В МИРЕ НАУКИ

ISSN 0208- 0621
В МИРЕ НАУКИ
SCIENTIFIC
AMERICAN
Издание на русском
О Ь п л о к
И
©
языке
Углеродный градиент
Полые углеродные мононити, каталитически выращенные на
субмикронных частицах железа, могут служить в качестве
подложки для получения углеродных волокон большего размера,
используемых в производстве композитов. Один из ученых
научно-исследовательских лабораторий фирмы General Motors
установил механизм роста таких нитей и выяснил, почему они
приобретают характерную форму.
К
РИС. 1. Микроэлектронное изображение поперечного сечения углеродного волокна, выращенного методом осаждения.
РИС. 2. Типичная углеродная мононить, выращенная из природного газа на железной частице-катализатору
РИС. 3. Схематическое изображение нити с
внутренним и внешним радиусами, зоной осаждения и базисными плоскостями графита на ее
внешней поверхности.
огда д-р Гари Тиббеттс, физик
из научно-исследовательских лабораторий фирмы General Motors, измерял скорость диффузии углерода в
железе, его тщательно спланированный эксперимент вдруг повел себя неожиданно. Он вводил углерод через
внутреннюю
поверхность
горячей
трубки из нержавеющей стали и одновременно удалял углерод с ее внешней
поверхности.
В конце одного из экспериментов
Тиббеттс обнаружил, что внутренняя
поверхность трубки была п о к р ы т а массой черных «ресничек». Сразу ж е удалось установить, что это графитовые
нити со всеми присущими кристаллическому графиту свойствами. Ответ и т ь же на вопрос о т о м , как они
образовались, б ы л о не просто. Ученому пришлось изменить направление
своих исследований и десять лет всецел о посвятить этому вопросу.
Нити, вызвавшие интерес у д-ра
Тиббеттса, состояли из концентриче-
ских слоев, образуемых в основном базисными плоскостями (0001) решетки
графита, и в поперечном сечении напоминали годовые кольца на срезе дерева
(рис. 1). Исследования показали, что
эти слои формируются в результате
осаждения углерода на пустотелой
центральной нити. Н и т ь на частице
металла образуется за счет каталитического действия последнего (рис. 2).
Э т и длинные, тонкие и совершенно
одинаковые нити стали наблюдать как
только появился электронный микроскоп. Д а т ь же убедительное объяснение механизма образования их полой
структуры никто не мог. Многие считали, что такая структура связана с
поверхностной диффузией углеродсодержащих молекул вокруг частицыкатализатора.
Тиббеттс предложил иную модель,
согласно которой а т о м ы углерода, образующиеся при разложении углеводородов, диффундируют через частицукатализатор и, осаждаясь в виде графита, в ы з ы в а ю т рост мононити. Процесс диффузии обусловлен градиентом
углерода — неодинаковой его концентрацией на адсорбирующей поверхности, где углерод осаждается (рис. 3).
Внешние поверхности этих углеродных полых цилиндриков образуются
базисными плоскостями графита, поскольку при температуре 970 °С эти
плоскости (0001) и м е ю т поверхностную свободную энергию, равную примерно 77 эрг/см 2 , а типичные поверхности, перпендикулярные базисн ы м плоскостям, и м е ю т поверхностную энергию в ы ш е 4000 эрг/см 2 .
П о э т о м у свободная энергия, необходим а я для роста нити, минимальна, когда внешняя поверхность создается
базисными плоскостями, как и наблюдалось в экспериментах.
Вся нить, таким образом, должна
состоять из скрученных, вставленных
друг в друга базисных плоскостей графита. Однако для скручивания этих
плоскостей в цилиндры в процессе
осаждения необходима дополнительная упругая энергия. Н и т ь остается полой, поскольку для скручивания плоскостей вблизи ее оси в цилиндр очень
малого диаметра потребовалась бы
слишком большая энергия.
В
модели д-ра Тиббеттса математическое описание общей энергии, необходимой для формирования
мононити, учитывает изменения химического потенциала ( Д в
процессе
осаждения а т о м а углерода из растворенной фазы, энергию, расходуемую
на образование поверхности, и энергию, затрачиваемую на скручивание
главных плоскостей в цилиндры.
Изменение химического потенциала
(Д/i), сопровождающее осаждение, выражается формулой:
Д/1=Д/ио - - 2 f f f i
го - п-
й
12(го -
2
rf)
ния углерода на ее внешней поверхности и получению макроскопического
волокна. Осажденный углерод имеет
высокую степень ориентации параллельно оси трубки, и э т о придает волокну исключительную жесткость.
Полученные таким способом волокна могут оказаться незаменимыми для
производства композитов из «рубленых» волокон и пластика, керамики,
металла или цемента в качестве связующего вещества. Отделение Delco
Products фирмы General Motors уже
приступило к строительству опытного
завода для отработки технологии получения дешевых волокон для различных целей м е т о д о м осаждения».
General Motors
1п(ло/г,),
где а — энергия, затрачиваемая на образование единицы площади плоскости (0001) графита; П — объем а т о м а
углерода в кристаллической решетке
графита; го и п — внешний и внутренний радиусы нити; Е — модуль нити;
а — расстояние между плоскостями.
Нить, сформированная на частицекатализаторе радиуса г 0 , будет иметь
такой радиус п, при котором Д/i максимально; фактически п м о ж н о рассчит а т ь путем максимизации Д/*. Расчет
дает результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными данными.
Понимание механизма роста полых
нитей явилось ключом к получению их
в большом количестве. «Теперь, — говорит Г. Тиббеттс, — нетрудно перейти к утолщению нити путем осажде-
MARK OF EXCELLENCE
КТО
ЕСТЬ
КТО
Д-р Гари Г. Тиббеттс — старший научный сотрудник физического отдела
научно-исследовательских
лабораторий фирмы General Motors. Закончил
физический факультет Калифорнийского технологического института, получил степени магистра и доктора
философии в области физики в Иллинойсском университете.
Сотрудником фирмы Тиббеттс стал
после двух лет постдокторантуры в
Техническом университете г. Мюнхена. За время р а б о т ы в научно-исследовательских лабораториях G M с 1969 г.
он занимался различными научными
проблемами — о т изучения механизма
образования углеродных нитей до физики поверхностей и исследования химических процессов осаждения из
паровой фазы. П о результатам собственных исследований и м написано окол о 40 научных статей.
Тиббеттс — член Американского
физического общества, Американского
общества по исследованию углерода, а
также Общества по исследованию материалов. В 1988 г. б ы л удостоен премии Кэмбелла фирмы GM. Живет в
Бирмингеме (шт. Мичиган), женат,
имеет трех дочерей.
В МИРЕ НАУКИ
Scientific American • Издание на русском
ИЛЛЮСТРИРОВАННЫЙ
языке
ЖУРНАЛ
П Е Р Е В О Д С А Н Г Л И Й С К О Г О • В Ы Х О Д И Т 12 Р А З В Г О Д • И З Д А Е Т С Я С Я Н В А Р Я 1 9 8 3 Г О Д А
МОСКВА
«МИР»
№ 10 - О К Т Я Б Р Ь 1989
В номере:
СТАТЬИ
( S c i e n t i f i c A m e r i c a n , A u g u s t 1 9 8 9 , V o l . 2 6 1 , N o . 2)
6 Испытания химических препаратов на токсичность: эксперименты
на животных и их альтернатива
Алан М. Голдберг, Джон М. Фрэзъер
И с п о л ь з о в а н и е ж и в о т н ы х д л я оценки б е з о п а с н о с т и химических в е щ е с т в
д о р о г о , т р е б у е т б о л ь ш о й з а т р а т ы в р е м е н и и все б о л ь ш е п о д в е р г а е т с я к р и т и к е
обществами з а щ и т ы прав животных. Применение альтернативных методов
позволит обойти эти проблемы
14 Грандиозная Сверхновая 1987 года
Стен Вусли, Том Уивер
23 ф е в р а л я 1987 г. а с т р о н о м ы увидели к р у п н ы м п л а н о м к а т а с т р о ф и ч е с к у ю
гибель массивной звезды. Разносторонние наблюдения этого события
позволили проверить существующую теорию и преподнесли новые загадки
23 Жесткое рентгеновское
Р.А. Сюняев
излучение
Сверхновой
1987А
28 Как вирусы влияют на функционирование клеток
Майкл Б. А. Олдстоун
Н е к о т о р ы е в и р у с ы в л и я ю т на с п о с о б н о с т ь о п р е д е л е н н ы х к л е т о к п р о и з в о д и т ь
гормоны и нейромедиаторы. Причиной многих нарушений деятельности
р а з л и ч н ы х ж е л е з и д р у г и х о р г а н о в м о г у т б ы т ь п е р с и с т е н т н ы е инфекции,
вызываемые такими вирусами
36 Спаривание у древесных сверчков
Дейвид X. Фанк
У сверчков пение — э т о п р е л ю д и я к у д и в и т е л ь н о м у к о м п л е к с у поведенческих
реакций, связанных с размножением
44 Метаморфоза обработки информации
Дейвид Гелернтер
Процессы преобразования о т д е л ь н ы х фактов в систему знания все б о л ь ш е
о п и р а ю т с я на эффективные и нетривиальные средства параллельного
программирования
54 Мышцы среднего уха
Эрик Борг, С. Аллен Каунтер
К о г д а человек говорит или поет, а т а к ж е когда на него воздействует громкий
ш у м , к р о х о т н ы е м ы ш ц ы за барабанной перепонкой непроизвольно
сокращаются,. Э т а нервно-мышечная « к о н т р о л ь н а я система» з а щ и щ а е т
слуховой а п п а р а т о т перегрузок и позволяет лучше распознавать звуки
62 Письменность майя
Дейвид Стюарт, Стивен Д. Хьюстон
Индейцы м а й я имели с а м у ю р а з в и т у ю систему письма в д о к о л у м б о в о й
Америке. В последнее десятилетие ученые наконец смогли прочесть т е к с т ы
майя, что позволило з а п о л н и т ь значительные пробелы в наших знаниях об
этой цивилизации
70 Долгие дебаты о возрасте Земли
Лоуренс Бадаш
За последние т р и с т о л е т и я в ходе спора, в к о т о р ы й б ы л и вовлечены
архиепископ Асшер, Д ж е й м с Х а т т о н , л о р д Кельвин, Эрнест Резерфорд,
Б е р т р а м Б о л т в у д и А р т у р Х о л м с , в о з р а с т Земли увеличился до 4,6 м л р д . л е т
РУБРИКИ
5 Об авторах
27 50 и 100 лет назад
13, 35, 52,
76, 82, 88, 94 Наука и общество
78 Наука вокруг нас
84 Занимательный компьютер
90 Книги
102 Эссе
103 Библиография
SCIENTIFIC
AMERICAN
На
обложке
Jonathan Piel
EDITOR
Harry Myers
PRESIDENT AND
PUBLISHER
B O A R D OF E D I T O R S
Armand Schwab, Jr.
Timothy Appenzeller
Timothy M. Beardsley
John M.Benditt, Laurie Burnham
Elizabeth Corcoran
Gregory R.Greenwell
John Horgan, June Kinoshita
Philip Morrison ( B O O K E D I T O R )
Tony Rothman,Ricki L. Rusting
Russel Ruthen, Paul Wallich
Karen Wright
Samuel L.Howard
ART
DIRECTOR
Richard Sasso
D I R E C T O R OF
PRODUCTION
SCIENTIFIC AMERICAN,
Claus-Gerhard Firchow
PRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE
INC.
Г Р А Н Д И О З Н А Я СВЕРХНОВАЯ 1987 ГОДА
Н а о б л о ж к е и з о б р а ж е н ы с т а д и и э в о л ю ц и и С в е р х н о в о й 1987А, с а м о й я р к о й
за 383 г о д а (см. с т а т ь ю : С . Вусли и Т . У и в е р а « Г р а н д и о з н а я С в е р х н о в а я 1987 год а » н а с. 14). В с п ы ш к а э т о й з в е з д ы п о к а з а н а с м о м е н т а , к о г д а я д р о г о л у б о й
з в е з д ы - п р е д ш е с т в е н н и ц ы в з о р в а л о с ь , генерируя и м п у л ь с в ы с о к о э н е р г и ч н ы х
ч а с т и ц и у д а р н у ю в о л н у , к о т о р ы е р а з р у ш и л и звезду. Ч е р е з несколько недель
н а г р е т о е у д а р н о й в о л н о й в е щ е с т в о ее о б о л о ч к и р а с ш и р и л о с ь и о х л а д и л о с ь ,
п р и о б р е т а я к р а с н ы й о т т е н о к ; в течение м е с я ц а о б о л о ч к а п р е в р а т и л а с ь в р а з р е женное облако, «подсвечиваемое» радиоактивным распадом.
OFFICER
Georg-Dieter von Holtzbrinck
CHAIRMAN
OF THE
BOARD
Gerard Piel
CHAIRMAN
EMERITUS
© 1989 by Scientific American, Inc.
Товарный знак Scientific American,
его текст и шрифтовое оформление
являются исключительной собственностью
Scientific American, Inc.
и использованы здесь в соответствии
с лицензионным договором
Иллюстрации
ОБЛОЖКА: G e o r g e V. Kelvin
СТР. АВТОР/ИСТОЧНИК
7 S. V a r n e d o e
В МИРЕ
НАУКИ
ГЛАВНЫЙ
РЕДАКТОР
С.П.Капица
ЗАМЕСТИТЕЛЬ ГЛАВНОГО
РЕДАКТОРА
Л.В.Шепелева
НАУЧНЫЕ
РЕДАКТОРЫ
З.Е. Кожанова, О. К. Кудрявов,
Т.А.Румянцева, A.M.Смотров,
А. Ю. Краснопевцев
ЛИТЕРАТУРНЫЕ
8 Patricia J . W y n n e
15 David F. Malin,
Anglo-Australian
Observatory
РЕДАКТОРЫ
РЕДАКТОР
17 J o h n Maduell,
Lawrence
Livermore
National
Laboratory
С. К.Аносов
РУКОВОДИТЕЛЬГРУППЫ
ФОТОНАБОРА
B.C. Галкин
ТЕХНИЧЕСКИЙ
РЕДАКТОР
A. В. Л ы т к и н а
КОРРЕКТОР
Р. Л.Вибке
ОФОРМЛЕНИЕ ОБЛОЖКИ РУССКОГО ИЗДАНИЯ
М.Г.Жуков
ШРИФТОВЫЕ
РАБОТЫ
B. В. Ефимов
АДРЕС
РЕДАКЦИИ
129820, Москва, ГСП, 1-й Рижский пер., 2
ТЕЛЕФОН
РЕДАКЦИИ
286.2588
18
" -20 G e o r g e V. Kelvin
21 A r t h u r Franceschi,
Lawrence
Livermore
National
Laboratory;
G e o r g e V. Kelvin
(справа
вверху)
22 G e o r g e V. Kelvin
© перевод на русский язык
и оформление, «Мир», 1989
29 U P I / B e t t m a n n
Newsphotos
30 T o m Prentiss
(вверху),
Michael
B.A. Oldstone
(внизу)
9 Clonetics
Corporation
(вверху
слева),
J o s e p h Leighton,
31 —32
Medical College of
33
Pennsylvania
(вверху
справа),
S. V a r n e d o e
38—43
{внизу)
45
10—12 P a t r i c i a J. W y n n e
М.В.Суровова,
Н.А. Вавилова
ХУДОЖЕСТВЕННЫЙ
.
T o m Prentiss
Michael B . A .
Oldstone
David H . F u n k
The Bettmann
Archive
46—50 A n d r e w Christie
55 C a r o l D o n n e r
56 S. Allen C o u n t e r
(вверху),
Gabor
Kiss (внизу)
57 G a b o r Kiss
58 Cherly A . S w i n d o l l
(вверху);
Berit
Engstrom, Agneta
Viberg, Karolinska
Instutute
(внизу)
59, 60 C a r o l D o n n e r
63 M u s e o Nacional
de A n t r o p o l o g i a ,
Mexico City
64—67 Michael G o o d m a n
68 G e o r g e Stuart
6 9 Michael G o o d m a n
71 Director of t h e
British Geological
Survey
72 J o h n n y J o h n s o n
73 S. P . T h o m p s o n
(вверху
слева),
Otto Hahn
(вверху
справа),
Yale University
Library (внизу
слева), Mrs.
Arthur Holmes
(внизу
справа)
74 Q u e s a d a / B u r k e
(слева),
Bruce
C o l e m a n Inc.
(справа)
79—81 Michael G o o d m a n
84 David G r i f f e a t h ,
University of
Wisconsin at
Madison
85 E d w a r d Bell
(вверху),
David
G r i f f e a t h (внизу)
86 David G r i f f e a t h
0б aвmoрах
Alan M. Goldberg, John M. Frasier
"Alternatives to Animals in Toxicity Testing" ( А Л А Н M. Г О Л Д Б Е Р Г , Д Ж О Н
M. Ф Р Э З Ь Е Р « И с п ы т а н и я химических препаратов на токсичность: эксп е р и м е н т ы на ж и в о т н ы х и их альтернатива») ведут совместную р а б о т у в
Ц е н т р е по изучению в о з м о ж н о с т е й
з а м е н ы экспериментов на ж и в о т н ы х
при Университете Д ж о н с а Гопкинса.
Голдберг — директор э т о г о центра.
Ранее р а б о т а л в комиссии по изучению в о з м о ж н о с т е й замены эксперим е н т о в на ж и в о т н ы х Б ю р о по оценке
технологических р а з р а б о т о к при конгрессе США; недавно с т а л членом совета И н с т и т у т а по разведению лабораторных животных Национальной
академии наук С Ш А . Фрэзьер — дир е к т о р л а б о р а т о р и и токсикологических исследований in vitro; последнее
время занимается р а з р а б о т к о й м е т о дов количественного определения гибели клеток в культуре.
т о л о г и и и нейробиологии в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
David Н. Funk " T h e Mating of Tree
Crickets" ( Д Е Й В И Д X . Ф А Н К «Спаривание у древесных сверчков») интересуется н а с е к о м ы м и еще с т р е т ь е г о
класса ш к о л ы , когда начал собирать
свою первую коллекцию, путешествуя с р о д и т е л я м и по ш т . Д ж о р д ж и я .
П р о д о л ж а я коллекционировать насек о м ы х , основную часть своего досуга
на п р о т я ж е н и и последних 10 лет он
посвящает ф о т о г р а ф и р о в а н и ю насек о м ы х и наблюдениям за ними в ночное время в окрестностях своего д о м а
на юго-востоке ш т . Пенсильвания.
Фанк получил степень бакалавра в области энтомологии в Делавэрском
университете и р а б о т а е т в качестве энт о м о л о г а в Центре по изучению водных ресурсов в Страуде при Академии
естественных наук в Филадельфии.
Stan Woosley, Tom Weaver "The Great
Supernova of 1987" ( С Т Е Н В У С Л И ,
T O M У И В Е Р « Г р а н д и о з н а я Сверхновая 1987 года») сотрудничают более
15 л е т в о б л а с т и исследований эволюции и в з р ы в о в звезд, а т а к ж е происхождения * химических
элементов.
Вусли — профессор а с т р о н о м и и и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крусе, декан факульт е т а а с т р о н о м и и и астрофизики; является т а к ж е членом Группы общих
исследований физического о т д е л а Л о уренсовской национальной л а б о р а т о рии в Л и в е р м о р е . Интересуется всем,
что взрывается. Уивер возглавляет
Группу общих исследований в Ливерм о р е и является г л а в н ы м специалист о м по П р о г р а м м е рентгеновского
лазера. К р о м е астрофизики и к о р о т коволновых лазеров он изучает управл я е м ы й т е р м о я д е р н ы й синтез и нелинейную динамику. Другие занятия
Уивера в к л ю ч а ю т йогу, айкидо и бег
по пересеченной местности.
David Gelernter " T h e Metamorphosis
of Information Management" ( Д Е Й ВИД ГЕЛЕРНТЕР
«Метаморфоза
о б р а б о т к и информации») — профессор и н ф о р м а т и к и в Йельском университете. П о т р е б н о с т ь в дополнительных вычислительных м о щ н о с т я х , нео б х о д и м ы х для реализации с л о ж н ы х
п р о г р а м м н ы х систем, привела его к
идее о п а р а л л е л ь н ы х вычислениях.
Вместе со своими коллегами он разраб о т а л систему параллельного прог р а м м и р о в а н и я « Л и н д а » , к о т о р а я , по
мнению разработчиков, будет удачн ы м средством для создания сложного п р о г р а м м н о г о обеспечения. В настоящее время Гелернтер занимается
к о н к р е т н ы м и приложениями параллельных систем. Он закончил Йельский университет, а д о к т о р с к у ю диссертацию по и н ф о р м а т и к е з а щ и т и л в
Университете ш т . Н ь ю - Й о р к в С т о ни-Брук. С т а т ь я Д . Гелернтера «Современное п р о г р а м м и р о в а н и е » б ы л а
опубликована в журнале «В м и р е науки» в № 12 за 1987 г.
Michael В.A. Oldstone "Viral Alteration of Cell Function" ( М А Й К Л Б. A .
О Л Д С Т О У Н «Как вирусы в л и я ю т на
функционирование клеток») возглавляет л а б о р а т о р и ю вирусной иммунобиологии на кафедре иммунологии и
нейрофармакологии Скриппсовского
клинического и
научно-исследовательского фонда в Л а - Х о л ь я ( ш т . Калифорния). Получил степень бакалавра в Университете ш т . А л а б а м а в
1954 г., степень д о к т о р а медицины в
Медицинской школе Мэрилендского
университета в 1961 г. С 1969 г. работ а е т в Скриппсовском фонде; кроме
т о г о , с 1972 г. является д о ц е н т о м па-
Erik Borg, S. Allen Counter "The
Middle-Ear Muscles" ( Э Р И К Б О Р Г ,
С. А Л Л Е Н
КАУНТЕР
«Мышцы
среднего уха») с давних пор сотруднич а ю т в изучении роли м ы ш ц среднего
уха и физиологии ствола м о з г а . Борг
возглавляет Отдел аудиологии и отологии Королевской клиники в Стокгольме, а т а к ж е л а б о р а т о р и ю по эксп е р и м е н т а л ь н ы м и клиническим исследованиям нарушений слуха в К о ролевском институте. Магистерскую
степень получил в Королевском медицинском и н с т и т у т е в 1973 г. Каунтер — нейрофизиолог, р а б о т а е т в
Массачусетской больнице общего ти-
па. Д о к т о р с к у ю степень получил в
Университете Кейса в 1970 г. В настоящее время изучает в о з м о ж н о с т ь диагностического использования электрофизиологических т е с т о в — потенциалов, возникающих в стволе мозга,
а т а к ж е акустического рефлекса стременной м ы ш ц ы для выявления неврологических расстройств. К р о м е всего,
К а у н т е р занимает пост директорараспорядителя Гарвардского фонда.
David Stuart, Stephen D. Houston
"Maya Writing" ( Д Е Й В И Д С Т Ю А Р Т ,
С Т И В Е Н Д . Х Ь Ю С Т О Н «Письменность майя») — проводят совместные исследования майяской письменности. Дейвид С т ю а р т окончил в
э т о м году Принстонский университет
и намерен приступить к р а б о т е на соискание ученой степени в У ниверситеге В а н д е р б и л т а .
В течение нескольких последних сезонов археологических раскопок исследовал надписи в Копане (Гондурас). В 1984 г. за
свою р а б о т у по расшифровке майяской иероглифики б ы л награжден пятигодичной
премией-стипендией
М а к а р т у р а . Стивен Х ь ю с т о н — ассистент на кафедре а н т р о п о л о г и и в
университете Вандербилта. Защитил
д о к т о р с к у ю диссертацию по а н т р о п о логии в Й е л ь с к о м университете в
1987 г., посвященную политике Петешбатуна в Гватемале. Некоторые
п р о б л е м ы , п о д н я т ы е в его диссертации, будут исследованы в последующие п я т ь л е т в ходе раскопок четырех
или пяти классических городов м а й я в
районе П е т е ш б а т у н а , к о т о р ы е Хьюстон п р о в о д и т вместе со своими коллегами.
Lawrence Badash "The Age-of-theEarth Debate" ( Л О У Р Е Н С Б А Д А Ш
« Д о л г и е д е б а т ы о возрасте Земли») — профессор истории естествознания Калифорнийского университет а в С а н т а - Б а р б а р е . Получил образование в Политехническом и н с т и т у т е в
Ренселере и Йельском университете,
где в 1964 г. ему б ы л а присуждена докторская степень. Основные научные
интересы связаны с выявлением поли
ученых в создании а т о м н о г о ор>жия,
а т а к ж е с историей изучения радиоактивности и развития ядерной физики.
В свободное время Б а д а ш с р ю к з а к о м
за спиной совершил путешествие по
в ы с о к о г о р ь я м Калифорнии,
Гималаям и А л ь п а м ; он входит
в состав поисковой горно-спасательной
команды.
П р о д о л ж е н и е см. на с. 104.
Испытания
химических препаратов
на токсичность: эксперименты
на животных и их альтернатива
Использование животных для оценки безопасности химических
веществ дорого, требует большой затраты времени и все больше
подвергается критике обществами защиты прав животных.
