Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Средний палец правой руки Галилея. Палец был отделен от тела Галилея 12 марта 1737 г., когда его останки были перенесены в главное здание церкви Санта Кроне, Флоренция. В настоящее время находится во флорентийском Музее истории науки. Сосуд, содержащий палец, имеет цилиндрическое алебастровое основание, на котором нанесена следующая надпись:

Пролог

Возникновение понимания

Галилей указал точку поворота, в которой научные усилия приняли новое направление, в которой ученые — анахронический, конечно, для того времени термин — поднялись со своих кресел, поставили под вопрос состоятельность прошлых попыток постичь природу мира при посредничестве союза мышления и авторитета и сделали первые нерешительные шаги по пути современной науки. На этом пути они отвергли не подлежащие проверке мнения авторитетов и, не отказавшись все же от умозрения в креслах и углубленного созерцания, выковали новый, более могущественный союз мысли с техникой экспериментального наблюдения, допускающего независимую проверку. Мы видим, что палец Галилея окропил святой водой этого союза все существующие сегодня куличи нашей науки. Мы ощущаем этот дух в физике, куда он проник сначала, в химии, где он проложил себе путь в начале девятнадцатого века, и в биологии, особенно когда в девятнадцатом и двадцатом столетиях биологию перестали воспринимать просто как кладезь чудес.

Говоря короче, эта книга воспевает мощь символического перста Галилея в деле извлечения истины. Тот факт, что физически от Галилея остался лишь палец, а наследие его методов процветает, является также символом бренности человеческого существования по сравнению с бессмертием знания. Тогда перст Галилея олицетворяет это туманное понятие: «научный метод». Галилей, конечно, не был ни единственным, ни даже первым среди тех, кто ввел этот метод получения знания, но он является персоной, в истории идей достаточно выдающейся для того, чтобы считать оправданным выбор в качестве символа именно его имени. Одной из характеристик этого удивительно мощного метода выкапывания истины о мире, отличающей науку от ее главного конкурента — впечатляюще выраженного, но совершенно необоснованного умозрения, — является центральная роль эксперимента. Выход в мир и проведение наблюдений в тщательно контролируемых условиях минимизируют субъективную составляющую нашего восприятия и, в принципе, открывают результаты наблюдений для независимой проверки.

Вглядываясь в мудреное устройство небесных сфер через линзы своего реального телескопа, Галилей развил также и искусство упрощения, выделения существа проблемы, мысленного вглядывания в облака, которые в реальных системах скрывают простоту, лежащую в их основе. Он не стал возиться со скрипучими повозками, влекомыми по грязи; вместо этого он рассматривал простоту шара, катящегося по наклонной плоскости, маятника, качающегося на высокой подставке. Это умение выделить ядро явления из шума и неразберихи реального мира представляет собой ключ к научному методу. Ученые видят в устрице жемчужину, в короне — драгоценный алмаз.

Кое-кто, разумеется, будет утверждать, что в этом и кроется слабость. Истинное понимание, заявляют они, приходит из погружения в сумятицу реальной жизни: опрокинутая в грязь повозка, сетующий любовник, жаворонок, набирающий высоту. Это ученое исследование бабочки с целью узнать ее механизм является отрицанием понимания, заявляют они. Мы должны иметь в виду это возражение, но не подпускать его слишком близко. Большинство ученых, являясь человеческими существами, признают, что чувства являются волшебной составляющей нашего общения с миром, но мало кто согласится с тем, что они указывают надежный путь к истине. Ученые предпочитают распутывать внушающую ужас сложность мира, изучать по отдельности его изолированные куски и возводить его вновь наилучшим из доступных способов, но уже с более глубоким пониманием. Для того чтобы постичь движение повозки на холме, они исследуют поведение шара на наклонной плоскости; чтобы понять качание ноги атлета, они изучают маятник. Их оппоненты будут кричать, что понимание физики колебаний не проливает света на тайну наслаждения музыкой и что разделение симфонии на ноты разрушает понимание ее композиции. Ученые ответят, что мы должны сначала понять, что такое ноты, затем перейти к пониманию того, почему некоторые аккорды гармоничны, а другие нет, и уж затем — на это может не хватить и десятилетий — попытаться понять психологическое и эстетическое воздействие последовательностей аккордов. Наука стремится к полноте понимания, никогда не теряя из виду конечную цель и не набрасываясь в нетерпении на полупропеченные пироги. Постигнут ли когда-нибудь ученые смысл радости постижения мира или спектакля наших жизней в нем и все иные великие вопросы, которые философы, художники, пророки и теологи считают территорией, это вопрос досужего умозрения. А мы все знаем, насколько оно бывало полезно.

