текущее время, как солнечные или механические часы, а аналог секундомера, который можно обнулять. Нам нужно, чтобы эволюционные часы в какой-то момент обнулились, чтобы мы могли затем подсчитать, сколько времени прошло с этого момента, и установить абсолютный возраст объекта, например фрагмента горной породы. Так, радиоактивные часы для измерения возраста вулканической породы обнуляются в момент ее образования из затвердевающей лавы.
К счастью, существует несколько разновидностей природных «часов» с возможностью обнуления. Особенно приятно как раз то, что их несколько: это позволяет нам проверять точность одних часов с помощью других. Еще приятнее то, что они покрывают огромный спектр временных масштабов, и это нам действительно необходимо, поскольку временные масштабы эволюционного процесса могут различаться на семь или восемь порядков. Думаю, будет полезным объяснить, что это значит.
«Порядок» — весьма точное понятие. Изменение на один порядок подразумевает умножение или деление на десять. Поскольку мы пользуемся десятичной системой счисления[50], то порядок числа определяется количеством нолей до или после запятой. Таким образом, различие на восемь порядков — это различие в сто миллионов раз. Секундная стрелка часов вращается в 60 раз быстрее минутной стрелки и в 720 раз быстрее часовой. Следовательно, три стрелки часов покрывают меньше, чем три порядка. Это — ничто по сравнению с восемью порядками, покрываемыми нашим арсеналом геологических часов. Для коротких промежутков времени (до долей секунды) существуют «часы», основанные на радиоактивном распаде, но самые точные часы, которые нам могут потребоваться для эволюционных нужд, измеряют века или десятилетия. Эти «быстрые» природные часы — годичные кольца деревьев и радиоуглеродный метод датирования — полезны археологам и при определении возраста образцов времен одомашнивания собак или капусты. На противоположном конце шкалы нам нужны часы, способные надежно отмерять сотни миллионов и даже миллиарды лет. И — хвала природе — она предоставила нам весь спектр «часов», которые могут нам потребоваться. Более того, их шкалы перекрывают друг друга, что позволяет нам использовать их для перепроверки.
Годичные кольца
При помощи часов, основанных на образовании годичных колец у деревьев, можно с потрясающей точностью, буквально до года, определить возраст куска древесины, например балки в доме эпохи Тюдоров. Вот как это происходит. Во-первых, возраст спиленного дерева можно определить, подсчитав годовые кольца на срезе ствола (внешнее кольцо соответствует настоящему времени). Кольца отражают разную скорость роста в зависимости от времени года и природных условий — зима или лето, сухой или влажный сезон — и особенно выражены в высоких широтах, где времена года резко различаются. К счастью, чтобы определить возраст дерева, не обязательно его рубить. Можно пробурить небольшое отверстие до сердцевины ствола и выпилить пробу — тонкий деревянный стержень. Однако простой подсчет колец не покажет, в каком веке потолочная балка или мачта драккара перестала быть деревом. Если вы хотите определить, когда жило старое, давно умершее дерево, надо не просто подсчитать кольца, а уделить внимание чередованию широких и узких колец.
Поскольку погода меняется от года к году, условия роста меняются вместе с ней: в годы засухи рост приостанавливается, в урожайные годы ускоряется. Бывают холодные и жаркие годы. Случаются катастрофы вроде взрыва Кракатау, дает о себе знать Южная осцилляция[51]. Все это отражается на ширине годовых колец, подобно тому, как само существование колец является отражением сезонных изменений темпа роста. Хороший с точки зрения дерева год даст более широкое кольцо. Последовательность плохих и хороших лет в любом регионе будет отражаться на всех местных деревьях, формируя своеобразный «отпечаток пальца», прекрасно узнаваемый от дерева к дереву.
Дендрохронологи измеряют кольца на деревьях, для которых точно известна дата образования любого из колец, отсчитанная назад от года, когда дерево было повалено. На основании этих данных составляется дендрохронологическая таблица, с которой можно сравнить образец дерева, возраст которого вы хотите установить. В итоге вы можете получить примерно такой ответ: «Эта балка содержит характерную последовательность колец, совпадающую с образцом из коллекции и соответствующую 1541–1547 годам. Таким образом, дом был построен после 1547 года».