Применение альтернативных методов позволит обойти эти
проблемы
А Л А Н М. Г О Л Д Б Е Р Г , Д Ж О Н М. Ф Р Э З Ь Е Р
АЖДЫЙ год тысячи химических веществ
подвергаются
с т р о г о й проверке на токсичность. П о ч т и все такие и с п ы т а н и я
п р о в о д я т на ж и в о т н ы х , поскольку по
реакции крыс, кроликов и м ы ш е й на
химические а г е н т ы о б ы ч н о м о ж н о
весьма т о ч н о п р е д с к а з ы в а т ь их воздействие на о р г а н и з м человека. Введение в С Ш А в 1920-х годах проверки
на ж и в о т н ы х б ы л о б о л ь ш и м д о с т и жением в испытаниях п р е п а р а т о в на
токсичность, а последовавшие за
э т и м д е б а т ы об использовании жив о т н ы х ограничивались о т с у т с т в и е м
иных в о з м о ж н о с т е й .
В последнее десятилетие споры относительно проверки токсичности цел и к о м на ж и в о т н ы х очень о б о с т р и лись. Поскольку защитники ж и в о т ных осудили т о , что м и л л и о н ы животных подвергаются страданиям,
производители химических веществ
стали п р о я в л я т ь беспокойство по поводу з а т р а т и трудностей, связанных
с и с п ы т а н и я м и на ж и в о т н ы х . М е ж д у
т е м случаи заболеваний, к о т о р ы е
имели м е с т о при употреблении, например, т а л и д о м и д а , послужили напоминанием общественности и конт р о л ь н ы м о р г а н а м о риске поступления в п р о д а ж у опасных химических
веществ. В о т в е т на эту озабоченн о с т ь токсикологи начали поиски
иных путей и с п ы т а н и я препаратов.
Их исследования д а л и новую м е т о д о л о г и ю — проверку на токсичность
in vitro. В буквальном с м ы с л е in vitro
значит "в стекле", т . е. "в пробирке",
но в биологии э т о т т е р м и н имеет более широкий с м ы с л , обозначая исследования, в к о т о р ы х не используются
и н т а к т н ы е высшие ж и в о т н ы е . Иссле-
К
дование in vitro включает применение
н а б о р а ж и в ы х систем — бактерий,
культур ж и в о т н ы х клеток, о п л о д о т воренных куриных яйцеклеток, эмбрионов лягушки, — к о т о р ы е м о г у т
с л у ж и т ь для оценки токсичности химических веществ в организме человека. Е с т ь н а д е ж д а , что в конце концов
появится в о з м о ж н о с т ь п р о в о д и т ь исп ы т а н и я на культурах человеческих
клеток из различных органов и т к а ней, ч т о в лучшей степени и м и т и р о в а л о б ы воздействие химического вещ е с т в а на человека.
Введению и с п ы т а н и й in vitro способствовало
несколько
факторов.
Один из них — развитие самой токсикологии. Сегодня исследователи гор а з д о лучше п о н и м а ю т , как начинаю т с я токсикологические процессы и
как проявляется токсическое действие, и для завершения эксперимента
необязательно, ч т о б ы ж и в о т н о е неприменно заболевало или у м и р а л о .
Д р у г о й ф а к т о р — технологические
д о с т и ж е н и я последних нескольких
л е т . Н о в ы е в о з м о ж н о с т и в культивировании клеток и т к а н е й , в м е т о д а х и
средствах их анализа п о з в о л я ю т изуч а т ь т о к с и ч н о с т ь с высокой т щ а т е л ь н о с т ь ю и т о ч н о с т ь ю на к л е т о ч н о м
уровне, а не на уровне организма.
Однако на пути токсикологических
исследований немало существенных
препятствий. Во-первых, есть чисто
технические т р у д н о с т и : ни единичное, ни комбинированное испытание
in vitro пока не м о ж е т достичь т о й
комплексности взаимодействий, кот о р а я свойственна организму ж и в о т ного. Н е к о т о р ы е из препятствий обусловлены бюрократическими причинами: не установлено критериев д л я
утверждения м е т о д о в и с п ы т а н и й in
vitro или для применения р е з у л ь т а т о в
этих испытаний в оценке испытаний
in vivo, т . е. на ж и в о т н ы х .
М ы полагаем, что и с п ы т а н и я in
vitro со временем п р е о д о л е ю т эти
трудности. Уже имеются протоколы
испытаний in vitro, к о т о р ы е м о г у т дополнить распространенные в настоящее время м е т о д ы и т а к и м о б р а з о м
у м е н ь ш и т ь количество испытаний на
ж и в о т н ы х . У ж е пора начать планиров а т ь пути введения м е т о д о в in vitro в
проверку токсичности
химических
препаратов в целом.
П
РОВЕРКА токсичности — один
из двух главных элементов оценки риска, заключающейся в т о м , что
новые вещества оцениваются по их
потенциальному в л и я н и ю на здоровье и благополучие человека. Другой элемент — оценка воздействия,
т . е. т о г о , какое количество людей
подвергается действию данного химического агента, в каких концентрациях, в течение какого времени и в каких условиях. Химическое вещество
представляет значительный риск, если существует в е р о я т н о с т ь его воздействия на человека в количествах,
д о с т а т о ч н ы х для неблагоприятного
эффекта.
П р о в е р я т ь на токсичность необход и м о новые химические вещества,
п о с т у п а ю щ и е в продажу; известные
вещества, если они п р е д л а г а ю т с я для
использования в новом качестве; новые смеси из известных или новых
компонентов. Такие и с п ы т а н и я имею т двоякую цель. Во-первых, идентифицируется риск, т . е. о п р е д е л я ю т с я
п о т е н ц и а л ь н ы е н е б л а г о п р и я т н ы е эф-
ОКРАШИВАНИЕ нейтральным красным позволяет определить влияние х и м и ч е с к о г о агента на клетки в культуре.
Клетки и испытываемое вещество в различных концентрациях помещают в ячейки пластины вместе с красителем.
Его поглощают только ж и в ы е клетки, поэтому те образцы,
в которых проверяемое соединение не причинило вреда,
окрашиваются в розовый цвет, а те, в которых клетки погибли, остаются светлыми.
фекты воздействия данного химического агента на организм человека
(рак, поражение почек, нарушение репродуктивной функции и т . д.). Вовторых, получают данные для количественной оценки — определяют зависимость "воздействие — о т в е т " у
человека и других организмов.
Зависимость "воздействие — ответ"
описывает вероятность развития специфической неблагоприятной реакции организма как функции воздействия химического вещества. Считается, что такая
зависимость существует для каждого
потенциально неблагоприятного эффекта, установленного при идентификации
риска, связанного с данным веществом.
Однако эта зависимость может изменяться; на нее влияют способ введения
химического вещества (через пищеварительный тракт, при дыхании или контакте с кожей), возраст, наследственные
факторы и характер питания человека,
подвергшегося воздействию. Примером
определения
зависимости
"воздействие — ответ" может служить определение LD50 (от англ. lethal dose — летальная доза). Этот метод оценки острого поражающего действия химического агента был разработан в 1920-х годах
для определения активности наперстянки и других лекарственных препаратов,
СТАНДАРТНЫЕ МЕТОДЫ ПРОВЕРКИ
Т О К С И Ч Н О С Т И НА Ж И В О Т Н Ы Х
ОСТРЫЕ, ХРОНИЧЕСКИЕ И СУБХРОНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Определяется влияние испытываемого препарата
на состояние здоровья и смертность в подопытной группе
особей, подвергающихся его воздействию в течение
различных периодов времени
ПРОВЕРКА ВЛИЯНИЯ НА РАЗМНОЖЕНИЕ
Оцениваются изменения фертильности и плодовитости
в результате воздействия испытываемого вещества
ПРОВЕРКА ВЛИЯНИЯ НА РАЗВИТИЕ
Анализируются аномалии плода или новорожденного,
развивающиеся в результате воздействия испытываемого
вещества
ПРОВЕРКА НА СПОСОБНОСТЬ ВЫЗЫВАТЬ ВОСПАЛЕНИЕ,
РАЗДРАЖЕНИЕ КОЖИ ИЛИ ГЛАЗ
Определяется воспалительная реакция и степень
раздражения, возникающие в результате воздействия
испытываемого вещества
ПРОВЕРКА НА СПОСОБНОСТЬ ВЫЗЫВАТЬ
ИММУНОЛОГИЧЕСКУЮ СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Анализируется аллергическая реакция (сыпь и др. явления),
развивающаяся в результате воздействия испытываемого
вещества
ПРОВЕРКА ФОТОТОКСИЧНОСТИ
Определяется степень активации (усиления токсичности)
испытываемого вещества под влиянием солнечного
света
ТОКСИКОКИНЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучаются поглощение испытываемого вещества, его
распределение в тканях, метаболизм, накопление и
выведение из организма
ПРОВЕРКА ВЛИЯНИЯ НА ПОВЕДЕНИЕ
Изучается влияние испытываемого вещества на память,
способность к научению и др. когнитивные функции
в процессе развития и у взрослых особей
получаемых из биологических объектов.
Он дает статистическую величину дозы
вещества, вызывающей гибель 50%
подопытных животных (см. иллюстрацию на с. 10). Сравнение значений LD50
для различных веществ дает величину
относительной токсичности. Разновидностью показателя LD50 является ED50
(от англ. effective dose — эффективная
доза), в котором определяется доза вещества, вызывающая не смерть, а
неблагоприятный эффект у 50% подопытных особей.
В настоящее время широко используются другие классические показатели, в частности показатели Дрейза
раздражения глаза и кожи. Д ж . Дрейз
из Управления по контролю качества
пищевых продуктов, медикаментов и
косметических средств США в 1940-х
годах разработал стандартную процедуру оценки раздражающего действия химического агента на кролика.
Установленную дозу испытываемого
вещества (0,1 мл жидкости или 0,1 г
твердого вещества) вводят в один
глаз животного и по определенной
методике измеряют его раздражение;
другой глаз служит контролем. Д л я
измерения раздражения кожи участок
кожи кролика выбривают и наносят
на него испытываемое вещество. В
обоих методах оценка степени раздражения и воспаления производится
по специфическим критериям.
О
ПРЕДЕЛЕНИЕ величины LD50 и
показателей Дрейза — наиболее
известные общественности м е т о д ы
проверки токсичности и о них-то чаще
всего говорят защитники прав животных. Но действие химических веществ
на живой организм изучается обычно
путем многих различных испытаний
in vivo, в число которых входят не
только проверка острого поражающего действия, какой является определение LD50, но т а к ж е наблюдение
хронического и субхронического эффектов, которое м о ж е т продолжаться от двух недель до двух лет. Такие
наблюдения д а ю т информацию о механизме действия, поражаемых органах, симптоматике и канцерогенности (способности в ы з ы в а т ь рак), а
также летательности.
Другие м е т о д ы позволяют установить характеристики токсического
действия вещества. В частности, проверяется влияние химического агента
на репродуктивную функцию и рост:
не обладает ли он тератогенными
свойствами, т . е. не вызывает ли нарушений процесса индивидуального
развития. Анализируются аллергенные свойства, поскольку химическое
вещество м о ж е т , не повреждая кожу
непосредственно, в ы з ы в а т ь иммунный ответ, наподобие реакции на ядовитое растение сумах. Исследуется
т а к ж е ф о т о т о к с и ч н о с т ь , т . е. возм о ж н о с т ь а к т и в а ц и и х и м и ч е с к о г о вещ е с т в а с в е т о м , у с и л и в а ю щ е й его разд р а ж а ю щ е е д е й с т в и е на к о ж у .
Иногда проводят токсикокинетические и с с л е д о в а н и я , т . е. в ы я с н я ю т ,
как в е щ е с т в о в с а с ы в а е т с я и распредел я е т с я в о р г а н и з м е , каков его м е т а б о л и з м , н а к а п л и в а е т с я л и о н о и как в ы в о д и т с я . Такие и с с л е д о в а н и я особенн о ц е н н ы , к о г д а о д и н и т о т ж е химический а г е н т о б л а д а е т р а з л и ч н ы м и
токсикокинетическими характеристиками у разных видов животных. Наконец, к о н т р о л и р у ю т неврологические э ф ф е к т ы и в л и я н и е на поведение,
и з м е р я я к о г н и т и в н ы е функции (память, способность к научению и
проч.) у в з р о с л о г о ж и в о т н о г о , а т а к же у развивающегося организма.
И з э т о г о перечисления ясно, ч т о пол н а я т о к с и к о л о г и ч е с к а я оценка д а ж е
о д н о г о х и м и ч е с к о г о в е щ е с т в а представляет собой весьма сложное, длительное и дорогостоящее дело. В тип и ч н о м случае п р о в е р к а н о в о г о химического в е щ е с т в а с т о и т 500 т ы с . —
1,5 м л н . д о л л . , д л и т с я 2 — 3 г о д а и т р е бует принесения в ж е р т в у т ы с я ч ж и вотных. Более того, десятки тысяч
препаратов, уже имеющихся в продаж е , н и к о г д а не п о д в е р г а л и с ь д о л ж н о му т щ а т е л ь н о м у исследованию. Нац и о н а л ь н а я а к а д е м и я наук С Ш А нед а в н о о т м е т и л а , ч т о м н о г и е из э т и х
в е щ е с т в , в о з м о ж н о , в о о б щ е никак не
проверялись.
О ч е в и д н о , ч т о о г р о м н ы е преимущества имели бы м е т о д ы проверки
т о к с и ч н о с т и , не с т о л ь д л и т е л ь н ы е и
д о р о г и е , как и с п ы т а н и я in vivo. Н е с о м н е н н о , и с с л е д о в а т е л я м п р и д е т с я пер е й т и на и с п ы т а н и я in vitro, а д е к в а т но з а м е н я ю щ и е о п ы т ы на ж и в о т н ы х .
В н а с т о я щ е е в р е м я успешно р а з р а б а т ы в а ю т с я несколько к а т е г о р и й м е т о дик.
С
РЕДИ и с п ы т а н и й in vitro б о л ь ш е
всего в р е м е н и и с р е д с т в з а т р а ч е но на и с с л е д о в а н и я г е н о т о к с и ч н о с т и ,
т . е. с п о с о б н о с т и х и м и ч е с к о г о вещ е с т в а п о в р е ж д а т ь генетический м а териал. Генотоксичностью обладают
в е щ е с т в а , в ы з ы в а ю щ и е рак, г е н н ы е
мутации и хромосомные аномалии.
Исследования канцерогенности
на
ж и в о т н ы х о т н о с я т с я к числу н а и б о лее д о р о г и х и д л и т е л ь н ы х и с п ы т а н и й
на т о к с и ч н о с т ь ; в е р о я т н о , п о э т о м у в
С Ш А за п о с л е д н и е д е с я т ь л е т и с т р а чено более 70 м л н . д о л л . на поиски зам е н я ю щ и х их м е т о д о в in vitro. Сейчас
уже используется ряд таких методов.
Например, стандартный бактериологический м е т о д Э й м с а ш и р о к о применяется в испытаниях на потенциа л ь н у ю г е н о т о к с и ч н о с т ь . Н о в р я д ли
эти м е т о д ы м о г у т заменить о п ы т ы
МЕТОДЫ ПРОВЕРКИ ТОКСИЧНОСТИ in vitro сейчас успешно разрабатываются
и входят в практику. Анализ с нейтральным красным (см. иллюстрацию на с. 7)
применим к культивируемым клеткам к о ж и человека; он дает информацию о
воспалении и раздражении, вызываемых химическим агентом (а). Для той ж е
цели используется хориоаллантоис куриного эмбриона; на этом снимке испытываемое вещество внутри белого тефлонового кольца вызвало слабое поражение (£>). Культура клеток печени может служить для изучения превращений
вещества в организме, а т а к ж е для определения поражения печени (с). Компьютерный анализ помогает интерпретировать данные, полученные в опытах in
vitro (d); темные пятна представляют мертвые клетки; красный и белый цвета
соответствуют ж и в ы м клеткам (цвета условные).
на ж и в о т н ы х в и с п ы т а н и я х с хроничес к и м в о з д е й с т в и е м , т а к и х как б и о л о гическое о п р е д е л е н и е п р о д о л ж и т е л ь ности жизни грызунов.
Д о в о л ь н о давно существует также
д р у г а я о б л а с т ь и с с л е д о в а н и й in vitro — изучение ц и т о т о к с и ч н о с т и . Опр е д е л и т ь ц и т о т о к с и ч н о с т ь химического а г е н т а з н а ч и т о ц е н и т ь его способность убивать клетки. Ряд методов определения
цитотоксичности
б ы л р а з р а б о т а н д л я с п е ц и а л ь н ы х целей, в частности для о т б о р а лекарств е н н ы х п р е п а р а т о в , с п о с о б н ы х убив а т ь р а к о в ы е клетки; д р у г и е м е т о д ы
п р е д н а з н а ч а л и с ь д л я б о л е е о б щ е г о исп о л ь з о в а н и я . В п о с л е д н и е г о д ы появилось много новых методов для
различия мертвых и живых клеток.
Лимитирующим фактором в испытаниях на ц и т о т о к с и ч н о с т ь я в л я е т с я
число т и п о в к л е т о к , к о т о р ы е м о г у т
к у л ь т и в и р о в а т ь с я in vitro.
В испытаниях на цитотоксичность in
vitro ш и р о к о используются две систем ы анализа: определение общего содерж а н и я белка в клетках и определение
поглощения клетками красителя нейтрального красного. И в т о м и в д р у г о м
случае клетки, культивируемые в пластмассовых чашках П е т р и , о б р а б а т ы в а ю т р а з л и ч н ы м и концентрациями испытуемого вещества, к о т о р о е добавляется в культуральную среду. Через 24 ч исп ы т у е м о е вещество о т м ы в а ю т и в среду вводят аналитический реагент. П р и
определении общего содержания белка
в клетках т а к и м реагентом с л у ж и т кенацидовый синий; э т о т краситель, реагируя с к л е т о ч н ы м и белками, д а е т син ю ю окраску, п л о т н о с т ь к о т о р о й м о ж ет б ы т ь измерена. Н о р м а л ь н ы е б ы с т рорастущие клетки с о д е р ж а т б о л ь ш е
белка, чем м е р т в ы е . П о э т о м у контр о л ь н ы е культуры о к р а ш и в а ю т с я в
темно-синий цвет, а в тех чашках, где
клетки у б и т ы и с п ы т у е м ы м веществом,
окраска т е м светлее, чем в ы ш е концентрация цитотоксического агента. П о
окраске клеточных культур определяю т концентрацию и с п ы т ы в а е м о г о вещества, в ы з ы в а ю щ у ю 50%-ное снижение содержания белка (IC50, о т англ.
inhibition c o n c e n t r a t i o n — и н г и б и р у ю -
100
1 000
0,01
ДОЗА, МГ/КГ ВЕСА ТЕЛА
ЗАВИСИМОСТЬ «ДОЗА—ОТВЕТ» позволяет определить показатель токсичности химического агента LD50 — концентрацию вещества, вызывающую смерть 50% особей, испытавших его воздействие (слева). Однако для оценки ток-
щ а я концентрация), и сравнивают со
значением IC50 для известных химических токсинов, устанавливая т а к и м обр а з о м о т н о с и т е л ь н у ю токсичность исп ы т ы в а е м о г о вещества. Э т о т м е т о д
м о ж е т б ы т ь а в т о м а т и з и р о в а н , ч т о значительно ускоряет и с п ы т а н и я . К р о м е
т о г о , анализ м о ж н о п р о в о д и т ь в присутствии ферментов, р а с щ е п л я ю щ и х
проверяемое вещество (или как-либо
модифицирующих его), что д а е т возм о ж н о с т ь т а к ж е в ы я в и т ь эффект пром е ж у т о ч н ы х химических соединений,
к о т о р ы е м о г у т возникать при превращениях данного вещества в организме.
М е т о д количественного определения п о г л о щ е н и я к л е т к а м и к р а с и т е л я
н е й т р а л ь н о г о к р а с н о г о в п р и н ц и п е не
о т л и ч а е т с я о т п р е д ы д у щ е г о . О н основан на с п о с о б н о с т и ж и в ы х к л е т о к пог л о щ а т ь из о к р у ж а ю щ е й с р е д ы и накапливать краситель; мертвые же
к л е т к и к э т о м у не с п о с о б н ы . К о л и ч е ство поглощенного красителя является п о к а з а т е л е м числа ж и в ы х к л е т о к .
Значение IC50 о п р е д е л я ю т , у с т а н а в л и в а я з а в и с и м о с т ь числа у б и т ы х клеток от концентрации испытываемого
х и м и ч е с к о г о в е щ е с т в а в к у л ь т у р е клет о к . С р а в н и в а я п о л у ч е н н у ю величину
со з н а ч е н и я м и IC50 д л я и з в е с т н ы х
токсинов, оценивают относительную
цитотоксичность.
Х
ОТЯ м е т о д ы и с п ы т а н и й на ц и т о токсичность о б л а д а ю т ограниченными возможностями для прогноз и р о в а н и я т к а н е с п е ц и ф и ч н о г о эффект а х и м и ч е с к о г о а г е н т а и его в л и я н и я
на в з а и м о д е й с т в и е т к а н е й или о р г а нов, они д а ю т с у щ е с т в е н н у ю и н ф о р м а ц и ю о с о б с т в е н н о й т о к с и ч н о с т и чис т ы х химических в е щ е с т в , смесей и
лекарственных форм. Они также могут б ы т ь д о в о л ь н о х о р о ш и м и индикат о р а м и раздражения глаза, которое в
б о л ь ш и н с т в е случаев о б у с л о в л е н о гиб е л ь ю к л е т о к . Д л я оценки р а з д р а ж е ния г л а з а в о з д е й с т в и ю п о д в е р г а ю т
сичности важна вся кривая, так как вещество с низким
LD50 может быть при низких концентрацияхменее токсичным, чем вещество с высоким LD50 (справа).
эпителиальные клетки роговицы; такой п о д х о д у ж е и с п о л ь з у е т с я д л я
оценки б е з о п а с н о с т и п р е п а р а т о в .
В Центре по изучению возможностей замены экспериментов на животн ы х при У н и в е р с и т е т е Д ж о н с а Г о п кинса н а й д е н о б о л е е 30 д р у г и х м е т о д о в in vitro, п о д х о д я щ и х д л я оценки
р а з д р а ж е н и я г л а з . Н е к о т о р ы е из них
позволяют также оценивать цитотокс и ч н о с т ь , у д р у г и х и н а я конечная
цель. Н а п р и м е р , Р . Т х а о из Ф и л а дельфийского
фармацевтического
колледжа р а з р а б о т а л методику обнаружения нарушений так называемых
плотных межклеточных контактов,
к о т о р ы е и м е ю т в а ж н о е значение в регуляции проникновения веществ через
слой эпителиальных клеток р о г о в и ц ы .
Д ж . Л е й т о н из П е н с и л ь в а н с к о г о
м е д и ц и н с к о г о к о л л е д ж а и Н . Л у п к е из
Мюнстерского университета разработали метод, известный под аббревиат у р о й С А М ( о т а н г л . chorioallantoic
membrane), в котором используется
иной с п о с о б о п р е д е л е н и я в о с п а л е н и я
in vitro. А н а л и з э т и м м е т о д о м с о с т о и т в с л е д у ю щ е м . Ч а с т ь с к о р л у п ы опл о д о т в о р е н н о г о к у р и н о г о яйца о с т о рожно удаляют, обнажая тонкую
о б о л о ч к у — х о р и о а л л а н т о и с — и наносят на нее и с п ы т ы в а е м о е в е щ е с т в о ;
иногда па х о р и о а л л а н т о и с п о м е щ а ю т
тефлоновое кольцо, которое ограничивает м е с т о нанесения х и м и ч е с к о г о
в е щ е с т в а . Через 5 м и н и через 24 ч после нанесения х и м и ч е с к о г о а г е н т а наб л ю д а ю т воспаление.
В нескольких л а б о р а т о р и я х и с п о л ь зовали культуру клеток эпидермиса
человека в качестве м о д е л и человеческой к о ж и . Н е к о т о р ы е м е т о д ы культивирования клеток кожи были разр а б о т а н ы для регенерации кожи при
ожогах. На культурах клеток кожи
м о ж н о н а б л ю д а т ь воспаление под
д е й с т в и е м химических а г е н т о в т о ч н о
так же, как и м е т о д о м С А М , о д н а к о
и з м е р я ть биологический о т в е т на т а -
ких к у л ь т у р а х легче, чем на х о р и о а л лантоисе.
М е т о д ы in vitro р а з р а б о т а н ы т а к ж е
д л я к о н т р о л я т о к с и ч н о с т и в определ е н н ы х о р г а н а х - м и ш е н я х . П р и проверке
токсического
действия
на
о р г а н ы - м и ш е н и in vivo и з у ч а ю т п а т о логические и з м е н е н и я о р г а н о в подопытного животного. При испытании in vitro к у л ь т и в и р у ю т и и з у ч а ю т
к л е т к и о п р е д е л е н н ы х о р г а н о в . Значит е л ь н ы е успехи д о с т и г н у т ы п р и исп ы т а н и я х in vitro химических веществ,
оказывающих
токсическое
д е й с т в и е на печень, к р о в ь , сердце, почки, легкие и н а н е р в н у ю с и с т е м у .
