Читать книгу О годичных кольцах и пыльце. Истории о прошлом человечества глазами растений - Денис Новиков - Страница 5

Сложно найти человека, который никогда в жизни не обращал внимания на годичные кольца на стволах спиленных деревьев, не разглядывал с интересом концентрические круги, словно страницы древней книги, уложенные в плотный том. Мы все хоть раз в жизни задерживали на них взгляд. Но задумывались ли вы над тем, как много эти кольца могут рассказать про историю нашего мира?

Древесина – один из самых универсальных материалов в истории человечества. Мы жгли ее, чтобы согреться, строили из нее дома, корабли и храмы, делали из нее мебель, оружие и музыкальные инструменты. При этом даже в давно срубленном, а ныне превращенном в предмет быта или произведение искусства стволе чувствуется гораздо больше жизни, чем в стальном изделии. Его текстура, сложные узоры, переходы от светлого к темному – все это с незапамятных времен вдохновляло художников и поэтов. А ученых заставляло задавать вопросы.

Люди давно приметили эту сложную структуру древесного материала, порождающую порой весьма причудливые узоры. Первым, кто попытался систематизировать наблюдения за годичными кольцами, был Теофраст – древнегреческий философ, ученик Аристотеля, по праву называемый «отцом ботаники». Давным-давно, еще в IV–III веках до н. э. в своих трудах он отмечал, что дерево растет неравномерно. А еще, что эта неравномерность связана со сменой времен года. Позднее, в XV веке, в «Трактате о живописи» Леонардо да Винчи развил эту логику и сделал удивительно точное наблюдение: деревья образуют по одному кольцу в год, а их ширина и форма зависят от климата, почвы, количества света и воды.

Для науки XV века это было по-настоящему прорывным выводом. Тогда ученые только начинали серьезно рассуждать о взаимном влиянии окружающей среды и живых организмов друг на друга. Нельзя поставить это мыслителям, жившим до наступления эпохи Ренессанса, в вину. Их мир был куда меньше современного. В самом прямом смысле этого слова. Достижения мореплавателей открыли взору европейцев Новый Свет, совершенно непохожий на известные земли. Он оказался наполнен массой удивительных животных и растений. Понятно, что людям сразу же захотелось понять, почему природа там, за океаном, так непохожа на их родные края. Поэтому неудивительно, что как раз во времена Ренессанса ученые начали изучать природу более тщательно и системно, чем их предшественники.

Открытия не заставили себя долго ждать. Но почему же гениального Леонардо так заинтересовала сокрытая под корой структура дерева, а не что-то иное? Не цветы, не развесистые кроны, которые, казалось бы, должны больше вдохновить живописца, а древесина? Ответ – в его работах. Вернее, в том, чтó в эпоху Леонардо использовали в качестве холстов. Большинство величайших работ мастера, такие как «Мона Лиза», «Дама с горностаем», «Спаситель мира», «Крещение Христа», были написаны не на ткани, а на деревянных панно. Именно доски, тщательно подобранные, высушенные и склеенные торец в торец, становились основой для шедевров. На первый взгляд такая техника выглядит примитивно, однако дело тут совсем не в архаичности эпохи Ренессанса или личной прихоти художника.

Когда Леонардо творил, искусство живописи на холсте уже было довольно неплохо развито, но мастера Возрождения, следуя традициям античных и византийских мастеров, предпочитали ткани дерево. Оно было прочнее, стабильнее, а его текстура создавала неповторимую глубину и мягкость изображения. Леонардо как истинный натуралист не мог не заметить, как кольца влияют на поведение краски, как они играют под слоями лака, как иногда проступают сквозь полупрозрачные слои пигмента. Поистине завораживающий образ, не так ли? В процессе нашего путешествия в прошлое мы еще обязательно вернемся к этому сюжету, но только чуточку позже.

