Книга: Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Глава 1. УСИЛИЯ, КОТОРЫЕ МЫ СОВЕРШАЕМ

Глава 1.

УСИЛИЯ, КОТОРЫЕ МЫ СОВЕРШАЕМ

Человек всегда чувствовал разницу между собой и всеми остальными объектами окружающего мира. Практически в любой культуре человек считает себя венцом творения. Возможно, не столь значимым, как боги, демоны, ангелы и прочие сверхъестественные существа, но уж точно более главным, чем все, что можно увидеть своими глазами и пощупать своими руками.

Однако пропасть между человеком и всем остальным неоднородна. Одни предметы отличаются от человека больше, другие — меньше. Многие существа, как и человек, являются «живыми» и тем самым находятся гораздо ближе к нам, чем те, кому не посчастливилось обладать этим свойством.

С нашей, безусловно предвзятой, точки зрения, разделение на живое и неживое — самое принципиальное и важное разделение предметов Вселенной, которое только можно вообразить. А отличить одно от другого с обычной точки зрения (чем проще, тем лучше!) не составляет никакого труда. Камень посреди поля — конечно, неживой. А ящерка, пробежавшая по камню, — конечно, живая.

Как же мы их так легко различили? Ну, камень лежит неподвижно, и что бы с ним ни происходило — он никак не отреагирует. А ящерица быстро двигается и реагирует на все происходящее: на солнце, на голод, на опасность; она прячется в тени, отправляется на поиски пищи, ныряет в укрытие.

В общем, ящерицы, а также всякие воробьи и сурки легко причисляются к классу живых существ, потому что, в отличие от камней, они двигаются и действуют самостоятельно. Но как нам в таком случае провести границу между камешком и устрицей, между песчинкой и крошечным семечком? Уверены ли мы, что первые — неживые, а вторые — живые?

Да, уверены. Устрица, какой бы неподвижной она ни казалась на первый взгляд, может открывать створки своей раковины, втягивать воду, отфильтровывать из нее частички пищи, выбрасывать отходы. А семечку, хотя оно-то уж полностью недвижимо, достаточно лишь предоставить подходящие условия — почву, воду, соответствующую температуру, — и оно тут же примется за дело. Во все стороны из него потянутся ростки и корешки, и вскоре на свет появится растение. По сравнению с песчинкой семечко проявляет настоящие чудеса активности.

Но для того чтобы не просто терпеливо переносить все изменения в окружающей среде, а реагировать на каждое из них соответствующим образом, требуются усилия. «Совершение усилий» — достаточно тонкий момент, и я еще вернусь к нему более подробно, но пока давайте воспримем его в самом простом, «бытовом» понимании.

Так, нет никаких сомнений, что бег, лазанье, поднятие тяжестей — все это требует усилий. Мы тратим силы, даже если просто лежим на диване, — ведь мы раздвигаем грудную клетку с каждым вдохом и прогоняем пять литров крови по кровеносным сосудам с каждым ударом сердца. Наши почки и печень, как и другие органы, постоянно участвуют в деятельности, которая хотя и не является осознанной, но тоже нуждается в затратах энергии.

Даже самые малоподвижные растения совершают действия, которые необходимо признать усилиями, — цветы распускаются, ростки тянутся к свету, а корни — к воде.

Ни один камень, ни один неживой предмет не совершает усилий в том смысле, которое мы вкладываем в это слово, говоря о живых существах, даже самых простейших. Так что житейский опыт в итоге подталкивает нас к тому, чтобы признать главным признаком различения живого и неживого именно способность совершать усилия. Соответственно потеря этой способности и есть то, что мы именуем смертью.

Тогда для того, чтобы понять природу самой жизни, а главное, механизм работы совершенно особенного живого существа — человеческого организма, мы должны разобраться в том, что же вкладывается в понятие «совершения усилий». Именно этому вопросу и посвящена книга, которую вы держите в руках.

Если уж мы приняли умение совершать усилия за основное свойство живых существ, то следует задаться вопросом о том, чем же с этой точки зрения человек отличается от всех остальных.