О с о б е н н о х о р о ш о р а з р а б о т а н ы методики культивирования гепатоцитов
(клеток печени). В р а з л и ч н ы х эксперим е н т а х , в к о т о р ы х о б ъ е к т о м исследов а н и я с л у ж и л а печень, с л о ж и л и с ь осн о в ы д л я и с п ы т а н и й на г е п а т о т о к с и ч н о с т ь in vitro. И х п р о в о д я т на в ы д е л е н н ы х г е п а т о ц и т а х , срезах печеночной т к а н и и на ц е л ь н о й перфузируем о й печени. В р я д е м е т о д о в и с п о л ь з у ю т с я г е п а т о ц и т ы человека. Н о д а ж е
если в м е с т о них б е р у т с я к л е т к и ж и в о т н ы х , все р а в н о з н а ч и т е л ь н о сниж а е т с я число ж и в о т н ы х , н у ж н о е д л я
получения н а д е ж н ы х
результатов.
Достаточное для проведения испытаний к о л и ч е с т в о т к а н и м о ж н о получ и т ь о т 2—3 ж и в о т н ы х , т о г д а как при
п о д х о д е in vivo д л я получения т е х ж е
р е з у л ь т а т о в т р е б у е т с я 20—40 ж и в о т ных.
Э т и с и с т е м ы in vitro м о г у т с л у ж и т ь
как д л я и д е н т и ф и к а ц и и химических
агентов, оказывающих
специфическое т о к с и ч е с к о е д е й с т в и е н а печень,
т а к и д л я о п р е д е л е н и я кинетики их мет а б о л и з м а и путей в ы в е д е н и я из о р г а низма. При помощи систем, в которых используются крысиные гепатоциты, м о ж н о оценивать клеточные
маркеры поненциальной токсичнос т и . П о м е р е н а к о п л е н и я з н а н и й о механизмах токсического действия раз-
личных веществ в системах органов
будут, несомненно, появляться новые
м е т о д ы in vitro.
З
Н А Ч И Т Е Л Ь Н Ы Е успехи д о с т и г н у т ы т а к ж е в р а з р а б о т к е с и с т е м in
vitro д л я о п р е д е л е н и я т е р а т о г е н н о с т и
химических а г е н т о в . И с п ы т а н и я н а
тератогенность основаны на установл е н и и связи м е ж д у п о к а з а т е л я м и т о к с и к о л о г и ч е с к о г о о т в е т а на д а н н о е вещ е с т в о in vitro и с л о ж н ы м и п р о ц е с с а м и р а з л и ч н ы х п р о я в л е н и й его т о к с и ческого д е й с т в и я в р а з в и в а ю щ е м с я
о р г а н и з м е , в ч а с т н о с т и в человечес к о м з а р о д ы ш е . Х о т я м н о г и е из предложенных систем анализа включают
целых ж и в о т н ы х — от гидры или
п л о д о в о й м у ш к и д о э м б р и о н о в лягуш к и или г р ы з у н о в , — т а к ч т о о т п а д а -
ет проблема экстраполяции результат о в , п о л у ч е н н ы х с к л е т о ч н ы м и культ у р а м и , на ц е л ы й о р г а н и з м , все ж е
остаются значительные проблемы в
прогнозировании тератогенности для
человека.
В н е к о т о р ы х случаях м а т е м а т и ч е ские и к о м п ь ю т е р н ы е м о д е л и м о г у т
дополнить информацию, полученную
в и с п ы т а н и я х in vitro. У ж е с о з д а н ы
математические
фармакокинетические м о д е л и , п о м о г а ю щ и е оце
вать
т о к с и к о к и н е т и к у in vivo, и с х о д я из
д а н н ы х in vitro. А н а л и з и р у я полученн ы е с п о м о щ ь ю к о м п ь ю т е р о в зависим о с т и " с т р у к т у р а — а к т и в н о с т ь " , исс л е д о в а т е л и п ы т а ю т с я н а й т и связь
между особенностями молекулярной
с т р у к т у р ы и с п ы т ы в а е м о г о химического в е щ е с т в а и о б щ и м т о к с и к о л о г и -
ческим о т в е т о м на него. П о к а т а к и е
м е т о д ы являются эмпирическими, но
их м о ж н о б у д е т у с о в е р ш е н с т в о в а т ь ,
к о г д а в ы я с н и т с я связь м е ж д у химичес к и м с т р о е н и е м в е щ е с т в а и специфическим м е х а н и з м о м его в з а и м о д е й с т вия с ж и в ы м о р г а н и з м о м .
С л о ж н о с т ь зависимости "воздействие — о т в е т " исключает в о з м о ж ность правильного прогнозирования
н а основе о д н и х т о л ь к о т е о р е т и ч е ских п р и н ц и п о в . Р е а к ц и я о р г а н и з м а
на данное воздействие химического
агента является результатом множества взаимозависимых процессов
н а всех у р о в н я х б и о л о г и ч е с к о й о р г а низации — молекулярном, клеточном, тканевом и организма в целом.
Результат воздействия химического
а г е н т а на о р г а н и з м о п р е д е л я е т с я не
ТОКСИКОКИНЕТИКА
ПОЧКИ
ЕЧЕНЬо
•
^ПРЕДЕЛЕ!
ВЫВЕДЕНИЕ
.ЕЛ УДОЮ
КИШЕЧНИК
МОЧЕВОЙ
ПУЗЫРЬ
ТОКСИКОДИНАМИКА
J l k ^ i o J l
МЕТАБОЛИЗМ " МОЛЕКУЛ,
1ЕНЕНИЯ
-CT8ESТРАНСФОРМА!
ТОКСИКОКИНЕТИКА И ТОКСИКОДИНАМИКА описывают
взаимодействие химического агента с ж и в ы м организмом.
На этой схеме вещество вызывает рак печени у крысы. Его
поглощение, распределение, превращение в ходе метаболизма, накопление и выведение из организма определяют-
РАК
ПЕЧЕНИ
ОТВЕТ
ОРГАНИЗМА
ОСОБЕЙ
ся т о к с и к о к и н е т и к о й (вверху); влияние вещества и продуктов его превращений в организме — токсикодинамикой
(внизу). Поскольку взаимодействие осуществляется на
всех уровнях организации, токсикокинетику и токсикодинамику трудно прогнозировать без экспериментов in vivo.
ОЦЕНКА РИСКА, связанного с химическим агентом, возможна без опытов на животных на основании данных, полученных in vitro (голубой цвет), и их анализа при
помощи компьютера (оранжевый цвет). Реализация такого подхода — дело будущего, но некоторые методы in vitro могут быть внедрены в практику уже сейчас, что
уменьшит число животных, используемых в испытаниях химических препаратов.
только токсикокинетикои, описывающей процессы поглощения вещества, его р а с п р е д е л е н и я , м е т а б о л и з м а ,
н а к о п л е н и я и в ы в е д е н и я из о р г а н и з м а , но и т о к с и к о д и н а м и к о й .
Токсикодинамика касается изменений в б и о л о г и ч е с к о й с и с т е м е , р а з в и вающихся вследствие присутствия в
ней х и м и ч е с к о г о а г е н т а (см. и л л ю с т р а ц и ю на с. 11). Н а м о л е к у л я р н о м
уровне э т о биохимические и з м е н е н и я :
например, ингибируется
фермент,
важный для нормальной клеточной
функции. Н а в ы с ш и х уровнях о р г а н и зации это патологические изменения
т к а н е й и клинические с и м п т о м ы о т равления.
К о г д а человек п о д в е р г а е т с я воздейс т в и ю химического агента, от токсикокинетических с в о й с т в э т о г о в е щ е с т ва з а в и с и т , д о с т и г н е т л и о н о с а м о или
к а к о й - т о из п р о д у к т о в его п р е в р а щ е ний ч у в с т в и т е л ь н о й к л е т о ч н о й или
молекулярной мишени и вызовет ли
б и о л о г и ч е с к и й о т в е т . Если р е а к ц и о н носпособная форма вещества достигает потенциальной мишени, т о токс и к о д и н а м и к а о п р е д е л я е т с т е п е н ь его
неблагоприятного воздействия. Конечное в ы р а ж е н и е п а т о л о г и и з а в и с и т
от способности организма восстанавл и в а т ь в ы з в а н н ы е т о к с и н а м и нарушения на всех уровнях б и о л о г и ч е с к о й
организации.
Токсикокинетика и токсикодинамика в е щ е с т в а и с п о с о б н о с т ь б и о л о г и ческой с и с т е м ы к в о с с т а н о в л е н и ю —
все э т о и м е е т о т н о ш е н и е к з а в и с и м о сти "воздействие — ответ". Соверш е н н о о ч е в и д н о , почему п р е д с т а в л я ется с о м н и т е л ь н ы м с у д и т ь о т о к с и ч -
н о с т и х и м и ч е с к о г о а г е н т а д л я человека п о его в о з д е й с т в и ю не на ц е л ы й организм, а на "меньшие" системы.
Современная токсикология в прогноз и р о в а н и и о с н о в ы в а е т с я не т о л ь к о на
результатах экспериментов с животн ы м и и н а т е о р и и , но т а к ж е н а всем
н а к о п л е н н ы м за м н о г и е г о д ы п р а к т и ки о б ъ е м е сведений, с в я з у ю щ и х рез у л ь т а т ы и с п ы т а н и й in vivo с эпидемиологическими данными и даже в
н е к о т о р ы х случаях с о т д е л ь н ы м и свидетельствами о фактах отравления
людей.
П
РИВЕДЕННОЕ в ы ш е о б с у ж д е н и е
токсикокинетических и токсикодинамических взаимодействий подчеркивает наиболее очевидное и важное п р е и м у щ е с т в о и с п ы т а н и я на ж и в о т н ы х ; о н о д а е т е д и н у ю биологичес к у ю с и с т е м у , и м и т и р у ю щ у ю своей
с л о ж н о с т ь ю о р г а н и з м человека. В исп ы т а н и я х in vivo е с т ь и д р у г и е преи м у щ е с т в а . О н и п о з в о л я ю т оценивать р е з у л ь т а т ы воздействия различн ы м и п у т я м и (через п и щ е в а р и т е л ь н ы й т р а к т , при д ы х а н и и или к о н т а к т е
с кожей) и н а п р о т я ж е н и и д л и т е л ь н о го в р е м е н и ( и с п ы т а н и я хронической
т о к с и ч н о с т и в е д у т с я в течение г о д а
и л и д о л ь ш е ) . К р о м е т о г о , исследования н а ц е л ы х ж и в о т н ы х д а ю т возм о ж н о с т ь с у д и т ь об о б р а т и м о с т и о т д е л ь н ы х токсических э ф ф е к т о в , ч т о
с л у ж и т в а ж н ы м п а р а м е т р о м в оценке
и предупреждении риска.
К а к м о ж е т и с п ы т а н и е in vitro д а т ь
т а к у ю же информацию? Н у ж н о ли
п р о в о д и т ь о т д е л ь н о е и с п ы т а н и е in
vitro д л я к а ж д о г о т и п а к л е т о к , п о т е н -
циально подверженного воздействию
д а н н о г о х и м и ч е с к о г о а г е н т а . Возм о ж н о л и м е т о д а м и in vitro о ц е н и т ь
токсикологические о т в е т ы , в которых играют роль, скажем, иммунологические п р о ц е с с ы и л и к р о в я н о е давление? К а к б ы т ь с хронической т о к сичностью и восстановлением после
острого отравления? Как смоделиров а т ь в о з д е й с т в и е через п и щ е в а р и тельный т р а к т , д ы х а т е л ь н ы е пути
или к о н т а к т с к о ж е й ? Э т и п р о б л е м ы
д о л ж н ы б ы т ь р е ш е н ы , к о л ь с к о р о мет о д ы in vitro д о л ж н ы п о л н о с т ь ю зам е н и т ь и с п ы т а н и я in vivo.
Е щ е один в о з м о ж н ы й камень преткновения появляется в связи с использованием культур человеческих клеток.
Поскольку при э т о м нет н у ж д ы в экстраполяции на человека результатов,
полученных в экспериментах с ж и в о т н ы м и , м е т о д ы in vitro, предполагающ и е анализ культивируемых клеток человека, с ч и т а ю т с я наиболее подходящ и м и для испытаний химических агент о в на токсичность для л ю д е й . Однако
здесь есть ряд препятствий. В настоящее время не все т и п ы человеческих клеток удается культивировать; клетки нек о т о р ы х т и п о в in vitro претерпевают
дедифференцировку, т . е. п р и о б р е т а ю т
свойства примитивных, неспециализированных клеток, утрачивая свойства
специальные, д е л а ю щ и е их клетками
определенного т и п а — м ы ш ц , селезенки, т о л с т о й кишки и т . д . К р о м е т о г о ,
получение н о р м а л ь н ы х клеток человека, пригодных для токсикологических
испытаний, в какой-то степени ограничено. И если стремиться к ш и р о к о м у
использованию человеческих клеток в
текущей практике испытаний на токсичность, н у ж н о каким-то о б р а з о м добиться их доступности для исследовательских целей. Весомость этих препятствий следует р а с с м а т р и в а т ь в сравнении с у п о м я н у т ы м и в ы ш е неблагоп р и я т н ы м и ф а к т о р а м и , присущими исп ы т а н и я м на ж и в о т н ы х : страдания и
гибель ж и в о т н ы х , погрешности межвидовой экстраполяции, д л и т е л ь н о с т ь и
высокая с т о и м о с т ь экспериментов. Исп ы т а н и я in vitro м о г л и б ы снять не
т о л ь к о все эти п р о б л е м ы , но и ряд других. Так, в п р о т и в о п о л о ж н о с т ь испыт а н и я м in vivo м е т о д ы in vitro легко
п о д д а ю т с я стандартизации. Д о з у химического агента, получаемую к а ж д о й
культивируемой клеткой, м о ж н о измерять и контролировать с довольно высокой т о ч н о с т ь ю , ч т о облегчает установление критической концентрации
токсинов. Б л а г о д а р я т о м у ч т о м е т о д ы
in vitro п о з в о л я ю т вести исследования с
гораздо м е н ь ш и м и количествами веществ, новые соединения, к о т о р ы е нередко д о с т у п н ы л и ш ь в ограниченном
количестве, т е м не менее м о г у т б ы т ь
и с п ы т а н ы , и, если вещество оказалось
токсичным, проблемы, связанные с необходимостью его удаления или ликвидации, сводятся к минимуму.
д я т в жизнь и со временем они будут
и г р а т ь главную р о л ь в оценке безопасности. М ы надеемся, что эта цель
будет д о с т и г н у т а при поддержке и по-
ощрении п р о м ы ш л е н н о с т и , законод а т е л ь н ы х органов, научной общественности и з а щ и т н и к о в ж и в о т н ы х .
К
ОГДА появляется новая технология, всегда требуется какое-то
время, ч т о б ы п р е о д о л е т ь п р о б л е м ы ,
связанные с ее внедрением в практику,
т е м более если она д о л ж н а заменить
существующую технологию, имеющ у ю 50—60-летний "послужной список" и накопившийся за э т о время внуш и т е л ь н ы й объем эмпирических данных. П р е ж д е чем какой-либо н о в ы й
м е т о д in vitro станет о б ы ч н ы м , общеп р и н я т ы м источником токсикологических данных, он д о л ж е н б ы т ь утвержден. Э т о значит, что необходимо
п р о д е м о н с т р и р о в а т ь его н а д е ж н о с т ь
(т. е. м е т о д должен д а в а т ь совпадающие р е з у л ь т а т ы в различных л а б о р а т о р и я х и в одной и той же л а б о р а т о рии в разное время) и информативность (т. е. р е з у л ь т а т ы , полученные
этим методом, должны содержать
и н ф о р м а ц и ю , нужную для оценки
безопасности химических веществ).
Д л я ускорения внедрения следует накапливать банк данных об испытаниях in vitro, ч т о б ы м о ж н о б ы л о д е л а т ь
более т о ч н ы е п р о г н о з ы .
Вопреки широко распространенному неправильному п о н и м а н и ю роли
испытаний in vitro, они ценны не
т о л ь к о п о т о м у , что м о г у т з а м е н и т ь
существующие м е т о д ы in vivo. Их
уже сейчас м о ж н о п р и м е н я т ь для
оценки безопасности веществ. Например, имеет с м ы с л в к л ю ч и т ь испытания in vitro в ранние стадии оценки
риска, а т а к ж е использовать для идентификации соединений с низкой вероятной токсичностью, благодаря чему
ж и в о т н ы х м о ж н о будет подвергать
действию уже о т н о с и т е л ь н о м а л о т о к сичных химических агентов. Такой
подход уменьшил бы число п о д о п ы т ных ж и в о т н ы х , снизил бы з а т р а т ы
времени и средств на проведение исследования, а т а к ж е исключил б ы напрасный т р у д — разработку препаратов, о к о т о р ы х заранее станет ясно,
что они слишком токсичны. Обнадеживает т о т факт, что в ряде корпораций э т о т подход уже включен в прог р а м м ы испытаний химических преп а р а т о в на токсичность.
В л ю б о м случае ни к чему настаив а т ь на полной замене существующих
м е т о д о в in vivo и с п ы т а н и я м и in vitro;
это т о л ь к о отсрочит внедрение последних на неопределенное время.
Проверка токсичности in vitro не заменит эксперимента на ж и в о т н ы х в
единичном испытании. Пока что нет
правил экспертной оценки новых мет о д о л о г и й in vitro для проверки безопасности химических препаратов. Однако испытания in vitro все более вхо-
Обескровить!
Н
ЕДАВНО К . У а й т у и его коллегам в Ц е н т р е здравоохранения
К о л о р а д с к о г о университета в Денвере удалось д о б и т ь с я успеха в лечении
маленького мальчика с редкой опасной патологией — и з б ы т о ч н ы м рост о м капилляров в легких. Оказалось,
что э т о состояние поддается коррекции интерфероном, к о т о р ы й (помимо
т о г о , что участвует в регуляции иммунной системы) подавляет ангиогенез (рост кровеносных сосудов). Таким о б р а з о м впервые в терапевтических целях б ы л о использовано угнетение ангиогенеза.
Н о в ы й подход м о ж е т найти широкое применение. С к а ж е м , злокачественная опухоль нуждается в интенсивн о м кровоснабжении, ч т о б ы расти,
так как р а з м н о ж а ю щ и м с я клеткам
требуется б о л ь ш е кислорода и они
п р о и з в о д я т б о л ь ш е отходов, чем
клетки о б ы ч н ы х тканей. Д ж . Фолкмэн из Медицинской ш к о л ы Г а р в а р д ского университета, известный своим и р а б о т а м и по ангиогенезу, отмечает, что многие различные р а к о в ы е
опухоли д о с т и г а ю т з а м е т н ы х размеров т о л ь к о после т о г о , как развивается система их кровоснабжения. Недавно в журнале «Nature» опубликовано описание экспериментов Фолкмэна, из к о т о р ы х м о ж н о сделать вывод, что появление способности стим у л и р о в а т ь ангиогенез является критической стадией в развитии злокачественных новообразований. В других исследованиях
накапливаются
д а н н ы е о веществах, п о д а в л я ю щ и х
э т о т процесс.
Фолкмэн вместе с Д . Х а н а а н о м из
Колд-Спринг-Харборской л а б о р а т о рии и другими исследователями изучал развитие рака, используя н о в ы й
м о д е л ь н ы й объект — ж и в о т н ы х , у
к о т о р ы х путем генетической инженерии создана предрасположенность к
определенному виду рака. В д а н н о м
случае о п ы т ы проводились на м ы шах, у к о т о р ы х в клетках поджелудочной железы, производящих инсулин, экспрессируется ген, обусловлив а ю щ и й развитие рака, вследствие чего эти клетки часто претерпевают
злокачественную т р а н с ф о р м а ц и ю .
В поджелудочной железе у таких
м ы ш е й п о м и м о опухолей и м е ю т с я
островки клеток в «предраковом» состоянии, характеризующиеся гиперплазией. К л е т к и в этих островках дел я т с я б ы с т р е е н о р м а л ь н ы х , но их
р о с т еще не п о л н о с т ь ю в ы ш е л из-под
к о н т р о л я . И с с л е д о в а т е л я м удалось
в ы д е л и т ь и к у л ь т и в и р о в а т ь гиперпластические островки, а т а к ж е опухоли
и в ы р а щ и в а т ь их в геле вместе с эндот е л и а л ь н ы м и клетками. П р и э т о м
опухоли неизменно п о б у ж д а л и близлежащие
эндотелиальные
клетки
формироьать структуры, подобные
капиллярам. (Вероятно, опухоль выделяет вещества,
способствующие
росту кровеносных сосудов.) Оказалось, что н е к о т о р ы е гиперпластические островки т о ж е о б л а д а ю т свойств о м в ы з ы в а т ь ангиогенез. Ч и с л о гиперпластических островков, способных индуцировать образование кап и л л я р о п о д о б н ы х структур, через
7 недель культивирования резко возр а с т а л о . Существенно, что параллельно в о з р а с т а л о и число опухолей,
способных к стимуляции ангиогенеза.
И з э т о г о следует, что стимуляция
кровоснабжения — в о з м о ж н о , в рез у л ь т а т е генетического изменения —
не п р о с т о в а ж н а для р о с т а опухоли,
но является о д н и м из ключевых событий злокачественного перерождения
ткани.
Если Фолкмэн прав, подавление ангиогенеза м о ж е т с т а т ь эффективным
способом б о р ь б ы с р а з в и т и е м опухолей на ранних стадиях, а т а к ж е с другими патологическими явлениями,
в к л ю ч а ю щ и м и образование кровеносных сосудов, в т о м числе с неоваскулярной глаукомой и р е в м а т о и д н ы м
а р т р и т о м . Фолкмэн недавно сообщил
в журнале «Science» о т о м , что некот о р ы е с л о ж н ы е синтетические углев о д о р о д ы м о г у т в 100—1000 раз усил и в а т ь а к т и в н о с т ь стероидов, подавл я ю щ у ю формирование кровеносных
сосудов. Он о т м е ч а е т , что г л а з н ы е
капли, в состав к о т о р ы х входят вещества, п о д а в л я ю щ и е
ангиогенез,
п р е п я т с т в у ю т росту кровеносных сосудов в роговице, к о т о р ы й б ы в а е т
причиной с л е п о т ы .
Грандиозная Сверхновая
1987 года
23 февраля 1987 г. астрономы увидели крупным планом
катастрофическую гибель массивной звезды. Всесторонние
наблюдения этого события позволили проверить существующую
теорию и преподнесли новые загадки
С Т Е Н В У С Л И , Т О М У И ВЕР
ОЛЛАПС и в з р ы в массивной
звезды — одно из величайших
явлений п р и р о д ы . Н и ч т о не
м о ж е т сравниться с ним по а б с о л ю т ной м о щ н о с т и . В течение первых 10 с,
когда ядро звезды с ж и м а е т с я , становясь нейтронной звездой, ее центральная о б л а с т ь поперечником около
32 км излучает с т о л ь к о энергии,
сколько все о с т а л ь н ы е звезды и галактики в н а б л ю д а е м о й Вселенной, вместе в з я т ы е . Другое сравнение: энергия 10-секундной вспышки в 100 раз
больше, чем излучает Солнце за все
10 м л р д . л е т своей жизни. Такое явление п о р а ж а е т д а ж е привыкших к
о г р о м н ы м величинам а с т р о н о м о в .
К
Н о сверхновые — э т о больше чем
далекие небесные зрелища: они создаю т и рассеивают «семена ж и з н и » .
Т о л ь к о с а м ы е п р о с т ы е и легкие элем е н т ы , в о д о р о д и гелий, образовались в первоначальном огненном шаре Б о л ь ш о г о в з р ы в а . Основная часть
более т я ж е л ы х элементов, включая
углерод — основу жизненно в а ж н ы х
химических процессов, железо в нашей крови и кислород, к о т о р ы м м ы
д ы ш и м , образовались в сверхновых
з а д о л г о до ф о р м и р о в а н и я Солнечной
системы.
Как б ы ни б ы л о велико значение
сверхновых, т о л ь к о немногие из них
м о г л и н а б л ю д а т ь с я вблизи нас. П о следняя сверхновая в нашей Г а л а к т и ке вспыхнула в 1604 г., незадолго до
изобретения телескопа. И о г а н н Кеплер, н а б л ю д а я ее, смог зарегистрировать только яркость и продолжительность свечения. П о э т о м у объяснение
многих
особенностей
сверхновых
оставалось в основном теоретическим. С п о м о щ ь ю телескопов к а ж д ы й
год удается о т к р ы т ь о к о л о десяти т а ких с о б ы т и й в далеких галактиках, и
т щ а т е л ь н о е исследование н е к о т о р ы х
из них п о с л у ж и л о для проверки ряда
общих аспектов т е о р и и . Н о ни одна из
этих сверхновых не б ы л а так близка,
ч т о б ы современный арсенал наземных и космических и н с т р у м е н т о в
смог с о з д а т ь п о д р о б н у ю хронику этого явления.
Все изменилось в ночь на 23 февраля
1987 г., когда вспышка света и поток
неуловимых частиц, н а з ы в а е м ы х нейт р и н о , о т самой яркой за последние
383 года сверхновой достиг Земли.
Свет о т в з р ы в а п р о ш е л путь в 16 т ы с .
