ошибка коперника загадка жизни во вселенной
Ошибка коперника загадка жизни во вселенной
Ошибка Коперника: загадка жизни во Вселенной
Человек как царь природы в мире светил и вероятностей
The Copernicus Complex:
Our Cosmic Significance in a Universe of Planets and Probabilities
Права на перевод получены соглашением с Scientific American, Farrar, Straus and Giroux, LLC, New York.
© 2014 by Caleb Scharf
От микрокосма к космосу
Все начинается с капельки воды.
Крепко зажмурив один глаз, торговец мануфактурой и начинающий ученый Антони ван Левенгук[1] пристально вглядывается в крошечную лупу, которую он сделал из осколка оконного стекла. По другую сторону сверкающей линзы – дрожащая капля озерной воды, которую Левенгук зачерпнул накануне во время прогулки по окрестностям голландского города Дельфта. Левенгук подносит лупу то ближе, то дальше, то напрягает зрение, то расслабляет – и вдруг понимает, что провалился в новый мир, в кишащий обитателями город совершенно незнакомого образца. Невидимая доселе Вселенная, скрытая в капельке воды, – это толпы грациозных спиралей и шустрых переливчатых пятен, мириады колокольчиков с тоненькими хвостиками, и все елозят, крутятся, снуют, и не подозревая, что он на них смотрит. Поразительное зрелище: Левенгук не просто человек, он великан вселенских размеров, наблюдающий жизнь в ином мире, который заключен в его собственном. А если всего в одной капельке воды заключена целая Вселенная – может быть, свои Вселенные есть и в другой капельке, и в третьей, и во всех-всех капельках воды на всей Земле?!
На дворе 1674 год – затишье между тектоническими сдвигами в западной науке и философии. Чуть больше века назад польский ученый и эрудит Николай Коперник опубликовал свой трактат «De revolutionibus orbium coelestium» – «О вращении небесных сфер». В этой книге Коперник выдвинул гелиоцентрическую модель Вселенной, сместив Землю из центра мироздания на второстепенное место: оказалось, что она всего лишь вращается по орбите вокруг Солнца.
Прошло всего несколько десятков лет, и итальянец Галилео Галилей создал телескопы и увидел спутники Юпитера и фазы Венеры, и это убедило его, что Коперник был прав. В то время такое мировоззрение было ересью и дорого обошлось Галилею, когда привлекло пристальное внимание инквизиции. Современник Галилея немец Иоганн Кеплер пошел даже дальше: он утверждал, что орбиты планет, в том числе Земли, представляют собой не идеальные окружности, а эллипсы, что подрывало концепцию рациональной Вселенной. А пройдет чуть больше десяти лет с того времени, когда мы застали Левенгука с лупой, и великий английский ученый Исаак Ньютон опубликует свои фундаментальные «Математические начала натуральной философии» и сформулирует законы тяготения и механики, благодаря которым устройство нашей Солнечной системы и Вселенной в целом становится конструкцией строгой и прекрасной, которая не подчиняется ничему и никому, кроме физики и математики. Да, это поразительное время в истории человечества – с какой стороны ни взгляни.
Антони ван Левенгук пришел в наш бурный и изменчивый мир в 1632 году. Он родился в городе Дельфте и поначалу вел жизнь совершенно заурядную. Образования, не считая начального, он не получил. В молодости он быстро завоевал репутацию преуспевающего торговца льняными и шерстяными тканями. Однако он был человеком весьма любознательным и как-то сказал, что его «терзала жажда знаний», и это качество и позволило ему оставить человечеству обширный корпус сочинений о его великой страсти – микрокосме.
Примерно в 1665 году Левенгуку случайно попал в руки великий труд «Micrographia»[2] английского ученого Роберта Гука[3]. Само по себе сочинение «Micrographia» – незаурядное культурное явление: это была первая крупная публикация только что организованного Лондонского королевского общества, первый научный бестселлер и сокровищница чудесных, тщательно проработанных зарисовок увеличенной текстуры всего на свете – от минералов до насекомых, птичьих перьев и растений. Это был атлас мира, увиденного совершенно другими глазами – глазами микроскопа.