В дальнейшем многие философы и мыслители Нового времени задумывались над тем, что же нам могут поведать эти концентрические круги на древесных спилах. Вот только вряд ли они могли представить, сколько удивительных историй о прошлом и настоящем могут рассказать нам деревья, хранящие память не только об эпидемиях и природных бедствиях, но и о судьбе чудесных предметов искусства. Эпоха Нового времени минула, так и не научившись общаться с прошлым на языке деревьев. Эти молчаливые свидетели истории начали говорить несколько позже, в XIX веке, когда наука и техника уже были готовы услышать голос растений, способный удовлетворить любопытство даже самого искушенного слушателя!

И правда, увидев вековой дуб, чей ствол не обхватить руками, редкий человек не задастся вопросом: а сколько же ему лет? Сто, двести, а может, тысяча? Что за люди его посадили, о чем они думали, в каком мире жили? Поразительно, но деревья могут поделиться с нами информацией не только о своем возрасте. Они могут ответить и на многие другие вопросы, нужно лишь научиться их правильно задавать. В этом нам и помогает дендрохронология – междисциплинарная наука, оперирующая данными, полученными путем анализа годичных колец. Со школьной скамьи нам известно, что кольца на стволе представляют собой своеобразный «паспорт» дерева. Многие отмечали для себя неоднородную структуру этого узора. Это своеобразный штрихкод, в котором записана некая информация. Остается подобрать ключ к этому шифру и найти способ его прочитать. Ключ же к расшифровке кроется в простой, но глубокой идее. Узор колец – это прямая реакция дерева на окружающий мир.

Для современной науки уже давно не секрет, что особенности развития организма сильно зависят от состояния среды, в которой он обитает. И деревья здесь, разумеется, не исключение. Леонардо был абсолютно прав, логика поэтапного нарастания годичных колец зависит от множества разнообразных по своей природе экологических факторов: температуры, влажности, солнечной радиации, концентрации углекислого газа в атмосфере, розы ветров, вулканической активности, минерального состава почвы и многих других. Этот список можно продолжать сколь угодно долго. А раз есть такая связь, то, проанализировав строение ныне живущих деревьев, можно сделать вывод и об условиях, в которых они произрастали в прошлые годы.

В 1833 году Александр Твининг обнаружил, что процессы нарастания колец у разных деревьев одного вида имеют общую закономерность. Стало быть, похожие друг на друга представители флоры одинаково реагируют на определенные изменения окружающей среды. Развивая свою идею, Твининг предложил использовать эту логику для реконструкции климатических условий, но к формированию стройной теории ему приблизиться не удалось. Это случилось несколько позже – ближе к середине ХХ века. И особенно примечательным в этой истории было то, что отцом-основателем науки о методах датировки событий и предметов по годичным кольцам стал вовсе не ботаник.

Американский астроном Эндрю Дуглас был первым, кто заметил, что развитие годичных колец очень тесно связано с циклами солнечной активности. Человек, всю жизнь изучавший звезды, вдруг заметил нечто поразительное: годичные кольца деревьев будто бы танцуют в ритме солнечной активности! Это было знаковым открытием, ведь климат в разных участках нашей планеты все же отличается. Это значит, что влияющих на рост обстоятельств должно быть очень много. Найти что-то общее в этом хаосе было действительно очень сложно. Но Дугласу это удалось. Благодаря его гению стало ясно, что все деревья чутко реагируют на глобальные ритмы природы.

Здесь стоит сделать небольшую ремарку. Не для формальности, а чтобы лучше прочувствовать, как сильно наука за последние сто лет повзрослела и обросла доказательными мышцами. Действительно, климат в Аризоне не похож на климат в Шотландии, а кустарник в тайге растет иначе, чем в степи. Влияющих факторов тут море. Дожди, ветры, пожары, извержения вулканов и многое, многое другое. Каждый вид реагирует на изменение окружающей среды по-своему. Собрать все это в одну стройную теорию казалось почти невозможным. Но Дуглас нашел ключ, им стало солнце. Оно, как дирижер, задавало единый ритм роста для всех деревьев на планете. Поэтому открытие ученого дало науке нечто большее, чем просто метод.