Под великой идеей я понимаю простую концепцию с великими последствиями, идею-желудь, который разросся в огромный дуб с ветвящимися приложениями, идею-паука, способного сплести огромную паутину и натянуть ее на все изобилие объяснений и толкований. Мне пришлось действовать весьма избирательно, и у меня нет сомнения, что другие могли бы предъявить других сверхпауков, которые отловили бы других сочных мух науки. Однако здесь выбор мой.

Я сконцентрировался более на самих идеях, чем на приложениях. Я написал мало о черных дырах и космических путешествиях, и едва ли написал что-то — за исключением моих рассуждений в Эпилоге — о том чудесном сдвиге парадигм, который мы переживаем в текущий момент в форме информационных технологий и компьютеров. Моей целью было выявить идеи, которые освещают путь и, в большинстве случаев, обеспечивают основу технологического прогресса. Наделенный богатым воображением интеллектуальный наследник Галилея Фримен Дайсон проводит различие между наукой, движимой концепциями, и наукой, движимой приборами. Почти все в этой книге относится к движимому концепциями. В этом различении Дайсон вторит другому мыслителю, проводившему различия, Френсису Бэкону, который разделял идеи на fructifera, несущие плоды, и lucifera, несущие свет. Я концентрируюсь на последних. Является ли молекулярная биология и следствия открытия структуры ДНК lucifera или fructifera, являются ли они движимыми концепциями или движимыми приборами, и нужно было или нет включать их сюда, это вопрос спорный. Я сделал выбор в пользу первого варианта в каждом случае, поскольку никакое иное открытие не внесло столь много в наше понимание и практическое использование биологии, и было бы абсурдом его исключать. Возможно, в молекулярной биологии мы видим слияние lucifera и fructifera в науку беспрецедентного динамизма.

Изложение идей науки не похоже на роман, в котором события разворачиваются в простой линейной последовательности. Чтобы понять научную идею, вам, возможно, потребуется в первый раз читать быстро, перескакивая места, которые выглядят слишком трудными или (не дай бог) слишком скучными. Разумеется, хотя я считаю, что существует естественная последовательность изложения, как, например, восхождение из мрака основ к дневному свету знакомого мира, или бурение вглубь от знакомого к более фундаментальному (я предпочитаю последнее), главы являются более или менее независимыми и могут читаться в любом порядке.

Вторым аспектом, который следует иметь в виду, является характеризующий современную науку дрейф в сторону абстракции. Абстракция это еще одна важная грань пальца Галилея, и мы должны быть внимательны к ее роли и ее значимости. Во-первых, абстрактное не означает бесполезное. Абстракция может иметь огромное практическое значение, потому что она указывает на неожиданные связи между явлениями и позволяет использовать идеи, развитые в одной области науки, в других ее областях. Наиболее важно, однако, что абстракция является способом, позволяющим отвлечься от множества наблюдений и рассмотреть их в более широком контексте. Один из моментов, вызывающих наиболее глубокое удовлетворение при занятиях наукой и при чтении о науке, момент «эврика!», подобен опыту Кортеса, увидевшего, как океаны сливаются в единое целое, и заключается он во внезапном осознании связи между явлениями, которые раньше казались разобщенными. Я намереваюсь совершить с вами путешествие по высоким горным хребтам науки, где мы сможем почувствовать это слияние, вызывающее священный ужас и удовлетворение, и пройти путь постепенно раскрывающегося наслаждения все большей и большей абстракцией. Итак, я начну с обезьян и гороха, потом проведу вас сквозь атомы к красоте, затем через пространство-время к вершине, к этому ужасающему апофеозу абстракции, к математике. Если вы прочтете все главы последовательно, вы обнаружите, что каждая последующая глава углубляет ваше понимание того, что вы узнали прежде.