Что такое дендрохронология
Все прекрасно, однако не многие из современных нам деревьев росли при Тюдорах, тем более в каменном веке или еще раньше. Существуют деревья — остистые сосны, мамонтовы деревья, — которые живут тысячелетиями, но подавляющее большинство используемых для получения древесины деревьев гибнет в первое столетие их жизни. Как собрать коллекцию узоров древесных колец для более древних времен? Для времен столь давних, что ни одна из живущих ныне остистых сосен их не упомнит? Думаю, вы знаете ответ: перекрывания. Веревка может быть тридцати метров длины, но ни одно из ее волокон не достигает этой длины. Итак, берем последовательности годичных колец, время образования которых известно по современным деревьям. Затем определяем характерную последовательность колец, восходящую к молодости самых старых из современных деревьев, и ищем аналогичную последовательность ближе к концу жизни давно погибших деревьев. И так далее. Теоретически можно проложить таким образом путь в прошлое на миллионы лет, используя окаменелые остатки ископаемых деревьев, хотя на практике дендрохронологический метод применяется в масштабе нескольких тысячелетий. Самое увлекательное в дендрохронологии то, что вы можете установить дату с точностью до года, по крайней мере теоретически, вне зависимости от того, жило это дерево век назад или сто миллионов лет назад. Вы можете точно сказать, что это кольцо в окаменелом дереве юрского периода появилось ровно 257 лет спустя после этого кольца в другом дереве той же эпохи! Если бы существовало достаточное количество окаменелых лесов, чтобы можно было проложить надежный путь в прошлое, мы могли бы сказать, что это не просто позднеюрский возраст, а что это дерево жило точно в 151432657 году до нашей эры! К сожалению, у нас нет непрерывной цепи, и дендрохронология позволяет нам уйти в прошлое только на 11 тысяч 500 лет. Тем не менее, что поразительно, будь на свете достаточно окаменелых древесных остатков, мы могли бы устанавливать дату с точностью до года на масштабе в сотни миллионов лет.
Годичные кольца деревьев — не единственный метод, позволяющий обеспечить точность датирования до года. Варвы — годичные слои осадков, накапливающиеся в ледниковых озерах. Как и у деревьев, их толщина зависит от условий года, поэтому теоретически к ним можно применять тот же принцип. И у кораллов есть годичные кольца. Они позволяют устанавливать даты древних землетрясений (древесные годичные кольца, кстати, тоже). Большинство других имеющихся в нашем распоряжении методов датирования, включая радиометрические, которыми мы пользуемся на масштабах миллионов или миллиардов лет, точны только в пределах погрешности, величина которой пропорциональна измеряемому времени.
Радиоактивные «часы»
Теперь перейдем к радиометрическому датированию. Нам есть из чего выбирать: радиоактивные «часы» отмеряют время от веков до миллиардов лет. У каждых есть погрешность, обычно не превышающая 1 %. Таким образом, если вы измеряете возраст горной породы в миллиардах лет, то должны принимать в расчет погрешность в десятки миллионов лет. Если определяете возраст породы, которой сотни миллионов лет, погрешность не будет превышать миллиона лет. Если породе десятки миллионов лет, делайте поправку на сотни тысяч лет.
Чтобы понять, как работают радиоактивные «часы», необходимо прежде узнать, что такое радиоактивный изотоп. Материя состоит из химических элементов, как правило, химически связанных с другими элементами. Всего существует около ста элементов (чуть больше, если прибавить элементы, которые существуют только в лабораторных условиях, и чуть меньше, если сосчитать только элементы, встречающиеся в природе): углерод, железо, азот, алюминий, магний, фтор, аргон, хлор, натрий, уран, свинец, кислород, калий, олово и так далее. Атомная теория строения вещества, с которой, думаю, согласны даже креационисты, утверждает, что каждому элементу соответствует собственный атом, являющийся самой маленькой частицей, на которую возможно разделить элемент без утраты им своих свойств. Как выглядит атом свинца, меди или углерода? Безусловно, не как медь, свинец или уголь. Он вообще никак не выглядит, поскольку слишком мал для того, чтобы броситься вам в глаза, каким бы мощным микроскопом вы ни пользовались. Поэтому мы прибегаем к аналогиям или моделям. Самая известная была предложена великим датским физиком Нильсом Бором. Модель Бора, сегодня уже устаревшая, похожа на Солнечную систему. Вместо Солнца — ядро, вокруг которого обращаются электроны, играющие роль планет. Как и в Солнечной системе, практически вся масса атома содержится в ядре («Солнце»), а практически весь объем занят пространством между электронами («планетами»). Каждый из электронов в сравнении с размером ядра пренебрежимо мал, а расстояние от него до ядра намного больше размеров самого ядра. Известная аналогия — ядро атома, как муха в центре футбольного стадиона. Тогда ядро соседнего атома будет мухой в центре соседнего стадиона. Электроны кружат по орбитам вокруг мух, они меньше самых мелких мошек, слишком маленькие для того, чтобы увидеть их в одном масштабе с мухами. Когда мы берем в руки кусок металла или камня, мы на самом деле смотрим на предмет, состоящий в основном из пустоты. Мы ощущаем его как плотное и непрозрачное тело потому, что наши органы чувств и мозг находят удобным воспринимать этот объект как твердый и непрозрачный. Наш мозг находит это удобным потому, что мы не можем пройти сквозь камень. «Твердый» — это характеристика, которую мы присваиваем веществам и материалам, через которые не можем пройти или в которые не можем провалиться из-за электромагнитных взаимодействий между их атомами. «Непрозрачный» — воспринимаемая нами картина света, отражающегося от поверхности объекта и не проходящего сквозь него.