Оно дало уверенность: природа записывает историю, которую можно прочесть.

Конечно, сегодня ученые уже не сводят все к единому «солнечному знаменателю». Современная дендрохронология – это тонкая наука, где учитывают и тип почвы, и высоту над уровнем моря, и даже соседство с другими деревьями. Без этого ни одно серьезное исследование не обходится. Но тогда, в начале XX века, нужен был именно такой смелый, почти дерзкий шаг. Наука остро нуждалась в первом обобщении, которое объединило бы хаос наблюдений. И Эндрю Дуглас его сделал.

С момента публикации его первых работ минуло более сотни лет. Казалось бы, все уже давно должно быть открыто и сотни раз доказано. Особенно, если речь идет о такой на первый взгляд простой штуке, как деревья. Однако даже сейчас, в XXI веке, ученые не прекращают изучать влияние количества солнечных вспышек на хронологию годичных колец и совершают удивительные открытия. Для науки того времени это был настоящий фурор! Неудивительно, что, демонстрируя общественности разработанный им метод, Дуглас, как говорится, сразу зашел с козырей и разрешил один важный для североамериканской археологии вопрос.

Историкам долго не удавалось прийти к согласию в отношении возраста построек индейцев пуэбло на юго-западе США. Традиционный подход к датировке, основанный на анализе свойственной определенной археологической культуре керамики, давал весьма неточные результаты, поэтому выводы ученых «плавали» в диапазоне IX–XV веков н. э. Дендрохронология с ходу смогла дать четкий ответ: деревья, использованные коренными народами Америки для изготовления балок домов в Таос-Пуэбло, были срублены не ранее 1276, но и не позднее 1299 года н. э. Точно. Без «примерно». Без «возможно». Так наука впервые заговорила о прошлом с безоговорочной уверенностью [1].

Дуглас сделал столь блестящий вывод, опираясь на данные хронологии, построенной им на основе исследования желтой сосны (Pinus ponderosa) – типичного представителя флоры западных земель Северной Америки. Это растение живет долго, но все же его жизнь редко превышает период в 300–500 лет. А дома в Таос-Пуэбло возвели более шести сотен лет назад. Дуглас настаивал на этом. Так как же ученому-астроному удалось определить возраст построек, относящихся к XIII веку? Ведь он обязательно должен был бы столкнуться с пробелом в хронологии! Причем «слепое окно» в датировке по живым соснам было огромным, оно составляло как минимум сто лет. Настоящая пропасть, срок жизни нескольких поколений людей, особенно в те времена. Но, к счастью, науке удалось перешагнуть и ее.

На Земле есть живые деревья, чей возраст насчитывает более 4000 лет. Например, Мафусаил – остистая межгорная сосна (Pinus longaeva), произрастающая в США. Есть еще Прометей – представитель того же вида. Ну и еще пара деревьев и… и на этом все. Работать, по большому счету, не с чем. На такой скудной выборке построить достоверную шкалу нельзя, уж больно велика вероятность допустить ошибку. А статистика такое очень не любит. Получается, что наши возможности ограничены лишь относительно долгоживущими видами, вдобавок к тому еще и не образующими крупные популяции. Картина выходит довольно пессимистичной. К счастью, на деле все совсем не так. Стараниями настоящих властелинов годичных колец – ученых-дендрохронологов – с помощью деревьев мы можем заглянуть даже в доцивилизационные времена и стать свидетелями далеких, но очень ярких событий в человеческой истории. Растения сами дали нам для этого все необходимые инструменты.

Чтобы прочитать эту живую летопись, нужно сперва понять, как она создается. Под корой каждого дерева заключен сложный живой механизм, который каждый год добавляет к своей биографии новую главу. Историю здесь пишет крошечный, почти невидимый слой клеток под корой – камбий. Он работает тихо, незаметно, но невероятно точно, как часовой механизм природы. Камбий – настоящая мастерская роста. Расположенный между древесиной и лубом, этот слой состоит из молодых, гибких клеток, готовых в благоприятное время превратиться во что-то новое.

