у медведей нет заслуживающего упоминания хвоста, и древние греки тоже наверняка это знали. Так что картинки они наверняка перерисовали у вавилонян и назвали получившихся животных медведями, несмотря на хвосты. Арабов наличие у медведей хвостов тоже поразило, а поскольку слов для обозначения медвежьих хвостов у них в языке не нашлось, то вместо этого они назвали звезду «овечьим хвостом».

Четвертая звезда, с которой начинается сам ковш, называется Мегрец, что означает «корень», скорее всего, потому, что она является корнем хвоста.

Значение слова «Фекда» я установить не смог, а что до двух последних звезд — то Мерак (название дальней от Полярной звезды) означает «зад», явно подразумевается зад медведя, а Дубхе переводится просто как «медведь».

Четыре звезды созвездия Пегас (Пегас — это знаменитая крылатая лошадь) тоже носят арабские названия — Альферац, Альгениб, Маркаб и Шеат. Альферац, расположенный с краю лошади, означает «кобыла»; находящийся чуть выше Альгениб — «бок», Маркаб — «седло». Слово «Шеат» — название четвертой звезды, расположенной чуть выше передней ноги Пегаса, — имеет не столь ясное происхождение. Возможно, оно происходит от слова «богатство», но при чем здесь богатство, совершенно непонятно.

Да и многие из более знакомых звездных имен имеют тоже арабское происхождение. Вторая по яркости звезда в созвездии Орион, расположенная в левой ноге нарисованного охотника, называется Ригель, от арабского слова, означающего «нога». А самая яркая звезда созвездия, Бетельгейзе, имеет в качестве названия искаженную арабскую фразу, означавшую изначально «рука Ориона».

Многие звезды носят имена, буквально следующие из изображений созвездий, к которым принадлежат. Альтаир — самая яркая звезда в созвездии Орел, по-арабски означает «птица». Созвездие Рыбы изображают в виде двух рыбок, соединенных длинным шнуром. Посреди шнура находится самая яркая звезда в созвездии, и арабские астрономы дали ей имя Альриша, что означает «шнур».

Самая яркая звезда созвездия Лебедь носит имя Денеб. На рисунке она оказывается расположенной в хвосте птицы, и название ее происходит от арабского слова, означающего «хвост». Арабы были величайшими астрономами Средневековья, поэтому так много звездных имен напоминают нам о них. И слово «хвост» имело большую популярность в качестве звездного имени, так что на небосводе у нас теперь есть несколько Денебов. Арабы различали их между собой путем прибавления второго слова, по названию созвездия. Так, например, название звезды Денеб Альджеди из созвездия Козерог означает «козий хвост», а Денеб Кантос из созвездия Кит — «китовый хвост». В созвездии Лев вторая по яркости звезда носит имя Денебола, где окончание «-ола» — это все, что осталось от арабского «львиный».

Однако, чтобы не создать впечатления, что арабов интересовала только задняя часть живых существ, приведу противоположный пример: самая яркая звезда созвездия Южная Рыба называется Фомальгаут, что означает «рыбий рот». Точно так же и самая яркая звезда созвездия Змееносец, которое изображается, естественно, в виде человека, держащего змею, называется Рас-Альхаге, что означает «голова заклинателя змей».

Альдебаран, самая яркая звезда в созвездии Телец, служит чем-то вроде Проциона, только наоборот: Альдебаран расположен чуть восточнее широко известной группы звезд — Плеяд, а значит, и восходит и заходит вслед за ними. Поэтому звезда получила имя, означающее по-арабски «последователь».

Наверное, самое красочное имя арабы дали второй по яркости звезде в созвездии Персей. Эта звезда — одна из немногих на небосводе, которая постоянно заметно меняет яркость. Для древних этот факт представлял собой полную загадку, поскольку они считали, что звезды совершенны и неизменны. Видимо, именно этой звезде созвездие обязано своим образом. Его изображали в виде Персея с отрубленной головой Медузы в руке. Как известно, Медуза была столь страшна и ужасна, что от одного взгляда на нее люди превращались в камень.

Звезда, о которой идет речь, расположена прямо на лбу Медузы, и арабы дали ей название Алголь, что означает «дьявол». Поэтому Алголь известен также как «звезда дьявола».

Все вышёперечисленное дает лишь малое представление о богатстве небес. Я не упомянул и малой толики от двухсот с лишним звездных имен.

Глава 17 ЛИНЕЙКА ДЛЯ КОСМОСА

Удобства ради люди используют для разных целей разные единицы измерения. Длину комнаты измеряют в метрах, автотрек — в километрах.

В основном это делается во избежание использования слишком большого количества цифр. Было бы странно описывать комнату 0,038 километра в длину вместо 38 метров, или расстояние от Бостона до Нью-Йорка как 365 800 метров вместо 366 километров.

Однако ни одна из привычных нам единиц измерения, придуманных для использования на земной поверхности, не является удобной для астрономического применения. Самая длинная единица измерения на Земле — это километр. В некоторых странах используется чуть более длинная миля, равняющаяся 1,61 километра, но для астрономических целей и то и другое чрезмерно мало.

Ближайшее к нам более-менее крупное небесное тело — это Луна; ближайшее после Луны — Венера. Но расстояние от Земли до Луны, если его выразить в привычных нам единицах, составит 380 000 километров, а Венера никогда не подходит к нам ближе чем на 40 000 000 километров.

Во избежание использования в расчетах всех этих миллионов, миллиардов и еще больших чисел астрономы долгое время пользовались более крупными единицами измерения, не так хорошо знакомыми простым смертным. Но теперь, с наступлением космической эры, и нам все чаще приходится слышать об этих единицах. Пора учиться понимать астрономические расстояния.

К примеру, за один из эталонов космических расстояний астрономы приняли расстояние от Земли до Солнца. Оно, конечно, колеблется на несколько миллионов километров, в зависимости от нахождения Земли на той или иной точке своей эллиптической орбиты в конкретный момент, но в среднем все же составляет 150 000 000 километров.

Этот эталон так и назвали, «астрономической единицей» (часто сокращают до а. е.). Так что можно сказать, что среднее расстояние от Земли до Солнца — 1 астрономическая единица. Так можно измерять и другие расстояния в астрономических единицах и работать с более удобными и легко объяснимыми терминами.

К примеру, среднее расстояние от Земли до Луны — 0,00255 а. е., до Венеры — 0,27 а. е. Из этих цифр сразу становится ясно, что расстояние от Земли до Луны в четыреста раз меньше, чем до Солнца, а до Венеры — в четыре раза меньше.

В таблице 1 приведены значения расстояния от различных планет до Солнца в милях, километрах и астрономических единицах. Значения в астрономических единицах не только легче считать, писать и произносить; они еще и сразу наглядно показывают отношения между расстояниями до различных планет, что не так хорошо видно из километровых значений.

Так, если вам укажут, что Нептун находится в 4 500 000 000 километрах от Солнца, то это лишь сбивающие с толку цифры. Если же будет сказано, что это расстояние — 30,07 а. е., то сразу станет ясно, что Нептун расположен в тридцать раз дальше от Солнца, чем Земля.

Из значений, выраженных в астрономических единицах, можно с первого взгляда понять, что Сатурн находится почти в два раза дальше от Солнца, чем Юпитер, а Плутон (в среднем) вдвое дальше, чем Уран. В принципе значения, выраженные в километрах и милях, тоже содержат в себе эту информацию, но длинные цепочки цифр делают ее извлечение несколько более сложным делом.

Но самая важная измерительная единица астрономов основана на скорости света.