св. л е т из спутника нашей Г а л а к т и ки — Б о л ь ш о г о Магелланова Облака
и б ы л виден т о л ь к о в Ю ж н о м полушарии. Н а д о о т д а т ь д о л ж н о е т о й настойчивости, с к о т о р о й н а б л ю д а т е ли — л ю б и т е л и и профессионалы —
следят за Ю ж н ы м небом: сверхновая
б ы л а с ф о т о г р а ф и р о в а н а в течение часа после прихода света на З е м л ю . Однако н а б л ю д а т е л ь Р . Макнаут из
Сайдинг-Спринг (Австралия) д а ж е не
представлял себе в т о т м о м е н т , что
именно ему удалось запечатлеть.
П р и м е р н о через 20 ч после первого
снимка М а к н а у т а Б о л ь ш о е Магелланово
Облако
сфотографировал
И . Ш е л т о н из Обсерватории ЛасК а м п а н а с (Чили). Сравнивая фотографии, полученные этой и предыдущей ночью, он о б н а р у ж и л новое звезд о о б р а з н о е изображение на последней пластинке. И з о б р а ж е н и е б ы л о
очень ярким — таким ярким, что его
м о ж н о б ы л о увидеть невооруженным
глазом. Шелтон вышел из помещения
и посмотрел вверх. Сверхновая 1987А
(А обозначает первую сверхновую, отр ы т у ю в 1987 г., независимо о т того,
яркая она или слабая) была о т к р ы т а .
Через день л ю б о й
обладатель
какого-либо астрономического инс т р у м е н т а в Ю ж н о м полушарии м о г
восхищаться э т и м явлением. В последующие
месяцы
на
Сверхновую
( С Н 1987А) б ы л о наведено м н о ж е ство инструментов, включая телескопы и датчики на борту воздушных шаров, р а к е т , спутников и с а м о л е т а , а
т а к ж е наземные телескопы всех вид о в . Сейчас, более двух л е т спустя,
Сверхновая исследована на всех длинах волн э л е к т р о м а г н и т н о г о спектра;
она оказалась п е р в ы м , исключая
Солнце, астрономическим источником нейтрино. Н а б л ю д е н и я д а ю т согласованную картину э т о г о значит е л ь н о г о с о б ы т и я , картину, к о т о р а я
п о д т в е р ж д а е т т е о р и ю , но в т о же врем я с о д е р ж и т ряд неожиданностей.
Х
АРАКТЕРИСТИКИ
сверхновой
обусловлены звездой-предшественницей.
В
широком
смысле
С Н 1987А — сверхновая II т и п а , энергия ее в з р ы в а в ы з в а н а гравитационн ы м коллапсом ядра звезды; такие
к а т а с т р о ф ы происходят т о л ь к о с масс и в н ы м и звездами. (Сверхновые I типа, к к о т о р ы м о т н о с и т с я с о б ы т и е
1604 г., по-видимому, п р е д с т а в л я ю т
собой т е р м о я д е р н ы е в з р ы в ы звезд —
белых карликов, к о т о р ы е приобретаю т массу в ы ш е критической.) Ч т о б ы
понять значение с о б ы т и я , к о т о р о е
н а б л ю д а л о с ь как в з р ы в С Н 1987А,
лучше всего начать с истории взорвавшейся звезды. П о с л е д у ю щ е е изложение основано на к о м п ь ю т е р н о м моделировании эволюции гипотетической
массивной звезды, к о т о р о е м ы и другие ученые (включая К . Н о м о т о и его
коллег из Токийского университета и
Д . А р н е т т а из Аризонского университ е т а ) р а з р а б а т ы в а л и в течение последних 25 лет, п ы т а я с ь п о н я т ь природу сверхновых II т и п а . П о с л е вспышки Сверхновой м ы п о в т о р н о просчитали нашу м о д е л ь , приняв во внимание о с о б ы е свойства звезды, известной до 23 февраля 1987 г. как Сандулик — 69°202 (по имени а с т р о н о м а
Н . Сандулика, к о т о р ы й занес ее в кат а л о г около 20 л е т назад).
Э т а история начинается примерно
11 м л н . л е т назад в б о г а т о й г а з о м обл а с т и Б о л ь ш о г о Магелланова Облака, известной как Т у м а н н о с т ь Тарантул, или 30 З о л о т о й Р ы б ы , где родилась звезда с массой, приблизительно
в 18 раз больше солнечной. В течение
10 млн. л е т эта звезда, как и многие
другие, в ы р а б а т ы в а л а энергию в ходе
реакции превращения в о д о р о д а в гелий. Из-за б о л ь ш о й массы в ядре звез-
ды должны были поддерживаться
высокие температура и плотность,
чтобы избежать коллапса; в результат е з в е з д а б ы л а п о ч т и в 40 т ы с . р а з ярче С о л н ц а и очень р а с т о ч и т е л ь н о расходовала свое ядерное горючее.
К о г д а в о в н у т р е н н е й о б л а с т и , сос т а в л я ю щ е й 3 0 % м а с с ы з в е з д ы , закончилось превращение водорода в
гелий, ц е н т р а л ь н ы е с л о и с т а л и постепенно сжиматься. Я д р о сжималось в
течение д е с я т к о в т ы с я ч л е т о т п л о т н о с т и 6 г / с м 3 д о 1100 г / с м 3 ; п р и э т о м
о н о н а г р е л о с ь о т 40 д о 190 м л н . Кельв и н о в (К). П о в ы ш е н и е т е м п е р а т у р ы
и давления в ядре привело к загоранию нового, более т я ж е л о г о ядерного
горючего — гелия. В т о же время
внешние оболочки звезды (состоящие
в о с н о в н о м из н е с г о р е в ш е г о в о д о р о д а ) о т р е а г и р о в а л и на д о п о л н и т е л ь н о е
излучение о т г о р я ч е г о я д р а р а с ш и р е н и е м д о р а д и у с а о к о л о 300 м л н . к и л о м е т р о в — примерно в два раза больше расстояния о т Земли до Солнца.
Звезда с т а л а к р а с н ы м с в е р х г и г а н т о м .
Запас г е л и я в я д р е б ы л исчерпан менее ч е м за м и л л и о н л е т , он п р е в р а т и л ся в у г л е р о д и к и с л о р о д . В т е ч е н и е нескольких тысяч лет, к о т о р ы е остал о с ь ж и т ь звезде, с ц е н а р и й , с о с т о я щ и й из с ж а т и я я д р а , его р а з о г р е в а и
зажигания нового, более т я ж е л о г о
ядерного топлива (образовавшегося в
р е з у л ь т а т е п р е д ы д у щ е г о ц и к л а ) повторялся несколько раз. С л е д у ю щ и м
в ы г о р е л у г л е р о д п р и т е м п е р а т у р е ядра
740
млн.
К
и
плотности
240 т ы с . г / с м 3 , в р е з у л ь т а т е о б р а з о валась смесь неона, магния и натрия.
З а т е м п о д о ш л а о ч е р е д ь н е о н а — при
1,6 м л р д . К и 7,4 м л н . г / с м 3 , за н и м
п о с л е д о в а л к и с л о р о д (2,1 м л р д . К ,
16 м л н . г / с м 3 ) и в к о н ц е — к р е м н и й и
сера (3,4 м л р д . К , 50 м л н . г / с м 3 ) . Загорание более т я ж е л о г о топлива прои с х о д и л о в с а м о м ц е н т р е з в е з д ы , поэтому другие элементы продолжали
гореть в менее п л о т н ы х окружающих
областях. Недра такой звезды м о ж н о
сравнить с космической луковицей, в
к о т о р о й э л е м е н т ы р а с п о л о ж е н ы слоями, в порядке возрастания атомного
веса в н а п р а в л е н и и к ц е н т р у з в е з д ы .
Я д р о з в е з д ы п р о ш л о через последов а т е л ь н ы е с т а д и и горения со все увел и ч и в а ю щ е й с я с к о р о с т ь ю . Горение гелия продолжалось около 1 млн. лет,
у г л е р о д а — 12 т ы с . л е т , н е о н а —
12 л е т , к и с л о р о д а — 4 г о д а и, наконец, кремния — всего н е д е л ю . П р и горении к а ж д о г о вида я д е р н о г о горючего после в о д о р о д а в ы д е л я л а с ь п р и м е р но о д и н а к о в а я п о л н а я энергия, н о при
СТАРАЯ ЗВЕЗДА И ОСЛЕПИТЕЛЬНАЯ ВСПЫШКА, ознаменовавшая ее гибель, видны на фотографиях одной и той
ж е области в Большом Магеллановом Облаке, полученных
с промежутком в несколько месяцев, Звезда-предшественница (вставка вверху справа), голубой сверхгигант, названный Сандулик - 6 9 ° 2 0 2 , была почти в 80 тыс. раз ярче
т е м п е р а т у р е я д р а в ы ш е 500 м л н . К ,
н а ч и н а я с г о р е н и я у г л е р о д а , з в е з д а наш л а новый, гораздо более эффективн ы й с п о с о б п о т р а т и т ь свой э н е р г е т и ческий з а п а с .
Высокоэнергетичные
г а м м а - ф о т о н ы , к о т о р ы е при таких
т е м п е р а т у р а х и м е л и с ь в б о л ь ш о м количестве, при сближении с а т о м н ы м и
я д р а м и п р е в р а щ а л и с ь в п а р ы част и ц — электрона и позитрона (соответствующая
электрону
античаст и ц а ) . Э т и ч а с т и ц ы с р а з у ж е аннигил и р о в а л и , о б ы ч н о испуская с н о в а
г а м м а - и з л у ч е н и е , о д н а к о и н о г д а образовывались нейтрино.
Н е й т р и н о п о ч т и не в з а и м о д е й с т в у ю т с в е щ е с т в о м . И м н а м н о г о легче
в ы й т и из з в е з д ы , ч е м п е р в о н а ч а л ь н ы м г а м м а - л у ч а м , и о н и у н о с я т с собой энергию. Д а ж е во время горения
углерода потери энергии с нейтрино
превосходили
энергию
излучения.
П р и п о в ы ш е н и и т е м п е р а т у р ы я д р а на
поздних стадиях эволюции нейтринная светимость росла экспоненциально, что сопровождалось о г р о м н ы м
р а с х о д о м энергии, п р и б л и ж а ю щ и м
конец существования звезды.
Э
ТА ПОЗДНЯЯ с т а д и я э в о л ю ц и и
ядра проходила слишком быстро, ч т о б ы как-то повлиять на протя-
Солнца; Сверхновая достигла светимости в 200 млн. солнечных. Но видимый свет составлял только небольшую
часть общей мощности Сверхновой 1987А: в 30 тыс. раз
больше энергии унес поток неуловимых частиц, называемых нейтрино. Фотографии предоставлены Д. Малином из
Англо-Австралийской обсерватории.
женную в о д о р о д н у ю оболочку звезд ы . Однако оказалось, что оболочка
т о ж е эволюционировала с тех пор,
как звезда стала к р а с н ы м сверхгигант о м . К о г д а исследователи впервые
о т о ж д е с т в и л и звезду, п о г и б ш у ю при
взрыве, они удивились, обнаружив,
что эта звезда б ы л а не к р а с н ы м сверхг и г а н т о м , как предсказывалось в
большинстве моделей звездной эволюции для сверхновых II типа, а голуб ы м сверхгигантом — меньшей по
р а з м е р а м , более горячей звездой (см.
с т а т ь ю : Д ж . Уиллер, Р . Харкнесс.
Гелиевые сверхновые, «В мире науки», 1988, № 1).
Н е т о л ь к о ядро, но и оболочка звезд ы , по-видимому, начала с ж и м а т ь с я
за 40 т ы с . л е т до в з р ы в а , после истощения запасов гелия, дававшего энергию на стадии красного сверхгиганта.
Теоретики все еще о б с у ж д а ю т причины э т о г о явления, но, в е р о я т н о , наиболее в а ж н ы м ф а к т о р о м б ы л о с о б ы й
состав газа в Б о л ь ш о м М а г е л л а н о в о м
Облаке, из к о т о р о г о образовались
звезды: по сравнению с нашей Галактикой он содержит гораздо меньше
элементов тяжелее гелия. Среди этих
элементов кислород играет о с о б у ю
р о л ь в эволюции звезды. Меньшее содержание кислорода делает оболочку
звезды более прозрачной для излучения и , с л е д о в а т е л ь н о , с п о с о б с т в у е т ее
с ж а т и ю . К и с л о р о д является т а к ж е кат а л и з а т о р о м т е р м о я д е р н ы х реакций
горения в о д о р о д а . К о м п ь ю т е р н ы е
модели п о з в о л я ю т п р е д п о л о ж и т ь ,
что низкое исходное содержание кисл о р о д а м о ж е т несколько и з м е н и т ь
начальную э в о л ю ц и ю массивной звезд ы т а к , ч т о она станет г о л у б ы м , а не
к р а с н ы м сверхгигантом.
М а л ы й радиус звезды-предшественницы д о л ж е н б ы л д а т ь значительный эффект позднее, когда звезда взорвется, — он не имел о т н о ш е н и я к
драме, разыгравшейся в ядре. После
п р о д о л ж а в ш е г о с я неделю интенсивного горения кремния и серы ядро
звезды с о с т о я л о из железа и других
элементов группы железа: никеля,
х р о м а , т и т а н а , ванадия, к о б а л ь т а и
м а р г а н ц а . О г р о м н ы е п о т е р и энергии
при излучении нейтрино не уменьшались из-за высокой т е м п е р а т у р ы ядра, но, став ж е л е з н ы м , ядро б о л ь ш е
не о б л а д а л о запасом ядерной в а л ю т ы
для о п л а т ы энергетических д о л г о в .
Железо находится в нижней части
кривой энергии связи: ч т о б ы синтезир о в а т ь из него более т я ж е л ы е элемент ы или р а с щ е п и т ь его на более легкие, необходимо з а т р а т и т ь энергию.
Горение больше не м о г л о продолж а т ь с я , а т е м п е р а т у р а и давление не
могли больше п о д д е р ж и в а т ь равновесие ядра. Г р а в и т а ц и я в ы и г р а л а соревнование, продолжавшееся 11 млн.
лет, и ядро начало с ж и м а т ь с я .
П р и с ж а т и и я д р о нагревалось, но
э т о г о б ы л о н е д о с т а т о ч н о д л я остановки коллапса. К о л л а п с д а ж е ускорялся за счет двух эффектов, рассмотренных в начале 60-х годов в пионерной теоретической р а б о т е о сверхновых У. Ф а у л е р о м из Калифорнийского технологического и н с т и т у т а и
Ф. Х о й л о м , р а б о т а в ш и м т о г д а в
К е м б р и д ж с к о м университете. В процессе фотодисинтеграции
высокоэнергичные ф о т о н ы р а з б и в а ю т ядро
железа на легкие к о м п о н е н т ы , в основном гелий — э т о эффект, о б р а т ный реакции синтеза, протекавшей в
звезде ранее. В т о р о й процесс, захват
электронов, заключается в поглощении я д р а м и свободных электронов;
т а м они соединяются с п р о т о н а м и ,
образуя б о г а т ы е н е й т р о н а м и изотоп ы . В обоих процессах поглощается
энергия, что л и ш а е т ядро его последней поддержки; при захвате электронов т а к ж е уменьшается число свободных электронов, к о т о р ы е я в л я ю т с я
о с н о в н ы м источником поддержания
давления.
За д о л ю секунды железное ядро с
массой 1,4 солнечной и радиусом в половину Земли сжалось в ш а р ядерного
вещества с радиусом около 100 км.
К о г д а п л о т н о с т ь в центре з а р о ж д а ю щейся нейтронной звезды превысила
п л о т н о с т ь а т о м н ы х ядер — 270 т р и л лионов г р а м м на кубический сантим е т р — внутренняя часть ядра, сос т а в л я ю щ а я 4 0 % его вещества, резко
остановилась как одно целое и начала
о б р а т н о е движение. Внешняя часть
ядра, все еще п а д а ю щ а я со скорос т ь ю , близкой к четверти скорости
света, столкнулась с «отскакивающим»
внутренним ядром и в свою очередь
«отскочила». Так родилась ударная
волна. Через одну сотую секунды она
устремилась сквозь падающее вещество
к краю ядра (см. статью: Г. Бете,
Г. Браун. Как взрываются сверхновые,
«В мире науки», 1985, № 7).
И
ССЛЕДОВАТЕЛИ,
моделирующие сверхновые, в течение многих л е т считали, что такая ударная
волна пройдет наружу через внешние
оболочки звезды, нагревая их и заставляя расширяться. Однако последние расчеты для звезд, сходных по
р а з м е р а м с Sk - 69° 202, проведенные
несколькими т е о р е т и к а м и (включая
С. Б л а д м е н а и Э. Майра из Пенсильванского университета, С. Брюенна
из Флоридского атлантического университета, Э . Б а р о н а из Университ е т а ш т . Н ь ю - Й о р к в Стоуни-Брук,
Р. Мэйла и Д ж . Вильсона из Лоуренсовской национальной л а б о р а т о рии в Ливерморе), показали, что в
С Н 1987А ударная волна сама по себе
не м о г л а в ы й т и из ядра.
Сначала
ударная
волна
несла
о г р о м н у ю энергию — почти в 10 раз
больше, чем б ы л о в конце концов сообщено в з р ы в а ю щ и м с я внутренним
слоям звезды, но ее б о л ь ш а я часть
б ы л а потеряна при столкновении с пад а ю щ и м веществом. Фотодисинтеграция и излучение нейтрино охладили вещество, нагретое ударной волной, и с т о щ и в д в и ж у щ у ю силу в о л н ы .
К о г д а ударная волна п о д о ш л а к к р а ю
ядра, вещество за ее ф р о н т о м не имел о скорости, направленной наружу.
У д а р н а я волна остановилась и превр а т и л а с ь в аккреционную ударную волну, через к о т о р у ю вещество постоянно протекало внутрь. Если бы такое катастрофическое состояние сохранилось, т о ядро п о г л о т и л о бы всю
звезду. Р е з у л ь т а т о м б ы л а б ы черная
д ы р а , а не сверхновая.
Излучение нейтрино с ы г р а л о определенную роль в замедлении ударной
в о л н ы , и оно ж е м о г л о помочь «ожив и т ь » ее. Я д р о , сжавшись д о радиуса
около 100 км, д о с т и г л о ядерной плотности т о л ь к о в центре. Оно с т а л о бы
настоящей нейтронной звездой, если
бы сжалось до р а з м е р о в примерно
10 км. Однако п р о т о н е й т р о н н а я звезда б ы л а очень горячей (Вильсон и другие а в т о р ы моделей п р е д с к а з ы в а ю т
т е м п е р а т у р у около 100 м л р д . К) за
счет в ы с в о б о ж д а е м о й при коллапсе
гравитационной энергии. Ч т о б ы сжим а т ь с я д а л ь ш е , нейтронная звезда
должна была остыть.
Она сделала э т о с п о м о щ ь ю потери
нейтрино. Н е й т р и н о , как и прежде,
образовывались
при
аннигиляции
э л е к т р о н - п о з и т р о н н ы х пар, рожденных гамма-лучами высокой энергии,
к о т о р ы е п р о н и з ы в а ю т вещество при
т а к о й высокой т е м п е р а т у р е . Н а э т о т
раз, однако, нейтрино не могли немедленно покинуть вещество: плотность
коллапсирующего ядра была такой
высокой, что в нем задерживались даже нейтрино. Они постепенно диффундировали из ядра — за время порядка
нескольких секунд, а не миллисекунд, — и замедляли сжатие звезды.
Н е с м о т р я на это, м о щ н о с т ь излучения с ж и м а ю щ е й с я нейтронной звезды
б ы л а огромной, п р е в ы ш а ю щ е й м о щ н о с т ь всей о с т а л ь н о й н а б л ю д а е м о й
Вселенной. П о л н а я энергия 10-секундной нейтринной вспышки б ы л а в 200
или 300 раз больше энергии, сообщенной в з р ы в о м веществу Сверхновой и в
30 т ы с . раз больше энергии ее светового излучения. В настоящее время
широко распространено мнение (однако оно не является всеобщим), что
небольшая часть энергии нейтрино
б ы л а использована д л я «оживления»
остановившейся ударной в о л н ы и для
в з р ы в а . Опираясь на основные идеи,
в ы д в и н у т ы е в середине 60-х годов
С. К о л г е й т о м , теперь р а б о т а ю щ и м в
Лос-Аламосской национальной лабо-
ратории, Мэйл и Вильсон недавно
провели ряд расчетов, показавших
в о з м о ж н о с т ь э т о г о э ф ф е к т а . Всего
н е с к о л ь к о п р о ц е н т о в н е й т р и н о , взаимодействуя с веществом непосредств е н н о за ф р о н т о м о с т а н о в и в ш е й с я
у д а р н о й в о л н ы , в т е ч е н и е секунды соо б щ а ю т ему энергию, достаточную
д л я ускорения у д а р н о й в о л н ы в направлении наружу.
Н а г р е в а я и р а с ш и р я я звезду, в ы з ы вая н о в ы й ш к в а л я д е р н ы х р е а к ц и й в ее
внутренних
слоях,
возрожденная
ударная волна обусловливает оптическое п р о я в л е н и е С в е р х н о в о й . Э ф ф е к т
з а д е р ж и в а е т с я п р и м е р н о н а д в а часа:
у д а р н а я в о л н а д в и ж е т с я в 50 р а з м е д леннее с в е т а и д о л ж н а п р о й т и через
в с ю звезду, ч т о б ы н а ч а л о с ь свечение.
Нейтрино от коллапсирующего ядра
легко о б г о н я ю т
ударную
волну.
П р о й д я через о с т а в ш у ю с я ч а с т ь звезд ы п о ч т и со с к о р о с т ь ю с в е т а , они б ы ли п е р в ы м сигналом, покинувшим
Сверхновую.
П р и м е р н о через 160 т ы с . л е т , за не-
сколько часов до прихода светового
ф р о н т а , н е й т р и н о п р о м ч а л и с ь сквозь
Землю и были обнаружены. Исследов а т е л и , ведущие поиск р е д к и х в н у т р и а т о м н ы х с о б ы т и й , т а к и х как р а с п а д
п р о т о н о в , п о с т р о и л и д е т е к т о р ы глубоко под землей в шахтах и под горам и , где о н и з а щ и щ е н ы о т п о м е х со
с т о р о н ы космических лучей. О б ы ч н о
д е т е к т о р п р е д с т а в л я е т с о б о й б а к с вод о й , р а з м е р о м с п л а в а т е л ь н ы й бассейн, о к р у ж е н н ы й ф о т о д е т е к т о р а м и
д л я р е г и с т р а ц и и с л а б ы х в с п ы ш е к света, сигнализирующих о распаде одного из п р и м е р н о 10 32 п р о т о н о в в в о д е .
К настоящему времени распад протон о в п о к а не о б н а р у ж е н , но д е т е к т о р ы
ч у в с т в и т е л ь н ы т а к ж е к д р у г и м редким событиям — захватам нейтрино
протонами.
с и т е т а в И р в и н е , М и ч и г а н с к о г о унив е р с и т е т а в А н н - А р б о р е и Брукхейвенской н а ц и о н а л ь н о й л а б о р а т о р и и )
в с о л я н о й ш а х т е М о р т о н - Т и о к о л около Кливленда (шт. Огайо) одноврем е н н о з а р е г и с т р и р о в а л и серии с о б ы тий, к о т о р ы е позднее были интерпрет и р о в а н ы как з а х в а т н е й т р и н о . В э т о
ж е в р е м я а н о м а л ь н ы е с о б ы т и я зарег и с т р и р о в а л д е т е к т о р д р у г о й конс т р у к ц и и на Б а к с а н с к о й о б с е р в а т о р и и
в С С С Р . П р и б л и ж а я с ь с ю ж н о г о неба, волна нейтрино от Сверхновой
п р о м ч а л а с ь с к в о з ь З е м л ю (для э т и х
слабо взаимодействующих
частиц
Земля более прозрачна, чем тонкий
кусок ч и с т о г о с т е к л а д л я с в е т а ) . В ы й дя в Северном полушарии, они оставили в детекторах едва о б н а р у ж и м ы е
п р и з н а к и своего п р и х о д а .
23 ф е в р а л я в 7 ч 36 м и н В с е м и р н о г о
в р е м е н и д е т е к т о р К а м и о к а н д е II в
свинцовом руднике Камиока (Япония) и д е т е к т о р 1MB (по п е р в ы м букв а м н а з в а н и й с о т р у д н и ч а ю щ и х инс т и т у т о в : К а л и ф о р н и й с к о г о универ-
Т е о р е т и ч е с к о е значение р е г и с т р а ции н е й т р и н о в е с ь м а в е л и к о . Д е т е к т о р ы К а м и о к а н д е и 1MB н а и б о л е е
ч у в с т в и т е л ь н ы к о д н о м у из к о м п о н е н тов вспышки — электронным антин е й т р и н о . Т а к и е ж е д о л и энергии
ИСТОЩЕНИЕ ГЕЛИЯ
(45 ООО ЛЕТ НАЗАД)
ЗАГОРАНИЕ УГЛЕРОДА
{12 000 ЛЕТ НАЗАД!
