Книга: Самое грандиозное шоу на Земле

«Между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения»

«Между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения»

Человечество узнало о цикличности в природе задолго до того, как осознало их. Самый заметный цикл — смена дня и ночи. Тела, самостоятельно перемещающиеся в космосе или обращающиеся вокруг других тел под действием гравитации, естественным образом вращаются вокруг своей оси. Исключения из этого правила существуют, но наша планета к ним не относится. Сейчас период ее вращения составляет примерно 24 часа (прежде Земля вращалась быстрее). Мы видим это каждый день, наблюдая за сменой дня и ночи.

Поскольку мы с вами обитаем на поверхности достаточно массивного небесного тела, наш взгляд на гравитацию несколько односторонен: мы рассматриваем ее как силу, которая притягивает все вокруг к центру Земли, то есть с нашей точки зрения — «вниз». Сила тяготения, однако, универсальна, и первым это понял Исаак Ньютон. Во всей Вселенной она поддерживает тела на квазипостоянных орбитах вокруг других тел. Это касается и нас: мы воспринимаем обращение Земли вокруг Солнца как смену времен года[203]. Поскольку ось вращения Земли наклонена относительно оси обращения вокруг Солнца, половину года одно из полушарий планеты наклонено в сторону Солнца, и живущие на нем наслаждаются длинными днями и короткими ночами. Максимум приходится на лето. Во второй половине года, зимой, наблюдается обратный эффект: длинные ночи и короткие дни. В зимнее время в нашем полушарии солнечные лучи освещают поверхность планеты под меньшим углом. Благодаря меньшему углу между лучом и поверхностью Земли зимнее Солнце освещает большую площадь с меньшей эффективностью. Меньше фотонов на квадратный сантиметр — значит, холоднее. Меньше фотонов на квадратный сантиметр зеленого листа — значит, меньше фотосинтетической энергии. То же действие оказывают и длинные ночи, означающие меньшую длину светового дня. Лето и зима, день и ночь — наша жизнь подчинена циклам. Об этом говорил Дарвин, а прежде него — Писание: «Впредь во все дни земли сеяние и жатва, холод и зной, день и ночь не прекратятся».

Другие — не менее важные для жизни, но чуть менее очевидные циклы — также управляются гравитацией. В отличие от многих других планет, которые имеют несколько спутников, часто небольших, вокруг Земли обращается только один спутник, весьма массивный. Мы называем это небесное тело Луной. Она достаточно велика для того, чтобы оказывать существенный гравитационный эффект. Мы можем его наблюдать главным образом в приливных циклах: не только в быстром дневном цикле приливов и отливов, но и в более медленных месячных циклах весеннего половодья и квадратурных приливов (самой низкой воды в конце первой и третьей четвертей лунного цикла), вызываемых взаимодействием гравитационных эффектов Солнца и Луны, совершающей полный оборот вокруг Земли чуть меньше, чем за месяц. Приливные циклы особенно важны для организмов, обитающих в океане и прибрежной зоне, и люди иногда предполагают, что часть генетической памяти живших в воде предков отражается в репродуктивных циклах человека. По-моему, это чересчур, однако рассуждать о том, как изменилась бы жизнь, не будь на земной орбите Луны, можно долго и с интересом. Выдвигались даже предположения (на мой взгляд, беспочвенные), что земная жизнь без Луны вообще была бы невозможной[204].

Что если бы наша планета не вращалась вокруг своей оси? Будь одно из полушарий постоянно повернуто к Солнцу, как Луна повернута к Земле, там царил бы вечный, раскаленный как ад день. В другом же полушарии было бы невыносимо холодно. Смогла ли бы жизнь сохраниться в тонкой полоске сумерек на экваторе или глубоко под землей? Не думаю, что жизнь вообще появилась бы в столь недружественных условиях. Но если Земля начала бы постепенно останавливаться, времени на подготовку была бы масса, и, вполне возможно, некоторые бактерии сумели бы приспособиться.

Рассмотрим и другой вариант: Земля вращается, но ось вращения не наклонена по отношению к оси обращения вокруг солнца. Не думаю, что это исключило бы появление жизни. Смены зимы и лета не было бы: климатические условия были бы функцией от долготы и широты, а не от времени. Обитатели приполярных районов и высокогорий всегда жили бы зимой. Жизнь почти наверняка сохранилась бы, но жизнь без смены времен года была бы малоинтересной. Не было бы оснований для миграций, размножения в определенное время года, листопада, линьки и спячки.

Не обращайся наша планета вокруг звезды, жизнь, безусловно, была бы невозможной. Единственная альтернатива вращению вокруг звезды — бесконечный одиночный полет сквозь пустоту, темную, близкую по температуре к абсолютному нолю, вдали от источников энергии, способных побудить жизнь к развитию, движению — пусть на время и на ограниченном пространстве — против термодинамического градиента. Фраза Дарвина о «неизменных законах тяготения» — больше чем простой поэтический прием, призванный отразить невообразимую бесконечность и громадное время, прошедшее с момента возникновения планеты.

Небесное тело может находиться на более или менее постоянном расстоянии от источника энергии, только вращаясь вокруг звезды. Вблизи любой звезды, и наше Солнце не исключение, есть небольшая зона, купающаяся в тепле и свете, в которой возможны возникновение и эволюция жизни. При отдалении от звезды эта потенциально обитаемая зона быстро сокращается, подчиняясь закону обратных квадратов расстояния: количество тепла и света, достигающих объекта, уменьшается не пропорционально расстоянию от тела до звезды, а пропорционально квадрату этого расстояния. Нетрудно понять, почему это так. Представьте себе концентрические сферы с увеличивающимися радиусами и общим центром — какой-либо звездой. Ее энергия расходится во все стороны и равномерно распределяется по внутренней поверхности сферы. Площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса. Таким образом, если сфера А отстоит от звезды вдвое дальше сферы Б, то же количество фотонов попадет на площадь в четыре раза большую. Именно поэтому внутренние планеты Солнечной системы — Венера и Меркурий — раскалены, а внешние (Нептун и Уран) темны и холодны (хотя и не настолько, как межзвездное пространство).