Искусство увеличивать изображения предметов при помощи нескольких линз появилось как техническая новинка лишь незадолго до этого, в конце XVI века. Составной микроскоп[4] позволил Гуку, наделенному не только острым зрением, но и острым умом, запечатлеть на прелестных рисунках все те чудеса, которые, оказывается, таились у всех под носом. Но даже лучшие микроскопы Гука добивались увеличения всего лишь раз в 10–50, не больше. А что же таится еще глубже? Для Левенгука соблазн разгадать эту тайну был непреодолимым, поэтому он поставил перед собой задачу создать оптический прибор, необходимый для того, чтобы самому заглянуть в эти неведомые земли.
Как именно Левенгук создал свои микроскопы, остается неясным до сих пор. Левенгук был необычайно скрытен и к тому же любил обставить свои открытия несколько театрально, поэтому проводил исследования, запершись у себя дома. Но, если судить по инструментам, которые он завещал Королевскому обществу, и по воспоминаниям посетителей, мы знаем, что главный секрет заключался в создании крошечных стеклянных бисерин идеальной формы – возможно, для этого Левенгук спаивал концы тончайших стеклянных волокон[5]. Затем он вставлял эти сферические линзы с фокусным расстоянием всего лишь миллиметра в два в медные пластинки с тисочками, которые позволяли помещать рассматриваемый препарат прямо перед линзой. Если держать пластинку прямо на уровне глаза, можно добиться поразительного увеличения – в самых удачных случаях чуть ли не до 500 раз!
Более того, Левенгук не ограничился одним и даже несколькими микроскопами. Им овладел новаторский порыв, достойный современности, и он создал более двух сотен приборов[6]. Похоже, он делал особый микроскоп чуть ли не для каждого образца, который хотел изучить, – то есть каждый раз это был индивидуальный подход. Так и получилось, что прошло несколько лет, и в один сентябрьский день 1674 года изобретательный торговец поместил перед линзой очередной «смотровой пластинки», созданной специально по такому случаю, судьбоносную каплю воды[7].
Рис. 1. Схема микроскопа Левенгука.
Препарат помещают на кончик подвижного металлического штырька прямо перед отверстием в пластине, куда вделана стеклянная линза. Если поднести всю конструкцию к глазу, получится полная оптическая система.
Прирожденный талант создавать оптические системы привел Левенгука не в космическое пространство, а в микромир – однако на этом пути его ждали не менее увлекательные приключения. В капельках воды он обнаружил[8] совершенно неизвестные разновидности живых организмов, которые укрылись от любопытного человечества благодаря тому, что были попросту слишком малы и не видны невооруженным глазом. Кроме того, Левенгук быстро понял, что если эти миниатюрные живые существа могут оказаться в капельке озерной воды, значит, они есть повсюду, и расширил свои исследования на иные области.
О Левенгуке написано огромное количество литературы и существует множество электронных ресурсов. Его часто называют «Отцом микробиологии». Хотя Левенгук был ученым-любителем в том смысле, что не получил никакого официального образования, он состоял в Королевском научном обществе Англии. Всего он написал в Общество и другие научные учреждения более пятисот писем, где рассказывал о своих наблюдениях, в том числе – первых наблюдениях клеток крови и спермы. Интересная историческая подробность: в 1676 году он был душеприказчиком великого живописца Яна Вермеера. Левенгук умер в 1723 году, достигнув девяноста лет. Ему посвящен прекрасный веб-сайт: www.vanleeuwenhoek.com.