За одну секунду свет (как и любое другое электромагнитное излучение) проходит 300 000 километров. Для этой достаточно круглой цифры было придумано укороченное название — «световая секунда». Тогда можно сказать, что расстояние от Земли до Луны — 1,27 световой секунды, а Венера приближается к нам самое меньшее на 135 световых секунд.

Эти цифры несут и практический смысл. При ведении радиопереговоров с будущей станцией на Луне придется учитывать, что наш сигнал будет добираться до них 1,27 секунды. А отраженный от Венеры сигнал радара вернется к нам только через 270 секунд. Измерение пространства в таких единицах будет единственно естественным для вычислений, связанных с радиопереговорами.

Световыми секундами можно измерить и всю Солнечную систему, но это будет менее удобно, чем использовать для ее измерения астрономические единицы. Одна астрономическая единица равна примерно 500 световым секундам. Следовательно, расстояние от Нептуна до Солнца, равное около 30 а. е., будет выглядеть как 15 000 световых секунд. Последняя цифра выглядит громоздко и неудобно.

Но скорость света не обязательно привязывать именно к секундам. Можно взять за единицу расстояние, проходимое излучением за минуту или за час, и получить световую минуту или световой час. Естественно, одна световая минута будет равна 60 световым секундам, а один световой час — 60 световым минутам, или 3600 световым секундам.

В таблице 2 снова приведены примерные расстояния от планет до Солнца, на этот раз — в световых секундах и световых часах. Как видите, световая минута может быть вполне удобным инструментом измерения межпланетных расстояний, вплоть до орбиты Юпитера, а для планет, находящихся далее, удобнее использовать световые часы.

Диаметр нашей Солнечной системы, точнее, орбиты самой дальней ее планеты Нептуна — около 11 световых часов, то есть почти половина «светового дня». За ее пределами, кроме нематериальных призраков, которые мы зовем кометами, да блуждающих метеоров, нет ничего — пока мы не подберемся к ближайшим звездам.

Теперь давайте себе представим графическое изображение нашей планетной семьи. Свет, пролетающий от Земли к Луне за примерно 1,75 секунды, а от Солнца до нас добирающийся примерно за восемь минут, вынужден лететь на всех парах целых одиннадцать часов, чтобы пересечь из конца в конец обширную орбиту Плутона.

А ведь вся Солнечная система не более чем песчинка в бесконечности космического пространства, и телескопы позволяют астрономам исследовать гораздо более отдаленные миры. К счастью, скорость света позволяет им менять единицы измерения на все более и более длинные. Но если вы подумали о световых неделях и световых месяцах, то вы ошиблись.

Дело в том, что, выйдя за орбиту Плутона, световые волны могут лететь и недели и месяцы в одном и том же направлении, не встречая на своем пути ничего материального.

Нам не известно ни одного объекта, расстояние которого от нашего Солнца было бы удобно обозначать в световых неделях или световых месяцах.

Для того чтобы говорить о расстоянии до ближайшей звезды, надо будет перейти уже к такой единице, как световой год. Это довольно большое расстояние — 8 450 000 000 000 километров, или 5 890 000 000 000 миль. Грубо говоря, световой год — это почти 10 триллионов километров.

Но, как бы ни была велика эта цифра, нам не известно ни одного небесного тела вне нашей Солнечной системы, которое находилось бы столь близко. Ближайшая к нам звезда, альфа Центавра, находится от нас на расстоянии 4,3 светового года.

Есть еще одна единица измерения, тоже полезная, когда речь идет о расстояниях между звездами. Ее основой служит уже не скорость света, а сдвиг положения более близко расположенной звезды по отношению к более отдаленным звездам. Причиной этого сдвига служит перемещение Земли из некоей точки орбиты в противоположную за шесть месяцев. Половина этого очевидного сдвига называется «звездным параллаксом».

Грубую аналогию с параллаксом можно провести, если поднять палец сантиметрах в пятнадцати от носа и посмотреть мимо него на некий удаленный предмет сначала только одним глазом, а затем, не меняя положения самого пальца, только другим. Вы увидите, что палец изменил свое положение относительно удаленного предмета — поскольку вы изменили точку зрения.

Чем дальше предмет, на который вы смотрите, тем меньше параллакс. Вытяните руку вперед — и сразу станет заметно, насколько меньше стал сдвиг пальца относительно фона при взгляде то одним, то другим глазом попеременно. Поэтому из значения параллакса некоего небесного тела можно высчитать и расстояние до него. Именно этот метод использовался при оценке расстояния до ближайших звезд более ста лет назад, но задача оказалась непростой, поскольку параллакс даже ближайших к нам звезд крайне мал.

Представьте себе параллакс в одну угловую секунду (то есть в 1/60 угловой минуты, которая, в свою очередь, представляет собой 1/60 градуса окружности, состоящей из 360 градусов). Одна угловая секунда — это примерно столько, сколько занимает одноцентовая монета на расстоянии в 4 километра, то есть чрезвычайно мало. Так вот, было решено, что звезда, имеющая такой параллакс, находится от нас на расстоянии одного парсека. Слово «парсек» составлено из первых слогов двух слов словосочетания «параллакс секунды».

Но даже такой крошечный параллакс — это очень много. За пределами Солнечной системы не известно ни одного объекта, который находился бы от нас на расстоянии всего одного парсека. Следовательно, параллакс ни одной звезды не достигает целой угловой секунды. Параллакс ближайшей к нам звезды, альфы Центавра, — 0,76 угловой секунды.

Как выяснилось, один парсек равен 3,26 светового года. Таким образом, удаленная от нас на 4,3 светового года альфа Центавра находится на расстоянии 4,3/3,26, то есть 1,3 парсека.

В таблице 3 приводится расстояние до некоторых наиболее известных звезд, как в световых годах, так и в парсеках.

Можно было бы решить, что теперь-то уж у астрономов в наличии все необходимые им единицы измерения, но на самом деле все звезды, перечисленные в таблице 3, принадлежат к числу наших самых непосредственных соседей и находятся все в одном и том же витке спирали нашей Галактики. Весь Млечный Путь целиком — гораздо больше, чем тот его уголок, где находится горстка видимых невооруженным глазом звезд, в том числе и приведенных в таблице.

Ядро же нашей Галактики, в котором находится около 90 процентов всех ее звезд и которое мы не можем наблюдать даже в оптические телескопы, потому что его закрывают от нас облака пыли, находится на расстоянии не меньше 30 000 световых лет от нас. Полный диаметр нашей дисковидной Галактики — около 100 000 световых лет, а максимальная толщина этого диска (в центре) — около 30 000 световых лет. Как видите, все числа снова быстро обрастают нулями.

Можно справиться с этим путем дальнейшего введения теперь уже световых веков (по 100 световых лет в каждом) и световых тысячелетий (по 1000 световых лет, или по 10 световых веков). Тогда можно сказать, например, что Денеб находится от нас на расстоянии в 4 световых века и что размеры нашей Галактики — 100 световых тысячелетий на 30 световых тысячелетий.

На практике такие единицы используют редко. Для измерений очень больших расстояний астрономы предпочли парсеки. По принципу метрической системы, где есть километр, равный 1000 метров, и килограмм, равный 1000 граммов, астрономы ввели килопарсек, равный 1000 парсеков. Используя эту удобную единицу измерения, можно сказать, что размеры нашей Галактики — приблизительно 31 килопарсек на 9 килопарсеков.

Однако и сама наша Галактика — лишь точка на бескрайних просторах космоса, заполненного миллиардами других галактик. Нашими ближайшими соседями являются сравнительно небольшие галактики-спутники нашего Млечного Пути — Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако. Они отстоят от нас, соответственно, на 150 000 и 170 000 световых лет, или 47 и 53 килопарсека.