Весной, когда солнце пригревает, а почва наполняется влагой, камбий просыпается первым. Он начинает строить, и делает это быстро и энергично. У хвойных деревьев в это время рождаются крупные тонкостенные клетки. У лиственных – мелкие сосуды, аккуратные и плотные. Ботаники называют это ранней древесиной. А потом, ближе к лету, ритм меняется. Рост замедляется. Клетки становятся мельче, их стенки толстеют и набирают прочность. Так формируется поздняя древесина – плотная и темная. Ее появление знаменует окончание сезона роста.

Между весенним и летним слоями граница почти незаметна, есть лишь плавный переход. Его не так-то просто уловить. Но вот между концом одного года и началом следующего уже появляется четкая, хорошо заметная черта. Здесь клетки становятся совсем плоскими, толстостенными – как будто дерево ставит точку. Это терминальный слой, природный разделитель глав. Именно по нему ученые и считают годы: одно кольцо – один год. Просто, гениально, безошибочно (рис. 1).

Рис. 1. Поперечный срез ствола четырехлетнего лириодендрона (лат. Liriodendron) под микроскопом. Четко различима структура четырех годичных колец, разделенных слоями терминальной древесины. У лиственных пород деревьев клетки древесины образуют сложные узоры, уникальные для каждого вида: А – ранняя древесина; Б – поздняя древесина; В – терминальная древесина; 1–4 – годичные кольца. Круглые области – трахеи и трахеиды (сосуды), предназначенные для проведения воды. Последовательность крупных сосудов из ранней древесины и более мелких сосудов из поздней древесины создает четкую текстуру. Сосуды с крупной апертурой формируются в более благоприятные для роста периоды времени.

Источник: Berkshire Community College Bioscience Image Library (адаптация).

Но самое интересное начинается дальше. Годичные кольца дают науке не просто календарь. Кольцо получилось толстым? Значит, природа в тот год была щедра и год выдался теплым и достаточно влажным. На срезе за ним следует ряд тонких колец? Дерево тогда едва выжило, несколько лет оно боролось за жизнь, страдая от засухи или аномальных холодов. Так в каждом кольце сохраняется отпечаток климатических изменений, зафиксированный в древесине на века.

Особенно ярко эта летопись читается там, где времена года четко выражены. Чаще всего такое наблюдается в умеренных широтах[1]. Там весна – это всегда взрыв жизни, а зима – глубокий сон. В таких регионах дожди и солнце, жара и заморозки сменяют друг друга с хирургической точностью. Именно здесь деревья становятся лучшими хронистами Земли, молчаливыми и абсолютно беспристрастными. Для науки это невероятно ценно, ведь мы говорим об истории, которую, как известно, пишут победители. А проигравшим слова не дают. Но только не в нашем случае! Деревья не позволят фактам исчезнуть в тумане мифов, политических интриг или простой человеческой забывчивости. Они – архивы без цензуры, в которых не переписывают даты, не стирают неудобные факты, не сжигают страницы после смены власти. Классик говорил, что рукописи не горят, и воистину был прав! Особенно, если речь идет о летописи годичных колец.

Итак, деревья – наилучшие хранители правды. Их кольца не лгут, не скрывают, не приукрашивают. Но как превратить эту летопись в точные календарные даты? Годичные кольца нетрудно рассмотреть на поперечном срезе ствола и без всякой дополнительной техники определить возраст растения. Достаточно просто посчитать. Звучит очень просто, но что же это получается? Неужели ученые ходят по лесам с топорами наперевес и рубят вековые деревья в угоду своим публикационным целям? На самом деле нет. Безусловно, объектом внимания дендрохронологов часто становятся стволы давно срубленных растений, срубы домов или деревянные предметы материальной культуры, но и без изучения живых деревьев никак не обойтись. И тут на помощь приходит не топор, а тонкий, почти ювелирный инструмент – возрастной бур.

