Физика и тема времени неразрывно связаны. Дело не только в том, что вопросы природы времени относятся к области физики. Именно понимание законов физики позволило ученым создать удивительно точные часы, которые используются для проверки физических законов.
В следующих главах мы поговорим о физике времени и о том, насколько совместимы идеи физики и нейробиологии в вопросах природы времени. Однако начнем мы с исследования физических принципов работы и истории часов.
НЕЙРОНЫ И ИСПЫТАНИЯ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ
Как мозг использует разные механизмы для отсчета проспективного и ретроспективного времени, так и ученые разработали принципиально различающиеся способы определения времени для тех случаев, когда нужно оценить время, которое прошло после какого-то события в прошлом, или которое пройдет от настоящего момента до какого-то момента в будущем.
Для определения проспективного времени мы обычно пользуемся традиционными часами, но для оценки ретроспективного времени нам приходится опираться на показания самых разных «часов». К счастью, в природе существует множество ретроспективных часов, поскольку по действующим во вселенной законам все изменения, происходящие вокруг и внутри нас, подчиняются заранее установленным правилам. Так, круги на воде, которые мы видим сейчас, позволяют узнать, что произошло несколько секунд назад. Патологоанатом может установить время смерти по температуре тела, а по степени сходства генов двух видов организмов можно определить, когда они разошлись от общего предка.
СОВРЕМЕННЫЕ АТОМНЫЕ ЧАСЫ ОТСЧИТЫВАЮТ ВРЕМЯ С ТОЧНОСТЬЮ ДО АТТОСЕКУНД — ТАК ТОЧНО, ЧТО ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ С ПОМОЩЬЮ АТОМНЫХ ЧАСОВ — ЭТО ОДИН ИЗ НЕМНОГИХ СЛУЧАЕВ, КОГДА УЧЕНЫМ ПРЕДОСТАВЛЯЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПРИСТАВКУ АТТО (10–18). ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНИВАТЬ ВРЕМЯ ПО ШКАЛЕ В МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ И ДЕЛИТЬ СЕКУНДЫ НА АТТОСЕКУНДЫ ПОЯВИЛАСЬ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ, А САМА ФИЗИКА ОТЧАСТИ ВОЗНИКЛА В РЕЗУЛЬТАТЕ НАШЕГО ЖЕЛАНИЯ НАУЧИТЬСЯ ОПРЕДЕЛЯТЬ ВРЕМЯ. ТЕМ СЕМЕЧКОМ, ИЗ КОТОРОГО ВЫРОСЛА ФИЗИКА, БЫЛА АСТРОНОМИЯ, А АСТРОНОМИЯ ПОЯВИЛАСЬ ПО ТОЙ ПРИЧИНЕ, ЧТО ЛЮДИ ХОТЕЛИ ОПРЕДЕЛИТЬ СВОЕ МЕСТО В ПРОСТРАНСТВЕ И ВО ВРЕМЕНИ. КРОМЕ ПРОЧЕГО, АСТРОНОМИЯ ПОЗВОЛЯЛА СЛЕДИТЬ ЗА СМЕНОЙ СЕЗОНОВ, УСТАНОВИТЬ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ГОДА И ДАТЫ СЛУЖЕНИЯ НЕБЕСНЫМ БОГАМ.
Одним из наиболее важных способов ретроспективного отсчета времени является радиоизотопный анализ. Как работает этот метод? Откуда атомы «знают», сколько времени прошло с того или иного момента? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте поговорим о том, как радиоизотопный анализ и распространение ядерного оружия помогли отвергнуть одну столетнюю догму нейробиологии. На протяжении XX в. нейробиологи были убеждены в том, что, в отличие от большинства других клеток тела, новые нейроны не могут возникать в организме взрослого человека. Однако начатые в 1990-х гг. эксперименты на мышах и крысах убедительно доказали, что в некоторых отделах мозга новые нейроны все же появляются; этот процесс был назван взрослым нейрогенезом. Но как понять, происходит ли такой процесс у человека, ведь нейроны человека можно изучать только после смерти. Возраст человека на момент смерти обычно известен, но дата рождения конкретного нейрона нигде не записана.