Ближайшая к нам крупная галактика — это туманность Андромеды, удаленная на 2 300 000 световых лет, или 700 килопарсеков. Другие галактики, в том числе знаменитое скопление галактик в созвездии Волосы Вероники и живописная галактика в созвездии Лебедь, про которую есть мнение, что это две галактики, находящиеся в процессе столкновения, находятся еще дальше. Применительно к столь удаленным галактикам даже килопарсек — слишком малая единица измерения.

Вместо него можно ввести мегапарсек, равный миллиону парсеков, или тысяче килопарсеков (или 3 260 000 световых лет). Используя этот термин, можно сказать, что до скопления галактик в созвездии Волосы Вероники — 25 мегапарсеков, а до сталкивающихся галактик в созвездии Лебедь — 80 мегапарсеков.

Дошли ли мы, наконец, до такой единицы измерения, которую увеличивать больше незачем? Не совсем. В 1963 году астрономы поняли, что во Вселенной существуют объекты, находящиеся гораздо дальше от нас, чем даже самые далекие из обычных галактик. Эти новые объекты, самые далекие из всего, что мы знаем, называются квазары (см. главу 19).

Самый далекий из обнаруженных на сегодняшний день квазаров называется 3С9, и считается, что он находится на расстоянии, возможно, 9 миллиардов световых лет. Это 2800 мегапарсеков.

Поэтому давайте сделаем еще один шаг и введем гигапарсек, равный миллиарду парсеков, или тысяче мегапарсеков. Тогда можно сказать, что расстояние до 3С9 — 2,8 гигапарсека.

На самом деле у астрономов есть основания полагать, что максимальное расстояние, в принципе доступное любым нашим инструментам, как бы совершенны они ни были, — 12,5 миллиарда световых лет. Если это так, то ширину всей теоретически доступной наблюдению Вселенной можно оценить в 25 миллиардов световых лет, или всего около 7,5 гигапарсека.

Так что этого точно хватит.

Глава 18 ПУТЕШЕСТВИЕ ВО ВРЕМЕНИ: ТОЛЬКО В ОДИН КОНЕЦ

В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил абсолютно новый взгляд на Вселенную, казалось выходящий за всякие рамки здравого смысла. Его точка зрения выглядела действительно странно, из нее следовало, что предметы меняются по мере движения, теряя длину и приобретая массу. Получалось, что один человек способен увидеть, измерить и подтвердить под присягой факты, которых другой просто не может увидеть. Терялись все устои.

Единственным утешением обычному человеку оставалось соображение о том, что при обычных условиях все эти нововведения проявляются в настолько малых масштабах, что их можно попросту игнорировать.

Представим себе для начала некий воображаемый товарный поезд, длиной ровно в один километр (при стоянии на месте) и массой ровно в один миллион тонн. Вот он проезжает мимо нас со скоростью 60 миль в час, и если бы у нас имелись достаточно точные измерительные инструменты, то мы бы установили с их помощью, что поезд в данный момент стал короче на одну миллиардную сантиметра и тяжелее на одну десятитысячную грамма.

Однако, если бы точно такие же измерения произвел человек, находящийся в самом поезде, для него и длина и масса поезда остались бы теми же. Он установил бы, что поезд по-прежнему длиной в один километр и массой в миллион тонн. Более того, с точки зрения наблюдателя из поезда, это мы, те, кто находится снаружи, потеряли бы в длине и приобрели в массе.

Миллиардные доли граммов и сантиметров мало кого волнуют. Может показаться, что все эти сложности вокруг новых воззрений на Вселенную не стоят того, чтобы вокруг них огород городить.

Но не всегда происходящие изменения столь незначительны. Всего за несколько лет до того, как Эйнштейн выдвинул свою теорию, было обнаружено, что радиоактивные атомы испускают крошечные субатомные частицы, движущиеся со скоростями, значительно превышающими скорость нашего воображаемого поезда. Скорости субатомных частиц лежат в пределах от 16 000 до 300 000 километров в секунду. Вот их-то длина и масса претерпевают огромные изменения, которые можно и заметить, и измерить; более того, не заметить их просто нельзя! Поэтому с прежними представлениями о Вселенной, в которой и длина и масса были незыблемыми свойствами предмета, вне зависимости от движения или нахождения в покое, пришлось расстаться. Вместо них пришлось принять точку зрения Эйнштейна.

Естественно, если товарный поезд, или что угодно еще столь же материальное, разовьет скорость, при которой изменения его массы и длины станут заметны, гравитационное поле Земли больше не будет его удерживать. Действие перейдет в открытый космос — так давайте же перенесем туда наши воображаемые опыты.

Представим себя на космическом корабле А, длиной в 300 метров и массой в 1000 тонн. Мимо нас со скоростью 260 000 километров в секунду пролетает космический корабль В, точная копия нашего корабля А.

С помощью некоего хитрого оборудования мы измеряем его длину и массу, когда это происходит, и обнаруживаем, что теперь его длина всего 150 метров, зато масса — 2000 тонн, иными словами — он стал вдвое короче и вдвое тяжелее.

Мы тут же связываемся с кораблем В и передаем его экипажу эту информацию, но в ответ нас уверяют, что, согласно их собственным измерениям, корабль, в котором они находятся, ничуть не изменился, зато, измерив наш корабль А, они также обнаружили, что его длина стала всего 150 метров, а масса — 2000 тонн.

Тогда оба корабля останавливаются, сближаются борт о борт и обе команды производят уже неторопливые точные измерения — и оказывается, что теперь оба корабля вернулись к своим первоначальным массе и длине, оба длиной по 300 метров и весом по 1000 тонн.

Какое же из полученных значений верное? Правильный ответ — все. Ведь данные измерений, как мы помним, меняются по мере движения. С точки зрения экипажа корабля А, корабль В пролетал мимо них со скоростью 260 000 километров в секунду, а с точки зрения экипажа корабля В, — наоборот, это корабль А пролетал мимо в противоположном направлении. С точки зрения каждого из экипажей, именно другой корабль пребывал в движении с данной скоростью и, соответственно, обладал удвоенной массой и вдвое меньшей длиной. Когда же корабли оказались борт о борт, ни один из них более не находился в движении относительно другого, и результаты измерений вернулись к «нормальным» показателям.

Если вас все еще продолжает мучить вопрос о том, «так укорачивался все-таки корабль А или нет?», то необходимо понять одну простую вещь: производя измерения, вы не можете получить абсолютные данные о некоей «реальности». Вы можете лишь считать показания приборов, которые, в свою очередь, подвержены влиянию определенных условий.

Теория Эйнштейна касается не только длины и массы — она затрагивает также и время. Согласно этой теории, на движущемся объекте время замедляется. Маятник часов движется медленнее, часовая пружина разворачивается не спеша. Замедляется любое движение.

Но ведь именно периодическое движение позволяет нам измерять время — различного рода регулярные вибрации, пульсации, ритмичные удары. Если все это движение разом замедлится, то можно сказать, что замедлилось и само время.

Некоторым принять такое положение теории еще сложнее, чем положение об изменении длины и массы. В конце концов, нам известно, что длину и массу предметов можно при желании изменять: например, масса сосуда с водой уменьшается по мере испарения воды; а укоротить предмет можно, допустим, сплющив его молотком. Но само представление о том, что можно хоть как-то повлиять на ход времени, кажется противоестественным. Само собой разумеющимся представляется, что ход времени — это нечто вечное и неизменное, не подвластное ничему.

