Источник: журнал «Analog» №12(2)/1988

О долговязых и коротышках

Мы давно предполагали, что в мирах
с разной гравитацией живые организмы
будут расти иным образом – но насколько иным?

Скандал друга с прессой

В Великобритании интерес к космической науке очень невелик – что со стороны правительства, что со стороны средств массовой информации. Видимо, правительство интересуется лишь спутниками связи и «звёздными войнами», а средства массовой информации – катастрофами или пикантными сенсациями. Однако никто не мог предсказать тот миниатюрный шторм, что разразился в октябре 1987 года после открытия Института космической биомедицины при Шеффилдском университете, на котором присутствовали многие видные международные специалисты.
Начало делу положил репортаж Эндрю Вейча, медицинского корреспондента «The Guardian». Его колонка в номере от 21 октября была озаглавлена «Байка о людях, живущих на Луне».
И продолжало её такое заявление: «Люди на Луне будут особой расой: ростом 36 футов, с такими тонкими костями, что для отдыха на Земле им понадобятся камеры давления. Люди-марсиане, выросшие в условиях чуть большей гравитации, в сравнении с ними будут карликами ростом около 15 футов».
Вы можете спросить, кто же на земле или за её пределами был тем чудаком, который стоял за такими нелепыми заявлениями. Вейч в своём эксклюзивном интервью всё рассказал начистоту!
«Прогнозы, сделанные вчера специалистом в области космических исследований Лондонского университета доктором Ричардом Тейлором, приукрашены лишь слегка. Первые советские и американские эксперименты показывают, что люди быстро адаптируются к условиям на «Высоком рубеже». Но как именно – этого не знает никто».
После одного-двух абзацев о «свиньях в космосе» Вейч вернулся к предполагаемым прогнозам доктора Тейлора.
«Доктор Тейлор и другие ведущие специалисты в области космических исследований верят, что люди приспособятся к жизни в космосе».
«Звучит как шутка, но дети, родившиеся на Луне, могли бы вырасти до 36 футов в высоту. Дети на Марсе будут ростом 15 футов. Это те изменения, которых мы могли бы ожидать».

Я хорошо знаю Дика Тейлора; он любит хорошую шутку, и хотя его высказывания часто неортодоксальны, или даже возмутительны, они редко бывают некомпетентными. Он действительно оказался ещё одной жертвой избирательно цитируемых сообщений, поставленной в неловкое положение. Кому он нужен, этот новый институт: все хотели узнать о долговязых людях на Луне, и его телефон не умолкал целую неделю! Тейлор давал интервью различным теле- и радиостанциям и смог в какой-то степени прояснить ситуацию. Затем с ним связался Антон Антонович, научный корреспондент «Daily Mirror», одной из наших самых «популярных», то есть доступных по цене газет. Тейлор согласился дать интервью при условии, что его слова передадут точно.
Если сказать, что итоговая статья, появившаяся 6 ноября, была погоней за сенсациями в самом вопиющем виде – это не будет преуменьшением.
Заголовок гласил: «Его рост 15 футов, а ноги как у цыплёнка...»
Под ним, рядом с фотографией огромного худого гуманоида, смотрящего сверху вниз на американского астронавта, было напечатано жирным шрифтом: «ЭТО наш человек на Марсе? Да! – говорит наш лучший космический доктор!»
Антонович продолжал: «Представьте себе человеческое дитя, родившееся на Марсе. Он 5 футов ростом, с бочкообразной грудью и огромным сердцем, а ножки розовые и тонкие, как у цыплёнка».
«К тому времени, когда он станет взрослым, он вырастет в 15-футового гиганта».
«Представьте себе его двоюродного брата, родившегося на Луне, ростом 12 футов при рождении и обречённого быть в три раза выше, когда он станет взрослым».
«Они оба должны жить в огромных теплицах, чтобы защитить себя от суровых условий чужого мира снаружи. ...Что-то из области научной фантастики, сказали бы вы. Но нет, это будущее человеческой расы, или, по крайней мере, так считает ... специалист по космическим исследованиям доктор Ричард Тейлор».
Что же там дальше?
«Мы можем представить себе этих гигантских марсиан и лунатиков на куриных ножках».
«Если гравитация – это решающий фактор, то люди на Луне, где гравитация в шесть раз меньше земной, естественным образом выросли бы в шесть раз выше. … Это будет болезненное, трагическое развитие событий. Многие люди умрут калеками, прежде чем эволюция или генная инженерия всё сделают правильно».
И было ещё много подобных вещей, размазанных на всю страницу.
Я позвонил Тейлору в тот же день после обеда.
– Ужасно, правда? – сказал он, соглашаясь со мной. – Они вообще не сообщили почти ничего существенного из того, о чём я говорил; Институт был упомянут лишь один раз.
– Похоже, они просто перекроили оригинальную историю из «Guardian», – сказал я.
– Да, – голос Тейлор был слегка напряжённым, – я вообще не добился никакого прогресса.