ГЛАВНАЯ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ
ЗВЕЗДАПРЕДСВЕРХНОВАЯ
/ \ИСТОЩЕНИЕ ВОДОРОДА
(700 000 ЛЕТ НАЗАД)
ЗАГОРАНИЕ ГЕЛИЯ
(650 ООО ЛЕТ НАЗАД)
РОЖДЕНИЕ ЗВЕЗДЫ (11 МЛН. ПЕТ НАЗАД)
!0 ООО
10 000
/ООО
5 000
ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ. К
ИСТОРИЯ звезды-предшественницы
началась
около
11 млн. лет назад на «главной последовательности» — области на графике светимость — поверхностная температура, которую занимает большинство звезд, сжигающих водород. Примерно через 10 млн. лет водород в ядре звезды
сгорел и превратился в гелий, ядро сжалось и стало горячее. В ответ оболочка звезды расширилась и охладилась, и
звезда сдвинулась вправо, сойдя с главной последовательности. Когда ядро стало достаточно горячим и плотным, чтобы загорелся гелий, звезда раздулась и стала
красным сверхгигантом, с холодной оболочкой в несколько раз больше размера орбиты Земли. После того как запасы гелия были исчерпаны, оболочка сжалась и снова нагрелась, звезда стала голубым сверхгигантом. В таком виде она последовательно с ж и г а л а все более тяжелые элементы. В конце концов образовалось железное ядро, коллапс которого вызвал вспышку Сверхновой. Сценарий основан на расчетах авторов данной статьи для звезды массой в 18 масс Солнца и начальным составом, типичным
для Большого Магелланова Облака.
КОСМИЧЕСКАЯ ЛУКОВИЦА — структура предсверхновой
в последние моменты ж и з н и — состоит из концентрических оболочек, в которых протекают реакции ядерного
синтеза с участием все более тяжелых элементов. На рисунке приведены радиусы к а ж д о й оболочки, заключенная
внутри ее масса, температура и плотность на ее поверхности; черными точками показаны области, в которых происходит конвекция. Если центральную часть огромной, разреженной оболочки, содержащей водород и гелий (а), увеличить в 600 раз (b), то можно обнаружить гелиевое ядро,
которое в 4 раза больше Юпитера. Увеличение еще в 10 раз
в с п ы ш к и несут п я т ь о с т а л ь н ы х т и п о в
нейтрино: электронные
нейтрино,
м ю - и т а у - н е й т р и н о и две их античас т и ц ы . И з числа и энергии о б н а р у ж е н ных н е й т р и н о с п о м о щ ь ю э к с т р а п о л я ции б ы л а вычислена полная энергия
нейтрино,
высвободившаяся
при
в с п ы ш к е С Н 1987А, а именно: 3 • 10 53
эрг. Э т о как раз р а в н о теоретической
энергии связи н е й т р о н н о й з в е з д ы с
массой 1,4 солнечной, т . е. количеству
г р а в и т а ц и о н н о й энергии, к о т о р а я д о л ж н а в ы д е л и т ь с я при ее о б р а з о в а н и и .
Т а к и м о б р а з о м , м и м о л е т н а я рег и с т р а ц и я н е й т р и н н о г о и м п у л ь с а пок а з ы в а е т , ч т о , как и п р е д с к а з ы в а л а
т е о р и я , при в с п ы ш к е
сверхновой
II типа
образовалась
нейтронная
звезда. Говоря точнее, это признак
того, что компьютерное моделирование о б р а з о в а н и я и к о л л а п с а массивн ы х звезд п р о в о д и т с я в п р а в и л ь н о м
направлении: оно точно предсказало
массу с ж и м а ю щ е г о с я я д р а . С р е д н я я
энергия о б н а р у ж е н н ы х н е й т р и н о подт в е р ж д а е т т е о р е т и ч е с к и е предсказания о т е м п е р а т у р е к о л л а п с и р у ю щ е й
протонейтронной звезды. Кроме того, в с п ы ш к а п р о д о л ж а л а с ь н е с к о л ь к о
секунд; э т о п о д т в е р ж д а е т , ч т о н е й т р и н о д е й с т в и т е л ь н о в ы х о д и л и из
плотного вещества сколлапсировавшего ядра.
Е щ е б о л ь ш е е значение и м е л т о т
ф а к т , ч т о после п у т е ш е с т в и я п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь ю в 160 т ы с . л е т н е й т р и но п р и б ы л и « т е с н о й г р у п п о й » , на нес к о л ь к о часов о п е р е д и в с в е т о в у ю
вспышку. Существует представление,
ч т о Вселенная с о д е р ж и т
гораздо
б о л ь ш е в е щ е с т в а , чем м ы н а б л ю д а -
(c) выявляет остатки горения гелия — ядро из углерода и
кислорода. Углерод сгорает, образуя неон и магний, которые вместе с кислородом превращаются в кремний и серу
(d). На последнем этапе горения кремний и сера превращаются в железо массой в 1,4 солнечной в самом центре звезды. Железо — последний элемент, образующийся в цепочке реакций синтеза: не имея больше возможности вырабатывать энергию и поддерживать давление, железное ядро
размером с Марс начинает сжиматься. В центре звезды
плотность достигает 10 млрд. граммов на кубический сантиметр и температура составляет 10 млрд. Кельвинов.
е м . Н е й т р и н о б ы л и п р е д л о ж е н ы как
носители этой «скрытой» массы. То,
что скорость нейтрино оказалось так
близка к скорости света, накладывает
с т р о г и е о г р а н и ч е н и я на их массу: нейт р и н о со з н а ч и т е л ь н о й м а с с о й , д в и г а ясь с т а к о й с к о р о с т ь ю , и м е л и б ы гор а з д о б о л ь ш у ю э н е р г и ю , чем о б н а р у женные частицы. Более того, нейтрино с р а з л и ч н ы м и э н е р г и я м и д о ш л и д о
нас с и н т е р в а л о м в н е с к о л ь к о секунд,
а если б ы о н и о б л а д а л и з н а ч и т е л ь н о й
массой, то времена прибытия частиц
р а с п о л о ж и л и с ь б ы в п о р я д к е уменьш е н и я их энергии.
Н е з а в и с и м ы е а н а л и з ы в р е м е н прихода частиц, проведенные Д ж . Бокалл о м из И н с т и т у т а в ы с ш и х исследований в П р и н с т о н е ( ш т . Н ь ю - Д ж е р с и ) ,
А . Б э р р о у з о м из А р и з о н с к о г о унив е р с и т е т а , Т . Л о р е д о и Д . Л э м б о м из
Чикагского университета, дали строгий верхний п р е д е л на массу электронных
антинейтрино:
около
20 э л е к т р о н в о л ь т
(0,00004
массы
электрона). Если массы мю- и таун е й т р и н о о г р а н и ч е н ы с х о д н ы м и по
порядку величинами, нейтрино м о ж но с у в е р е н н о с т ь ю и с к л ю ч и т ь из числ а п р е т е н д е н т о в на р о л ь н о с и т е л я
скрытой массы.
Н
ЕЙТРИННАЯ вспышка пролила
свет на к о л л а п с я д р а , о д н а к о о н а
почти ничего не м о г л а с о о б щ и т ь о
т о м , как ударная в о л н а , р о ж д е н н а я
при коллапсе, в ы ш л а из я д р а . « О ж и в ление» ударной в о л н ы энергией нейтрино остается в области теории. Однако ясно, ч т о 23 февраля 1987 г. (минус
160 т ы с . лет) сильная у д а р н а я волна
п р о ш л а через звезду Sk — 69°202. К о н с т а т и р у я очевидное, звезда действит е л ь н о взорвалась.
Ч е р е з 2 ч п о с л е р е г и с т р а ц и и нейтр и н о д е т е к т о р а м и К а м и о к а н д е и 1MB
(в т о в р е м я о б э т о м , конечно, н и к т о
не знал) А . Д ж о н с , а с т р о н о м - л ю б и т е л ь из Н о в о й З е л а н д и и , случайно
н а б л ю д а л т о с а м о е м е с т о на небе, где
должна б ы л а появиться Сверхновая.
Он не увидел ничего н е о б ы ч н о г о . Ч а с
спустя в А в с т р а л и и М а к н а у т экспонир о в а л две п л а с т и н к и , на к о т о р ы х ,
когда они б ы л и п р о я в л е н ы п о с л е сообщения Шелтона об открытии, были обнаружены первые изображения
Сверхновой. В какое-то время между
этими
наблюдениями,
возможно,
и м е н н о в т о т м о м е н т , когда Д ж о н с
с м о т р е л на э т о м е с т о , у д а р н а я в о л н а
в ы р в а л а с ь на п о в е р х н о с т ь з в е з д ы ,
вызвав жесткую (коротковолновую)
ультрафиолетовую вспышку, которая
быстро сменилась в и д и м ы м светом.
То, что ударной волне потребовалось т о л ь к о около 2 ч после коллапса
ядра, чтобы достичь поверхности и
в о з б у д и т ь о п т и ч е с к о е свечение, п о м о гло рассеять первоначальные сомнения в т о м , ч т о д е й с т в и т е л ь н о в з о р в а лась г о л у б а я звезда Sk — 69°202.
Б ы с т р о е н а ч а л о свечения и с к л ю ч а е т
в о з м о ж н о с т ь т о г о , ч т о предсверхновой б ы л к р а с н ы й с в е р х г и г а н т : д а ж е
в ы с о к о с к о р о с т н а я у д а р н а я в о л н а не
м о ж е т п р о й т и сквозь к р а с н ы й сверхг и г а н т б ы с т р е е , чем за сутки.
Еще одно свидетельство о размере
предсверхновой дала ультрафиолетовая в с п ы ш к а , х о т я н а б л ю д а л и с ь т о л ь ко ее п о с л е д с т в и я . У л ь т р а ф и о л е т о -
в ы й свет н е в и д и м д л я г л а з а , к р о м е т о го, он п о г л о щ а е т с я з е м н о й а т м о с ф е р о й . Телескоп на б о р т у с п у т н и к а I U E
(International Ultraviolet Explorer) м о г
о б н а р у ж и т ь э т о с а м о е раннее электром а г н и т н о е излучение Сверхновой, но в
т о время он не б ы л нацелен в н у ж н о м
направлении. О д н а к о в течение 14 ч
группа н а б л ю д а т е л е й , в о з г л а в л я е м а я
Р. Киршнером
из
Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра
и Д ж . С о н н е б о р н о м из Г о д д а р д о в ского ц е н т р а космических п о л е т о в
Национального управления по аэронавтике и космическим исследования м ( Н А С А ) , п е р е о р и е н т и р о в а л а спутник. К э т о м у в р е м е н и п е р в о н а ч а л ь н а я
в с п ы ш к а у ж е у г а с а л а , но С в е р х н о в а я
все е щ е б ы л а х о р о ш о видна в у л ь т р а фиолетовом диапазоне.
К р о м е т о г о , э т и исследователи с м о гли через несколько месяцев снова набл ю д а т ь ультрафиолетовую вспышку
косвенным путем, когда IUE обнаруж и л излучение г а з о в о й о б о л о ч к и ,
о к р у ж а ю щ е й С в е р х н о в у ю на р а с с т о я нии о к о л о о д н о г о с в е т о в о г о г о д а .
Э т о т газ, в е р о я т н о , п р е д с т а в л я е т соб о й в е щ е с т в о , в ы б р о ш е н н о е звездн ы м в е т р о м п р е д с в е р х н о в о й на с т а дии к р а с н о г о с в е р х г и г а н т а за 40 т ы с .
лет до взрыва. Ультрафиолетовая
вспышка Сверхновой достигла этой
о б о л о ч к и и и о н и з о в а л а ее. Н а о с н о в а нии
ее
вторичного
излучения
К . Ф р а н с с о н из С т о к г о л ь м с к о г о унив е р с и т е т а с д е л а л в ы в о д , ч т о в начале
свечения С в е р х н о в о й и з л у ч а ю щ е е вещество имело температуру около
полмиллиона Кельвинов. (Согласно
модели, разработанной Р. Шевалье
из У н и в е р с и т е т а ш т . В и р г и н и я , э т а
о б о л о ч к а , в о з м о ж н о , с н о в а начнет
с в е т и т ь с я через 10 л е т , к о г д е с ней
с т о л к н е т с я в ы б р о с С в е р х н о в о й , н о на
этот раз в радио- и рентгеновском
диапазонах.)
Когда мощная ударная волна выход и т на п о в е р х н о с т ь о т н о с и т е л ь н о небольшой
предсверхновой,
можно
о ж и д а т ь нагрева д о очень в ы с о к о й
т е м п е р а т у р ы и, с л е д о в а т е л ь н о , очень
ж е с т к о г о у л ь т р а ф и о л е т о в о г о излучения. Ч е м м е н ь ш е п о в е р х н о с т ь , п о кот о р о й р а с п р е д е л я е т с я энергия ударной в о л н ы , т е м б о л е е в ы с о к у ю т е м п е р а т у р у она с о з д а е т и д о б о л ь ш и х скор о с т е й у с к о р я е т с я в е щ е с т в о н а поверхности. Доплеровское смещение
линий в первоначальных ультрафиол е т о в о м и о п т и ч е с к о м с п е к т р а х показ а л о , ч т о с к о р о с т ь в ы б р о ш е н н о г о из
звезды вещества составила примерно
1/10 с к о р о с т и с в е т а .
Расширение охладило внешние обол о ч к и м о л о д о й С в е р х н о в о й , и основная ч а с т ь излучения б ы с т р о сдвинул а с ь из у л ь т р а ф и о л е т о в о й в в и д и м у ю
область спектра, к о т о р у ю зафиксиро-
вали с а м ы е п е р в ы е ф о т о г р а ф и и . Б о л о м е т р и ч е с к а я с в е т и м о с т ь (излучение
на всех д л и н а х в о л н , о т и н ф р а к р а с н ы х
д о у л ь т р а ф и о л е т о в ы х ) в п е р в ы е часы
б ы с т р о у м е н ь ш а л а с ь , но т а к как пот о к в и д и м о г о излучения в о з р а с т а л ,
С в е р х н о в а я с т а н о в и л а с ь все ярче,
п р е в р а щ а я с ь во в п е ч а т л я ю щ е е зрелищ е на н о ч н о м небе.
В течение п е р в ы х дней излучение из
в н у т р е н н и х слоев С в е р х н о в о й с т р у д о м могло в ы й т и наружу: свободные
э л е к т р о н ы в и о н и з о в а н н о м газе о б о лочки рассеивали свет, и д у щ и й и з н у т р и . О д н а к о , когда с н а р у ж и в е щ е с т в о
о с т ы л о п р и м е р н о д о 5500 К , я д р а вод о р о д а начали р е к о м б и н и р о в а т ь со
свободными электронами. В то время
как С в е р х н о в а я п р о д о л ж а л а р а с ш и ряться и остывать, поверхность, температура которой определялась температурой рекомбинации водорода,
двигалась внутрь оболочки. На этой
поверхности энергия, запасенная при
п р о х о ж д е н и и ударной в о л н ы , высвоб о ж д а л а с ь в о с н о в н о м в в и д и м о м диапазоне и с в о б о д н о у с т р е м л я л а с ь в прос т р а н с т в о . Как и предсказали о к о л о
15 л е т назад А р н е т т и С. Ф о л к из Техасского университета в Остине, в пос л е д у ю щ и е недели излучение при т е м пературе р е к о м б и н а ц и и в о д о р о д а дом и н и р о в а л о в свечении Сверхновой.
В это же время обнаружилось еще
о д н о с л е д с т в и е м а л ы х р а з м е р о в предсверхновой. Оптическое проявление
вспышки
было
неожиданно
слаб ы м — п о ч т и в 10 р а з слабее других
с в е р х н о в ы х II т и п а в м а к с и м у м е блеска. Ч т о б ы о с т ы т ь д о т е м п е р а т у р ы
рекомбинации
водорода,
любая
сверхновая
должна
расширяться.
Ударная волна сообщает примерно
о д и н а к о в у ю э н е р г и ю как н е б о л ь ш о й
о б о л о ч к е предсверхновой 1987А, так
и протяженной оболочке красного
сверхгиганта, нагревая м е н ь ш у ю оболочку д о с о о т в е т с т в е н н о б о л е е в ы с о кой т е м п е р а т у р ы . В р е з у л ь т а т е д о начала и н т е н с и в н о г о свечения С Н 1987А
п р и ш л о с ь р а с ш и р я т ь с я во м н о г о р а з
сильнее, чем д р у г и м
сверхновым
II т и п а , и э т о т процесс п о г л о т и л
э н е р г и ю , к о т о р а я в д р у г о м случае пош л а б ы на излучение.
П
РИМЕРНО через месяц, как б ы л о
п о д с ч и т а н о , вся энергия, п о с т у пившая в оболочку о т ударной волны,
б ы л а и з р а с х о д о в а н а л и б о на свечение,
л и б о на ускорение в ы б р о с а . О д н а к о
Сверхновая в видимом диапазоне прод о л ж а л а с в е т и т ь все ярче. В э т о врем я , в апреле, б о л ь ш у ю ч а с т ь с в е т а д а в а л д р у г о й и с т о ч н и к энергии — распад радиоактивных изотопов, образ о в а в ш и х с я при в з р ы в е . Б о л ь ш и н с т в о
т е о р е т и к о в с ч и т а л и , ч т о т а к и е эле-
10 000
1 000
2
о"
>
S 100
<
о.
НЕИТРИНО «ОЖИВЛЯЮТ» УДАРНУЮ ВОЛНУ, порожденную коллапсом ядра, в
модели, рассчитанной для звезды примерно такого ж е размера, как и предсверхновая 1987А. Каждая линия на графике показывает радиус оболочки,
внутри которой заключена постоянная масса. В начале отсчета времени через
несколько сотых секунды после рождения ударная волна потеряла энергию и
остановилась в веществе, падающем на внешнее ядро. График показывает, как
сколлапсировавшее ядро (фиолетовый) — протонейтронная звезда — сжимается и излучает мощный поток нейтрино, которые покидают его поверхность
(«нейтриносферу») после распространения сквозь ядерное вещество. Небольшая часть энергии нейтрино, поглощенная веществом заударной волной, нагревает и ускоряет это вещество. «Оживленная» ударная волна может разрушить
звезду. Расчеты проведены Р. Мэйлом и Дж. Вильсоном из Лоуренсовской национальной лаборатории в Ливерморе.
м е н т ы синтезируются в сверхновых
II т и п а , и т е п е р ь они с н е т е р п е н и е м
ждали возможности увидеть, сколько
их о б р а з о в а л о с ь в С Н 1987А и к а к у ю
роль будут в дальнейшем играть эти
изотопы.
П р о х о ж д е н и е у д а р н о й в о л н ы через
г л у б и н н ы е слои п р е д с в е р х н о в о й в
п е р в ы е м и н у т ы в з р ы в а в ы з в а л о нов ы е я д е р н ы е реакции. О с о б о е значение и м е л о п р е в р а щ е н и е части к р е м н и евой о б о л о ч к и в э л е м е н т ы г р у п п ы железа, главным образом в радиоактив-
н ы й и з о т о п никель-56. С п у с т я месяц
весьма н е с т а б и л ь н ы й никель-56 (его
период
полураспада
составляет
6,1 с у т . ) п о ч т и п о л н о с т ь ю р а с п а л с я ,
нагревая и заставляя расширяться
внутренние слои Сверхновой. Н о продукт его распада, кобальт-56, т а к ж е радиоактивен, а поскольку период его полураспада составляет 77,1 сут., его содержание оставалось высоким. П р и его
распаде образуется возбужденное ядро
железа-56, к о т о р о е испускает гаммалучи определенной энергии, переходя
КИСЛОРОД
НЕОН
МАГНИЙ
на основной энергетический уровень.
Теперь эти гамма-лучи поставляли
энергию для свечения Сверхновой.
С н а ч а л а сами г а м м а - л у ч и не м о г л и
в ы й т и н а р у ж у : из-за своей в ы с о к о й
энергии они м н о г о к р а т н о рассеивались на э л е к т р о н а х , п р е в р а щ а я с ь в
р е н т г е н о в с к о е излучение все более
низкой энергии. Д о с т и г н у в д о с т а т о ч но низкой энергии, р е н т г е н о в с к о е излучение п о г л о щ а л о с ь , н а г р е в а я вещес т в о и д а в а я в к л а д в о п т и ч е с к о е излучение. В т о в р е м я как С в е р х н о в а я стан о в и л а с ь все менее п л о т н о й , в о з р а с т а ю щ е е к о л и ч е с т в о энергии р а с п а д а
в ы с в о б о ж д а л о с ь т а к и м п у т е м . Макс и м у м я р к о с т и б ы л д о с т и г н у т 20 м а я
1987 г., через 80 дней после в з р ы в а .
К началу и ю н я у м е н ь ш е н и е блеска
Сверхновой происходило точно с такой с к о р о с т ь ю , к о т о р а я б ы л а предсказана на основании д а н н ы х о периоде п о л у р а с п а д а к о б а л ь т а - 5 6 . Зная яркость Сверхновой в данный м о м е н т и
п р о м е ж у т о к времени п о с л е в з р ы в а ,
м о ж н о в ы ч и с л и т ь , с к о л ь к о никеля-56
о б р а з о в а л о с ь в с а м о м начале. О т в е т
получился р а в н ы м 0,08 м а с с ы С о л н ца, ч т о не б о л е е чем в два р а з а о т л и ч а е т с я о т п р е д с к а з а н и й , с д е л а н н ы х нам и и д р у г и м и у ч е н ы м и д л я сверхнов ы х II т и п а .
КИСЛОРОД'
КРЕМНИЙ
СЕРА
УДАРНАЯ ВОЛНА
НЕЙТРОННАЯ
ЗВЕЗДА
ВЗРЫВНОЙ НУКЛЕОСИНТЕЗ происходит, когда ударная волна прорывается
сквозь внутренние слои предсверхновой. Часть кремния и серы, нагретая ударной волной до температуры выше 5 млрд. К, сгорает, образуя радиоактивный
никель-56 (стадия 1); часть кислорода в глубине следующей оболочки выгорает
до кремния и серы (стадия 2), а неон и магний во внутренних частях оболочки
превращаются в кислород (стадия 3). Ударная волна распространяется через
находящееся выше вещество, не вызывая больше превращений элементов (стадия 4). Продукт распада никеля — кобальт-56 т а к ж е радиоактивен; при его распаде образуется большая часть энергии свечения Сверхновой. Нейтрино из
сжимающейся нейтронной звезды в центре Сверхновой обгоняют ударную волну.
В течение нескольких недель после
м а к с и м у м а я р к о с т и е щ е нельзя б ы л о
непосредственно н а б л ю д а т ь радиоакт и в н о е в е щ е с т в о . О д н а к о к августу
расширяющееся вещество оболочки
с т а л о д о с т а т о ч н о р а з р е ж е н н ы м , чтоб ы излучение, с в я з а н н о е с р а с п а д о м ,
в ы х о д и л о н а р у ж у п о ч т и без рассеяния. С н а ч а л а японский с п у т н и к « Г и н га» и п о ч т и сразу вслед за н и м советская космическая с т а н ц и я « М и р » обн а р у ж и л и р е н т г е н о в с к и е лучи. И з л у чение б ы л о о т к р ы т о и м е н н о в т о м
д и а п а з о н е энергии, в к о т о р о м появление г а м м а - л у ч е й , о б р а з у ю щ и х с я при
распаде кобальта-56 и многократно
р а с с е я н н ы х в о б о л о ч к е , б ы л о предс к а з а н о Ф. П и н т о м из К а л и ф о р н и й ского университета в Санта-Крусе,
Р.А. Сюняевым и С.А. Гребеневым
из И н с т и т у т а космических исследований А Н С С С Р , а т а к ж е д р у г и м и исследователями. Когда стало наблюд а т ь с я р е н т г е н о в с к о е излучение, с а м и
г а м м а - л у ч и не м о г л и д о л г о о с т а в а т ь ся н е з а м е ч е н н ы м и , и в д е к а б р е они
были открыты с помощью приборов
на б о р т у с п у т н и к а Solar M a x i m u m
Mission. О т к р ы т и е б ы л о в с к о р е подтверждено данными, полученными
д е т е к т о р а м и на в о з д у ш н ы х ш а р а х ,
совершивших полеты в Австралии и
Антарктиде.
П о ч т и 20 л е т н а з а д Д . К л е й т о н и
его с о т р у д н и к и из У н и в е р с и т е т а Р а й са п р е д с к а з а л и , ч т о г а м м а - л у ч и с
энергией, с о о т в е т с т в у ю щ е й н а б л ю д а -
<
е м о й д л я С Н 1987А, д о л ж н ы излуч а т ь с я при в с п ы ш к а х с в е р х н о в ы х ; однако т а к о е раннее о б н а р у ж е н и е явил о с ь н е о ж и д а н н ы м . Т е о р е т и к и предп о л а г а л и , ч т о в с в е р х н о в ы х II т и п а
слои в з о р в а в ш е й с я з в е з д ы р а с ш и р я ются, сохраняя радиальную симметр и ю ; в э т о м случае р е н т г е н о в с к о е излучение д о л ж н о б ы л о п о г л о щ а т ь с я
еще в течение 100 дней п о с л е т о г о м о м е н т а , когда о н о уже б ы л о о б н а р у ж е но. Р а н е е п о я в л е н и е излучения о з н а чало, ч т о я д р о и с п ы т а л о п е р е м е ш и в а ние: в е щ е с т в о из в н у т р е н н и х слоев
б ы л о в ы б р о ш е н о в л е ж а щ и е в ы ш е слои
гелия или д а ж е в в о д о р о д н у ю оболочку. Действительно, доплеровское расширение гамма-линий показало, ч т о нек о т о р о е количество кобальта двигалось со с к о р о с т ь ю 3000 к м / с — д о с т а т о ч н о б ы с т р о , ч т о б ы опередить медленно движущееся вещество в основании водородной оболочки.