Однако предположение Эйнштейна об изменениях течения времени по мере движения уже получило экспериментальное подтверждение. Даже в отношении скоростей в несколько сантиметров в секунду открыт физический феномен, получивший название «эффект Мёссбауэра». С его помощью можно фиксировать крайне малые изменения в скорости течения времени — здесь снова речь идет о субатомных частицах, чьи огромные скорости позволяют получать достаточно большие изменения, доступные приборам.

Существует частица, именуемая «мю-мезон»[8]. Срок ее жизни — две микросекунды (микросекунда — это одна миллионная секунды). То есть, двигаясь со средней скоростью, она живет две микросекунды. Но иногда случается так, что мю-мезон образовывается космическими лучами в верхних слоях атмосферы и энергия создания бросает их вниз к поверхности Земли со скоростью более 290 000 километров в секунду.

Если бы, двигаясь с этой скоростью, мю-мезон по-прежнему продолжал существовать только две микросекунды, то ему хватило бы времени на преодоление только 520 метров. А поскольку формируются мю-мезоны за много километров от поверхности Земли, долететь до нас ему было бы невозможно.

Но они долетают. Самые быстрые мю-мезоны успевают пролететь до распада по пять километров. Это можно объяснить, если предположить, что время для него замедляется. По собственным меркам он живет, как и положено, две микросекунды, но для стороннего наблюдателя это какие-то очень медленные микросекунды, равные двум десяткам микросекунд земного времени.

Время жизни мю-мезонов изменяется в строгом соответствии с предсказаниями Эйнштейна, так что придется нам согласиться с тем, что время не является неизменным и незыблемым, а свойства его зависят от точки зрения наблюдателя.

Давайте теперь вновь вернемся к нашим космическим кораблям А и В. Вот опять корабль В пролетает мимо корабля А, и допустим, что на борту корабля А имеется прибор, позволяющий экипажу в течение часа (по часам корабля А) наблюдать за часами, находящимися на корабле В.

Часы на корабле В покажутся наблюдателям отстающими, поскольку корабль В находится в движении. Через час (по часам корабля А) часы на корабле В покажут, что прошло чуть меньше часа. Чем быстрее движется корабль В, тем медленнее на нем идет время и тем меньшее время отмерят на нем часы.

Существует формула для вычисления замедления времени в зависимости от скорости. Используя эту формулу, мы получим таблицу со следующими значениями:

Что же произойдет в том случае, если корабль В пролетит мимо корабля А со скоростью, превышающей 299 800 километров в секунду? Часы пойдут в обратном направлении?

Нет. Повернуть время вспять не получится, потому что 299 800 километров в секунду — это наивысшая возможная относительная скорость, какую только можно замерить. Это скорость света в вакууме, и, согласно теории Эйнштейна, материальные предметы не могут развивать скорость больше ее.

Нельзя забывать еще вот о чем. С точки зрения экипажа корабля А, корабль В пролетает мимо них вперед, но вот с точки зрения экипажа корабля В, это корабль А пролетает мимо них назад с той же скоростью. Для каждого из экипажей движущимся кажется именно второй корабль. Так что если экипаж корабля В засечет время, отмеряемое часами, находящимися на корабле А, то они обнаружат, что именно на корабле А часы отстают.

Вот это уже более серьезная проблема, чем отмечавшееся ранее несоответствие длины и массы. Можно представить себе спор экипажей двух кораблей, встретившихся после вышеописанного эксперимента:

— Когда вы пролетали мимо, вы были короче и тяжелее, чем мы!

— Нет, это, когда вы пролетали мимо, вы были короче и тяжелее, чем мы!

— Да нет же…

Такой спор разрешить невозможно, да и незачем. Если некий предмет сначала вдвое укорачивается, а затем возвращается к обычной длине, или если его масса сначала удваивается, а потом снова становится как прежде, никаких следов при этом не остается. Непонятно, имел место наблюдаемый феномен на самом деле или нет. Все споры на этот счет бесполезны, а значит, и не нужны.

Но если часы на одном из кораблей идут медленнее, чем на другом, то к моменту сближения кораблей по часам это будет видно, так ведь? Если к началу эксперимента часы были сверены, то к концу они будут показывать разное время?

Предположим, что на одном из кораблей часы из-за замедления времени отстали на час. Следовательно, когда корабли снова встретятся, на часах одного из них должно быть, скажем, 2.15, а на часах другого — 3.15.

Но какие же именно часы в таком случае будут отставать? Ведь экипаж корабля А клянется, что медленнее шли часы на корабле В, а экипаж корабля В — что на корабле А. Поэтому и те и другие закономерно ожидают, что отставать на час будут часы другого корабля. Поскольку и те и другие одновременно правы быть не могут, то возникает неразрешимая дилемма, получившая название «парадокс часов».

На самом деле такого парадокса не существует. Если один из кораблей только что пролетел мимо другого с огромной скоростью и оба экипажа уверены, что именно на втором корабле часы шли медленнее, им никогда не удастся сравнить показания часов, поскольку корабли уже расстались навсегда. Часы с обоих кораблей нельзя будет поставить рядом и сравнить их показания.

Но допустим, что оба корабля все же сначала пролетели один мимо другого, а потом снова встретились и встали борт о борт, чтобы все же сравнить показания часов. Для того чтобы это могло случиться, необходимо выполнение определенного условия. Один из кораблей должен получить ускорение, то есть изменить свою скорость. Кораблю В для того, чтобы сделать это, потребуется развернуться по кривой линии, направить свой курс обратно к кораблю A, а затем притормозить до полной остановки в точке рядом с кораблем А.

Сам факт ускорения уже искажает симметричность ситуации. Корабль В изменяет свою скорость не только относительно корабля А, но и относительно всей Вселенной, всех звезд и галактик. Экипаж корабля В может пребывать при этом в уверенности, что их корабль как раз находится в покое, а вот корабль А каким-то образом придвигается к ним, но тогда ведь придется признать, что и вся Вселенная вокруг них пришла в движение. А вот экипаж корабля А видит движение только корабля B, а вся Вселенная остается при этом неподвижной для них.

И именно ускорение корабля В по отношению ко всей Вселенной (а не только к кораблю А) приводит к замедлению часов на корабле В, которое признает любой независимый наблюдатель. Когда корабли встретятся, то часы именно корабля В покажут 2.15, в то время как на часах корабля А будет 3.15.

Если же, с другой стороны, корабль В будет продолжать движение с неизменной скоростью, а корабль А, резко ускорившись, бросится вдогонку и настигнет корабль В, то благодаря этому ускорению любой независимый наблюдатель признает, что замедлился ход часов именно корабля А.

Эффект, при котором все наблюдатели согласны с тем, что замедление времени испытывает именно ускоряющийся объект, получил название «релятивистское расширение времени», и в космическом веке ему уже нашлось подходящее применение.

Ближайшая к нам звезда, альфа Центавра, находится от нас на расстоянии 4,25 светового года, то есть 40 000 000 000 000 (40 триллионов) километров (см. главу 17). А поскольку скорость света — это максимально возможная скорость вообще, то можно сделать вывод, что путешествие до альфы Центавра в принципе не может занять менее 4,25 года.

На самом деле космический корабль никогда не сможет достичь скоростей, близких к скорости света, иначе, как посредством долгого постепенного ускорения, так что большую часть пути ему в любом случае придется пройти со скоростью гораздо меньше световой, а значит, и общее время пути до альфы Центавра будет значительно дольше, чем 4,25 года.

Но благодаря эффекту расширения времени получится не совсем так. Допустим, корабль будет двигаться с ускорением 1 g (тогда члены экипажа будут чувствовать привычный вес, равный земному, а «низом» для них станет корма корабля). Сочетание ускорения и высокой скорости приведет к замедлению времени на корабле, признаваемому всеми внешними наблюдателями.