Первое, что приходит в голову, — это то, что человек, как самое разумное из всех живых существ, организует свои усилия наиболее обдуманным и предусмотрительным образом. Человек может посадить зерна и бережно ухаживать за ними в течение многих месяцев, хотя никакого видимого эффекта его усилия вначале приносить не будут. Однако в конечном итоге эти усилия снабдят его достаточным количеством еды, чтобы пережить зиму, тогда как другим животным придется мигрировать, погружаться в спячку или переходить на голодный паек.

Эти ценнейшие усилия люди описывают разными словами: «работа», «труд», «дело», «занятие»… Физики выбрали для описания усилий, прилагаемых для получения результата, самое общеупотребительное слово — «работа».

Это был не совсем удачный выбор, потому что в естественном языке слово «работа» с психологической точки зрения далеко не нейтрально. Игра в теннис требует гораздо больших затрат усилий, чем раскладывание картотечных карточек в алфавитном порядке, но тем не менее последнее мы называем «работой», а первое — «развлечением», «игрой», «физкультурой», чем угодно, только не «работой». Опять же, человек может долго тужиться, пытаясь поднять тяжелый предмет, так и не поднять его в результате и рассказывать потом, как он «уработался».

В общем, ученым пришлось придумывать термину «работа» строгое математическое определение, которое было бы независимым от субъективной точки зрения. В частности, по этому математическому определению, как бы ни пыжился и ни потел человек, пытаясь поднять тяжелый груз, — если груз не поднят, то никакой работы с ним и не совершено.

Тот факт, что смысл слова «работа» в бытовом и в строго научном значении различен, многих новичков основательно сбивает с толку. Кажется, лучше было бы, если бы ученые взяли для использования какое-нибудь другое слово или придумали новое. Но — так уж сложилось. Позже я объясню подробнее, какое именно определение работы выдвинули физики, но пока нам достаточно будет и интуитивного понимания того, что работа — это результат приложения усилия.

Ученые посчитали нужным отметить отдельно и способности того или иного предмета совершать работу. Для определения этой способности было использовано слово «энергия». Оно происходит от греческого «энергос», что означает «деятельный». По строению своему греческое слово состоит из «эн» — «в, внутри» и «эргон» — «работа», то есть «энергию», таким образом, можно рассматривать как нечто, «внутри чего содержится работа». У энергии тоже есть точное математическое определение, но пока что нам, опять же, хватит и интуитивного понимания этого термина.

Энергия — это нечто, необходимое живому существу для осуществления усилий; но не только. Неживой предмет усилия совершать не способен, но обладать энергией — может. Нависший на краю скалы камень не способен совершить усилие для того, чтобы рухнуть вниз, но если его подтолкнет человек (или, скажем, ветер), то он может разрушить стоящий у подножия скалы дом. Это уже работа, а раз камень совершил работу, значит, он обладал энергией.

Таким образом, можно сказать, что ящерица и камень из примера, которым я начал эту книгу, различаются тем, что ящерица может переводить энергию, которой обладает, в работу по собственному усмотрению, а камень, какой бы энергией он ни обладал, не может перевести ее в работу без посторонней помощи.

Но давайте вернемся теперь, обогатив свой словарь такими понятиями, как «работа» и «энергия», к различию между человеком и другими формами жизни. Теперь мы можем отметить, что человек способен тратить энергию и производить работу ради отдаленного результата в некоем будущем.

Но является ли это уникальным отличительным свойством человека? Ведь и бобры строят плотины, и белки запасают орехи, и пауки плетут свои сети не для немедленного получения результата.

С нашей точки зрения, это совершенно разные вещи. Ни в одном из этих случаев, ни в одном из прочих примеров сложной деятельности животных и речи не идет ни о чем подобном человеческой предусмотрительности. Разница между действиями человека и животных столь очевидна, что человек автоматически заслуживает выделения в отдельный класс.

Но, повторюсь, так дело обстоит лишь с нашей точки зрения. Не является ли эта «очевидность» лишь проявлением предвзятости мышления и самооценки? Если некий инопланетянин возьмется изучать живой мир на Земле, увидит ли он какую-нибудь существенную разницу между пауком, ткущим паутину, и человеком, забрасывающим в море невод?

Было бы любопытно (и очень лестно) найти такое различие между нами и всеми прочими существами, которое было бы физическим, конкретным и явно понятным даже самому отстраненному внеземному наблюдателю. Мы уже сделали первый шаг, попытавшись провести различие между собой и другими живыми существами по способу использования энергии. Попытаемся развить эту тему.