В период 1950–1960-х гг. в результате испытаний атомного оружия, главным образом Соединенными Штатами и Советским Союзом, в атмосфере почти вдвое выросло содержание радиоактивного изотопа 14C (углерод-14). Этот показатель достиг максимума в 1963 г., когда был пописан договор о частичном запрещении испытаний ядерного оружия, а затем начал снижаться. Подъем концентрации 14C в атмосфере привел к подъему его концентрации во всех живых организмах, поскольку в процессе фотосинтеза углерод попадает в клетки растений, а оттуда в клетки всех остальных живых существ. Так испытания атомной бомбы привели к заметному повышению содержания изотопа 14C в человеческой ДНК.
Атомы углерода, попадающие в ДНК в момент «рождения» клетки (в процессе деления родительской клетки), могут оставаться в этой ДНК на всем протяжении жизни клетки. Таким образом, если у взрослых людей никогда не появляются новые нейроны, в нейронах людей, рожденных до испытаний ядерного оружия, должно быть низкое содержание изотопа 14C. Но если нейроны продолжают делиться, некоторые из них будут содержать больше радиоактивного изотопа из-за повышения его содержания в атмосфере в конце 1950-х гг. Шведские ученые проанализировали образцы ткани мозга умерших людей и обнаружили, что у людей, родившихся до 1955 г., ДНК большинства нейронов содержит небольшое количество радиоактивного изотопа углерода
156. Это означает, что большинство нейронов сформировалось до достижения взрослого возраста. Однако (и это совпадает с результатами экспериментов на животных) в субпопуляции нейронов гиппокампа было обнаружено повышенное содержание 14C, что подтверждает наличие нейрогенеза у взрослых людей. Эта странная связь нейробиологии, испытаний ядерного оружия и использования радиоизотопного анализа в качестве ретроспективных часов позволила оспорить долго существовавшую догму о том, что у взрослых людей новые нейроны не формируются.
А теперь вернемся к нашему вопросу: откуда атомы углерода «знают», сколько времени прошло с того или иного момента? Может ли отдельный атом отслеживать ход времени? Принцип радиоизотопного датирования подтверждает, что существует множество способов определения времени, и, как и наш мозг, для определения ретроспективного и проспективного времени мы используем принципиально разные технологические решения.
Порядковые номера химических элементов определяются количеством протонов в их ядрах. У некоторых элементов есть изотопы — атомы с разным количеством нейтронов. Некоторые из этих изотопов называют радиоактивными, поскольку они неустойчивы и со временем распадаются до устойчивых атомных конфигураций. Впрочем, «неустойчивые» изотопы могут быть весьма устойчивыми. Например, изотоп 14C имеет период полураспада 5730 лет. Это означает, что из 1000 атомов 14C через 5730 лет останется 500. Понятно, что количество оставшихся атомов позволяет определить ретроспективное время и, следовательно, возраст окаменелостей, наскальных рисунков, доисторических артефактов, древних рукописей и даже нейронов. Но откуда взялось число 5730? Откуда атом «знает», что ему пора расщепляться? Конечно же, атом ничего не знает. Обратите внимание, что хотя радиоуглеродный анализ является одним из наиболее надежных способов ретроспективного определения времени, один конкретный атом 14C ничего не может сообщить о своем возрасте.
НА ПРОТЯЖЕНИИ XX В. НЕЙРОБИОЛОГИ БЫЛИ УБЕЖДЕНЫ В ТОМ, ЧТО, В ОТЛИЧИЕ ОТ БОЛЬШИНСТВА ДРУГИХ КЛЕТОК ТЕЛА, НОВЫЕ НЕЙРОНЫ НЕ МОГУТ ВОЗНИКАТЬ В ОРГАНИЗМЕ ВЗРОСЛОГО ЧЕЛОВЕКА. ОДНАКО НАЧАТЫЕ В 1990-Х ГГ. ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА МЫШАХ И КРЫСАХ УБЕДИТЕЛЬНО ДОКАЗАЛИ, ЧТО В НЕКОТОРЫХ ОТДЕЛАХ МОЗГА НОВЫЕ НЕЙРОНЫ ВСЕ ЖЕ ПОЯВЛЯЮТСЯ; ЭТОТ ПРОЦЕСС БЫЛ НАЗВАН ВЗРОСЛЫМ НЕЙРОГЕНЕЗОМ.