На Земле за срок, проведенный кораблем в пути, может пройти десять лет, но для экипажа, в соответствии с корабельными часами, которые будут двигаться все медленнее по мере набора кораблем скорости, путь до альфы Центавра займет всего 3,5 года.

По мере того как скорость корабля, под действием постоянного ускорения, будет все больше возрастать и приближаться к световой (впрочем, достичь самой световой скорости так и не удастся), время для экипажа будет расширяться все больше и больше. Корабль сможет преодолевать удивительно огромные расстояния за сравнительно небольшое (с точки зрения экипажа) время.

Однако не будем забывать, что эффект расширения времени действует только на сам корабль; Земля при этом будет двигаться с той же скоростью, что и всегда, и время на ней будет течь по-прежнему. Поэтому для жителей Земли время перелета будет очень долгим.

Наглядным примером тому может послужить нижеприведенная таблица, где приводится расчет для космического корабля, удаляющегося от Земли с постоянным равномерным ускорением 1 g.

Так что наши космонавты всего за четверть века вполне могут добраться не только до других звезд, но и до других галактик.

И это будет четверть века не только для мертвых механизмов. Не одни лишь часы замедлят ход на ускоряющемся корабле; на нем замедлится любое движение. Замедлятся и полет атомов, и ход всех химических реакций, включая те, что происходят в организмах самих космонавтов. Обмен веществ будет происходить медленнее, мысли, ощущения — все затормозится.

Это означает, что под действием эффекта расширения времени по пути к туманности Андромеды космонавты не только по часам отмеряют 28 лет, но и проживут лишь 28 лет своей жизни. Их организмы состарятся только на 28 лет, и не более, несмотря на то что на Земле тем временем пройдет два миллиона лет. И это, напомню, тот эффект, который подтвердит любой внешний наблюдатель, — то есть если космонавты вернутся на Землю, то земляне, живущие миллионы лет спустя после их отлета, признают, что наши путешественники за все время пути состарились всего на несколько десятилетий.

На этом факте основан так называемый «парадокс близнецов». Предположим, что некто вылетает в космос на корабле, равномерно ускоряющемся до больших скоростей, а его брат-близнец остается дома. Брат-космонавт постепенно останавливает корабль, разворачивает его и возвращается домой, по пути еще раз разогнавшись и притормозив. Благодаря эффекту расширения времени за время пути он старится при этом всего на 10 лет, а его брат, оставшийся дома, за то же время — на 40. Поэтому, вернувшись на Землю, наш космонавт оказывается на 30 лет моложе брата.

Напоминаю, космический путешественник не проходит никакой процедуры омолаживания; обратить время вспять невозможно, так что он просто состарился медленнее, чем если бы остался дома.

И удлинить срок своей жизни таким образом тоже не удастся. Если предположить, что физиологически оба близнеца запрограммированы прожить по 70 лет, то тот из них, кто остался дома, проживет, скажем, до 2050 года, а космонавт — до 2080. Ведь последний, хоть и проживет 30 лет после смерти своего брата, в конечном итоге 30 других лет все равно уже пропустил. Странствуя, он прожил всего 10 лет, а его брат на Земле за то же время — 40. На момент смерти у каждого из них наберется ровно по 70 лет воспоминаний.

Конечно, воспоминания эти будут разными. Интересно было бы, наверное, провести 70 лет в постоянных космических полетах, периодически возвращаясь на Землю с интервалом, скажем, в 50 тысяч земных лет. При этом путешественник испытает впечатления не только от путешествия в пространстве, но и во времени. Такие прыжки по времени позволят ему воочию обозреть всю историю развития человечества.

Но есть в этом и один очень важный минус. Такого рода путешествие во времени осуществимо только в одну сторону — в будущее. Встав на путь расширения времени, сойти с него и вернуться обратно уже нельзя. Век, породивший нашего космического путешественника, окажется для него безвозвратно утерянным.

Глава 19 РОЖДЕНИЕ И СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ

Нечасто ученые попадают благодаря выдвинутой ими теории на первые полосы газет. Но именно это произошло осенью 1965 года с английским астрономом Фредом Хойлом. Ученый отказался от идеи «непрерывного творения», которой отдал столько сил и лет своей жизни, а вынудили его к этому шагу объекты, отстоящие от Земли на 80 миллиардов триллионов километров пространства и десять миллиардов лет времени!

Кажется, далековато, но это надо было сделать ради разрешения самого грандиозного противостояния теорий за всю историю науки. Предмет этих теорий — ни более ни менее, как само зарождение и смерть нашей Вселенной (или, напротив, их отсутствие).

Все началось полвека назад, когда астрономы еще очень мало знали о Вселенной, лежащей за пределами нашей Галактики Млечный Путь, — линзообразного скопления из 130 миллиардов звезд диаметром в сто тысяч световых лет. Периодически на небе можно заметить далекие слабо светящиеся облачка, которые, как уже тогда подозревали астрономы, могут представлять собой другие скопления звезд, другие галактики. Расстояние до них может составлять миллионы световых лет (каждый световой год — это приблизительно 10 триллионов километров).

Свет от этих галактик, как и от любых других светящихся небесных тел, можно собрать с помощью телескопов, а затем разложить на радугу (спектр), содержащую определенное количество темных линий. Причиной появления каждой темной линии является определенный химический элемент, и каждая из них занимает в спектре определенное место, если источник света неподвижен относительно нас. Если источник света удаляется от нас, все эти линии окажутся сдвинутыми по направлению к красной части спектра, и чем больше скорость отдаления, тем сильнее этот «красный сдвиг». Если же источник света, наоборот, приближается к нам, то линии сдвинутся в противоположном направлении, к фиолетовой части спектра, и такой сдвиг тоже называется «фиолетовым».

В 1912 году американский астроном Весто Мелвин Слайфер начал собирать свет с различных галактик, желая измерить сдвиг темных линий в каждом случае. Он исходил из предположения, что примерно в половине случаев сдвиг должен оказаться красным, а в половине — фиолетовым, то есть половина галактик от нас отдаляется, а половина — приближается.

На самом деле все оказалось не так. К изумлению Слайфера, фиолетовое смещение проявили только несколько самых близких к нам галактик. Все остальные проявляли красное смещение. К 1917 году он обнаружил тринадцать отдаляющихся от нас галактик и только две приближающиеся к нам.

Более того, красное смещение имело неожиданно большое значение. Красное смещение отдельных звезд в нашей Галактике свидетельствовало, как правило, об отдалении от Земли со скоростями порядка менее сотни километров в секунду, а красное смещение галактик, обнаруженное Слайфером, позволяло сделать вывод о разбегании галактик со скоростями до 600 километров в секунду.

За ту же задачу взялись и другие. Еще один американский астроном, Милтон Хьюмасон, провел следующий эксперимент: он подставлял под слабый свет далеких галактик фотографическую пластинку несколько ночей подряд, и слабое действие лучей накапливалось до такой степени, чтобы на пленке наконец отпечатался более-менее заметный спектр. Таким образом он сумел измерить движение самых далеких галактик. И оказалось, что все они без исключения разбегаются от нас. И чем слабее свет от галактики (а значит, предположительно, и расстояние от нее до Земли), тем больше оказывалось значение красного сдвига. К 1930 году Хьюмасон подсчитал скорость разбегания галактик, и в некоторых случаях цифры доходили до 40 000 километров в секунду — более одной восьмой скорости света.

Уже в конце 1920-х годов американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл подвел черту под всеми полученными наблюдениями и вывел закон, известный нам ныне как закон Хаббла. Он гласит, что далекие галактики отдаляются от нас со скоростью пропорциональной расстоянию от них до Земли.