У книги есть и подзаголовок: «Некоторые физиологические описания крошечных телец, сделанные при помощи увеличительных стекол, а также их наблюдения и исследования» (вот так вот!). Труд был опубликован в 1665 году (первое издание – London: J. Martyn and J. Allestry) и содержал великое множество рисунков и рассуждений: «О жале пчелы», «О перьях павлина», «О лапках мух и других насекомых», «О голове мухи», «О зубах улитки», «О бороде дикого козла», «О бриллиантах в кремне», «О растительности на листьях, пораженных паршой», «О неизвестном насекомом, напоминающем краба». См. также короткую статью P. Fara, «A Microscopic Reality Tale», Nature 459 (2009): 642–44.
Английский ученый-энциклопедист (1635–1703) и выдающийся изобретатель. Происходил из относительно бедной семьи. Занимал должность «попечителя научных опытов» в недавно основанном Королевском научном обществе, а кроме того, много трудился на ниве микроскопии и подошел очень близко к тому, чтобы вывести основные составляющие ньютонова закона всемирного тяготения. Считается, что именно Гук ввел в научный обиход термин «клетка», поскольку он первым применил его при описании похожих на коробочки растительных клеток, которые рассматривал под микроскопом.
До Левенгука уже создавались микроскопы с несколькими линзами, позволявшие рассматривать предметы под большим увеличением. Самая простая система представляла собой две линзы с разными фокусными расстояниями, встроенные в разные концы трубки.
Приемы Левенгука изучены не полностью. Однако, похоже, он сумел усилить оптическую мощность микроскопов при помощи крошечных сферических линз, избежав необходимости тщательно полировать их. Капельки воды, в которых содержались рассматриваемые образцы, вероятно, также представляли собой своего рода сложный оптический механизм, где вода играла роль линзы.
Оценки историков разнятся: по некоторым источникам, микроскопов было более пятисот, однако, возможно, речь идет о количестве линз, а не собственно микроскопов. Левенгук работал над ними примерно полвека, так что эти числа, возможно, не слишком преувеличены.
Судя по записям Левенгука, эта вода, скорее всего, была взята из небольшого озерца Беркельсе Мер в окрестностях Дельфта.
Левенгук писал: «И, разглядев воду, как указано выше, я взял небольшое ее количество в стеклянный сосуд; рассмотрев же воду на следующий день, я обнаружил плававшие в ней различные частички почвы, какие-то зеленые волокна, закрученные спиралью наподобие змей, очень ровно и упорядоченно, словно медные или оловянные змеевики, при помощи которых винокуры охлаждают свои напитки, когда перегоняют их. По толщине каждое из этих волокон было сравнимо с волоском с человеческой головы».
Калеб Шарф: Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной
Здесь есть возможность читать онлайн «Калеб Шарф: Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной» — ознакомительный отрывок электронной книги, а после прочтения отрывка купить полную версию. В некоторых случаях присутствует краткое содержание. Город: Москва, год выпуска: 2015, ISBN: 978-5-17-091484-5, издательство: АСТ, категория: foreign_edu / Прочая научная литература / на русском языке. Описание произведения, (предисловие) а так же отзывы посетителей доступны на портале. Библиотека «Либ Кат» — LibCat.ru создана для любителей полистать хорошую книжку и предлагает широкий выбор жанров:
Выбрав категорию по душе Вы сможете найти действительно стоящие книги и насладиться погружением в мир воображения, прочувствовать переживания героев или узнать для себя что-то новое, совершить внутреннее открытие. Подробная информация для ознакомления по текущему запросу представлена ниже:
Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной: краткое содержание, описание и аннотация
Предлагаем к чтению аннотацию, описание, краткое содержание или предисловие (зависит от того, что написал сам автор книги «Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной»). Если вы не нашли необходимую информацию о книге — напишите в комментариях, мы постараемся отыскать её.
Калеб Шарф: другие книги автора
Кто написал Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной? Узнайте фамилию, как зовут автора книги и список всех его произведений по сериям.
Эта книга опубликована на нашем сайте на правах партнёрской программы ЛитРес (litres.ru) и содержит только ознакомительный отрывок. Если Вы против её размещения, пожалуйста, направьте Вашу жалобу на info@libcat.ru или заполните форму обратной связи.
Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной — читать онлайн ознакомительный отрывок
Ниже представлен текст книги, разбитый по страницам. Система сохранения места последней прочитанной страницы, позволяет с удобством читать онлайн бесплатно книгу «Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной», без необходимости каждый раз заново искать на чём Вы остановились. Поставьте закладку, и сможете в любой момент перейти на страницу, на которой закончили чтение.
Один из самых известных обзоров на эту тему – книга Peter D. Ward and Donald Brownlee. Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe. New York: Copernicus/Springer-Verlag, 2000. В ней предложено множество линий доказательств того, что сложноклеточная и разумная жизнь во Вселенной – большая редкость, а главный довод – сложноклеточным организмам требуется целый ряд характеристик окружающей среды и биологических соединений. Более современный и астрофизический подход к подобным идеям изложен в книге John Gribbin. Alone in the Universe: Why Our Planet is Unique. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2011.
Я не стал подробно говорить об этом в основном тексте, однако, похоже, все гипотезы уникальной Земли имплицитно предполагают, что здесь, на Земле, созданы «идеальные» условия для сложноклеточной разумной жизни. Я не уверен, что так было всегда или достаточно долго. Возьмем, к примеру, существование ископаемого топлива – обширных залежей газа и угля, возникших в Каменноугольный период около 300 миллионов лет назад. Это топливо позволило человечеству встать на путь технического прогресса и дойти до нынешнего состояния цивилизации. Для создания этого энергетического запаса нужны были весьма специфические условия – неглубокие моря, особые породы деревьев с толстой корой и перемена климата (возможно, ей поспособствовал дрейф континентов и возникновение гор). Однако именно ископаемое топливо, возможно, приведет нас к катастрофе в ближайшие несколько столетий. Если мы всего лишь всплеск на кривой эволюции, едва ли Земля тонко настроена на наше существование, просто она оказалась подходящей для того, чтобы на ней на какое-то время завелись организмы вроде нас.
N. Lane and W. Martin. The Energetics of Genome Complexity // Nature 467 (2010): 929–34. Еще одна статья о том, какими путями развилась сложная жизнь – J. A. Cotton and J. O. McInerney. Eukaryotic Genes of Archaebacterial Origin are More Important Than the More Numerous Eubacterial Genes, Irrespective of Function // PNAS 107 (2010): 17252–55. Авторы предпочитают говорить не о «древе жизни», а о «кольце жизни».
Эта идея зародилась очень давно, еще у древних греков. В XIX веке о ней писали самые разные ученые, в том числе Кельвин и Гельмгольц, а в начале ХХ века – Сванте Аррениус. Она популярна и в наши дни, хотя подтверждения так и не нашла. И в самом деле, представляется, что Солнечная система, в принципе, обеспечивает все условия для обмена биологическим материалом – столкновения с астероидами выбрасывают в пространство вещества с поверхности планет, и они попадают на другие планеты (отсюда такой интерес к метеоритам марсианского происхождения). Однако может ли это привести к попаданию на другие планеты живых организмов, остается спорным.
Думаю, можно обобщить пример с бейсболом, чтобы он несколько точнее соответствовал ситуации с жизнью на Земле. Представьте себе, что Джо не знал, сколько всего мячей попадет тем вечером в зрителей: может быть, такой мяч был всего один, а может быть, их было несколько тысяч. Оценить, сколько у него было шансов поймать мяч, Джо будет по-прежнему трудно, поскольку событие все равно удивительное. Так вот, если речь идет о жизни во Вселенной, мы столь же невежественны, а оценить вероятность нам еще сложнее, поскольку на самом деле мы не знаем ни размера стадиона, ни количества зрителей (пригодных для жизни планет).
Так и есть – несколько ученых, сыгравших в нем важнейшую роль, получили за него в 2011 году Нобелевскую премию. На основании измерения яркости очень далеких сверхновых они оценили, как расширение Вселенной ведет себя в космических временных масштабах. И оказалось, что примерно 5 миллиардов лет назад Вселенная перешла от расширения с замедлением (из-за гравитационного воздействия всей массы) к расширению с ускорением. Найдено и много других признаков расширения с ускорением, которые подтвердили эту гипотезу.