Космос и «биологический барьер»

Однако я полагаю, что нам не следует слишком сурово относиться к прессе. Действительно, кажется, что для большинства людей науку следует размельчить почти до неузнаваемости, прежде чем они смогут её переварить. Однако читатели журнала «Analog» в такой помощи не нуждаются.
Вскоре я вернусь к тому, что на самом деле говорил Тейлор. Но для начала давайте рассмотрим, какое отношение космическая биомедицина имеет к будущему человеческой расы. Многие из вас, читающих это, вероятно, верят, что человеческая цивилизация не навсегда останется полностью привязанной к Земле. Однако в наших знаниях о физиологических изменениях, которые происходят у людей при пониженной или отсутствующей гравитации, пока существуют большие пробелы, и едва ли найдутся какие-то мысли о том, как их исключить. Возможно, что основными факторами, препятствующими быстрой колонизации Солнечной системы станут ограничения человеческой природы, а не ограничения, связанные с какой-то нашей техникой. Такой «биологический барьер» уже достигнут в авиационной промышленности, поскольку человеческая склонность терять сознание при ускорениях свыше пяти «же» означает, что современные истребители больше не могут летать на пределе своих возможностей. Таким образом, космическая биомедицина – это жизненно важная область исследований. Кратковременные проблемы, с которыми сталкиваются астронавты, включают морскую болезнь, перераспределение крови к верхней половине тела, что приводит к опуханию лица и истончению ног (отсюда цыплята Антоновича!), за которым следует обезвоживание и потеря от двух до четырех кг жидкостей организма. Однако они незначительны по сравнению с наблюдаемыми долгосрочными дегенеративными изменениями. К ним относятся хроническая потеря кальция в костях, ослабление мышц, медленное сокращение сердца, пороки развития красных кровяных телец и снижение эффективности иммунной системы. Ни Советский Союз, ни США не держали людей в космосе достаточно долго, чтобы узнать, стабилизируются ли какие-то из этих изменений, или же конкретно скелет в итоге полностью исчезнет. Естественно, чем дольше астронавт остаётся в космосе, тем труднее ему будет вернуться на Землю без серьёзного вреда для себя. На данный момент причины физиологической дегенерации, наблюдавшейся до настоящего времени, не поняты. Таким образом, космическая биомедицина до сих пор не может сказать нам, будут ли люди без опасности для себя переносить длительные космические путешествия в условиях микрогравитации, или астронавтам, возвращающимся из путешествия на Марс, будет угрожать опасность перелома костей, если они просто оттолкнутся от стенки своего космического корабля.
Также неизвестно, как эти изменения будут протекать в условиях пониженной, но ненулевой гравитации – например, на Луне и Марсе. Существует ли пороговое значение гравитации, ниже которого дегенерация протекает со скоростью, уже наблюдаемой при нулевом значении «же»? Или эффекты могут быть более линейными, причем скорость дегенерации является некоторой функцией местной гравитации? Равно как мы не осведомлены о том, как может протекать процесс роста и развития. Может быть, взрослые смогли бы жить на Луне вполне счастливо, но их дети выросли бы сильно изуродованными? Ответы на эти вопросы будут иметь далеко идущие последствия, поскольку либо мы сможем заселить базы на Луне и колонизировать Марс сами, либо для выживания в других мирах должны быть генетически спроектированы новые человеческие виды.