Согласно современным воззрениям, на расстоянии около 12,5 миллиарда световых лет эта скорость достигает скорости света. Если галактика удаляется от нас со скоростью света, то испускаемый ею свет никогда не сможет нас достичь, а значит, невозможно создать такой прибор, который позволил бы нам узнать о существовании этой галактики. Мы не можем ни увидеть ее света, ни получить субатомные частицы из нее, ни даже определить ее гравитационное поле.

Соответственно, расстояние в 12,5 миллиарда световых лет представляет собой конец «наблюдаемой Вселенной». Существует ли что-либо за этим порогом или нет, — так или иначе, это что-то никак не способно ни повлиять на нас, ни вообще обнаружить свое существование.

Итак, вот что представляет собой наша Вселенная: огромный пространственный шар, испещренный галактиками, в центре которого находимся мы сами и границы которого отстоят от нас на 12,5 миллиарда световых лет в любом направлении.

Немного странно для научно мыслящего ума звучит мысль о том, что мы находимся в центре Вселенной и все галактики разбегаются прочь от нас. В конце концов, что в нас такого?

Разумеется, ничего. И не стоит удивляться.

Общую теорию относительности Эйнштейна, провозглашенную им в 1916 году, можно применить и к модели расширяющейся Вселенной. По мере ее расширения содержащиеся в ней галактики разбегаются по все более увеличивающемуся объему пространства. Сами же галактики не рассеиваются, поскольку удерживаются воедино благодаря собственной гравитации. Каждая галактика все больше и больше отдаляется от других.

В такой расширяющейся Вселенной наблюдателю из любой галактики будет казаться, что все остальные галактики разбегаются прочь от него (за исключением, возможно, одной-двух ближайших, которые могут входить в тот же блок галактик, что и его собственная). Более того, с точки зрения наблюдателя из любой галактики в расширяющейся Вселенной, будет казаться, что скорость, с которой от него разбегаются другие галактики, прямо пропорциональна расстоянию до них.

Соответственно, не важно, откуда смотреть, — Вселенная отовсюду будет выглядеть одинаково. Это называется «космологическим принципом». (Наука об устройстве Вселенной в целом называется «космология».)

Разбегание галактик могло бы представлять собой некое просто присущее пространству свойство, но в 1927 году бельгийский астроном Жорж Эдуард Леметр выдвинул физическое объяснение этому феномену. По его гипотезе, Вселенная расширяется вследствие некоего огромнейшей силы взрыва, произошедшего миллиарды лет назад. Изначально, по версии Леметра, вся материя во Вселенной была сжата в некое твердое тело с крайне высокой плотностью — «космическое яйцо». Оно по каким-то причинам взорвалось и разлетелось на части, которые к сегодняшнему моменту приняли форму современных галактик. Под действием того самого первоначального взрыва галактики до сих пор разлетаются прочь друг от друга, и вот мы имеем Вселенную, которая расширяется.

С 1927 года многие приняли эту теорию на вооружение и разработали во всех подробностях. Самым, наверное, ярым сторонником этой теории стал американский физик русского происхождения Джордж Гамов.

Эта теория получила название «теория Большого взрыва», и она описывает Вселенную, в которой со временем происходят радикальнейшие изменения. Сначала (10-15 миллиардов лет назад, как считают сейчас астрономы) Вселенная представляла собой лишь шар из сверхплотной материи. Этот шар превратился во взорвавшуюся массу из раскаленных частей, находящихся пока что очень близко друг к другу. Со временем эти части остыли, рассеялись в пространстве, превратились в звезды и галактики и продолжают разбегаться и по сей день. Сейчас между этими частями уже лежит расстояние в миллионы световых лет, и со временем они становятся все дальше друг от друга.

Астрономов теория Большого взрыва, рисующая столь изменчивую Вселенную, не устроила. Троим из них, англичанам Герману Бонди, Томасу Голду и Фреду Хойлу, в 1948 году пришла в голову мысль, что космологический принцип (по которому схема Вселенной для всех наблюдателей является одной и той же) следует признать неполным, если он относится только к наблюдателям из разных точек пространства, и что следует распространить его на наблюдателей из разных моментов времени. Дополнив соответствующим образом космологический принцип, они назвали его «совершенным космологическим принципом». По версии этих ученых, Вселенная в целом со временем не претерпевает никаких перемен, оставаясь неизменной на протяжении целых эпох.

Правда, факта расширения Вселенной они отрицать не стали. В их модели Вселенной галактики тоже разбегались. Ради сохранности своего расширенного принципа Бонди, Голд и Хойл предположили, что по мере расширения Вселенной и разбегания галактик происходит крайне медленное непрерывное творение новой материи — настолько медленное, что самые чувствительные наши приборы не в состоянии этого зафиксировать. К тому моменту, как расстояние между двумя разбегающимися галактиками удваивается в результате расширения пространства, в промежутке между ними успевает появиться достаточно материи, чтобы из нее могла образоваться новая галактика.

Таким образом, несмотря на вечное расширение Вселенной, расстояние между ближайшими галактиками всегда остается одним и тем же, поскольку в наблюдаемой области Вселенной новые галактики образовываются с той же скоростью, с какой старые скрываются за ее пределами. Таким образом, внешне Вселенная всегда выглядела и будет выглядеть одинаково.

Обе теории, и Большого взрыва и Непрерывного творения, по-своему красивы, и у каждой из них имеются свои сторонники, которых возглавляют, соответственно, Джордж Гамов и Фред Хойл. Даже вне астрономической среды бушуют эмоции на этот счет. Одним нравится представлять себе зрелище колоссального взрыва в стиле «да будет свет!», другим импонирует аскетическая картина Вселенной без начала и конца, постоянно меняющейся и одновременно с этим неизменной. Так какая же из теорий верна? Можно ли это как-то установить?

Конечно, если бы существовала «астрономическая машина времени», проверить истинность обеих теорий было бы просто. Для этого нужно было бы всего лишь отправиться на миллиард лет назад (или вперед) и быстренько взглянуть на Вселенную. Если она будет выглядеть примерно так же, как и сейчас, то Непрерывное творение кажется более правдоподобным, если же ее облик будет принципиально отличаться от сегодняшнего, то правильно будет принять теорию Большого взрыва.

И, некоторым образом, у астрономов такая машина времени есть.

Дело в том, что свет (как и любое другое излучение) не может двигаться быстрее, чем 299 800 километров в секунду. По нашим земным меркам, это очень быстро, но в масштабах целой Вселенной это черепашьи темпы. Свет от далеких галактик, который мы видим, добирался к нам миллиарды лет. Это значит, что, глядя на далекие галактики, мы видим их такими, какими они были миллиард или более лет назад.

Поэтому надо понять только одно — похоже ли то, что мы видим далеко-далеко, на то, что мы видим вокруг себя. Если далекие галактики выглядят такими же, как соседние с нами, без каких-либо принципиальных отличий, то, значит, о Большом взрыве (который подразумевает изменяющуюся Вселенную) можно забыть. Если же они сильно отличаются от соседних, настолько, что ясно заметны изменения, происходящие со временем, то забыть можно уже о Непрерывном творении (которое подразумевает отсутствие принципиальных изменений).

Но на практике это не так просто. Разглядеть что-то, расположенное от нас за миллионы световых лет, — крайне сложно. Оттуда до нас доходят лишь скудные частицы размытого света. Если эти далекие галактики чем-то и отличаются от нашей, то мы, скорее всего, не сможем заметить этих отличий. Для того чтобы отличия были заметны, они должны быть огромными и очень принципиальными.

До 1950 года никаких таких отличий отметить не удавалось. Но вот была разработана новая технология, и появился новый инструмент, позволяющий еще дальше проникнуть в глубины космоса.