Мы стоим у начала совместного путешествия, бросающего нам вызов, но и в высшей степени захватывающего. Наука является апофеозом духа ренессанса, необычайным монументом человеческому духу и могуществу постижения, заключенному в ничтожном мозгу человека. Моей главной надеждой является то, что по мере разворачивания нашего путешествия и осторожного приближения к вершине понимания, вы испытаете радость, даруемую светом, который может дать только наука.

Глава первая

Эволюция

Возникновение сложности

Жизнь столь совершенна, что, как долгое время считали, ее было необходимо сотворить особо. Ибо как может нечто столь удивительное и столь уникальное самопроизвольно возникнуть из безжизненной слизи? В самом деле, что является той главной частью вещей, которая наделяет их жизнью? Ответы на эти и другие вопросы первостепенной важности появились двумя волнами. Первой была волна эмпирических объяснений, когда наблюдатели, по большей части натуралисты и геологи девятнадцатого века, пристально изучали внешние формы природы и получали далеко идущие выводы. Затем пришла вторая волна, в двадцатом веке, когда кроты с глазами ученых рыли ходы под поверхностью явлений и открывали молекулярную основу паутины жизни. Первый из этих подходов является предметом настоящей главы; второй, чрезвычайно обогативший наше понимание того, что значит быть живым, есть предмет следующей.

Древнегреческие философы, как обычно, имели свои собственные взгляды на природу живых существ. Как и большинство их мнений, высказанных из самых лучших побуждений, эти взгляды были нелепо, но обаятельно превратны. Например, самопровозглашенный бог Эмпедокл (490-430 до н.э.), незадолго до принятия им не слишком мудрого решения продемонстрировать свою божественность путем низвержения себя в кратер вулкана Этна, предположил, что животные построены из универсального набора частей, которые, будучи собраны в различные комбинации, дают слона, комара, рогатую жабу и человека. Мир заселяется этими знакомыми комбинациями охотнее, чем летающими свиньями и ослами с рыбьим хвостом потому, что лишь некоторые комбинации жизнеспособны. Природа, вероятно, экспериментировала с другими комбинациями, в ожидании Острова доктора Моро, но после недолгого хромания, трепыхания и переваливания с боку на бок эти экспериментальные творения умирали.

Почти на два тысячелетия позже эхом откликнулся похожий взгляд, но уже на молекулярном уровне. Его высказал граф Жорж-Луи Леклерк де Бюффон (1707-88), считавший, что организмы самопроизвольно возникли из агрегаций, которые мы сегодня назвали бы органическими молекулами, и что число возможных видов есть число жизнеспособных комбинаций этих молекул. Бюффон полагал, что уж он-то знает: свой великий труд Всеобщая и частная естественная история (Histoire naturelle, générale, et particulière), начатый в 1749 г., он планировал довести до пятидесяти томов, но успел подготовить тридцать шесть. Девять были посвящены птицам, пять минералам и восемь (опубликованных посмертно) китообразным, рептилиям и рыбам.

Но откуда все эти творения, все живые существа действительно появились, их внушающее благоговение количество, два миллиона зарегистрированных видов и, возможно, десять и более миллионов, которые еще предстоит обнаружить? Аристотель, всегда блистательно обильный интеллектуально и, как всегда, блистательно ошибавшийся, предположил, что животные упали со звезд или произошли самопроизвольно уже в завершенном виде. Индейцы яхуна из бассейна Амазонки приняли неоаристотелевский взгляд и считали, что маниока выросла из пепла убитого и кремированного Миломаки. Индейцы кауилла из Калифорнии также верили, что виноградная лоза выросла из его кремированного живота, арбузы из зрачков его глаз, а злаки из его зубов. Менее общепринято мнение, что пшеница произошла из яиц его вшей, а бобы из его спермы.