П р и м е р н о в т о ж е в р е м я , когда появился к о б а л ь т , излучение из г л у б о к и х
слоев С в е р х н о в о й п о з в о л и л о у с т а н о вить существование других т я ж е л ы х
элементов. Г а м м а - и рентгеновские
лучи из я д р а С в е р х н о в о й все е щ е исп ы т ы в а л и рассеяние, а с п е к т р в види-
м о м и ультрафиолетовом диапазонах
представлял собой частокол линий
поглощения атомов, образующихся в
оболочке. Оказалось, что т я ж е л ы е
э л е м е н т ы , к о т о р ы е С в е р х н о в а я рассеи в а л а в п р о с т р а н с т в е , р а н ь ш е всего
удалось обнаружить в инфракрасном
диапазоне.
Б о л ь ш а я ч а с т ь и н ф р а к р а с н о г о излучения п о г л о щ а е т с я з е м н о й а т м о сферой, о д н а к о е с т ь участки с п е к т р а ,
в к о т о р ы х о н о м о ж е т д о й т и д о поверхности Земли. Э т и диапазоны был и и с с л е д о в а н ы п о ч т и сразу после
в с п ы ш к и С в е р х н о в о й на А н г л о - А в -
23 ФЕВРАЛЯ 1987 Г.
7 Ч Зв МИН ВСЕМИРНОГО ВРЕМЕНИ
НЕЙТРИННАЯ ВСПЫЦ1КА
10 4 00 МИН
ВСПЫШКА ЖЕСТКОГО
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
0
100
200
300
400
500
ВРЕМЯ, СУТ
600 700
4 ИЮЛЯ
1 МАРТА
ВРЕМЯ, СУТ.
ВЗРЫВ СВЕРХНОВОЙ начался с невероятно мощной нейтринной вспышки, отметившей рождение нейтронной звезды. Через два часа, когда ударная волна вышла на поверхность звезды и нагрела ее до полмиллиона Кельвинов, последовала вспышка ж е с т к о г о ультрафиолетового излучения. В течение нескольких дней поверхность Сверхновой
расширилась и остыла, ее свет стал красным. Энергия, запасенная в оболочке ударной волной, начала высвобождаться; через несколько недель к ней добавилась энергия
распада радиоактивного кобальта. До 20 мая 1987 г. яркость Сверхновой постепенно увеличивалась; к этому времени вся энергия ударной волны была растрачена и свечение полностью зависело от радиоактивности. Посчедую-
щее падение яркости, представленное в логарифмическом
масштабе (вверху справа), совпало с результатами расчетов, в которых было принято, что энергия выделяется при
распаде кобальта-56 массой 0,08 солнечной (синяя
кривая). Через несколько месяцев после взрыва, когда
Сверхновая превратилась в турбулентную туманность,
размером во много раз больше Солнечной системы, рентгеновские и гамма-лучи (голубые стрелки), возникшие при распаде кобальта, смогли выходить наружу без рассеяния. Даж е сейчас при наблюдении в телескоп Сверхновая выглядит как неразрешенный точечный источник света; рисунки
основаны на объединении данных наблюдений яркости и
спектров для каждой стадии с выводами теории.
стралийском телескопе в Кунабарабране, обсерватории М а у н т - С т р о м л о
и С а й д и н г - С п р и н г в Водене ( А в с т р а лия) и на М е ж а м е р и к а н с к о й обсерватории в Серро-Тололо (Чили). Больш и й с п е к т р а л ь н ы й д и а п а з о н б ы л исследован с п о м о щ ь ю Койперовского
и н ф р а к р а с н о г о т е л е с к о п а Н А С А , кот о р ы й начиная с осени 1987 г. нес к о л ь к о р а з на р е а к т и в н о м с а м о л е т е
с о в е р ш а л п о л е т ы на в ы с о т е около12 км. Н а ч и н а я с н о я б р я , с п е к т р ы , полученные с п о м о щ ь ю Койперовского
т е л е с к о п а , а т а к ж е в А в с т р а л и и , пока-
зали п р и с у т с т в и е в я д р е С в е р х н о в о й
ц е л о г о « з о о п а р к а » э л е м е н т о в : не
т о л ь к о ж е л е з а , никеля и к о б а л ь т а , но
также аргона, углерода, кислорода,
неона, н а т р и я , м а г н и я , кремния, серы,
хлора, калия и, по всей в и д и м о с т и ,
а л ю м и н и я . И н т е н с и в н ы е инфракрасн ы е линии с в и д е т е л ь с т в о в а л и о т о м ,
ч т о количество э л е м е н т о в б ы л о больш и м , чем м о г л о с о д е р ж а т ь с я в ядре
звезды при ее р о ж д е н и и . Э л е м е н т ы
б ы л и с и н т е з и р о в а н ы в ядре звезды
или в ходе с а м о г о в з р ы в а ; в дальнейш е м они, в о з м о ж н о , с т а н у т компонент а м и будущей солнечной с и с т е м ы .
В
НАЧАЛЕ 1989 г., д в а г о д а спустя
после в з р ы в а , с в е т и м о с т ь Сверхновой с т а л а р а в н о м е р н о у м е н ь ш а т ь с я
со с к о р о с т ь ю , с о о т в е т с т в у ю щ е й экспоненциальному распаду кобальта-56
(с у ч е т о м т о г о , ч т о часть р е н т г е н о в ского и гамма-излучения теперь могл а в ы х о д и т ь с в о б о д н о , не д а в а я вклад а в к р и в у ю блеска). Н е к о т о р ы х т е о ретиков начало удивлять отсутствие
признаков существования других, отличных от радиоактивного распада,
источников
энергии.
Нейтринная
в с п ы ш к а и з в е с т и л а о р о ж д е н и и нейтронной звезды. Однако нейтронная
звезда о б ы ч н о я в л я е т с я м о щ н ы м ист о ч н и к о м излучения: она м о ж е т наг р е в а т ь в е щ е с т в о , п а д а ю щ е е на нее,
либо стать пульсаром — вращающейся н е й т р о н н о й з в е з д о й с с и л ь н ы м
м а г н и т н ы м полем, которое создает
в р а щ а ю щ и й с я пучок излучения.
ИЗЛУЧЕНИЕ СН 1987А началось с быстрой нейтринной вспышки; здесь показанаее запись, полученная детектором Камиоканде в Японии (а). Через несколько
часов после того, как ударная волна вышла из звезды, спутник International
Ultraviolet Explorer зарегистрировал ультрафиолетовый спектр, свидетельствующей об очень высокой температуре поверхности, нагретой ударной волной
(Ь). Спектр в видимом диапазоне, полученный через 50 дней после взрыва, имеет сильные линии водорода, характерные для расширяющейся остывающей
оболочки (с). Примерно через 6 месяцев инструменты на японском спутнике
«Гинга» и советской космической станции «Мир» обнаружили рентгеновское
излучение, возникающее при распаде радиоактивного кобальта (d\, гамма-лучи
от того ж е распада были обнаружены еще через несколько месяцев спутником
Solar Maximum Mission (е). С помощью Койперовского самолетного инфракрасного телескопа Национального управления по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА) проводились наблюдения инфракрасных эмиссионных
линий, которые показали наличие множества элементов, синтезированных при
взрыве глубоко в расширяющемся выбросе (/). Ультрафиолетовый спектр предоставлен Р. Киршнером из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, данные о гамма-излучении — М. Лейсингом из Морской исследовательской
лаборатории и инфракрасный спектр — Ф. Уиттеборном из Эймсского исследовательского центра НАСА.
К у д а ж е п р о п а л а н е й т р о н н а я звезда
в С Н 1987А? В о з м о ж н о , она о б р а з о в а л а с ь на н а ч а л ь н о й с т а д и и в з р ы в а и
з а т е м исчезла, п р е в р а т и в ш и с ь в черн у ю д ы р у ? Если б ы в течение нескольких п е р в ы х секунд в з р ы в а о б р а з о в а л а с ь черная д ы р а , т о н е й т р и н н ы й и м пульс б ы л б ы короче н а б л ю д а е м о г о ;
и в л ю б о м случае м а с с а к о л л а п с и р у ю щего железного ядра была бы меньше
п р е д е л а — о к о л о двух м а с с С о л н ц а —
д л я о б р а з о в а н и я черной д ы р ы . Если
бы достаточное количество вещества
п о з д н е е у п а л о на н е й т р о н н у ю звезду,
увеличив ее массу в ы ш е э т о г о предел а , т о весь р а д и о а к т и в н ы й никель
б ы л бы потерян и Сверхновая светила
б ы г о р а з д о слабее. К о г д а п р и б л и ж а л а с ь в т о р а я г о д о в щ и н а со д н я в с п ы ш ки, б о л ь ш и н с т в о а с т р о н о м о в еще
д е р ж а л и п а р и за о б р а з о в а н и е нейт р о н н о й з в е з д ы , х о т я экспоненциальное падение блеска и с к л ю ч и л о сущ е с т в о в а н и е очень я р к о г о п у л ь с а р а ,
п о д о б н о г о пульсару в К р а б о в и д н о й
т у м а н н о с т и — о с т а т к е в с п ы ш к и яркой С в е р х н о в о й 1054 г.
Н о ч ь ю 18 я н в а р я 1989 г. С в е р х н о в а я
д а л а о т в е т на одну загадку, з а д а в при
э т о м несколько новых. В Серро-Толол о группа, возглавляемая К . Пенни-
*
пакером из Лоуренсовской л а б о р а т о рии в Беркли и Д ж . М и д д л д и т ч е м из
Л о с - А л а м о с с к о й национальной лаборатории,
обнаружила
оптические
пульсации Сверхновой. Пульсации,
интенсивность к о т о р ы х составляла
около 0,1% полной светимости Сверхновой, происходили почти 2000 раз в
секунду; э т о означало, что скорость
вращения б ы л а в т р и р а з а больше,
чем у с а м о г о б ы с т р о г о из известных
до сих пор пульсаров. П р и т а к о м
б ы с т р о м вращении разрушения могут и з б е ж а т ь т о л ь к о плотнейшие, сам ы е массивные н е й т р о н н ы е з в е з д ы .
К р о м е т о г о , сигнал пульсара показ ы в а л регулярное изменение ч а с т о т ы ,
как б у д т о спутник в несколько раз тяжелее Юпитера п р и т я г и в а л его т о в
одну, т о в другую сторону к а ж д ы е
семь часов, в ы з ы в а я доплеровское
смещение ч а с т о т ы сигнала. Э т о т
спутник м о г о б р а з о в а т ь с я т о л ь к о после в з р ы в а , так как вычисленный радиус его о р б и т ы , о к о л о м и л л и о н а кил о м е т р о в , б ы л меньше радиуса предсверхновой. В о з м о ж н о , если спутник
д е й с т в и т е л ь н о существует, м о ж е т ли
он б ы т ь каким-то о б р а з о м в ы б р о шенной ч а с т ь ю нейтронной звезды
или д р у г и м о б л о м к о м , к о т о р ы й упал
назад и б ы л захвачен, или еще чемнибудь более экзотическим?
Ч т о действительно н е о б х о д и м о —
т а к э т о еще раз увидеть пульсар. Однако при п о в т о р н ы х наблюдениях с
т а к о й же и д а ж е большей чувстви-
т е л ь н о с т ь ю он не б ы л обнаружен.
В о з м о ж н ы р а з л и ч н ы е предположения на э т о т счет. Н а п р и м е р , облака
внутри Сверхновой м о г у т з а т м е в а т ь
сигнал или он м о ж е т б ы т ь подавлен:
вещество, п а д а ю щ е е на нейтронную
звезду, м о ж е т н а к о р о т к о з а м к н у т ь
электрическое поле
(генерируемое
в р а щ а ю щ и м с я м а г н и т н ы м полем),
к о т о р о е дает энергию на излучение.
О т в е т а н и к т о пока не знает.
С
УДЬБА нейтронной звезды —
еще одна т а й н а среди многих, соп р о в о ж д а ю щ и х С Н 1987А. М ы подчеркивали успехи т е о р и и и т о , как хор о ш о различные наблюдения д о п о л н я ю т друг друга. Однако имелись
а н о м а л и и и д о т о г о , как возникла
п р о б л е м а п р е д п о л а г а е м о г о пульсара.
Н а п р и м е р , за ч е т ы р е часа до обнаружения н е й т р и н о с п о м о щ ь ю установок К а м и о к а н д е и 1MB, д е т е к т о р в
туннеле под М о н б л а н о м зарегистрир о в а л другой импульс нейтринного
излучения. Д е т е к т о р ы гравитационных волн (способные о б н а р у ж и т ь высвобождение о г р о м н о й гравитационной энергии) в Р и м е в Мэриленде о т м е т и л и сигналы, с о в п а д а ю щ и е по
времени с р а н н и м импульсом нейтрино. Ч е м м о ж н о объяснить колоссальное выделение энергии за ч е т ы р е часа
д о коллапса ядра? Э т о г о пока никто
не знает. Через несколько месяцев после в з р ы в а появилась еще одна загадка — в т о р о й источник света, пример-
Жесткое рентгеновское излучение
Сверхновой 1987А
Р. А. СЮНЯЕВ
В
СПЫШКА Сверхновой 1987А в
Б о л ь ш о м М а г е л л а н о в о м Облаке
привлекла с т о л ь б о л ь ш о е внимание
а с т р о н о м о в и физиков не т о л ь к о пот о м у , что э т о первая почти за 400 лет
сверхновая, видимая невооруженным
глазом.
Относительная
близость
этой Сверхновой (180 т ы с . световых
лет) позволила а с т р о ф и з и к а м исслед о в а т ь многие д е т а л и ее э в о л ю ц и и во
времени, т щ а т е л ь н о изучить электром а г н и т н ы й спектр практически во
всех диапазонах ч а с т о т , впервые обн а р у ж и т ь нейтрино, испущенные при
коллапсе звезды и превращении ее в
н е й т р о н н у ю звезду, а м о ж е т б ы т ь , и в
черную д ы р у .
Э т а Сверхновая однозначно показала, что источником энергии, излучае-
© Сюняев Р. А., 1989 г.
м о й оболочкой в течение многих сотен дней, является р а д и о а к т и в н ы й
распад кобальта-56, к о т о р ы й превращ а е т с я в привычное нам железо. Сегодня а с т р о н о м ы з н а ю т , что при
в з р ы в е Сверхновой б ы л а синтезирована 1/12 м а с с ы С о л н ц а в виде радиоактивного никеля-56, превратившегося сначала в кобальт-56, а з а т е м — в
железо-56. И нам п р и я т н о , что заметн ы й вклад в обнаружение ф о т о н о в о т
распада кобальта-56 внесли п р и б о р ы
м е ж д у н а р о д н о й рентгеновской обсерв а т о р и и на модуле « К в а н т » комплекса космической станции « М И Р » .
М о д у л ь « К в а н т » б ы л выведен на
орбиту 30 м а р т а 1987 г. Сразу ж е был о ясно, что судьбой ему предназначено вести наблюдения за Сверхновой.
Н а о р б и т е к э т о м у времени находились два рентгеновских инструмента — один на японском спутнике
но в 10 раз слабее Сверхновой, котор ы й м о ж н о б ы л о о т д е л и т ь о т основной вспышки т о л ь к о с п о м о щ ь ю неп р я м о г о м е т о д а , известного как
спекл-интерферометрия. Таинственн ы й в т о р о й источник исчез 7 и ю н я
1987 г. и больше не появлялся.
Сомнения, в о з н и к а ю щ и е по поводу
этих данных, и дискуссии относительно их интерпретации п о з в о л я ю т сдел а т ь в а ж н ы й в ы в о д , касающийся наблюдений Сверхновой. О б ы ч н о в науке
р е з у л ь т а т принимается, т о л ь к о если
его м о ж н о воспроизвести. Однако в
случае Сверхновой 1987А м ы имеем
дело с с о б ы т и е м , к о т о р о е м о ж е т не
п о в т о р и т ь с я в течение нескольких
с т о л е т и й . К о г д а н е в о з м о ж н о интерп р е т и р о в а т ь наблюдения, лучшее,
что м о ж н о сделать, — э т о аккуратно
записать и хранить все, что б ы л о обнаружено, ч т о б ы ученые будущего,
о б л а д а ю щ и е б о л ь ш е й проницательн о с т ь ю , смогли их п о н я т ь .
Н е с м о т р я на э т о , последние два с
половиной года принесли н а м захват ы в а ю щ и е дух успехи в понимании
сверхновых II т и п а . Д л я нас и сотен
других т е о р е т и к о в и н а б л ю д а т е л е й ,
р а б о т а ю щ и х во всех диапазонах
спектра, стремящихся вместе зафикс и р о в а т ь и объяснить одно из величайших небесных явлений, э т о б ы л о
время несравненного вдохновения,
научного сотрудничества и плодот в о р н о й д е я т е л ь н о с т и , к о т о р о е мож е т б ы т ь т о л ь к о о д н а ж д ы в жизни.
«Гинга», в т о р о й — на советском
спутнике « А с т р о н » . П е р в ы е же наблюдения со всех трех космических апп а р а т о в показали о т с у т с т в и е заметного п о т о к а в с т а н д а р т н о м рентгеновском диапазоне 2—10 кэВ. Объект
оказался неожиданно с л а б ы м рентгеновским источником.
Теоретический анализ предсказывал т р и основные причины возникновения
рентгеновского
излучения
Сверхновой. Первая, наиболее очевидная, связана с взаимодействием
наиболее б ы с т р о р а з л е т а ю щ и х с я слоев (20 000—40 000 к м / с )
оболочки
Сверхновой со звездным в е т р о м —
веществом, истекавшим из звезды до
ее гибели и и м е в ш и м в десятки или даже сотни раз меньшие скорости относительно звезды. Столкновение вещества оболочки с веществом звездного ветра д о л ж н о привести, как э т о
б ы л о показано Д . К . Н а д е ж и н ы м
еще 20 лет назад, к о б р а з о в а н и ю ударной в о л н ы , нагреву газа в ней д о т е м п е р а т у р ы почти 100 м л н . Кельвинов и
излучению
рентгеновских
лучей
вследствие
столкновения
горячих
электронов с п р о т о н а м и .
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ галактики Большое Магелланово Облако (БМО) в диапазоне 2—16кэВ, полученное телескопом с теневой маской (ТТМ) на модуле «Квант»
(приведена область на небе 7, 5° х 3°). Сильные пики
представляют собой ярчайшие источники в БМО (БМО Х-1,
БМО Х-2, БМО Х-3, БМО Х-4). На карте обозначен пульсар
Второй причиной б ы л о возможное
наличие под оболочкой мощного мол о д о г о п у л ь с а р а , и н т е н с и в н о излучающего, подобно Крабовидной туманности, в рентгеновском диапазоне.
О д н а к о п е р в ы е ж е н а ш и р а с ч е т ы пок а з а л и , ч т о совокупное д е й с т в и е фот о п о г л о щ е н и я и к о м п т о н о в с к о г о рассеяния не п о з в о л я е т в е с т и н а б л ю д е н и я п у л ь с а р а н а энергиях н и ж е
30—40 кэВ. Все излучение н а м е н ь ш и х
энергиях п о г л о щ а е т с я в о б о л о ч к е .
И н а к о н е ц , б ы л а г и п о т е з а С. К о л г е й т а из Л о с - А л а м о с с к о й н а ц и о н а л ь н о й л а б о р а т о р и и и Д . К л е й т о н а из
Университета Райса о т о м , что в оболочке м о ж е т р а с п а д а т ь с я р а д и о а к т и в н ы й к о б а л ь т . П р и р а с п а д е излучаются
гамма-кванты
с
энергиями
847 кэВ, 1238 кэВ и т . д. Э т и ф о т о н ы
не м о г у т с в о б о д н о в ы й т и из о б о л о ч ки. К а ж д ы й из ф о т о н о в д о л ж е н б ы л в
с р е д н е м с о т н и р а з р а с с е я т ь с я н а элект р о н а х о б о л о ч к и (как с в о б о д н ы х , т а к
и связанных в атомах). При каждом
0540—693 с периодом вращения 50 мс. Поток излучения
от этого пульсара в 1 ООО раз слабее потока от Крабовидной туманности, находящейся в 25 раз ближе к Земле. На
месте Сверховой 1987А (СН 1987А) прибор не фиксирует
значимого потока. Карта построена с угловым разрешением 2 угловые минуты.
рассеянии энергия ф о т о н о в вследствие э ф ф е к т а о т д а ч и д о л ж н а уменьшаться. Согласно теории вероятнос т и , р а з н ы е ф о т о н ы д о л ж н ы рассеив а т ь с я в о б о л о ч к е н е о д и н а к о в о е число
раз. Соответственно д о л ж н ы различ а т ь с я и энергии ф о т о н о в , в ы х о д я щ и х
из о б о л о ч к и . П о л у ч е н н ы е н а м и п р и б лиженные аналитические ф о р м у л ы и
р а с ч е т ы м е т о д о м М о н т е - К а р л о показ а л и , ч т о из о б о л о ч к и д о л ж н о в ы х о д и т ь излучение с н е п р е р ы в н ы м спектром, простирающимся от мегаэлектр о н в о л ь т н о й о б л а с т и энергий д о
20—30 кэВ. П р и энергиях н и ж е 20 кэВ
фотопоглощение на а т о м а х и ионах
т я ж е л ы х э л е м е н т о в не « в ы п у с к а е т »
р е н т г е н о в с к и е лучи. В р е з у л ь т а т е
этих расчетов стало ясно, ч т о рентгеновская о б с е р в а т о р и я н а
модуле
«Квант», чувствительная в диапазоне
энергий о т 2 кэВ д о 1 М э В , д о л ж н а
б ы т ь идеальным инструментом для
о б н а р у ж е н и я излучения, с в я з а н н о г о
с распадом радиоактивного кобаль-
та-56 в недрах оболочки Сверхновой.
П р е д с к а з а н н ы й с п е к т р б ы л б о л е е пол о г и й , чем л ю б о й из н а б л ю д а в ш и х с я
до т о г о времени спектров рентгеновских о б ъ е к т о в .
Ч е р е з м е с я ц п о с л е запуска « К в а н т а » оси его т е л е с к о п о в б ы л и наведены на Сверхновую. В э т о м наблюдении и двух п о с л е д у ю щ и х б ы л и получены л и ш ь верхние п р е д е л ы п о т о к а
р е н т г е н о в с к о г о излучения. О д н а к о
10 а в г у с т а 1987 г. п р и б о р Г Е К С Е (результат сотрудничества Института
космических и с с л е д о в а н и й А Н С С С Р ,
И н с т и т у т а в н е а т м о с ф е р н о й физики
Общества Макса Планка и Тюбингенского университета)
зафиксировал
сигнал от Сверхновой в диапазоне
20—200 кэВ.
Последовали
недели
н а б л ю д е н и й , о с н о в н а я цель к о т о р ы х
б ы л а п о с т р о и т ь р е н т г е н о в с к о е изображение Б о л ь ш о г о Магелланова Облака (БМО) при п о м о щ и телескопа с
теневой маской (ТТМ), установленного н а м о д у л е « К в а н т » , ч т о б ы л о к а л и -
з о в а т ь и с т о ч н и к ж е с т к о г о излучения с
точностью порядка угловой минуты
(см. рисунок н а с . 2 4 ) . Э т у з а д а ч у не
у д а л о с ь р е ш и т ь в п о л н о й м е р е — источник оказался чрезвычайно слабым
в д и а п а з о н е н и ж е 30 кэВ. « К в а н т » наводился в р а з л и ч н ы е точки неба вблизи направления на Сверхновую, ч т о б ы
д и с к р и м и н и р о в а т ь в к л а д других объе к т о в в п о л е зрения п р и б о р а Г Е К С Е ,
х о т я с п е р в о г о ж е д н я н а м б ы л о ясно,
ч т о с п е к т р и з л у ч е н и я х о р о ш о совпадает с предсказанным и что столь
ж е с т к и й с п е к т р н и к о г д а не н а б л ю д а л ся ранее. Ч е р е з две недели, 24 а в г у с т а
1987 г., и с т о ч н и к б ы л о д н о з н а ч н о л о к а л и з о в а н и и д е н т и ф и ц и р о в а н со
Сверхновой прибором Г Е К С Е , и м ы
с о о б щ и л и об э т о м в с е м у м и р у . К р о м е
того, благодаря прибору «Пульсар
Х-1» нам удалось н а б л ю д а т ь спектр
и с т о ч н и к а в п л о т ь д о энергии 400 кэВ.
В ж у р н а л а х « N a t u r e » и « П и с ь м а в Астрономический журнал» б ы л опубликован спектр Сверхновой в ш и р о к о м
д и а п а з о н е энергий о т 20 д о 400 кэВ
(см. рисунок с п р а в а ) . Н е б ы л о сом н е н и й в т о м , ч т о н а б л ю д а е м о е излучение о б у с л о в л е н о р а с п а д о м р а д и о а к тивного
кобальта-56
(характерное
в р е м я п о л у р а с п а д а 111 суток).
