Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

Почки человека и других млекопитающих — великолепная адаптация для жизни на суше. Почки с особым строением помогают сумчатым крысам и антилопам жить в безводных пустынях, пользуясь только той водой, которая содержится в пище. Но даже в этом самом специализированном органе наземных животных прослеживается водное происхождение. Все бесчелюстные рыбы, с которыми мы разошлись от последнего общего предшественника около полумиллиарда лет назад, имеют очень примитивные почки. Эта специализированная ткань, тянущаяся вдоль всего тела, отделяет жидкие отходы метаболизма из кровотока прямо во внутреннюю полость, откуда они выводятся наружу через отверстие в задней части тела. Костные рыбы, с которыми мы разошлись от общего предка четыреста пятьдесят миллионов лет назад, имеют уже более оформленную структуру: этот сгусток ткани связан со специализированной системой, через которую выводятся жидкие отходы. В своем новейшем варианте, как в организме млекопитающих, система фильтрации расположена не вдоль всего тела, а только в нижней части спины.

В процессе внутриутробного развития наши почки последовательно проходят три стадии превращения. На первой стадии это специализированная ткань, протянувшаяся вдоль всего тела и открывающаяся в полость тела, практически как у бесчелюстных рыб. На второй стадии эта система приобретает такой же вид, как у костных рыб: локализуется вдоль спины и соединена со специальной выводящей системой. Взрослая форма, сменяющая две предыдущие, формируется в конце первого триместра беременности. Таким образом, в процессе внутриутробного развития мы повторяем историю наших древних предков, обитавших в воде.

Наша связь с водой неслучайна. Молекула воды отличается особенными свойствами. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода и напоминает голову Микки Мауса: крупный атом кислорода — голова, а более мелкие атомы водорода сверху — уши. Отрицательный заряд сконцентрирован на атоме кислорода, а положительный — на стороне водорода. Такое строение воды объясняет хорошую растворимость в ней самых разных веществ. Соли, белки, аминокислоты — в воде растворяется такое множество соединений, что это обеспечивает возможность протекания жизненно важных реакций. Нам больше не требуется водная среда вокруг нас, но наша жизнедеятельность неизменно связана с наличием водной среды внутри организма.

Сравнительное содержание различных форм воды на планете.

Вода имеет еще одно свойство, которое легко обнаружить на кухне: она может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии, причем эти переходы осуществляются в достаточно узком интервале температур. Наша жизнь еще и потому так тесно связана с водой, что она присутствует на планете в твердом (лед), газообразном (водяной пар) и жидком состоянии, обеспечивающем протекание всех процессов в живых организмах. Более 97 % воды на планете содержится в океанах, а остальная вода распределена между облаками, льдом и источниками пресной воды, причем каждая форма в нашей жизни чрезвычайно важна.

Вода является незаменимой средой не только для химических процессов в нашем организме, но и для метаболизма всей планеты. Вода в виде дождя и вода от таяния льда и снега вызывает эрозию гор и почвы, в результате чего минералы возвращаются в море. Это постепенное выветривание уравновешивает процесс формирования новых гор. Находящиеся в воздухе молекулы, многие из которых оказывают значительное влияние на климат и состояние атмосферы, находятся в постоянном круговороте между горными породами и морем, и круговорот этот осуществляется водой. Вода поддерживает связи, необходимые для существования жизни на Земле.