Для этого стоило бы вернуться, например, в те далекие времена, когда человек еще не так сильно отличался от животного, и попытаться найти тот момент, когда в процессе развития цивилизации безошибочно проявилось то самое принципиальное различие между человеком и остальными живыми существами. Тогда мы и увидим, что это за различие.

В процессе такого исследования нам придется еще глубже изучить значение «энергии» и «работы». А это, в свою очередь, даст нам лучшее понимание механизмов жизни, которую мы определили пока что лишь как «способность совершать усилия».

Давайте зададимся вопросом не о том, с какой целью человек тратит энергию (это было бы слишком сложно объяснить инопланетянину), а о том, каким образом он это делает.

Начнем с того, что человек может тратить энергию, совершая работу, лишь в некоторых ограниченных пределах. Если ему нужно один за другим перенести двадцать камней по двадцать пять килограммов каждый на другое место, метрах в ста отсюда, он сможет выполнить такую задачу. Человек при этом будет двигаться медленно и периодически отдыхать, чтобы организм успевал возобновить запас энергии в количестве равном потраченному. Так, правильно рассчитывая силы и не торопясь, человек способен перетащить практически любое количество таких камней на практически любое расстояние — естественно, в рамках разумного.

Но если все эти камни объединить в один полутонный валун, то ни один человек не сможет его сдвинуть. Организм человека не способен аккумулировать достаточное количество энергии и потратить ее настолько быстро, чтобы разом поднять камень весом в полтонны. Скорость расходования энергии ученые называют «силой». Таким образом, мы можем сказать, что у человека, хоть и имеется достаточно энергии, чтобы поднять груз в полтонны весом, если на то будет достаточно времени, тем не менее силы для единовременного совершения такого действия не хватает.

Все вышеописанное в равной мере относится и к человеку, и к другим животным, разницы между ними в этой ситуации никакой. Человек обладает большей силой, чем мелкие зверьки, типа кошки или мышки, и меньшей силой, чем, например, лошадь или слон. Любое животное, сколь велико бы оно ни было, обладает лишь ограниченной силой.

Всем живым существам пришлось разработать способы более эффективного использования имеющейся в их распоряжении энергии. Например, бесполезно было бы пытаться прокусить толстый слой мышц добычи двумя плоскими деснами. А вот если снабдить эти десны твердыми зубами с острыми концами, то вся энергия смыкающихся челюстей, сама по себе не увеличившись, будет теперь сосредоточена на этих остриях. В целом прилагаемое усилие остается таким же, но усилие на единицу площади возрастет многократно, и поэтому в точке контакта удается прорвать плоть жертвы. Таким образом, тигр, с его клыками и когтями, является страшным хищником, а крупная лошадь, располагающая большим, чем у тигра, запасом энергии, становится для него не более чем легкой добычей.

Живые существа выработали множество способов потрясающего увеличения эффективности использования своей энергии, обретая таким образом способность быстро бегать, плавать и даже летать. Но расход энергии живого существа всегда остается ограниченным.

Если организм того или иного животного не выработал способности эффективно использовать энергию для некоего определенного действия, на помощь ему может прийти использование внешних предметов («инструментов»). Среди животных (не считая человека) способность использовать инструменты не особенно распространена, но все равно примеров можно привести достаточно. Птицы способны разбивать скорлупу устриц камнями, а некоторые насекомые даже умеют заваливать туннели камушками. Однако человек и родственные ему вымершие виды человекоподобных существ настолько превзошли всех остальных животных в использовании посторонних предметов в своей деятельности, что все достижения других животных в этой области можно отмести и определить человека как «животное, использующее инструменты».

Важным этапом стал момент, когда первобытный человек перестал довольствоваться теми более-менее подходящими предметами, что попадались ему под руку (как это делают и животные), а принялся специально изготовлять камни с особенно острыми гранями и наконечниками.

Поскольку инструмент — это вещь, с помощью которой энергия, прилагаемая на входе, передается на выход в измененном (более полезном с практической точки зрения) виде, то инструмент можно назвать «машиной». Мы привыкли думать о машинах как о сложных и больших механизмах, но на протяжении многих тысяч лет человечество пользовалось крайне простыми машинами.