Это устройство, похожее на длинное шило с резьбой, аккуратно ввинчивается в ствол. Если его вытащить из дерева, то на выходе мы получим тонкий цилиндр древесины, не толще карандаша. Ни ран, ни рубцов, ни ущерба для дерева. Оно даже не заметит операции. А ученый получит полную летопись жизни растения, от самой сердцевины до коры. Каждое кольцо на месте, и по ним уже можно отсчитать года. Теперь-то и начинается самое захватывающее, ведь пазл еще нужно правильно собрать. Один образец – это лишь одна история. Чтобы иметь перед глазами достаточно полную картину происходивших событий, нужно собрать десятки, а то и сотни таких образцов. Логика здесь такая: деревья одного вида, с одного склона, из одного леса – все они пережили одно и то же лето, одну и ту же зиму. Поэтому их кольца будут «звучать» в унисон. А узор, созданный чередой колец, будет неповторим и уникален для каждой отдельно взятой популяции деревьев. Ведь двух одинаковых лесов просто не бывает.

Тут настает время второго акта в этой детективной истории, поскольку ученым надо четко сказать: «это произошло в таком-то году» (к примеру, «в 1482-м»). Здесь уже не «примерно в XV веке», не «где-то во время крестьянских восстаний». Здесь – точный год. Каждое кольцо получает свой календарный адрес: «весна 1815-го», «зима перед чумой 1346-го». Как? Да очень просто! Особенно если вы знаете, когда дерево перестало расти. Мы уже упоминали, что дендрохронология чаще всего имеет дело с деревьями, которые давным-давно перестали быть живыми. Сотни лет назад люди превратили их в балки средневековых замков, обшивку затонувших драккаров[2], корпуса скрипок или же в доски для живописных панно. Они мертвы, но их кольца все еще хранят память. Проблема в том, что без внешней привязки – без «якоря» – мы точно не знаем, где начинается отсчет. И тут нас выручит живое дерево. Это наш современник, свидетель, хранитель непрерывной летописи, отправная точка. Тем самым возрастным буром у него берут тонкий керн[3], а затем читают годичные кольца до самого последнего, самого свежего. Того, что сформировалось в прошлом году. Выполнив все эти манипуляции, мы уже точно можем сказать, где здесь «сегодня».

Дальше начинается настоящая магия науки. История начинает оживать. Ученый накладывает узор колец с живого дерева на узор с древней доски и ищет момент, где рисунок совпадает идеально: вот тут у всех деревьев региона есть тонкое кольцо – ага, засуха! Потом виден резкий скачок – это точно был теплый дождливый год. А потом снова спад. Нашел? Значит, у тебя перед глазами уже полноценный фрагмент истории. Теперь-то уже можно «пришить» древнюю доску к живому календарю и продлить хронологию дальше в прошлое. Как присоединить один кусочек пазла к другому. Этот способ называется перекрестной датировкой. Именно он превращает давно срубленное дерево в часы, которые тикают сквозь века. Без него штрихкод из годичных колец – это просто красивые полоски. С ним же каждое дерево становится точной машиной, дающей точную хронологическую карту событий былых лет. Продолжать действовать таким образом можно практически бесконечно, с каждым шагом погружаясь все глубже в прошлое (рис. 2).

Рис. 2. Перекрестное датирование. Ученые строят шкалу для датировки, основываясь на совпадении в узоре годичных колец с одинаковой толщиной, погружаясь в прошлое по цепочке «живые деревья → мертвые деревья → ныне существующие деревянные постройки → деревянные археологические памятники → окаменевшие деревья».