В 1931 году американский радиоинженер Карл Янский занимался решением одной совершенно не имеющей никакого отношения к астрономии задачи, связанной с расчетами статических помех радиопереговоров. Среди источников помех он обнаружил один, происхождение которого осталось неясным; Янский предположил, что помехи приходят извне, из открытого космоса.

В то время его открытие не вызвало интереса; в первую очередь, потому, что ему не нашлось очевидного практического применения. Космические радиоволны оказались очень короткими, и достаточно чувствительных устройств, чтобы улавливать эти микроколебания, на тот момент еще не было. Однако позже оказалось, что радары работают именно на такого рода излучении, и после Второй мировой войны в ходе разработки радаров устройства для улавливания коротковолнового радиоизлучения из открытого космоса появились на свет. Так родилась «радиоастрономия» и в небеса уставились огромные приемники излучения (радиотелескопы).

Были получены радиоволны от Солнца и от нескольких туманоподобных объектов, которые ученые сочли остатками взорвавшихся звезд; были получены радиоволны даже из центра нашей Галактики, скрытого от непосредственного наблюдения с помощью обычного света огромными светопоглощающими пылевыми облаками, расположенными между центром Галактики и Солнечной системой. Оказалось, что радиоволны могут проходить сквозь эти облака.

К 1950 году на карте небес можно было отметить уже более тысячи различных источников радиоволн, но лишь немногие из них можно было определить как видимые объекты. Проблема в том, что даже очень короткие радиоволны — все же гораздо длиннее световых, а чем длиннее волна, тем более размытый образ она рисует. Найти точный источник слабого далекого радиосигнала не проще, чем разглядеть мелкую картинку через замороженное стекло. В обоих случаях видны только расплывчатые пятна.

Тем не менее один особенно мощный источник радиоволн (получивший название «Лебедь А») был, после долгих терпеливых трудов, установлен достаточно точно к 1951 году. В районе, определенном как область этого источника, американский астроном немецкого происхождения Вальтер Бааде обнаружил галактику странной формы. При более подробном рассмотрении оказалось, что это не одна, а две галактики, находящиеся в процессе столкновения. Похоже, именно эта пара сталкивающихся в 700 000 000 световых лет отсюда галактик и представляет собой источник обнаруженного астрономами пучка радиоволн.

Так впервые стало ясно, что можно обнаруживать радиоволны с огромных расстояний. На самом деле «радиогалактики», испускающие такие мощные радиоволны, как «Лебедь А», можно без особых трудов обнаруживать даже с таких расстояний, с каких света доходит слишком мало для самых чувствительных оптических телескопов.

Получается, что с помощью радиотелескопов можно проникать гораздо дальше в космос, а значит, получать информацию из очень отдаленных эпох прошлого.

У астрономов появилась долгожданная возможность. Допустим, что все или почти все источники радиоволн — это отдаленные галактики, подвергающиеся неким катастрофам, например сталкивающиеся или взрывающиеся, и поэтому испускающие радиоволны в чрезмерно большом количестве. Понятно, что такие катастрофы происходят далеко не с каждой галактикой, но галактик во Вселенной — миллиарды, так что ничего нет удивительного в том, что несколько тысяч «радиогалактик» в ней найдется. Этого достаточно.

Логично предположить, что чем более размыты радиоволны, тем дальше находится испустившая их галактика. Исходя из этого предположения, родилась идея подсчитать количество радиогалактик на различных расстояниях от Земли. Если верна теория Непрерывного творения и Вселенная всегда была одинакова, то и количество катастроф во все времена должно быть примерно одним и тем же, а значит, радиогалактики должны быть более-менее равномерно распределены по степени удаления от Земли.

Если же, напротив, верна теория Большого взрыва, то в молодые годы Вселенной в ней было и горячее и теснее, чем сейчас, а значит, и катастрофы случались чаще. Значит, количество радиогалактик должно по мере удаления от Земли не оставаться прежним, а возрастать, ведь сигналы, получаемые нами с больших расстояний, отправлялись раньше, чем с малых.

В середине 1950-х годов английский астроном Мартин Райл тщательно подсчитал источники радиоволн и объявил, что количество их действительно возрастает по мере возрастания расстояния от Земли, что укладывается в положения теории Большого взрыва.

Правда, доклад Райла выглядел не совсем убедительно. Он был основан на данных об обнаружении и измерении очень слабых источников радиоволн, и малейшие ошибки, которые вполне могли произойти, лишали бы оснований все выводы Райла. Поэтому сторонники теории Непрерывного творения хоть и помрачнели, но не отступились от своих представлений.

По мере все более и более точного установления источников радиоволн некоторые из них начинали привлекать все больше непосредственного внимания. Эти источники оказывались столь малыми, что напрашивался вывод о том, что это скорее не галактики, а отдельные звезды, а если так — то они находятся очень близко (на больших расстояниях отдельных звезд не различить) и выводы Райла ошибочны, поскольку основаны на той предпосылке, что все источники радиоволн — это отдаленные галактики. Так теория Непрерывного творения снова обрела право на жизнь.

Среди таких «компактных» источников радиоволн было несколько известных под названиями 3С48, 3С147, 3С196, 3C273 и 3С286. «3С» во всех этих названиях означает «Третий Кембриджский каталог радиозвезд» — этот список составляли Райл с коллегами, — а следующие за ним цифры являются порядковым номером звезд в каталоге.

Многие пытались установить, какие же именно видимые звезды соответствуют этим 3С. В Америке Аллан Сендидж тщательно обшаривал области расположения радиозвезд с помощью пятиметрового телескопа в обсерватории Mayнт-Паломар, готовый наброситься на любую подходящую звезду. В Австралии Сэрил Хазард сфокусировал радиотелескоп на 3C273 и стал дожидаться Луны. Как только Луна встала между ним и 3C273, радиосигнал прекратился. Понятно, что это произошло именно в тот момент, когда край Луны оказался непосредственно между ученым и источником сигнала.

Таким образом, к 1960 году звезды были обнаружены. Ни одна из них не была открыта заново — все эти звезды ученые уже видели ранее на фотопроекциях, но раньше их считали просто слабенькими звездами нашей собственной Галактики. Полученная информация об этих звездах, да еще вдобавок к данным об их повышенной радиоактивности, заставила взглянуть на них совершенно по-новому. Пара из них оказалась, по-видимому, закрытой облаками вещества, a 3C273 — испускающей в пространство нечто непонятное.

Более того, когда двое американских астрономов, Джесси Гринштейн и голландец по происхождению Маартен Шмидт, получили спектр этих звезд, он оказался очень странным. Те несколько полос, что в нем присутствовали, были так странно расположены, что их нельзя было отождествить ни с одним из известных элементов. Загадка поставила ученых в тупик, и ее решение отложили до лучших времен.

В 1963 году Шмидт снова взялся за спектр 3C273. В нем было шесть полос, и его вдруг осенило, что расположение четырех из них напоминает знакомую последовательность полос, которой, правда, положено находиться совсем в другой части спектра. Чтобы они оказались там, где показывает анализ, должен был иметь место красный сдвиг небывалого масштаба. Возможно ли это? Шмидт взялся за изучение спектров других радиозвезд. При условии допущения красного сдвига такого масштаба можно было опознать каждую полосу из имевших место.

В течение следующих двух-трех лет в результате усиленного поиска по небесам было обнаружено около сорока подобного рода объектов. Был установлен спектр более половины из них, и везде имел место колоссальный красный сдвиг. В частности, оказалось, что одно из этих небесных тел удаляется от нас со скоростью 240 000 километров в секунду, находясь при этом на расстоянии около девяти миллиардов световых лет от нас (80 миллиардов триллионов километров).