Одна из простейших машин — рычаг. Представим, что под полутонный валун подложили один конец перекладины, под которую, в свою очередь, подставили небольшой камень (рис. 1). Длинный конец перекладины торчит далеко наружу. Если вы начнете опускать длинный конец перекладины, то прилагаемое вами усилие будет переведено в подъем короткого конца. Примером рычага могут служить детские качели, где движение одного ребенка вниз является силой, поднимающей вверх второго, сидящего на противоположной стороне.

Рычаг изменяет направление прилагаемого усилия, и этого в принципе достаточно, чтобы счесть его машиной, но этим действие рычага не ограничивается. Путь, который проделывает, поднимаясь, короткий конец перекладины, в несколько раз меньше, чем путь длинного ее конца, поэтому сила[1], с которой действует короткий конец, возрастает во столько же раз. Произведение прикладываемой силы на проходимое концом рычага (его называют «плечом») расстояние равно на обоих его концах. Это и есть «принцип рычага», открытый впервые Архимедом — греческим математиком, который жил в III веке до нашей эры, хотя, конечно, и за тысячи лет до того люди использовали этот принцип на практике, пусть и не понимая его сути.

Если длинное плечо рычага в десять раз длиннее короткого, то, опустив дальний конец перекладины на 1 метр, вы, таким образом, поднимете камень на 10 сантиметров, то есть расстояние, на которое переместятся концы перекладины, будет различаться во столько же раз, во сколько различается длина плеч рычага. С другой стороны, во столько же раз, только в обратном отношении, будет различаться и сила на обоих концах рычага. К длинному концу достаточно приложить лишь одну десятую часть той силы, которая необходима для того, чтобы поднять камень, лежащий на коротком конце. Иными словами, если опускать длинный конец перекладины на 1 метр с силой 50 килограммов, то коротким концом удастся сдвинуть камень весом в полтонны на 10 сантиметров. Так следует из принципа, сформулированного Архимедом, — ведь если 1 метр умножить на 50 килограммов, то будет столько же, сколько если и 0,1 метра умножить на 500 килограммов.

Общее количество энергии, потраченной на обоих концах рычага, одинаково, но, перемещая 50 килограммов на расстояние 1 метра, мы не выходим за пределы человеческих возможностей по скорости приложения энергии, в отличие от задачи по подъему 500 килограммов хоть на 1 сантиметр. В последнем случае организм человека просто не успевает выработать необходимое для совершения действия количество энергии. Таким образом, применение рычага делает выполнимой задачу, решение которой без него было бы невозможно. Архимед высказался об этом весьма красноречиво: «Дайте мне точку опоры, и я переверну весь мир!»

На заре своей истории человек изобрел и другие простые машины, служившие одной цели — привести количество энергии, которое необходимо одномоментно приложить для решения задачи, к уровню реальному для человека. Среди этих изобретений — колесо, подъемный блок, клин, наклонные плоскости и многое другое.

Среди этих устройств не было и не могло быть таких, которые увеличивали бы общее количество энергии, доступное для использования человеком. Однако с помощью только таких механизмов древние египтяне построили свои пирамиды, а китайцы — Великую Китайскую стену. Конечно, для этого требовался и изнурительный труд десятков тысяч человек на протяжении десятилетий.

Если бы нашему инопланетному наблюдателю пришло в голову проследить за работой в каменоломнях и пустынях Египта и сравнить процесс медленного, камень за камнем, созидания Великой пирамиды с процессом построения насекомыми термитника, наверное, большой разницы он не увидел бы. Более того, термитник по отношению к отдельному термиту крупнее, чем пирамида — по отношению к человеку, так что результат труда термитов, возможно, произвел бы на инопланетянина большее впечатление. Да, человеку приходится самому изготавливать свои нехитрые инструменты, а термиту все необходимое дано от рождения, однако, возможно, инопланетянин счел бы подобное проявление величия человеческого разума моментом интересным, но не принципиальным.

Несмотря на все инструменты, изобретенные за десятки тысяч лет своей ранней истории, человек все еще оставался таким же ограниченным энергетическими возможностями собственного организма, как и термит. До принципиального различия между этими двумя видами живых существ мы до сих пор так и не добрались.