Прибор Т Т М , построивший рентгеновскую карту Б о л ь ш о г о Магелланов а О б л а к а и не о б н а р у ж и в ш и й излучения в с т а н д а р т н о м р е н т г е н о в с к о м
д и а п а з о н е 2—10 кэВ, д а л в а ж н е й ш и е
ограничения на п а р а м е т р ы ударной
волны на границе разлетающейся
о б о л о ч к и и о к р у ж а ю щ е й ее с р е д ы ,
ограничения на п л о т н о с т ь звездного
в е т р а и т е м п п о т е р и м а с с ы з в е з д о й за
н е с к о л ь к о л е т д о ее с м е р т и . И н т е р е с но, ч т о с е г о д н я и м а л ы й т е м п п о т е р и
м а с с ы на с т а д и и п р е д с в е р х н о в о й , и
сам факт обнаружения радиоактивног о излучения, с в я з а н н о г о с р а с п а д о м
кобальта-56,
выглядят
настолько
е с т е с т в е н н о , ч т о у п о м и н а ю т с я н а нау ч н ы х к о н ф е р е н ц и я х как а з б у ч н ы е ист и н ы , х о т я е щ е весной 1987 г. э т о б ы ли весьма спорные гипотезы.
Практически в т о же время, что и
« К в а н т » , за С в е р х н о в о й н а п р я ж е н н о
следил японский спутник «Гинга» с
британскими
пропорциональными
с ч е т ч и к а м и на б о р т у . Я п о н с к и е учен ы е о б ъ я в и л и об о б н а р у ж е н и и излучения С в е р х н о в о й в д и а п а з о н е о т 2 д о
30 кэВ. П о т о к и в о б л а с т и 20—30 кэВ
совпали с д а н н ы м и « К в а н т а » . Предел ы , полученные прибором Т Т М , был и н е с к о л ь к о н и ж е п о т о к а , зафиксир о в а н н о г о с п у т н и к о м « Г и н г а » , но
позднее выяснилось, что эти спутники вели н а б л ю д е н и я в р а з н ы е д н и , и
излучение, о б н а р у ж е н н о е я п о н с к и м и
учеными, б ы л о переменным. Статьи
о результатах с модуля «Квант» и
спутника «Гинга» появились в одном
10
10
10
ЭНЕРГИЯ, КЭВ
СПЕКТР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СН 1987А, полученный модулем
«Квант» в августе 1987 г. Для сравнения приведены результаты расчета методом Монте-Карло спектра излучения, выходящего из оболочки, когда источником фотонов является распад радиоактивного кобальта. Спектральные линии
в правой части рисунка представляют собой гамма-линии прямого вылета (фотоны, не испытавшие ни одного рассеяния в оболочке). Крутой низкочастотный
обрыв спектра связан с фотопоглощением на атомах тяжелых элементов. На
рисунке видна т а к ж е флуоресцентная линия железа, излучаемая внешними
слоями оболочки. Экспериментальные точки получены приборами ГЕКСЕ,
«Пульсар Х-1» и ТТМ на модуле «Квант».
и т о м же номере журнала «Nature», и
с тех пор обе научные группы регулярно обмениваются д а н н ы м и о наблюдениях С в е р х н о в о й 1987А.
П о с л е а в г у с т а 1987 г. через к а ж д ы е
3—4 м е с я ц а С в е р х н о в а я в н о в ь с т а н о в и л а с ь на н е с к о л ь к о недель г л а в н о й
м и ш е н ь ю модуля « К в а н т » . В ходе
этих наблюдений б ы л о найдено, что
д о я н в а р я 1988 г. п о т о к ж е с т к о г о
рентгеновского излучения медленно
нарастал (оболочка становилась прозрачнее д л я р е н т г е н о в с к и х и г а м м а лучей), а з а т е м н а ч а л с п а д а т ь в полном соответствии с предсказаниями
т е о р и и и у м е н ь ш е н и е м к о л и ч е с т в а радиоактивного кобальта под оболочкой. О д н а к о х о д п о д ъ е м а и с п а д а пок а з а л , ч т о р а д и о а к т и в н ы й н и к е л ь , через 8 дней п р е в р а т и в ш и й с я в к о б а л ь т ,
б ы л с и н т е з и р о в а н не в у з к о м сферичес к и - с и м м е т р и ч н о м слое, о б л е г а в ш е м
б у д у щ у ю н е й т р о н н у ю звезду, а б ы л
с и л ь н о п е р е м е ш а н п о всей м а с с е с б р о шенной оболочки. Существовавшие
р а с ч е т ы я д е р н о г о н у к л е о с и н т е з а не
предсказывали т а к о й к а р т и н ы . Сейчас
выяснилось, т о ж е по р е з у л ь т а т а м
« К в а н т а » , ч т о в ходе в з р ы в н о г о ядерного горения развивается неустойчивость Р э л е я — Т е й л о р а , перемешивающ а я вещество оболочки, п о д о б н о т о м у ,
как р т у т ь , н а л и т а я р о в н ы м слоем на
поверхность воды, не м о ж е т находить-
ся в равновесии в поле т я ж е с т и , а с б и вается в капельки и «проваливается».
В с е н т я б р е 1988 г. « К в а н т » о б н а р у ж и л большое изменение в спектре
Сверхновой. В результате процесса
комптонизации (движения фотонов
вниз по оси энергии в с л е д с т в и е эффект а о т д а ч и п р и м н о г о к р а т н ы х рассеяниях н а э л е к т р о н а х ) г а м м а - к в а н т ы
у ж е не м о г у т с п у с т и т ь с я д о энергии
н и ж е 20 кэВ, где в е л и к а р о л ь ф о т о п о глощения, спектр имеет максимум
при энергиях 50—60 кэВ. Э т о свидет е л ь с т в у е т о т о м , ч т о среднее число
рассеяний, и с п ы т ы в а е м ы х ф о т о н а м и ,
б л и з к о к 10, т . е. о п т и ч е с к а я т о л щ а
о б о л о ч к и по р а с с е я н и ю в с е н т я б р е
1988 г. (минус 180 000 л е т ) б ы л а р а в н а
3—4. Т а к и м о б р а з о м , б ы л о и з м е р е н о
п о л н о е к о л и ч е с т в о э л е к т р о н о в н а луче з р е н и я : 5 • 10 24 э л / с м 2 .
Наши данные дают информацию
об изотропии взрыва Сверхновой, о
неоднородности оболочки. Методами теории перколяции удается получить в а ж н ы е ограничения на р а з м е р ы
неоднородностей в оболочке. При
э т о м рентгеновские и г а м м а - ф о т о н ы
и с п о л ь з у ю т с я д л я п р о с в е ч и в а н и я (томографии) оболочки.
«Квант» продолжает наблюдения
С в е р х н о в о й 1987А. С е г о д н я н а ш е й
целью являются обнаружение линии с
энергией 122 кэВ и получение непре-
р ы в н о г о спектра, связанного с распад о м более д о л г о ж и в у щ е г о и з о т о п а —
к о б а л ь т а - 5 7 ( в р е м я п о л у р а с п а д а 391
сутки). Н а п о м н и м , ч т о в г е м о г л о б и н е
крови человека о т н о ш е н и е а т о м о в
железа-57 к железу-56 с о с т а в л я е т
2 , 5 % . Несомненно, что железо-57
т а к ж е р о д и л о с ь при в с п ы ш к а х сверхновых, а расчеты ядерного синтеза
п о к а з ы в а ю т , ч т о в условиях Сверхновой 1987А о т н о ш е н и е к о б а л ь т а - 5 7 к
кобальту-56 д о л ж н о п р е в ы ш а т ь 5 % .
Э т о о т н о ш е н и е ч р е з в ы ч а й н о чувствительно к концентрации свободных
н е й т р о н о в во в р е м я я д е р н о г о с и н т е з а .
Н а б л ю д е н и я м о д у л я « К в а н т » , провед е н н ы е в и ю н е 1989 г., д а л и верхний
предел на э т о о т н о ш е н и е , р а в н ы й 4 % .
Д р у г о й , в а ж н е й ш е й д л я нас задачей
является обнаружение рентгеновского излучения з в е з д н о г о о с т а т к а , т . е.
решение вопроса о т о м , что же образ о в а л о с ь после в з р ы в а — н е й т р о н н а я
з в е з д а или черная д ы р а . О б ъ е к т —
п у л ь с а р или а к к р е ц и р у ю щ а я (излучаю щ а я за счет падения в е щ е с т в а в
с и л ь н о м г р а в и т а ц и о н н о м поле) нейт р о н н а я звезда или черная д ы р а
д о л ж н ы , согласно расчетам, проявл я т ь себя излучением в д и а п а з о н е
30—75 кэВ. Н а м е н ь ш и х энергиях е щ е
несколько л е т б у д е т п р о и с х о д и т ь
очень сильное ф о т о п о г л о щ е н и е в
окружающей оболочке. Сегодня м ы
м о ж е м с к а з а т ь , ч т о если б ы п о д о б о л о ч к о й с к р ы в а л с я о б ъ е к т т и п а пульс а р а в К р а б о в и д н о й т у м а н н о с т и , аккрецируюшей нейтронной звезды —
р е н т г е н о в с к о г о п у л ь с а р а ( т и п а изв е с т н о г о и с т о ч н и к а Геркулес Х-1) или
источника типа кандидата в черные
д ы р ы Л е б е д ь Х-1, т о « К в а н т » с м о г
б ы их н а б л ю д а т ь в течение б л и ж а й щего года. Крабовидную туманность, спрятанную под оболочкой,
м ы б ы уже увидели в и ю н ь с к и х наблюдениях этого года. Источник же
п о д о б о л о ч к о й слабее К р а б о в и д н о й
туманности.
Х о т я С в е р х н о в а я в с п ы х н у л а на ю ж н о м небе и не д о с т у п н а д л я н а з е м н ы х
наблюдений с территории Советского С о ю з а , П у л к о в с к и е а с т р о ф и з и к и
вели н а б л ю д е н и я за ней при п о м о щ и
н е б о л ь ш о г о т е л е с к о п а в горах Б о л и вии, исследуя п о л я р и з а ц и ю ее о п т и ч е ского излучения. С п е ц и а л и с т ы Аст р о н о м и ч е с к о г о с о в е т а в Москве и
К р ы м с к о й астрономической обсерватории наблюдали ультрафиолетовое
излучение С в е р х н о в о й со с п у т н и к а
« А с т р о н » . Б о л ь ш о й вклад в построение моделей гидродинамического взрыва Сверхновой и теоретической кривой
блеска внесла группа В. С. И м ш е н н и к а
и Д . К . Н а д е ж и н а из И н с т и т у т а т е о ретической физики А Н С С С Р в Моекве, т е о р е т и к и А с т р о с о в е т а , Г А И Ш ,
Ф И А Н , И Я И , И К И , И М П и многих
д р у г и х и н с т и т у т о в А к а д е м и и наук
С С С Р и о б с е р в а т о р и й нашей с т р а н ы .
Н е л ь з я не у п о м я н у т ь и о б эксперимент а х по н а б л ю д е н и ю н е й т р и н о , п р о в о д и м ы х под р у к о в о д с т в о м Г . Т . Зацепина и А . Е . Ч у д а к о в а из И н с т и т у т а
ядерных исследований А Н С С С Р в
Москве.
В декабре этого года мы ждем вывода на о р б и т у с п у т н и к а « Г р а н а т » , на
борту которого будут установлены
более чувствительные инструменты,
чем на м о д у л е « К в а н т » . У н и к а л ь н а я
в ы с о к о а п о г е й н а я о р б и т а э т о г о спутника д о л ж н а о б е с п е ч и т ь н е п р е р ы в н ы е к р у г л о с у т о ч н ы е н а б л ю д е н и я интересных астрофизических объектов в
течение т р е х дней из ч е т ы р е х д н е в н о г о
орбитального периода.
«Гранату»
п р е д с т о и т в к л ю ч и т ь с я в поиск нейт р о н н о й з в е з д ы или черной д ы р ы , рол и в ш и х с я при в з р ы в е С в е р х н о в о й . Астрофизики и физики-ядерщики ждут с
н е т е р п е н и е м запуска двух г а м м а спутников: советского «Гамма-1» и
американской Обсерватории гаммалучей ( G R O ) , к о т о р ы е м о г у т н а б л ю д а т ь ф о т о н ы с энергией, в т ы с я ч и р а з
б о л ь ш е й , чем д е т е к т и р у е м ы е м о д у лем «Квант». Эти фотоны должны
м н о г о е р а с с к а з а т ь о процессах ускорения космических лучей в о б о л о ч к е
С в е р х н о в о й и о м о л о д о м пульсаре,
с к р ы т о м п о д ней. П о к а ж е д а н н ы е м о дуля « К в а н т » позволяют сделать вывод, что наблюдаемая Сверхновая —
ч р е з в ы ч а й н о с л а б ы й и с т о ч н и к ускорения у л ь т р а р е л я т и в и с т с к и х э л е к т р о нов. С о в о к у п н о с т ь оптических и рентгеновских д а н н ы х ( б о л о м е т р и ч е с к а я
светимость Сверхновой) свидетельствует о т о м , ч т о т е м п ускорения космических лучей в э т о м о б ъ е к т е сущ е с т в е н н о м е н ь ш е , чем в К р а б о в и д ной
туманности
сегодня,
через
1 ООО л е т после ее в о з н и к н о в е н и я . Аст р о н о м ы , если т о г д а они б у д у т на
З е м л е , с м о г у т н а б л ю д а т ь С Н 1987А
б о л е е 100 т ы с . л е т , но уже с е г о д н я она
о п р о в е р г л а м н о г о е из т о г о , чему нас
учили классические книги: в з о р в а л с я
г о л у б о й , а не к р а с н ы й с в е р х г и г а н т ,
о б ъ е к т практически не н а б л ю д а е м в
радиолучах,
главным
источником
энергетики о б о л о ч к и о к а з а л с я ядерн ы й р а с п а д к о б а л ь т а - 5 6 , о б ъ е к т не
у с к о р я е т космические лучи. М ы привыкли
считать,
что
сверхнов ы е — э т о п р о я в л е н и е м о щ н ы х нетепловых процессов (ультрарелятивистские ч а с т и ц ы , с и н х р о т р о н н о е излучение, у д а р н ы е в о л н ы ) . В д е й с т в и т е л ь н о с т и ж е в течение д о л г и х десят и л е т и й в С Н 1987А м о ж н о б у д е т
наблюдать холодный остывающий
из-за р а с ш и р е н и я газ с т е м п е р а т у р о й
несколько т ы с я ч градусов и п ы л ь , изучающие в основном в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах.
П о с л е д у ю щ и е н а б л ю д е н и я д а д у т инф о р м а ц и ю о с и н т е з е при в з р ы в е
С в е р х н о в о й м н о г и х э л е м е н т о в периодической т а б л и ц а М е н д е л е е в а , о количестве р а д и о а к т и в н ы х э л е м е н т о в
22
N a , 4 4 Ti, 28 А1 и д р у г и х . М ы м н о г о г о
ж д е м е щ е о т э т о й С в е р х н о в о й и неу д и в и т е л ь н о — она с а м а я б л и з к а я и
я р к а я со времен Б о р и с а Г о д у н о в а и
Генриха Н а в а р р с к о г о .
Возвращаясь к современности, нам
б ы х о т е л о с ь п о б л а г о д а р и т ь коллективы, работающие под руководством
Ю. П . С е м е н о в а и Н . Н . Ш е р е м е т ь евского, с о з д а в ш и х у н и к а л ь н ы й комплекс космической с т а н ц и и « М И Р » и
обеспечивших в ы с о к у ю с т а б и л и з а цию телескопов станции ( ~ 1 угловой
м и н у т ы ) , без к о т о р о й б ы л и б ы невозм о ж н ы столь точные наблюдения.
Нам приятно также поблагодарить
всех, к т о п р и н и м а л участие в с о з д а нии м о д у л я « К в а н т » , научной а п п а р а т у р ы , всех, к т о у п р а в л я л к о р а б л е м ,
помогал нам обрабатывать данные, а
т а к ж е к о с м о н а в т о в А . П . Александ р о в а , А . И . Л а в е й к и н а , М . X. Манарова, Ю. В. Р о м а н е н к о , В. Г . Т и т о в а ,
ученых из И н с т и т у т а в н е а т м о с ф е р н о й
физики
Общества
Макса
Планка
(ФРГ), Астрономического института
Т ю б и н г е н с к о г о университета ( Ф Р Г ) ,
Л а б о р а т о р и и космических исследований ( Н и д е р л а н д ы ) , Б и р м и н г е м с к о г о
университета (Великобритания) и соа в т о р о в наших о с н о в н ы х публикаций
М. Р. Г и л ь ф а н о в а , С . А. Г р е б е н е в а ,
В. В. Е ф р е м о в а , А . С . К а н и о в с к о г о ,
Е. М. Ч у р а з о в а .
НАПОМИНАЕМ АДРЕСА
МАГАЗИНОВ — ОПОРНЫХ
ПУНКТОВ
ИЗДАТЕЛЬСТВА «МИР»
375019 Ереван,
ул. Барекамутян, 24-а,
магазин № 29
250001 Киев,
ул. Крещатик, 44
магазин № 12
660036 Красноярск,
Академгородок,
магазин № 101
141908 Дубна,
ул. Векслера, 11,
головной магазин
603006 Горький,
ул. Горького, 156,
магазин № 29 «Наука»
50
SCIENTIFIC
AMERICAN
А В Г У С Т 1939 г. «Реализация идеи,
предложенной одним м о л о д ы м жителем Оклахомы, возможно, ускорит
истощение мировых запасов нефти.
Э т о т человек, по имени Д ж о н Истмэн, предложил бурить не прямые, а
искривленные скважины.,Не смущенный скептицизмом специалистов, он
доказал, что, буря скважины под
углом к поверхности, м о ж н о «перехитрить» недра земли, скрывающие
свои сокровища и даже извлекать
нефть из-под океанского дна. Если
окажется, что нефть находится под
городом, парком или кладбищем, то,
по методу Истмэна, м о ж н о будет
п р о р ы т ь наклонную скважину издалека и таким образом избежать таких
нелепостей, как установка буровых
вышек на лужайке перед Капитолием
в ш т . Оклахома».
«Самолеты
«Боинг-Клиппер» с
размахом крыльев 152 фута и фюзеляжем длиной 106 футов станут первенцами трансатлантической авиации.
Ожидается, что к моменту, когда читатели получат номер этого журнала,
трансатлантические пассажирские перевозки уже будут осуществляться по
регулярному расписанию».
«Похоже, что развитие транспорта
в Великобритании идет вспять. Данные британского министерства здравоохранения показывают, что в
1904 г. средняя скорость конного экипажа на отрезке дороги протяженнос т ь ю около 4 миль от Суисс-Коттедж
до Оксфорд-Сиркус в центре Лондона
составляла почти 9 миль/час. В
1937 г. средняя скорость автобуса,
следующего по т о м у же маршруту,
достигала лишь 8,5 миль/час».
и
100
казнь после введения нового закона,
согласно которому повешение будет
запрещено и веревку заменит электричество. А д в о к а т ы предпринимают
энергичные усилия по спасению своего подопечного на т о м основании, что
новый способ казни носит экспериментальный характер, что он только
увеличивает физические страдания и
не является оправданным с юридической точки зрения».
«Очень простой эксперимент, произведенный сэром Уильямом Томсоном, превосходно демонстрирует явление жидкого трения. К штативу
прикреплены два провода, к каждому
из которых привязана резиновая петля. В петлях находятся в вертикальном положении яйца — одно сырое,
другое сваренное вкрутую. Яйца
осторожно поворачивают раз или два
вокруг оси и затем отпускают. Вареное яйцо продолжает вращаться тудасюда, как и полагается торсионному
маятнику, а сырое почти сразу же
останавливается. Объясняется это
просто. Яйцо, сваренное вкрутую, будучи целиком т в е р д ы м , вращается
как единое целое, а у сырого яйца,
жидкого внутри, при скручивании резины смещается только скорлупа, а
содержимое остается неподвижным
из-за его большой инертности. Таким
образом возникает трение между
скорлупой и с о д е р ж и м ы м , а так как
скорлупа очень легкая, т о она скоро
останавливается».
« Э т о полезно, если верно: один
наблюдательный человек заметил,
что мухи всегда ползут вверх. Поса-
«Вырастить арбузы без семечек
можно, если о б р а б о т а т ь неопыленные цветки нафталиново-ацетильной
кислотой. Выращенные таким образом арбузы не имели семян, но были
различны по форме. Они выросли
твердыми и п л о т н ы м и и обладали таким же а р о м а т о м , как и нормально
опыленные плоды».
А В Г У С Т 1889 г. «В Нью-Йорке приговорен к смертной казни убийца по
фамилии Кеммлер. Э т о будет первая
дите муху
лет
н анаЗ окно,
ад
Пневматический молоток Мак-Коя
и она немедленно
двинется к потолку; двигаться вниз ее
заставить нельзя. И з о б р е т а т е л ь смастерил окно, состоящее из двух стекол. Верхнее стекло немного перекрывает нижнее с зазором между ними
около д ю й м а . Садясь на это окно, муха ползет вверх и таким образом скоро оказывается на улице. Э т и м способом м о ж н о б ы с т р о очистить комнату
от мух».
«Отель «Бернина» в Самедане
(Швейцария) освещается электричеством, которое в ы р а б а т ы в а е т с я водопадом. Поскольку днем электроэнергия для освещения не нужна и, следовательно, производится
впустую,
владельцу отеля пришла в голову
мысль использовать ее для приготовления пищи, и он сконструировал экспериментальную кухонную «плиту».
Плита состоит из спиральных катушек, которые электрический ток нагревает докрасна. На этой плите можно производить все кулинарные операции, лишь бы выдерживали катушки».
«В некоторых общественных зданиях Лондона несколько месяцев назад вместо стекол в окна б ы л вставлен новый прозрачный материал. Он
обладает многими преимуществами
перед о б ы ч н ы м стеклом, например
большой гибкостью — его м о ж н о
сгибать вперед и назад — и значительной прочностью на разрыв. Основой этого материала служит «паутина» из очень тонкой стальной проволоки, «застывшей» в слое прозрачного лака, как муха в янтаре».
«Наблюдения в общественных местах показывают, что курение сигарет, к счастью, идет на спад. Неизвестно, однако, происходит ли э т о в
силу строгих законов, запрещающих
продавать табачные изделия малолетним, или о т т о г о , что курильщики
взялись за ум и вняли, наконец, своему голосу разума и многочисленным
воззваниям медиков».
«В этом выпуске м ы знакомим читателей с новым инструментом,
представляющим интерес не только
как оригинальное механическое устройство. Изобретение Мак-Коя основано на повторении с высокой частот о й легких ударов м о л о т а . Инструмент предназначен для обработки дерева, металла, камня и других материалов. Режущая часть в нем только
одна, но она совершает множество
последовательных
ударов.
Новое
приспособление получило название
пневматического молотка, поскольку
должно приводиться в движение сжат ы м воздухом».
Как вирусы влияют
на функционирование клеток
Некоторые вирусы влияют на способность
определенных клеток производить гормоны и нейромедиаторы.
Причиной многих нарушений деятельности различных желез
и других органов могут быть персистентные инфекции,
вызываемые такими вирусами.
М А Й К Л Б. А. О Л Д С Т О У Н
•
^ СТЬ удачное определение
J J
вируса: э т о плохие новости
\ \ *
упаковке из белка», — писали П и т е р и Д ж е й н М е д а в а р несколько л е т назад. Ф о р м у л и р о в к а
вполне подходящая, ведь когда клетка заражена вирусом, вирусные ген ы — «плохие н о в о с т и » — м о г у т нар у ш а т ь н о р м а л ь н у ю клеточную акт и в н о с т ь , что часто и происходит.
П о р а ж е н н ы е клетки гибнут или ж е
функционируют в а н о м а л ь н о м режиме, что м о ж е т привести к заболеван и ю , з а т р а г и в а ю щ е м у весь о р г а н и з м .
Существование вирусов б ы л о о т к р ы т о именно « б л а г о д а р я » внешне зам е т н ы м патологическим явлениям,
к о т о р ы м и с о п р о в о ж д а е т с я присутствие вирусов в р а с т и т е л ь н о м или жив о т н о м организме.
В настоящее время при подозрении
на вирусную инфекцию в первую очередь исследуют п о р а ж е н н ы е клетки с
п о м о щ ь ю микроскопа. П р и э т о м
м о ж н о з а м е т и т ь последствия нарушения п р о н и ц а е м о с т и клеточных оболочек, ведущего к набуханию и р а з р ы в у
клеток, увидеть клеточные м е м б р а ны, продырявленные в результате
в ы х о д а вирусных частиц из клеток. В
м е с т а х таких изменений скапливаются л и м ф о ц и т ы и другие клетки иммунной с и с т е м ы , к о т о р ы е , подобно
войскам особого назначения, стрем я т с я с д е р ж а т ь распространение инфекции. В борьбе с вирусом клетки
иммунной с и с т е м ы сами м о г у т пов р е ж д а т ь о к р у ж а ю щ и е ткани. Обнар у ж и в эти признаки вирусной инфекции, берут на анализ кровь, мочу и
ткани пациента, ч т о б ы в ы я в и т ь присутствие а н т и т е л к вирусу, его генов и
белков в надежде и д е н т и ф и ц и р о в а т ь
вирус. В о т с у т с т в и е перечисленных
признаков о б ы ч н о с ч и т а ю т , ч т о к
э т и о л о г и и д а н н о г о заболевания вирусы о т н о ш е н и я не и м е ю т .