Вода внутри наших тел и в океане многое может рассказать о своем происхождении. Поскольку вода состоит из двух частей водорода и одной части кислорода, можно считать, что две части атомных ядер в ее составе возникли в результате Большого взрыва, а одна часть — в результате термоядерных реакций внутри звезд. Но, хотя история атомов, составляющих молекулу воды, является общей для Вселенной, история молекул воды связана с Солнечной системой. Химическая структура молекул воды на Земле (в частности, содержание в ней различных изотопов водорода) отличается от структуры молекул воды в составе льда на кометах, астероидах, на других планетах. Анализ льда с кометы Хейла — Боппа, едва не столкнувшейся с Землей в 1997 году, показал, что состав этой воды отличается от состава земной воды. У многих это открытие вызвало сильное разочарование, поскольку в то время считалось, что источником воды на Земле были именно кометы. Сторонники этой гипотезы вновь восторжествовали в 2011 году, когда новые зонды, посланные на другие кометы, такие как Хартли-2, обнаружили явное сходство изотопного состава воды на кометах и в земных океанах. Но история воды не связана исключительно с кометами: чем пристальнее мы рассматриваем Солнечную систему, тем больше воды мы находим. Более мощные телескопы и новые спутники позволили обнаружить воду на Луне и на астероидах. Следы воды обнаружены и в еще более неожиданных местах. Ближайшая к Солнцу планета Солнечной системы — Меркурий. Температура здесь достигает 400 °C (этого достаточно, например, чтобы расплавить свинец). Искусственный спутник Меркурия «Мессенджер», выведенный в 2004 году на орбиту планеты специалистами НАСА, прислал фотографии глубоких кратеров на полюсах Меркурия. Так вот, по своим отражающим свойствам структура вещества в этих кратерах соответствует структуре льда. Вода могла сохраниться здесь по той причине, что в кратерах, скрытых от солнечных лучей на планете без атмосферы, скорее всего, очень холодно. Такое обилие воды в Солнечной системе может говорить о том, что вода прибыла на Землю из космоса. Кроме того, определенное количество воды на Земле могло выделиться из минералов в процессе образования планеты. При очень сильном нагревании (а именно такие условия, скорее всего, были на Земле четыре с половиной миллиарда лет назад) минералы могут высвобождать связанные молекулы воды. В любом случае, принесли ли воду кометы или она выделилась из камней при формировании Солнечной системы, каждый стакан выпиваемой нами воды происходит из источника столь же древнего, как сама Солнечная система. И, как рассказывает нам циркон, жидкая вода на нашей планете существует уже не менее четырех миллиардов лет.

Наша история складывалась под влиянием воды, наше существование возможно благодаря воде, и наше будущее, с большой вероятностью, тоже будет зависеть от воды.

Близнецы-уродцы

После изматывающей трехдневной конференции в Калифорнии я развалился на диване в гостиничном холле, ожидая автобуса в аэропорт. Напротив расположился знаменитый ученый. Часть его лица скрывала от меня крышка его лэптопа. Мое внимание привлекло выражение его лица. Он глядел на экран, то смеясь, то недоверчиво качая головой. Мне стало неудобно оттого, что я слежу за ним, так что я отвел взгляд. Заметив мое смущение, сосед кивнул мне головой, пригласив взглянуть на экран. На экране я увидел скалу с хорошо знакомым мне рисунком поверхности. Характер расположения слоев говорил о том, что эти породы сформировались в древних дюнах. Я много раз видел такой рисунок, когда отправлялся на поиски окаменелостей в Канаду или в Африку, и несколько раз даже находил окаменелости в таких породах. Скала манила к себе. Палеонтологи любят этот тип камней. Но эти фотографии были сделаны не на Земле, а на Марсе. Мой коллега входил в состав группы ученых, занимавшихся анализом изображений, присланных марсоходом «Спирит». Эти фотографии были присланы на Землю накануне.

В фильме «Близнецы» (1988) Арнольд Шварценеггер исполняет роль супермена, отправляющегося на поиски давно потерянного брата. В конце концов он находит брата-близнеца (его играет Денни Де Вито) — невзрачного, не обладающего никакими талантами человека с криминальным прошлым. Они родились от одной матери, но судьба одного многим одарила, а другого оставила ни с чем. Увидев брата, персонаж Шварценеггера многое начинает понимать о самом себе. Точно так же мы многое можем узнать о нашей планете и о нас самих, если внимательно приглядимся к нашим соседям по Солнечной системе — Венере, Марсу и Юпитеру. В прошлом мы — персонаж Шварценеггера, в будущем — Де Вито.

Фотографии песчаников американского Запада (слева) и Марса (справа).

Много тысяч лет люди смотрели на небо в надежде узнать что-то о жизни, времени и нашем месте во Вселенной. Телескопы помогли нам приблизить дальние объекты и обнаружить спутники далеких планет и каналы на Марсе. В последние сорок лет мы запустили сотню ракет к Луне, астероидам и другим планетам и их спутникам и даже в более далекие миры, находящиеся за пределами гравитационного притяжения нашего Солнца. «Аполлон-8» позволил людям впервые вырваться из гравитационного поля Земли и войти в поле другого небесного объекта. Облетая вокруг Луны в канун Рождества 1968 года, Уильям Андерс увидел восход Земли над Луной. Через двадцать пять лет беспилотный космический корабль «Вояджер» начал выходить из Солнечной системы, вырвавшись из гравитационного поля нашего Солнца и погрузившись в глубины космического пространства. Инженеры настроили камеры таким образом, чтобы можно было увидеть Землю. Голубой оазис воды и воздуха, единственный среди известных нам обитаемых миров, был маленьким шариком для «Аполлона-8» и едва заметной точкой для «Вояджера».