Для того чтобы выполнить больше работы за меньшее время, чем то способен сделать человек со своими ручными инструментами, требуется возможность расходовать за единицу времени больше энергии, чем может вырабатывать человеческий организм. Один из способов решения этой задачи — использование прирученных животных.

Когда именно человек впервые приручил животное — тайна, покрытая мраком множества веков.

Возможно, одомашнивание животных получилось из стихийно сложившихся союзов, когда животные определенных видов тайком поселялись возле стоянок первобытного человека, рассчитывая на то, чтобы поживиться пищевыми отходами; их могли приручать просто для забавы, из тех побуждений, что и сейчас порой манят детей к черепахам, жукам, крысам и прочим не самым симпатичным созданиям.

В конце концов человеку пришло в голову, что выращивать этих животных можно прямо в неволе, в результате их количество естественным образом увеличится и животных можно будет использовать в различных практических целях: мясо — в пищу, шкуру — на одежду, зубы и кости — на украшения и инструменты.

Таким же образом и, наверное, примерно в ту же историческую эпоху были «одомашнены» и растения — так зародилось земледелие. Разрозненные группки людей, прежде всего — охотников и собирателей, зависимых от прихотей судьбы, теперь принялись сами выращивать себе пищу, стали пастухами и земледельцами. Теперь территория племени могла прокормить гораздо больше людей, в первую очередь благодаря земледелию, и результатом стал взрывной рост численности человеческого населения.

А одомашненные животные, помимо прочего, оказались неплохими помощниками в работе. Те из них, что были крупнее человека и могли, соответственно, расходовать энергию более высокими темпами, оказались чрезвычайно полезными; они довольствовались более грубой пищей, чем та, что требуется человеку, а при должном обращении (например, будучи кастрированными) оказывались и более послушными и управляемыми, чем рабы-люди.

Самым распространенным в доисторические времена рабочим скотом были ослы и быки. Эти животные обладали первое в два, а второе в семь раз большим запасом энергии для совершения работы, чем человек. У лошадей этот показатель еще выше, но из-за своей анатомии они задохнулись бы, накинь им ремень с грузом на шею, а хомут придумали только приблизительно около 1000 года нашей эры. Лишь после этого стало возможным использовать лошадей для перевозки грузов.

А пока лошадей нельзя было использовать в качестве тяглового скота — зато можно было ездить на них верхом. Организм лошади гораздо лучше человеческого приспособлен к быстрому бегу, так что даже с человеком на спине лошадь развивает гораздо большую скорость, чем когда-либо мог сам человек. Лишь последнюю пару веков человек смог наконец-то путешествовать по суше быстрее, чем верхом на лошади.

Применение животных несколько увеличило запас энергии, имевшейся в распоряжении человека, но на самом деле не очень сильно, даже если учитывать таких крупных животных, как верблюды и слоны. Частично это объясняется тем, что за животными необходимо ухаживать, кормить их и тому подобное. Этим заниматься должен был человек, и на это тоже уходила часть энергии, которую он мог бы потратить на собственные нужды.

В использовании животных наш инопланетный наблюдатель увидел бы, возможно, лишь несколько более широкомасштабное и искусное применение навыков, свойственных и животным.

К примеру, морские анемоны иногда путешествуют, прикрепившись к раковине краба. Анемоны, неспособные к самостоятельному перемещению, от этого выигрывают, поскольку движение увеличивает их шансы найти себе пищу. Краб тоже получает выгоду от такого союза, поскольку стрекающие щупальца анемона удерживают хищников от того, чтобы напасть на краба. Более того, краб иногда питается крошками со стола анемона, которые тот роняет вниз.

Увидит ли наш инопланетянин принципиальную разницу между этим симбиозом и отношениями человека и лошади, когда первый ездит на второй верхом, а взамен предоставляет ей корм и защиту?

Думаю, мы так и не подобрались к принципиальному отличию человека от прочих живых существ.

Существует еще один способ высвобождать энергию быстрее, чем это может делать человеческий организм. Для этого необходимо обратиться к неодушевленным предметам.

Кажется не совсем очевидным, что неодушевленные предметы могут обладать энергией, но подметить это не так уж и сложно, если захотеть. Бурный поток воды перемещает попадающие в него предметы; если бы то же самое делал человек, это явно была бы работа. Вода и ветер, если разбушуются, могут сотворить больше разрушений, чем целая армия людей.