Что было сказано на самом деле

Это возвращает меня к тому, что сказал Тейлор на церемонии открытия Британского института космической биомедицины. Он был достаточно любезен, чтобы предоставить мне свой отчёт о беседе, где он размышлял о размерах, до которых могли бы вырасти люди, как на Луне, так и на Марсе.
Вейча особенно интересовала проблема роста. В ходе неё обсуждались различные проекты эмбрионального развития при нулевом значении «же», и они очаровали его. Однако он не смог понять в полной мере, почему считалось необходимым исследование того, как пониженная гравитация может повлиять на характер роста и развития, прежде чем люди смогут постоянно жить вдали от Земли.
Чтобы помочь ему наглядно представить, какого рода рассуждения лежат в основе программ космических биофизических исследований, Тейлор разработал следующее доказательство «мысленного эксперимента»:
Рассмотрим организм, скажем, человека, растущего на Земле. Размер нормального отдельного представителя человеческого вида определяется генетически и может варьировать в зависимости от генофонда, то есть, от расовой группы, в довольно широком, но не безграничном диапазоне – например, от 1,4 до 2,3 м. Это генетическое определение размеров тела означает, что в земных условиях люди не останавливаются в росте и не продолжают расти неограниченным образом.
Что побуждает любое отдельное человеческое животное прекратить рост? Мы не знаем этого наверняка, но, вероятно, здесь замешан целый комплекс факторов. Однако мы можем предположить, что у этого комплекса, вероятно, есть единственный, или основной, запускающий фактор. Наиболее очевидным механизмом ограничения размера особи было бы прекращение роста, когда усреднённая структурная нагрузка внутри животного достигает некоторого генетически предопределённого значения. Кости, из которых состоит скелет, представляют собой идеальную систему измерения нагрузок, поскольку они должны выдерживать нагрузки, создаваемые как весом животного, так и мышцами, которые обеспечивают напряжение, необходимое для связывания элементов анатомии животного воедино и его передвижения.
Так что, если мы предположим, что механизм роста, возможно, отключает именно специфическая комбинация веса и уровня мышечного напряжения, то мы можем задаться вопросом: «Что произошло бы с земным организмом, растущим в условиях пониженной гравитации? Будет ли он развиваться нормально и выживет ли?» Тейлор подчеркнул, что это важно, поскольку затраты даже на временную колонизацию Марса были бы настолько высокими, что, вероятно, туда направили бы только молодых, т.е. находящихся в возрасте размножения людей, чтобы у них была как можно более долгая «рабочая жизнь на Марсе». В этих обстоятельствах многие хотели бы вести нормальную семейную жизнь и иметь детей. Но смогли бы мы позволить такой риск?
Что же тогда может быть результатом изменения силы при изменении силы тяжести? Исключительно ради наглядности можно допустить значительное упрощение: мы можем игнорировать изменение мышечной нагрузки на скелет, которая меняется в зависимости от размера скелета. Таким образом, на Луне, где «же» составляет одну шестую земного значения, сигнал о «весовом» напряжении поступил бы в шесть раз позже, чем на Земле. Отталкиваясь от этого, можно было бы выдвинуть какие-то совершенно дикие предположения насчёт людей огромного роста и габаритов, но на самом деле предполагать, что это случится, было бы неверно. Прежде всего, на конечный размер организма влияют силы инерции и мышечные напряжения. Местное значением «же» не регулирует размер в сугубо линейной зависимости. Однако весь смысл здесь заключается в том, что значительное изменение сигнала «остановка роста», вызванное изменением значения «же», может вызвать серьёзное, возможно, даже смертельное искажение нормального характера роста.
Вейч спрашивал о росте на Марсе. Тейлор ответил, что, поскольку локальное значение «же» составляло почти две пятых от земного значения, гравитационный сигнал «остановки роста» должен быть дан в два с половиной раза позже, чем на Земле. Таким образом, опять можно было ожидать проявления определённого явно выраженного нарушения характера роста. Вейч спросил, означает ли это, что на Луне кости могут вырасти в шесть раз длиннее, а на Марсе более чем вдвое длиннее, чем на Земле? Тейлор ответил, что этого не случится. Такого серьёзного отклонения случиться не могло – естественно, оно было бы смертельным, будь это «реальное» возможное следствие более низкой гравитации. Увеличение роста в шесть раз на Луне и более чем двойной рост на Марсе были не «реальной» возможностью, а просто иллюстративным результатом грубого упрощения мысленного эксперимента.
Ну, о том, что случилось дальше, я вам уже рассказал... Редактор The Guardian счел «Байку о людях, живущих на Луне» достаточно захватывающей, чтобы её можно было опубликовать в качестве серьёзного рассуждения. Однако оба репортёра, охваченные энтузиазмом, упустили один момент, который сделал бы их статьи ещё более шокирующими. Если рост человека обратно пропорционален гравитации, то люди-колонисты, которые должны были поселиться в условиях более высокой гравитации, чем на Земле, скажем, на массивной планете земной группы возле ближайшей звезды, в итоге превратились бы в странных и весьма низкорослых бочкообразных существ. У этих «коротышек» было бы так же мало шансов выжить, как и у долговязых дылд, о которых говорилось выше.