Сугубо научная статья – L. Krauss and R. Scherrer. The Return of a Static Universe and the End of Cosmology // General Relativity and Gravitation 39 (2007): 1545–50. Те же авторы составили и великолепное научно-популярное описание – L. Krauss and R. Scherrer. The End of Cosmology? // Scientific American 298 (March 2008): 46–53.
Сейчас, когда я пишу эти строки, самые свежие оценки формирования звезд в космических временных масштабах сделаны в статье D. Sobral et al. A large Ha Survey at z = 2.23, 1.47, 0.84 and 0.40: The 11 Gyr Evolution of Star-Forming Galaxies from HiZELS // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 428 (2013): 1128–46.
Так называемая модель ударного формирования Луны предполагает, что часть орбитального диапазона юной Земли занимало небесное тело размером примерно с Марс, протопланета под названием Тейя («богиня»): возможно, она описывала «подкову» вокруг одной из стабильных точек (точек Лагранжа), опережая Землю на ее орбите или отставая от нее. А впоследствии их орбитальные пути пересеклись, и это привело к столкновению Тейи с Землей. Хотя на данный момент это главенствующая теория, есть некоторые признаки того, что это, вероятно, не полная картина произошедшего. См., например, краткий обзор D. Clery. Impact Theory Gets Whacked // Science 342 (2013): 183–85
Об их исследовании см. H. F. Levison et al. Capture of the Sun’s Oort Cloud from Stars in Its Birth Cluster // Science 329 (2010): 187–90.
Археи, подобно бактериям, прокариоты, одноклеточные организмы, в клетках которых нет ядер и других органелл. В 1977 году некоторые виды архей были впервые классифицированы как особый тип прокариотов и выделены в собственное царство, отдельное от бактерий; это сделали Карл Вёзе и Джордж Фокс на основе генетических анализов. Об этом рассказано в статье C. R. Woese, G. E. Fox. Phylogenetic Structure of the Prokaryotic Domain: The Primary Kingdoms // PNAS 74 (1977): 5088–90.
Не приходится удивляться, что эти оценки варьируются. Приведенная величина основана на авторитетной статье William B. (Brad) Whitman. Prokaryotes: The Unseen Majority // PNAS 95 (1998): 6578–83. Автор исходит из большого количества обоснованных экстраполяций данных, полученных путем исследования различных популяций и сред.
Я имею в виду статью P. Falkowski, T. Fenchel, E. Delong. The Microbial Engines That Drive Earth’s Biogeochemical Cycles // Science 320 (2008): 1034–39.
Молекулярные машины зачастую состоят из белков, содержащих две и более одинаковые или разные полипептидные цепочки. Вообще говоря, полипептид – это цепочка аминокислот, которые скреплены ковалентными связями в результате обмена электронами между атомами. Ух, какая сложная наука химия…
Хороший обзор энергетического бюджета живых организмов на примере сгорания «топлива» см. в статье K. H. Nealson and P. G. Conrad. Life: Past, Present, and Future // Philosophical Transactions of the Royal Society B // Biological Sciences 354 (1999). 1923–39.
Кажется, будто процесс выработки метана микробами довольно прост, однако на самом деле, как и большинство метаболических процессов, он задействует безумное количество ферментов и реакций, причем не всегда одинаковых. В сущности, к получению метана приводит три основных метаболических маршрута: восстановление углекислого газа (о нем здесь и идет речь), ферментация соли уксусной кислоты и дисмутация (одновременное окисление и восстановление, в результате которых получаются два вещества) метанола или метиламинов. Каждый из них предполагает множество этапов-реакций.