Со временем человек научился использовать и эти неодушевленные источники энергии. Реки несут вниз по течению тяжелогруженые корабли, а по морю, там, где нет течения, те же корабли влечет сила ветра, толкающего судно в предусмотрительно подставленные паруса. Энергию воды и ветра можно использовать и для вращения мельничных колес, которые растирают зерно в муку.

Понятно, что первобытного человека ставил в тупик факт присутствия такого количества энергии в неодушевленной природе. Непосвященному кажется, что энергия — это то же самое, что и способность совершать усилия, свойственная, как известно, только живым существам. Поэтому в глазах первобытного человека явно неживая материя тоже становилась живой, обретала душу; он придумывал демонов и богов, которые являли себя в грозах и бурях. Ветер становился дыханием этих сверхъестественных живых существ, а вода бурлила по их воле.

Однако еще задолго до того, как человек начал предпринимать первые робкие попытки приручить ветер и воду, в его распоряжении уже давно находился еще один мощный источник дополнительной энергии. Речь идет об овладении огнем, которое произошло не менее ста тысяч лет назад. Впервые огнем овладели не люди современного типа — их тогда еще не было, — а представители близких биологических видов, давно вымершие человекообразные.

Огонь существовал всегда, и любое наделенное чувствами существо впадало в ужас, когда во время грозы молния попадала в дерево и начинался лесной пожар. Это была катастрофа, все живое спасалось бегством в панике, но, видимо, некоторые из первобытных людей находили какой-то странный интерес в том, чтобы поиграть потом с небольшими горящими участками — остатками большого лесного пожара. Они подбрасывали в огонь веточки и наблюдали за пожирающими пищу языками пламени. (И сейчас всем родителям знакома та завороженность, с которой дети могут играть с огнем.)

Если за такой игрой первобытного человека застала ночь, то он наверняка по достоинству оценил тепло и свет от такого соседства. К тому же он мог заметить, что другие животные, пугаясь огня, не подходили к костру и к сидящему рядом человеку, что обеспечивало дополнительную защиту.

В конце концов человек рискнул «приручить» огонь. Он развел костер у себя на стоянке или в пещере и стал поддерживать его, чтобы постоянно пользоваться всеми новообретенными преимуществами. А уже потом со временем выяснилось, что если пищу (в первую очередь мясо) подогреть как следует на огне, то его становится гораздо легче есть, да и вкус еды меняется в лучшую сторону.

Но это еще не было «овладением огня». Просто поддерживать огонь недостаточно. Как внимательно за ним ни наблюдай, все равно рано или поздно он может погаснуть. Конечно, можно поддерживать несколько костров и, если погаснет один, снова разжечь его с помощью углей от второго костра. В принципе можно использовать угли и от костра с другой стоянки или даже от костра другого племени. Но это — не решение проблемы, а скорее способ избежать ее.

Так что истинное овладение огнем — это возможность разжигать огонь там, где его прежде не было. Оказалось, что если хоть искру пламени уронить на кучку предварительно хорошо измельченного легковоспламенимого материала, то получится именно то, что нужно! Для того чтобы получить саму искру, оказалось достаточно просто ударить друг о друга двумя подходящими камнями, а еще оказалось возможным добиться того же самого долгим трением вращающейся палочки о желобок или внезапным сжатием большого количества воздуха.

Какова бы ни была в том или ином случае техника, обретение возможности разжигать огонь и стало событием, ознаменовавшим истинное овладение огнем.

Так огонь стал воплощением сконцентрированной энергии. Теперь в распоряжении человека оказалось во много раз больше энергии, чем может вырабатывать его собственный организм. По этой причине овладение огнем можно назвать, пожалуй, самым главным достижением человека. Теперь человек мог забыть о том, как ограничен энергетический запас его организма и организмов прирученных животных.

И вот на этом месте даже наш инопланетный наблюдатель признает наконец четкую принципиальную разницу между человеком и животными. Вполне научно-практическое достижение в области использования энергии безошибочно выделяет человека (и его предков) из ряда прочих живых существ на планете. Никакие другие животные не предпринимали даже попыток овладеть огнем или хоть как-то использовать его, а что касается человека — то сейчас на земле нет ни одного племени людей, пусть самого примитивного, которое не владело бы огнем.