Таким образом ученые действуют со времен уже знакомого нам Эндрю Дугласа. Как-никак это он заложил фундаментальные принципы метода. А базисные вещи меняются редко. Астроном не зря обратил внимание на желтую сосну. Она широко распространена в землях Северной Америки. Поэтому немудрено, что индейцы использовал ее древесину в качестве строительного материала. Но вот беда – максимальный срок жизни растений этого вида не превышает 500 лет. Ученый был уверен, что Таос-Пуэбло появился раньше, и принялся искать способы справиться с проблемой. Проделав колоссальную работу, ему удалось найти перекрытие между «штрихкодами» ранних дат в хронологии живых сосен и поздними кольцами на бревнах из индейских построек. Временной мостик был построен, так что остальное уже было делом техники. Очень скоро Дуглас нашел совпадения между участками дендрошкал в самых разных поселениях коренных народов Америки и продлил свою хронологию почти на 2000 лет в прошлое, определив не только возраст Таос-Пуэбло, но и многих других археологических памятников в США [2].

Что же, появление принципа перекрестного датирования было по-настоящему значимым событием. Однако за поворотом специалистов уже ждал еще один научный перелом. Спустя 20 лет после опубликования первых работ Дугласа для «властелинов колец» поистине наступила новая эра. Открытие во втором десятилетии ХХ века явления изотопии предопределило будущее науки о датировании. Уран, свинец, калий, аргон и другие элементы стали отличными помощниками в определении возраста различных предметов. Но лучшим партнером для дендрохронологии стал углерод. Технология определения возраста старинных образцов органики была предложена Уиллардом Либби в 1946 году, так что у древесного метода датировки была небольшая фора по сравнению со своим «младшим братом». Дендрохронология, в отличие от радиоуглеродного датирования, Нобелевской премии не снискала. Первые работы по хронологии годичных колец появились все же раньше публикаций Дугласа. То есть еще до того, как Альфред Нобель составил свое знаменитое завещание. А по правилам фонда премию ученым посмертно не присуждают.

Такой исход может показаться несправедливым, но вот какая тут вышла ирония судьбы. Именно «старший брат», лишенный лавров и медалей, стал той самой опорой, без которой радиоуглеродный метод никогда бы не смог засиять так ярко! Прежде всего потому, что атомы, как оказалось, не всегда говорят правду. Или, точнее, кое-чего недоговаривают. Радиоуглеродный анализ дает нам цифры, но с некоторой долей погрешности. И ошибается порой на десятки, а то и на сотни лет. Чем глубже в прошлое, тем больше будет разбег дат. А что же деревья? Годичные кольца себе такой вольности не позволяют и всегда дают конкретный ответ. С точностью до года.

Чтобы понять, почему эти два метода прекрасно сработались, нужно заглянуть в саму природу жизни на нашей планете. Углерод – это ее основа. Из него построены все белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты, необходимые для передачи наследственной информации. Каждая клетка нашего тела, каждый лист на дереве, каждая бактерия в почве – все это собрано на основе углеродного скелета. Его атомы способны существовать в виде двух стабильных изотопов: углерод–12, углерод–13 (¹²С, ¹³С) и одного радиоактивного: углерод–14 (¹⁴С), который постоянно образуется в атмосфере Земли под воздействием космических лучей.

Как и стабильные собратья, радиоактивный изотоп вступает в реакцию с кислородом, образуя необходимый для фотосинтеза углекислый газ и фиксируясь в растениях. Наращивая свою биомассу, они становятся пищей для травоядных животных, на которых, в свою очередь, охотятся хищники. В результате этого поглощенный растениями радиоуглерод движется по пищевым цепям и накапливается абсолютно во всех живых организмах. Содержание стабильных изотопов углерода в биологических объектах после их смерти остается неизменным, а радиоактивный углерод–14 постепенно распадается. Следовательно, анализируя соотношение стабильного и радиоактивного углерода в древнем материале, можно сделать вывод о его возрасте на дистанции до 55 000 лет. Этот предел обусловлен тем, что примерно к этому времени количество углерода–14 в образцах становится настолько ничтожным, что его уже трудно измерить с достаточной точностью даже современными приборами [3].