Более реалистичное масштабирование

Какими бы абсурдными ни были эти примеры, они служат иллюстрацией сохраняющейся на данный момент определённой вероятности того, что люди, развивающиеся в инопланетной среде с иной местной гравитацией, будут страдать от существенных нарушений их физической формы. В процессе смены поколений люди и живые организмы, которых они привезли с собой, могут быстро приобретать адаптивные вариации в соответствии со своими размерами и формой, даже если не применять «обходной путь» в виде генной инженерии. Можно было бы ожидать, что такое внезапное эволюционное давление приведёт к появлению в роде Homo нового вида в каждом из мест колонизации, где местная гравитация заметно отличается от земной. Возможно, что этот процесс начнётся уже к концу следующего столетия.
Конечно, как заметил сам Тейлор, мысленный эксперимент с линейной зависимостью роста от гравитации был слишком простым для любой реальной ситуации. Вероятно, проблема роста настолько сложна, что одни лишь теоретические рассуждения вряд ли позволят сделать верные прогнозы того, как могут меняться масштабы роста и развития при различных «же». Тем не менее, нет ничего плохого в том, чтобы попробовать это сделать. Выполнив простой анализ размеров, я создал более «реалистичную» схему изменения размеров, в результате применения которой получаются гуманоиды скромных и «разумных» размеров, которые с меньшей вероятностью умрут вскоре после рождения, будучи изуродованными, или подвергнутся серьёзному риску разрушения тела.
Крупные наземные организмы, обитающие на суше, можно приблизительно описать следующим соотношением в относительных единицах:

модуль упругости × диаметр² = ускорение свободного падения × плотность × высота³

В виде формулы:

Ed² = постоянная gρl³

Установлено, что на Земле E и ρ, физические характеристики самих тканей, изменяются очень незначительно и могут считаться примерно постоянными; g, разумеется, также является фиксированной величиной. Таким образом, у нас остаётся квадрат диаметра, пропорциональный кубу высоты: d² ∝ l³. Это известно как закон квадрата-куба и отражает общее правило, согласно которому при сравнении различных организмов толщина меняется пропорционально высоте или длине, возведённой в степень 3/2. Вот почему дубы кажутся более массивными, чем ивы, а гориллы более коренастыми, чем гиббоны.
Однако мы также хотим, чтобы гравитация была переменной величиной. Таким образом:

g ∝ d² l^-3

Мы хотим разделить d и l, но простого решения нет. Однако это лишь предположение, и потому давайте согласимся с эмпирическим подходом, или «внутренним чутьём», и выведем соотношение, которое, как минимум, выглядит удовлетворительным (чего нельзя сказать о мысленном эксперименте Тейлора). Хорошим решением являются 1 ∝ g^-1/6 и d ∝ g^1/4. Значения l и d, полученные из этих пропорциональностей, подставленные в уравнение 3, возвращают исходное значение g. Теперь мы вывели ориентировочные соотношения масштабирования для длины и ширины, и можно вывести много других интересных параметров. Полный список приведён ниже.