Примеров тому множество. Не так давно было открыто одно особенно удивительное сочетание химических реакций окисления-восстановления, которые идут в разных слоях осадков на морском дне, – расстояние между ними составляет целых 12 миллиметров, для бактерий это очень много. Вероятно, механизм, связывающий эти физические слои, – электрический: возможно, именно бактерии контролируют поток заряженных частиц по планете. L. P. Nielsen et al. Electric Currents Couple Spatially Separated Biogeochemical Processes in Marine Sediment // Nature 463 (2010): 1071–74.
Разновидности сине-зеленых водорослей использовали солнечный свет для получения пищи еще более чем 3 миллиарда лет назад. Эти организмы, вырабатывающие кислород, и по сей день встречаются на Земле повсеместно.
См., например, N. Lane, W. F. Martin. The Origin of Membrane Bioenergetics // Cell 151 (2012): 1406–16.
Бактерии, например, могут обмениваться небольшими поднаборами генетического материала в виде плазмид. Эти плазмиды часто существуют в клетке в виде небольших колец ДНК (независимых от хромосомной ДНК) и содержат генетические коды размером от тысячи до миллиона базовых пар (знаков). Зачем природа придумала такое? Одно из преимуществ микробов состоит в способности делиться ДНК, в которой закодировано сопротивление неблагоприятным факторам вроде антибиотиков. В сущности, распределение плазмид увеличивает шансы на выживание целой популяции, а не только отдельной особи, которой повезло обрести нужную мутацию.
Эта идея пока не вполне доказана. Изучение скальных пород показывает, что примерно 650–750 лет назад, возможно, был период глобального похолодания, и тогда, вероятно, было так холодно, что даже на самых низких широтах все было покрыто льдом. То, в какой степени Земля замерзла, почему это произошло и как климат снова потеплел, до сих пор вызывает споры. Доводы в пользу гипотезы «снежка» см., например, в статье P. F. Hoffman et al. A Neoproterozoic Snowball Earth // Science 281 (1998):1342–46. Планеты, на поверхности которых есть вода, и в самом деле подвержены процессу положительной обратной связи, когда лед отражает больше солнечной энергии, чем жидкая вода, и поэтому температура на поверхности падает еще сильнее. Вероятно, состояния «снежка» среди экзопланет не редкость.
См., например, обсуждении в статье B. J. McCall and T. Oka. H3+ – an Ion with Many Talents // Science 287 (2000): 1941–42.
См. D. F. Strobel. Molecular Hydrogen in Titan’s Atmosphere: Implications of the Measured Tropospheric and Thermospheric Mole Fractions // Icarus 208 (2010): 878–86
И в самом деле, есть несколько работ о структуре более абстрактных метаболических систем и об углеродной химии, в которых предполагается, что метаболизм, основанный на углероде, был «почти достоверным» событием, своего рода аттрактором в пространстве вероятностей. См. R. Braakman and E. Smith. The Compositional and Evolutionary Logic of Metabolism // Physical Biology 10 (2012): 011001.
Измерение нисходящего потока молекулярного водорода в атмосфере Титана привело к пересмотру и возобновлению дискуссии о жизни на этом небесном теле. См. уже упоминавшуюся ранее статью D. F. Strobel. Molecular Hydrogen in Titan’s Atmosphere: Implications of the Measured Tropospheric and Thermospheric Mole Fractions // Icarus 208 (2010): 878–86 (и список литературы в этой статье).
Это делается при помощи инструментов «метагеномики», когда изучаются образцы, полученные из естественной среды, и изучается генетическое разнообразие определенных важнейших генов, которыми так или иначе пользуются все живые организмы. Например, рибосомальная последовательность РНК 16S состоит из 1542 нуклеиновых кислот – «букв», и эта последовательность, как говорят биологи, высоко консервативна, то есть случайные мутации в ней вызывают осложнения и быстро уничтожаются путем естественного отбора, а значит, любая версия, как правило, соответствует своему биологическому виду. Если изучить разнообразие вариантов этой последовательности в образце, можно получить оценку количества разных видов бактерий и архей в нем.