Другие религии предложили с виду простые мнения, согласно которым все существа, большие и малые, были сотворены Богом, и это все. Однако даже некоторые отцы церкви находили затруднительным примириться со всеми утверждениями Библии. Например, эрудит Григорий Назианин (330-89, Назиан был где-то в Каппадокии, в Малой Азии), считал, что Бог должен был создать некоторые из своих творений после потопа, поскольку небольшой ковчег Ноя был слишком мал для того, чтобы приютить представителей всех видов.[1] Архидиакон Карлайла Уильям Пэйли считал бесспорным, что он установил происхождение творений в книге с игривым названием Естественная теология или свидетельства существования и атрибуты божества, собранные из природных явлений, опубликованной в 1802 г., где в качестве превосходного аргумента он использует аналогию с путешественником, который столкнулся с ручными часами, созерцает их сложный замысел и не сомневается в том, что за этим замыслом стоит часовщик. Таким образом, каждый, кто сталкивается со сложностью природы должен неизбежно заключить, что к ее замыслу и конструкции приложил руку Бог. Однако Анаксимандр из Милета (610-545 до н.э.), делая вклад в западную философию, когда она была еще едва пробившимся зеленым побегом, действительно имел проблеск чего-то, похожего на истину. В совместной с Фалесом и Анаксименом философской программе он сделал чисто умозрительное заключение относительно всех живых существ и жизни в целом, гласящее, что виды животных могут превращаться один в другой.

В науке часто бывает, что первым шагом к действительному пониманию, приходящему на смену фантастическим спекуляциям, оказывается собирание данных. В данном случае для этого надо идентифицировать и классифицировать все типы организмов, составляющих биосферу, или, по крайней мере, столько, сколько позволят терпение, настойчивость и провидение. Наиболее полезными бывают названия, выражающие родство, похожие на обычай давать членам одной семьи одну фамилию. К середине восемнадцатого века, когда установилась международная морская торговля, даже домоседы стали осведомленными об изобилии организмов и странных существ, населяющих мир, и поняли, что простых названий, таких как корова и собака, уже недостаточно. Это было подобно тому, как обитатели Лапландии вдруг обнаружили бы, что в Уганде недостаточно знания их родного языка. Первую общепризнанную систему наименований разработал шведский ботаник Карл фон Линней (Carl von Linne, 1707-78), в латинском написании Линнеус (Linnaeus). Линней изложил свою систему наименований в труде Systema naturae, опубликованном в 1735 г., а для извлечения на свет систематической классификации растений обычно обращаются к его книге Spesies plantarum, 1753. В этих работах Линней ввел иерархию групп (рис. 1.1) с царствами около вершины и пирамидой, расширяющейся ко все более частным разделам по мере нисхождения через типы, классы, отряды, семейства, роды и виды. Эта схема с тех пор пополнялась посредством включения различных промежуточных слоев, таких как подсемейство и надсемейство. Так, нас, людей, следует классифицировать (иронически — возразит кто-то) как вид Homo sapiens, рода Homo, в семействе Гоминидов, в надсемействе Гоминоидов инфраотряда Узконосых подотряда Антропоидов отряда Приматов подкласса Плацентарных в классе Млекопитающих, в надклассе Четвероногих из типа Хордовых в царстве Животных домена Ядерных в империи организмов.