Да, если допустить наличие такого значительного красного сдвига, то эти очевидные «звезды» должны находиться очень далеко от нас, поскольку теория расширяющейся Вселенной гласит, что причиной значительного красного сдвига всегда является большое расстояние до Земли. На самом деле получалось, что эти загадочные небесные тела находятся дальше от нас, чем любой другой известный объект во Вселенной.

То, что с такого расстояния выглядит звездой, явно является чем-то другим. Обычную звезду с такого расстояния увидеть просто невозможно. Поэтому новому классу звездоподобных небесных тел дали отдельное имя — «квазары», от латинского слова, означающего «подобный».

Квазары представляют для астрономов множество загадок. Если объяснять красный сдвиг и вправду эффектом расширения Вселенной и квазары действительно отстоят от нас на миллиарды световых лет, то они должны обладать поистине необычными свойствами. Чтобы обладать на таком далеком расстоянии той яркостью, какой они обладают, эти тела должны светиться сильнее, чем десятки галактик. А между тем есть основания полагать, что размер их невелик, скорее всего, от одного до десяти световых лет в диаметре (сравните с сотнями тысяч световых лет протяженности обычной галактики).

Что же это за тела такие, если их вещество, умещающееся в столь малых размерах, при этом светит как десятки галактик? Тут, конечно, сколько астрономов — столько теорий, но что касается представлений о Непрерывном творении, то их судьба была решена и без дополнительных теорий, самим фактом существования квазаров.

Главное здесь тот факт, что обнаружено множество квазаров вдали от нас и ни одного — в пределах миллиарда световых лет. Получается, что в далеком прошлом Вселенной квазаров существовало множество, а сейчас их нет. Количество квазаров (которые, видимо, и являются источником всего или почти всего радиоизлучения, которому уделил столько сил Райл) с расстоянием только увеличивается, а значит, чем моложе была Вселенная, тем больше в ней было квазаров. Это означает, что со временем во Вселенной происходит как минимум одно значительное изменение — уменьшается количество квазаров. Этого уже достаточно, чтобы поставить крест на теории Непрерывного творения. Но лишь в том случае, если квазары действительно находятся так далеко от нас. Это предположение основано на предпосылке, что причина столь значительного красного сдвига спектра квазаров — расширение Вселенной. А если это не так?

Допустим, что квазары — это небольшие куски соседних галактик, летящие прочь из ядер этих галактик вследствие некоего мощного взрыва. В последние годы действительно были отмечены примеры взрывающихся галактик, и сейчас астрономы тщательно следят за всеми галактиками, которые по какой-либо причине — странная форма, большое количество туманных пятен, признаки внутренних содроганий — выглядят нетипично. Несколько квазаров было обнаружено именно неподалеку от этих «странных галактик».

Совпадение? Может быть, квазары просто оказались на той же линии взгляда, что и «странные галактики»? Или их как раз вышвырнуло из галактик взрывом, затронувшим миллионы звезд? Если верно последнее предположение, то квазары могут находиться не так уж и далеко от нас. То есть одни могут находиться далеко, а другие — близко, что в целом не заставляет нас отказываться от теории Непрерывного творения.

Теоретически ничего невозможного в этом нет, но существуют аргументы против такой гипотезы. Допустим, что квазары действительно выбрасываются из галактик с такой силой, что обретают близкие к световым скорости. Тогда лишь часть из них двигалась бы по направлению от Земли и их спектр имел бы огромный красный сдвиг, сбивающий ученых с толку и заставляющий считать квазары страшно далекими небесными телами.

Но примерно столько же квазаров летело бы тогда и по направлению к Земле с теми же околосветовыми скоростями, и в их спектре должен был бы обнаруживаться столь же огромный фиолетовый сдвиг.

А еще должны были бы существовать квазары, чья траектория лежала бы и не к Земле, и не от Земли, а более-менее перпендикулярно линии нашего взгляда, тогда в их спектре обнаруживался бы лишь умеренный красный или фиолетовый сдвиг, но, учитывая их потрясающую скорость, они заметным образом изменили бы свое положение на небе за пару лет наблюдений.

На самом же деле ученым неизвестно ни одного квазара с фиолетовым сдвигом спектра и ни одного квазара, который менял бы свое положение на небе. Все квазары имеют спектр с красным сдвигом, огромным красным сдвигом. Полагать, что по чисто случайному совпадению все известные нам квазары выброшены мощными взрывами именно в направлении от Земли, было бы нелепо.

Так, под тяжестью фактов, свидетельствующих в пользу наличия огромного расстояния до квазаров, а значит, и против теории Непрерывного творения, сдался и сам Фред Хойл.

Отказ от теории Непрерывного творения совершенно не означает автоматического принятия теории Большого взрыва. Вполне возможно, что есть и третий вариант, который просто пока никому еще не пришел в голову. Для того чтобы теория Большого взрыва полностью подтвердилась, неплохо было бы найти какое-нибудь явление, которое эта теория сначала предсказала бы, а потом нашлось бы ему подтверждение.

К примеру, допустим, что Вселенная действительно изначально возникла как невероятно плотное космическое яйцо, которое впоследствии взорвалось. В момент взрыва температура в нем должна была подняться до неимоверной — может быть, до 10 миллиардов градусов по Цельсию.

Если это действительно так, то, будь наши приборы достаточно мощны, чтобы достигнуть, например, самого края наблюдаемой Вселенной, с их помощью мы забрались бы достаточно глубоко в прошлое, чтобы уловить отголоски излучения, сопутствовавшего Большому взрыву.

При температуре порядка миллиарда градусов излучение должно быть крайне энергичным в рентгеновском диапазоне. Однако расширяющаяся Вселенная должна уносить источник этого излучения прочь от нас со скоростью близкой к световой. Это значительно ослабило бы энергию излучения — до такой степени, что, добравшись до нас, оно представляло бы собой уже радиоволны, правда обладающие определенными свойствами. В течение 1960-х годов ученые занимались установлением того, что это должны быть за свойства.

И наконец, в начале 1966 года в небе был обнаружен слабый фон радиоволн именно такого типа, который должны были испускать остатки Большого взрыва. Вот теперь уже точно можно говорить не только об опровержении теории Непрерывного творения, но и о прочном установлении теории Большого взрыва.

Что ж, тогда нам придется примириться с потерей. Перед лицом неизбежности личной смерти каждого из нас раньше даже у тех, кто не верит в загробную жизнь, оставалось утешение. Можно было считать, что жизнь будет продолжаться вечно и без нас. Если бы Вселенная существовала в условиях Непрерывного творения, то у человечества оставалась бы возможность перелетать по мере необходимости из старой галактики в новую и существовать, таким образом, вечно. Индивидуальная смертность теряла практически всякое значение в такой божественной картине.

Но раз верна все же теория Большого взрыва, значит, у нашей Вселенной было начало и будет конец. Либо она будет растягиваться до тех пор, пока все галактики не состарятся, а звезды — не умрут одна за другой, либо достигнет некоего максимума, после которого снова начнет сжиматься, вернувшись в конечном итоге к первоначальному состоянию космического яйца.

В обоих случаях человечеству суждено будет исчезнуть, и на мечтах о богоподобии следует поставить крест. Смерть снова встает перед нами во всей своей неизбежности, и homo sapiens, как биологический вид, должен смириться с этим так же, как и каждый конкретный человек.

Но может быть, если Вселенная существует циклично, каждые сто миллиардов лет или около того возвращаясь к космическому яйцу, то на каждом цикле будет возникать человеческий или подобный ему разум (или множество таких разумов), чтобы снова задаваться вопросом начала и конца всего сущего.