Второй закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, следовательно, она может (в закрытой системе — должна) терять способность производить работу. Именно это подразумевается, когда речь идет о возрастании энтропии. Под работой подразумевается, например, закачка воды вверх или выделение углерода из атмосферного углекислого газа и встраивание его в ткани растения. Я упоминал в главе 12, что такие процессы возможны только в том случае, если в систему постоянно подается энергия, например электрическая, обеспечивающая работу водяного насоса, или солнечная, делающая возможным фотосинтез. Если закачать воду в водонапорную башню, она будет стремиться вниз. Часть энергии этого нисходящего потока можно использовать, чтобы вращать водяное колесо и таким образом вырабатывать электроэнергию. Ее, в свою очередь, можно направить на повторное закачивание воды вверх, но часть энергии всегда будет теряться. Если бы это было не так, мы построили бы вечный двигатель. Но это невозможно (и не бойтесь повторять это категоричным тоном).

Химия жизни основана на том, что растения за счет энергии солнца извлекают из воздуха углерод, и его потом можно сжечь и получить некое количество энергии. Иногда мы так и поступаем, например, буквально сжигая уголь, который фактически является консервированной солнечной энергией — он образовался из «солнечных батарей» погибших древних растений. Однако существуют и куда более контролируемые способы высвобождения энергии. Все живые клетки растений и животных, поедающих растения, и животных, поедающих животных, которые едят растения, и так далее, медленно «сжигают» соединения углерода. Вместо того чтобы гореть, рождая пламя, они отдают энергию постепенно, что позволяет поддерживать «восходящие» реакции. Тем не менее часть этой энергии неизбежно рассеивается. Иначе и быть не может. В противном случае мы получили бы вечный двигатель.

Практически вся энергия во Вселенной быстро переходит от форм, способных совершать работу, к формам, которые к этому неспособны. Когда-нибудь Вселенная достигнет состояния абсолютно перемешанного, абсолютно ровного и (буквально!) бессобытийного — и погибнет. Однако пока Вселенная в целом неумолимо движется навстречу «тепловой смерти», небольшое количество энергии вполне способно локально обращать вспять этот процесс. Морская вода поднимается в воздух, образуя облака. Те проливаются дождем на горные вершины, с которых вода течет в виде ручьев и рек, вращающих турбины гидроэлектростанций. Энергия подъема воды из моря в атмосферу (и, соответственно, вращения турбин ГЭС) исходит от Солнца. Таким образом, цикл не нарушает второй закон термодинамики, поскольку в закрытую систему постоянно поступает энергия извне (от Солнца). Нечто похожее происходит в листьях зеленых растений при помощи солнечной энергии, вызывая химические реакции. В результате в «восходящих» реакциях растения синтезируют целлюлозы, крахмал, сахара и другие составляющие части растительных тканей. А затем растения погибают, если их прежде не съедят животные. Усвоенная солнечная энергия, таким образом, получает возможность пройти несколько каскадов пищевой цепи, завершающихся разложением — с помощью бактерий или грибов — погибших растений или тел животных, их поедавших. Или же она может сохраниться под землей в виде торфа, а затем угля. Но общее движение к «тепловой смерти» необратимо. На каждой стадии каскада, в каждом цикле круговорота, в каждом клеточном процессе энергия отчасти рассеивается. Ведь мы знаем, что вечный двигатель… Пожалуй, хватит. Но я не откажу себе в удовольствии процитировать (за что я извинялся минимум в одной своей книге) прекрасное высказывание сэра Артура Эддингтона по этому поводу:

Когда креационисты повторяют, что теория эволюции неверна, потому что противоречит второму началу термодинамики, они, по сути, не сообщают нам ничего, кроме собственного непонимания этого закона (впрочем, они, как мы теперь знаем, не понимают и эволюции). Никаких противоречий нет — благодаря Солнцу.

Система (любая — жизнь, круговорот воды в природе и так далее) зависит от солнечной энергии. Не нарушая физические и химические законы, особенно второе начало термодинамики, энергия солнечных лучей питает все жизненные процессы, позволяя живому измываться над законами физики и химии, достигая поразительной сложности, разнообразия, красоты и невероятной в своей эффектности иллюзии полной статистической невероятности и направленного творения. Воистину невероятная по силе иллюзия: она обманывала лучшие умы человечества до тех пор, пока не появился Дарвин. Естественный отбор — это невероятностный насос, процесс, создающий статистически невозможные вещи. Он постепенно выделяет случайные изменения, позволяющие организмам выживать, и постепенно накапливает их в течение немыслимо долгого времени, пока эволюция не покорит вершины невозможности и разнообразия. Эти высоты (я назвал их «пиком Невероятности»), по-видимому, безграничны. Невероятностный насос естественного отбора направляет сложность всего живого на пик Невероятности и служит как бы статистическим эквивалентом энергии солнечных лучей, поднимающей воду к вершинам реальных гор[205]. Жизнь эволюционирует в направлении увеличивающейся сложности только потому, что естественный отбор в локальном масштабе уводит ее от вероятного к невероятному. Это, в свою очередь, возможно исключительно благодаря неиссякаемому потоку солнечной энергии.