Недостатком системы Линнея является то, что она основана на внешне узнаваемых подобиях скорее, чем на более приемлемом в научном отношении установлении лежащего в их основе родства. Более того, точному определению классов, типов и т. д. трудно приписать, а в действительности и вовсе не удается какой-либо особенно глубокий фундаментальный смысл. Современным методом таксономии является кладистика (кладос, по-гречески молодой побег), тщательно исследующая происхождение организмов от общего предка и идентифицирующая различные ветви, или клады, дерева жизни (рис. 1.2). Кладйстика была введена немецким таксономистом Вилли Хеннигом (1913-1976) и доработана в его Филогенетической систематике (1966). Согласно Хеннигу, классификация должна отражать генеалогическое родство, и организмы должны группироваться строго на основе их происхождения от общего предка. Не в пример легкомысленным теоретическим физикам, приспособившим к своим схемам повседневные слова, такие как «спин» (в переводе с английского «вращение») и «аромат», Хенниг перегрузил таксономию греческими терминами, и кладисты имеют дело с симплециоморфами (характеристиками, разделяемыми более чем одной тварью), синапоморфами (разделяемыми производными характеристиками) и т.д. К счастью, у нас нет необходимости использовать этот перегруженный язык, поскольку мы главным образом будем пользоваться системой Линнея. Однако кладистика весьма влиятельна, логична и полезна, так как она основана на генеалогии организмов, которая, как можно доказать, есть единственный рациональный фундамент классификации.

Немедленно, однако, мы натыкаемся на сложную проблему, которая пронизывает все дальнейшее обсуждение и служит предметом беспокойства даже для новейших систем классификации: какое содержание мы вкладываем в термин «виды». Даже сегодня нередко ведутся споры о его точном определении. Такие споры не имеют большого практического значения, однако, поскольку эта концепция является центральной в исторической дискуссии о происхождении видов, необходимо, по крайней мере вкратце, ее коснуться. Может быть, в действительности было бы лучше признать невозможность изобретения универсально пригодного определения, считая термин «виды» внутренне неопределенным и не возводя излишне жестких стен ради его фиксации.

У тех, кого иногда называют типологическими таксономистами, обычно принято определять вид как группу организмов, которые выглядят — по опознаваемым морфологическим признакам — отличными от организмов из других групп. Платон воспользовался весьма похожей идеей в своей концепции эйдоса, или «совершенной формы», идеала, истинной сущности, лишь несовершенно представляемой реальными существами. Мы без труда отличаем воробья от черного дрозда по их «идентифицируемым морфологическим признакам» и считаем их разными видами птиц. Для нас, как мы полагаем, не составляет труда опознать сущностную «птичность» этих двух творений и усмотреть ее отличие от «растениевости» репы, а также отличить «воробьевость» одного от «чернодроздовости» другого.

Несколько более изощренное определение имеет концепция биологического вида, определяющая вид как группу организмов, которые спариваются между собой, но репродуктивно изолированы от других подобных групп. Согласно этому взгляду, вид является изолированным островом с повышенной репродуктивной активностью. Такое определение помещает воробья и черного дрозда в разные виды, поскольку они размножаются каждый внутри своей группы и не спариваются между собой. Репродуктивная изоляция может возникать различными путями. Например, группы организмов могут быть географически изолированы — это одна из причин, делающих острова столь важными в истории эволюционных идей — или размножаться в разные времена года. Группы могут находить друг друга отталкивающими (или, по крайней мере, лишенными привлекательности) или обнаружить травмирующую физическую невозможность спаривания, как бы их ни влекло друг к другу.

Предвкушая механизм наследственности, речь о котором пойдет в следующей главе, мы могли бы сказать, что каждый вид представляет собой отдельный генный бассейн, с генами, циркулирующими внутри бассейна при спаривании представителей вида — процесс, называемый генным потоком, — но не мигрирующими в генные бассейны, представляющие другие виды. Генный поток внутри вида гарантирует, что все его представители выглядят более или менее похожими, так что концепция биологических видов согласуется с критериями, принятыми у типологических таксономистов.

Тогда почему же определение видов столь противоречиво? Одна из проблем в определении, основанном на понятии спаривания, состоит в том, что некоторые организмы вообще не спариваются. Например, далеко не все спаривающиеся бактерии классифицированы как виды, и существует множество примеров многоклеточных организмов, которые размножаются неполовым путем (таких, как обычные одуванчики, Taraxacum officinale), однако считаются истинными видами. Эта проблема обнаруживает, что слово «вид» имеет два, иногда несхожих, значения. Одно значение, отсылающее к сказанному выше, связано с репродуктивной изоляцией организмов. Второе значение состоит в том, что термин «вид» является просто одной из конечных точек в основании таксономической пирамиды, предельной единицей классификации групп организмов, безотносительно к их способности или неспособности спариваться с другими организмами. То есть вид это в точности таксон, единица классификации. Использование термина «вид» просто для обозначения таксона является обычным в палеонтологии, где одной линии наследования могут приписываться различные имена на разных стадиях ее развития, хотя ее последовательные члены никогда не могли бы даже рассмотреть возможность спаривания. Так, Homo erectus превратился в H. sapiens, но они никогда не прогуливались вместе: оба являются примерами того, что иногда называют хронотипами.