Теперь у любого из вас, у кого есть калькулятор, способный работать с дробными степенями, должна быть возможность поэкспериментировать с формулами. Однако прежде чем сделать это, необходимо внести небольшое уточнение. Обратите внимание, что все формулы нормированы по отношению к 1 «же». При вставке значения g = 1 в любую из них ответ будет равен 1, и таким образом мы масштабируем пропорции относительно организма при l «же».
Что теперь происходит с нашими жителями Луны и Марса? Ввод в формулу длины g = 1/6 даёт коэффициент масштабирования 1,35; g = 0,4 даёт коэффициент масштабирования длины 1,16. Таким образом, мы получаем высоту около 8 футов и 7 футов соответственно, что гораздо разумнее, чем 36 футов и 15 футов, упомянутые в прессе! Здесь ещё интересно то, что эти два персонажа оказываются стройнее и обладают меньшей массой и мышечной силой, чем земные люди, чего и следовало ожидать.
В таблице номер один приведены коэффициенты масштабирования, рассчитанные для силы притяжения от 1/6 до 1,5 g. Это вероятный диапазон, с которым столкнутся первопроходцы-люди, когда человечество колонизирует Солнечную систему и близлежащие звёзды. Я провёл компьютерное моделирование формирования внесолнечных планетных систем, которое показывает, что массы пригодных для жизни планет будут составлять примерно 0,4-2,8 от массы Земли, а сила тяжести будет колебаться примерно от 0,7 до 1,5 g. На более тяжёлых планетах, как правило, наблюдается безудержное наращение массы газа, и они превращаются в непригодные для жизни мини-газовые гиганты; миры меньшего размера нуждаются в широкомасштабном терраформировании. Эти формулы нельзя использовать для предположений о том, как люди могли бы приспособиться к жизни на телах меньше Луны – на таких, как кометы и астероиды. При некотором малом значении «же» пропорциональность в изменении размеров неизбежно нарушается, поскольку при g = 0 длина становится бесконечной, а ширина – бесконечно малой, и это очевидная нелепость.

На иллюстрации показано, как могли бы выглядеть некоторые из этих «внеземных гуманоидов». Ни одна из их физических особенностей не выглядит сильно искажённой, и вы, думаю, согласитесь, что ни одна из них не выглядит невероятной по своей природе. Представленные мной правила масштабирования в зависимости от силы притяжения представляют собой хороший компромисс, позволяющий создавать организмы, которые не будут ни слишком высокими, ни слишком массивными. Станут ли они руководством к будущему внеземного человека или нет, я сказать не могу; я упростил или проигнорировал ещё многие факторы. Однако, похоже, что в гравитационных полях, которые заметно отличаются от 1 «же», гуманоиды с изменёнными размерами показали бы себя лучше в таких качествах, как ловкость или сила, по сравнению со своими земными собратьями.

Придётся ли нам ждать, пока изменения внесёт биологическая эволюция, или же достижения в области генной инженерии и некоторое ослабление наших угрызений совести позволят нам спроектировать и создать людей для условий иной гравитации – это станет ясно в течение следующего столетия. Ключом к разгадке является именно космическая биомедицина – дисциплина, которая существует большей частью в тени более блистательных астрономии и космонавтики. Нелишне напомнить и о том, что человечество, возможно, стоит на пороге крупного события видообразования, и что в ближайшие тысячелетия многочисленные и отличные друг от друга человеческие расы смогут вспоминать эту эпоху как время своего зарождения.

Перевод: Павел Волков, 2023 г.