Осознание этих трудностей создает мотив для поиска альтернативных определений вида, которые то перекрываются, то вступают в конфликт с биологической концепцией видов. Например, один из способов классификации организмов является фенетическим, в нем организмы зачисляются в одну группу на основании чисто объективных измерений, включая дискретные измерения, такие как использование числа 1 для факта «имеет крылья» и 0 для «не имеет крыльев». Игры «узнай своего партнера» в газетах, журналах и агентствах по сбору данных являются по сути фенетическими. Преимущество фенетического подхода в том, что он строго объективен и не полагается на субъективные суждения о происхождении организмов и на догадки о том, могли, при случае, один организм — возможно уже исчезнувший — спариться с другим. Одна из проблем этой схемы состоит в том, что хотя фенетически отождествляемые группы организмов выглядят почти идентичными, они тем не менее могут быть неспособны иметь потомство друг с другом. Таким образом, являясь одним фенетическим видом, они принадлежат разным биологическим видам. Примером является фруктовая мушка Drosophila с ее двумя (неспособными к скрещиванию) категориями, D. pseudoobscura и D. persimilis. Эти два организма являются практически неразличимыми фенетически, поэтому они образуют один фенетический вид, но, будучи нескрещивающимися, составляют два биологических вида.

Существуют и другие определения того, что значит быть видом, и применение критериев, которые в них предлагаются, мутит воду еще больше. Экологическая концепция видов принимает во внимание важность роли окружающей среды, ресурсов и опасностей, из нее исходящих. Она определяет вид как группу организмов, использующую одиночную экологическую нишу. Опознавательная концепция видов принимает во внимание способность организма опознавать потенциального партнера для спаривания. Преимущество этого определения, тесно связанного с биологической концепцией видов, состоит в том, что если возможность спаривания зачастую приходится лишь предполагать, то опознавание часто можно наблюдать непосредственно. Возможны случаи появления нового вида, когда одна группа организмов не может более опознавать своих недавних супругов в качестве потенциальных партнеров. Опознавание не обязательно происходит по внешнему виду: растения и животные сообщаются между собой различными путями, включая звук, а также более сдержанный или даже, по нашим понятиям, бессознательный путь испускания и детекции химических веществ, которые мы называем феромонами и которые человеческие существа иногда включают, по абсолютно тем же мотивам, в свои духи и лосьоны. И наконец (наконец — лишь в этом кратком обзоре, поскольку имеются и другие определения), существует филогенетическая концепция видов, в которой вид определяется как группа организмов, имеющая общего предка, и отличающаяся от других групп по крайней мере одним признаком. В соответствии с этим определением, члены двух разных филогенетических видов могут различаться всего одним признаком и быть способными иметь общее потомство.

Нет сомнения, что виды эволюционировали и продолжают эволюционировать. Свидетельством эволюции в прошлом являются ископаемые останки, которые разворачивают во времени замечательную последовательность образов населявшей Землю жизни. Эта картина неполна, ведь сегодня ни один музей — а музеи обычно гораздо больше пекутся о своей собственности, чем сыра земля — не имеет образцов каждого исчезнувшего вида. Но она достаточно полна для того, чтобы мы могли проследить сквозь время происхождение живых существ, включая наше собственное возникновение в — сюда не подходит клише «далекое и туманное» — недавнем и ярком прошлом.

[1] Построенный из дерева гофер, ковчег был 300 локтей в длину, 50 локтей в ширину и 30 локтей в высоту; локоть — длина руки от локтевого сгиба до кончиков пальцев, около 45 сантиметров).