Однако за последнее десятилетие в
р а б о т а х ряда исследователей, в т о м
числе моей группы в Скриппсовской
клинике накопились д а н н ы е , свидет е л ь с т в у ю щ и е о т о м , что вирусная
инфекция не всегда с о п р о в о ж д а е т с я
с т о л ь з а м е т н ы м и , четко в ы р а ж е н н ы м и явлениями. М ы о б н а р у ж и л и вирус ы , к о т о р ы е п р е б ы в а ю т в клетках без
х а р а к т е р н ы х признаков вирусной инфекции. Э т и вирусы не у б и в а ю т клетки и не в ы з ы в а ю т эффективного иммунного о т в е т а . Такая т а к т и к а позвол я е т вирусу существовать в организм е д л и т е л ь н о е время, в течение которого он м о ж е т обусловливать некий
п о с т о я н н ы й эффект. Нередко э т о влияет на специализированные функции
клеток, например на п р о и з в о д с т в о
или секрецию г о р м о н о в . П о д о б н ы е
« и з б ы т о ч н ы е » , не принципиальные
для жизнедеятельности самих клеток
функции и м е ю т очень важное значение д л я з д о р о в ь я всего о р г а н и з м а в
целом. С к л а д ы в а е т с я впечатление —
и фактов в его пользу с т а н о в и т с я все
больше, — ч т о т а к о й коварный т и п
вирусной а к т и в н о с т и л е ж и т в основе
многих болезней человека. По-видим о м у , к их числу следует о т н е с т и
определенные случаи задержки р о с т а ,
диабет, ряд нервно-психических расс т р о й с т в , а у т о и м м у н н ы х заболеваний и болезней сердца, к о т о р ы е ранее
не считались инфекционными.
Э
ТА точка зрения п о к а ж е т с я не
с т о л ь уж необычной, если поразм ы ш л я т ь о своеобразной природе вирусов. Вирусы я в л я ю т с я генетическим и п а р а з и т а м и и не способны к пол н о с т ь ю с а м о с т о я т е л ь н о м у существованию; необходимой стадией жизненного цикла вирусов является проникновение в ж и в у ю клетку, т а к как
для репликации своего генома они исп о л ь з у ю т клеточные м е х а н и з м ы . Однако в этих пределах у вирусов в ы р а б о т а л о с ь м н о ж е с т в о стратегий выживания; с т о л ь же р а з н о о б р а з н ы и
пути, к о т о р ы м и они в ы з ы в а ю т болезни. Во-первых, среди вирусов существуют
такие
болезнетворные
а г е н т ы (например, вирус полиомиел и т а , вирусы, в ы з ы в а ю щ и е о с т р у ю
инфекцию верхних д ы х а т е л ь н ы х путей), к о т о р ы е в ы з ы в а ю т о с т р у ю инфекцию и б ы с т р у ю гибель клеток. Сущ е с т в у ю т т а к ж е л а т е н т н ы е вирусы
(например, печально известный вирус
п р о с т о г о герпеса), способные долгое
время п р е б ы в а т ь в организме в скрыт о м состоянии, а з а т е м бурно проявляться приступом заболевания. Возбудители хронических инфекций другого типа, н а з ы в а е м ы х м е д л е н н ы м и ,
постепенно н а к а п л и в а ю т с я в организм е и, до т о г о как проявляется заболевание, проходит очень д л и т е л ь н о е
время (годы); такие вирусы с ч и т а ю т ся причиной д о в о л ь н о редких энцефал о п а т и й человека — куру и болезни
Крейцфельда—Якоба, характеризующихся прогрессирующим слабоумием.
Я и м о и сотрудники, а т а к ж е другие
исследователи, изучая вирус л и м ф о ц и т а р н о г о х о р и о м е н и н г и т а (LCMV —
о т англ. lymphocytic choriomeningitis
virus), получили д а н н ы е , свидетельствущие о существовании еще о д н о г о
т и п а персистентной вирусной инфекции. Л и м ф о ц и т а р н ы й хориоменингит
эндемичен в н е к о т о р ы х п р и р о д н ы х
популяциях м ы ш е й . Х о т я интенсивные исследования э т о г о заболевания
начались в 30-х годах, его возбудитель
оставался своего р о д а р о з е т т с к и м
камнем в расшифровке механизмов
вирусной инфекции и и м м у н н о г о ответа. И з в е с т н о , что L C M V , з а р а ж а я
клетки, м о ж е т не убивать их, т а к что
инфекция становится персистентной.
Э т о изучали на фибробластах, но нед о с т а т к о м таких исследований б ы л о
т о , что ф и б р о б л а с т ы не и м е ю т удобных д л я наблюдения специализированных функций. М о и коллеги и я задались целью изучить влияние LCMV
на специализированные функции дифференцированных клеток.
Д л я этих исследований м ы в ы б р а л и
клетки н е й р о б л а с т о м ы , к о т о р ы е синт е з и р у ю т ф е р м е н т ы , участвующие в
синтезе и д е г р а д а ц и и н е й р о м е д и а т о ра ацетилхолина. В клетках нейроблас т о м ы , зараженных L C M V , развивались н а р у ш е н и я процессов с и н т е з а и
деградации ацетилхолина. При этом
клетки п р о д о л ж а л и н о р м а л ь н о р а с т и ,
производя нормальное
количество
Д Н К , Р Н К и б е л к о в , в т о м числе ж и з ненно в а ж н ы х ф е р м е н т о в . П о д микроскопом зараженные клетки практически не о т л и ч а л и с ь о т н о р м а л ь н ы х .
Г . Х о л ь ц е р и его к о л л е г и из П е н сильванского университета наблюдали сходную картину в дифференцирующихся клетках цыпленка, зараженн ы х о д н и м из в а р и а н т о в вируса сарк о м ы Р а у с а . Э т о т в а р и а н т вируса
р е п л и ц и р у е т с я т о л ь к о п р и определенных температурах, поэтому воздействие его на к л е т к и м о ж н о р е г у л и р о вать, меняя температуру. При темпер а т у р а х , не п о д х о д я щ и х д л я р е п л и к а ции вируса, к л е т к и п р о д о л ж а л и синт е з и р о в а т ь н о р м а л ь н ы й н а б о р вещ е с т в , с в я з а н н ы х со с п е ц и а л и з и р о ванными функциями. П р и температуре, д о п у с к а ю щ е й р е п л и к а ц и ю вируса,
клетки
прекращали
производить
специальные продукты. В клетках
происходили также морфологические
и з м е н е н и я , но с о х р а н я л с я м и н и м у м
функций, о б е с п е ч и в а ю щ и х их в ы ж и вание.
П о з ж е рядом исследователей б ы л о
показано, что и другие вирусы могут
н а р у ш а т ь с п е ц и а л и з и р о в а н н ы е клет о ч н ы е функции, не з а т р а г и в а я ж и з ненно в а ж н ы е . Т а к , н е к о т о р ы е вирус ы человека и ж и в о т н ы х , з а р а ж а я
н е й р о н ы (нервные клетки), г л и а л ь н ы е к л е т к и м о з г а и л и м ф о ц и т ы , влияю т на их с п е ц и а л и з и р о в а н н ы е функции. С л е д у е т о т м е т и т ь д в о я к о е возд е й с т в и е р а з л и ч н ы х вирусов, з а р а ж а ющих л и м ф о ц и т ы : они, во-первых,
п о д а в л я ю т синтез иммуноглобулин о в ( а н т и т е л ) в В - л и м ф о ц и т а х и, вов т о р ы х , в л и я ю т на с п о с о б н о с т ь ц и т о токсических Т - л и м ф о ц и т о в
разруш а т ь зараженные клетки.
О
ПИСАННЫЕ выше наблюдения
б ы л и с д е л а н ы в условиях in vitro
(«в п р о б и р к е » ) . С л е д о в а л о п р о в е р и т ь
э т и д а н н ы е в о п ы т а х на ж и в о т н ы х .
Первые убедительные доказательства б ы л и п о л у ч е н ы н а м и п р и изучении
хронической инфекции L C M V у м ы шей л и н и и С З Н , у к о т о р ы х з а д е р ж и в а е т с я р о с т и р а з в и в а е т с я гипогликемия (пониженное содержание глюкоз ы в крови). К а к о в ы п р и ч и н ы э т и х явлений? П о с к о л ь к у и р о с т , и уровень
глюкозы
регулируются
гормоном
роста, м ы решили исследовать клетки г и п о ф и з а , к о т о р ы е с и н т е з и р у ю т и
секретируют э т о т гормон. Оказал о с ь , ч т о вирус п о р а ж а е т п е р е д н ю ю
д о л ю гипофиза, причем реплицируется п р е и м у щ е с т в е н н о в клетках, п р о и з -
ПАТОЛОГИЧЕСКИЙ РОСТ у карлика по прозвищу Большой Уайт, которого на
этой фотографии, сделанной в 1926 г., держит гигант Джеймс Тарвер, был вызван дефицитом гормона роста. Нарушение роста может иметь генетические
причины, но в некоторых случаях, как считает автор статьи, следует предполагатьучастие персистентной вирусной инфекции, приводящей к ослаблению секреции необходимого гормона. Возможно, многие заболевания, связанные с нарушением обмена гормонов и нейромедиаторов, имеют вирусную этиологию.
водящих гормон роста. В результате
у м ы ш е й С З Н с х р о н и ч е с к о й инфекцией L C M V в ы р а б а т ы в а л о с ь н а 5 0 %
м е н ь ш е г о р м о н а р о с т а , чем у нормальных животных.
ВРЕМЯ С МОМЕНТА ЗАРАЖЕНИЯ — >
ВИРУСНАЯ ИНФЕКЦИЯ состоит из нескольких этапов, которые могут быть различными по длительности и тяжести в зависимости от свойств вируса. За первичным заражением следует инкубационный период, в течение которого количество выявляемых инфекционных вирусных частиц (сплошная пиния) в организме увеличивается. Наконец появляются симптомы заболевания (прямоугольник), в частности заметное повреждение клеток и воспаление. Латентные
вирусы вызывают вначале острую инфекцию, а затем переходят в состояние, в
котором вирус как таковой не выявляется (пунктир), но позже может проявить
себя и болезнь возобновится. Персистентные вирусы способны к хронической
инфекции. В этом случае вирус выявляется, но не вызывает ни повреждения
клеток, ни э ф ф е к т и в н о г о иммунного ответа. Такие хронические инфекции могут приводить к нарушению функционирования клеток и заболеванию без классических признаков вирусной инфекции.
НЕЙРОНЫ мыши с персистентной инфекцией вирусом лимфоцитарногохориоменингита (LCMV) на обычной микрофотографии производят впечатление
вполне нормальных (вверху). Зараженные клетки видны на микрофотографии,
полученной на люминесцентном микроскопе (внизу)] присутствие вируса выявляется с помощью флуоресцирующего красителя, присоединенного к антителам против одного из белков LCMV.
*
П р и м и к р о с к о п и ч е с к о м исследовании з а р а ж е н н ы х к л е т о к м ы не о б н а р у ж и л и никаких п р и з н а к о в их п о в р е ж д е ния или с л е д о в в о с п а л е н и я . Ч е м обусловлены задержка роста и аномальный метаболизм глюкозы? Является
л и их п р и ч и н о й н а р у ш е н и е функционирования именно клеток гипофиза,
производящих гормон роста, или же
и н ы е , еще не в ы я в л е н н ы е д е ф е к т ы ?
Ч т о б ы выяснить это, м ы пересадили
зараженным LCMV м ы ш а м нормальные клетки, производящие гормон
роста, от незараженных животных,
ч т о б ы п о с м о т р е т ь , восстановится ли
у р о в е н ь г о р м о н а . Д е й с т в и т е л ь н о , после т р а н с п л а н т а ц и и с к о р о с т ь р о с т а и
метаболизм глюкозы у подопытных
м ы ш е й в е р н у л и с ь к н о р м е . Т а к и м обр а з о м у д а л о с ь п о к а з а т ь , ч т о инфекция L C M V в л и я е т на с п о с о б н о с т ь клеток гипофиза синтезировать гормон
р о с т а . К а к в и д и м , э т о т вирус н а р у ш а ет гомеостаз и приводит к заболеван и ю , х о т я не в ы з ы в а е т т а к и х характ е р н ы х п р и з н а к о в вирусной инфекции, как п о в р е ж д е н и е к л е т о к и воспаление т к а н и .
У с т а н о в и в , ч т о инфекция L C M V
приводит к дефициту гормона роста,
м ы с т а л и в ы я с н я т ь биохимические
п р и ч и н ы э т о г о . Вначале б ы л о р е ш е н о
проверить, нет ли изменений в структуре белка-гормона у зараженных
м ы ш е й по сравнению с нормальным и . П р я м о е сравнение а м и н о к и с л о т н ы х п о с л е д о в а т е л ь н о с т е й б е л к о в затруднительно, поэтому м ы расщепил и белок н а п е п т и д ы ( к о р о т к и е цепочки а м и н о к и с л о т ) и с р а в н и в а л и послед о в а т е л ь н о с т и этих п е п т и д о в . П о л у ченные результаты свидетельствовали, что гормон роста у зараженных и
незараженных животных составлен
из о д и н а к о в ы х п е п т и д о в . И м е я в виду, ч т о белок с и н т е з и р у е т с я с о г л а с н о
и н ф о р м а ц и и , з а к о д и р о в а н н о й в нуклеотидной последовательности матр и ч н о й Р Н К ( м Р Н К ) , м ы исследовал и м Р Н К , к о д и р у ю щ у ю г о р м о н роста, у зараженных и нормальных мышей. Оказалось, что у тех и других
ж и в о т н ы х м Р Н К г о р м о н а р о с т а имее т о д и н а к о в у ю д л и н у . Н а э т о м основании п р и ш л о с ь о т в е р г н у т ь предпол о ж е н и е о связи ф у н к ц и о н а л ь н о г о деф е к т а с м о л е к у л я р н о й с т р у к т у р о й сам о г о г о р м о н а и л и м Р Н К , по к о т о р о й
он с и н т е з и р у е т с я .
Т о г д а м ы п р е д п о л о ж и л и , ч т о клетки, з а р а ж е н н ы е L C M V , т е р я л и способность производить достаточное
к о л и ч е с т в о г о р м о н а . Д е ф и ц и т белка в
с в о ю очередь м о г б ы т ь р е з у л ь т а т о м
н е х в а т к и м а т р и ч н о й Р Н К . М ы прове-
НЕЗАРАЖЕННОЕ
ЖИВОТНОЕ
Ж И В О Т Н О Е ЗАРАЖЕНО LCMV
С МОМЕНТА РОЖДЕНИЯ
ВОЗРАСТ — 15 СУТОК
ВОЗРАСТ — 15 СУТОК
ВЕРОЯТНОСТЬ ДОЖИВАНИЯ
ДО ВОЗРАСТА 30 СУТОК - 95%
ВЕРОЯТНОСТЬ ДОЖИВАНИЯ
ДО ВОЗРАСТА 30 СУТОК — 5%
УРОВЕНЬ ГОРМОНА РОСТА
В ГИПОФИЗЕ — 36 МКГ/МГ
УРОВЕНЬ ГОРМОНА РОСТА
В ГИПОФИЗЕ — 16 МГК/МГ
ЦЕЛОСТНОСТЬ мРНК ГОРМОНА РОСТА
800 НУКЛЕОТИДОВ
ЦЕЛОСТНОСТЬ мРНК ГОРМОНА РОСТА •
800 НУКЛЕОТИДОВ
КОЛИЧЕСТВО мРНК ГОРМОНА РОСТА НОРМАЛЬНОЕ
КОЛИЧЕСТВО мРНК ГОРМОНА РОСТА 20% ОТ НОРМАЛЬНОГО
ИНИЦИАЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ мРНК
ГОРМОНА РОСТА —
НОРМАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ
ИНИЦИАЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ мРНК
ГОРМОНА РОСТА — 6,25%
ОТ НОРМАЛЬНОГО УРОВНЯ
МЫШЬ ЛИНИИ СЗН, зараженная LCMV, в сравнении с незараженной особью того ж е помета. Задержка роста и низкое содержание глюкозы в крови у зараженного животного обусловлены нехваткой гормона роста. Причиной дефицита гормона в данном случае был пониженный уровень
инициации транскрипции кодирующей его мРНК. Инфек-
ли анализ Р Н К в клетках гипофиза
и обнаружили, что уровень м Р Н К
гормона роста у зараженных мышей
в 5 р а з н и ж е , чем у к о н т р о л ь н ы х ж и в о т н ы х т о г о ж е в о з р а с т а и п о л а . Таким образом, наше предположение
подтвердилось.
Поскольку информация, содержащаяся в м Р Н К , к о п и р у е т с я с Д Н К в
процессе т р а н с к р и п ц и и с о о т в е т с т в у ю щ е г о гена, с л е д у ю щ и м ш а г о м б ы л о
предположение, что нарушена транскрипция гена, к о д и р у ю щ е г о г о р м о н
роста. Так оно и оказалось: уровень
и н и ц и а ц и и т р а н с к р и п ц и и э т о г о гена у
з а р а ж е н н ы х м ы ш е й б ы л в 16 р а з ниж е , чем у к о н т р о л ь н ы х ж и в о т н ы х .
Э т о н а р у ш е н и е к а с а л о с ь т о л ь к о гена
гормона роста; транскрипция остальн ы х генов, н а п р и м е р гена т и р е о т р о п н о г о г о р м о н а ( э т о т г о р м о н регулирует деятельность щитовидной железы)
или гена а к т и н а ( а к т и н — с т р у к т у р н ы й белок), не з а т р а г и в а л а с ь .
ция никак не сказывалась на мРНК, кодирующих другие
белки, в частности актин и тиреотропный гормон. После
того как зараженной мыши ввели взятые от здоровой особи нормальные клетки гипофиза, производящие гормон
роста, рост и метаболизм глюкозы нормализовались.
Д л я более детального понимания
м е х а н и з м а в л и я н и я L C M V на т р а н с к р и п ц и ю гена, к о д и р у ю щ е г о г о р м о н
роста, нужно б ы л о лучше изучить сам
вирус. К а к и е в и р у с н ы е г е н ы о т в е т с т в е н н ы за в м е ш а т е л ь с т в о в функции
к л е т к и ? В поисках о т в е т а на э т о т вопрос помогло т о , что существуют два
в а р и а н т а L C M V — п а т о г е н н ы й вирус
А р м с т р о н г и н е п а т о г е н н ы й вирус
W E . Г е н о м L C M V с о с т о и т из двух
молекул Р Н К — короткой и длинн о й . И . Р и в ь е р , Р . А х м е д (последний
в настоящее время работает в Калифорнийском университете в ЛосАнджелесе) и я обменяли длинные и
к о р о т к и е Р Н К двух в а р и а н т о в вируса
и з а т е м ввели и з м е н е н н ы е в и р у с н ы е
частицы м ы ш а м . Заболели только те
особи, к о т о р ы х заразили вирусными
частицами, содержавшими короткие
Р Н К вируса А р м с т р о н г .
Далее следовало выделить гены,
о т в е т с т в е н н ы е за р а з в и т и е з а б о л е в а -
ния. Б ы л о и з в е с т н о , ч т о к о р о т к а я
Р Н К с о с т о и т из 3700 н у к л е о т и д о в и
на о д н о м из ее к о н ц о в р а с п о л о ж е н ы
участок, к о д и р у ю щ и й г л и к о п р о т е и н ы в н е ш н е й о б о л о ч к и вирусной час т и ц ы , а на д р у г о м — у ч а с т о к , кодир у ю щ и й белки н у к л е о к а п с и д а («сердц е в и н ы » вирусной ч а с т и ц ы ) . Ч т о б ы
в ы я в и т ь к л ю ч е в о е звено, м о ж н о б ы л о
б ы в ы р е з а т ь о п р е д е л е н н ы е гены вируса А р м с т р о н г и в с т а в и т ь их в г е н о м
вируса W E , получив т а к и м о б р а з о м
рекомбинантные
вирусные
гены.
М о ж н о также попытаться инактивир о в а т ь участок,
обусловливающий
з а б о л е в а н и е , п у т е м сайт-специфических м у т а ц и й . К с о ж а л е н и ю , ни о д и н
из э т и х м е т о д о в п о к а не п р и с п о с о б л е н
д л я п р и м е н е н и я к в и р у с а м т о г о класса, к к о т о р о м у о т н о с и т с я L C M V .
Вместо этого м ы взялись впрямую
определить нуклеотидную последоват е л ь н о с т ь Р Н К п а т о г е н н о г о и непат о г е н н о г о в а р и а н т о в вируса. О д н а к о
ВИРУС
н а м не у д а л о с ь в ы я в и т ь у ч а с т о к вирусного генома, обусловливающий
заболевание.
Т
ИММУНОСУПРЕССИЯ под действием LCMV была выявлена в серии экспериментов, изображенных на этой схеме. Когда LCMV (голубой) ввели нормальным
взрослым мышам, ж и в о т н ы е не заболели (7); зараженные клетки были уничтож е н ы Т-киллерами. У новорожденных мышей введение вируса вызывает персистентную инфекцию (2), поскольку, во-первых, незрелые лимфоциты не способны справиться с вирусом и, во-вторых, часть лимфоцитов поражается им.
Если ввести вирус, выделенный из зараженных лимфоцитов, взрослым здоровым животным, у тех возникает персистентная инфекция (3): в результате мутации возник вариант LCMV (красный), способный заражать лимфоциты и подавлять их активность. Мыши с персистентной инфекцией, если им ввести незараж е н н ы е LCMV-специфические Т-киллеры (зеленые), выделенные у мышей, иммунизированных LCMV (4), избавляются от вируса.
АКИМ о б р а з о м , б ы л о о б н а р у ж е но явление п е р с и с т е н т н о й вирусн о й инфекции, к о т о р а я п р о т е к а е т без
видимого повреждения зараженных
клеток, но в ы з ы в а е т гормональный
дефицит. Оставалось неясным, имеем
м ы д е л о со специфическим п о р а ж е н и е м г и п о ф и з а и л и э т о явление б о л е е общее и м о ж е т з а х в а т ы в а т ь различные
системы организма — другие железы
в н у т р е н н е й секреции, н е р в н у ю и и м м у н н у ю с и с т е м ы . Вскоре м ы убедил и с ь , ч т о т а к о е течение вирусной инфекции д о в о л ь н о р а с п р о с т р а н е н о . У
определенной линии м ы ш е й LCMV
избирательно п о р а ж а е т клетки островков Лангерганса поджелудочной
ж е л е з ы . В н о р м е э т и к л е т к и секретир у ю т г о р м о н инсулин. У з а р а ж е н н ы х
животных производство
инсулина
значительно снижено и развиваются
признаки диабета. При э т о м под микроскопом зараженные клетки кажутся в п о л н е н о р м а л ь н ы м и и в т к а н и не
заметно признаков воспаления. Проведенные нами исследования показал и , ч т о вирус способен в ы з ы в а т ь персистентную инфекцию клеток островков Л а н г е р г а н с а , ч т о п р и в о д и т к м о р фологическим и биохимическим проя в л е н и я м , п о х о ж и м на клиническую
к а р т и н у с а х а р н о г о д и а б е т а у взрослых людей.
Сходные р е з у л ь т а т ы м ы получили
т а к ж е д л я э п и т е л и а л ь н ы х к л е т о к щитовидной железы и для нейронов.
Л . Клавинскисиз Скриппсовскойклиники о б н а р у ж и л а , ч т о п р и персис т е н т н о й инфекции L C M V в к л е т к а х
э п и т е л и я щ и т о в и д н о й ж е л е з ы наруш а е т с я секреция г о р м о н о в . П р и э т о м
морфологических признаков поврежд е н и я к л е т о к н е т , но п о н и ж е н у р о в е н ь
в крови двух г о р м о н о в щ и т о в и д н о й
железы — трийодтиронина и тироксина, а в с а м и х к л е т к а х с о д е р ж и т с я
аномально мало м Р Н К , кодирующей
белок т и р е о г л о б у л и н , в х о д я щ и й в состав обоих гормонов. У. Липкин
( т а к ж е из С к р и п п с о в с к о й клиники)
п о к а з а л , ч т о L C M V з а р а ж а е т нейрон ы , с и н т е з и р у ю щ и е н е й р о п е п т и д соматостатин, а нейроны, синтезирующ и е х о л е ц и с т о к и н и н или у - а м и н о м а с л я н у ю к и с л о т у , не з а т р а г и в а ю т с я . В
п о р а ж е н н ы х н е й р о н а х не н а б л ю д а е т ся п р и з н а к о в п о в р е ж д е н и я , но содерж а н и е м Р Н К с о м а т о с т а т и н а значительно меньше нормального. Содержание м Р Н К
холецистокинина и
7-аминомасляной кислоты у зараженн ы х ж и в о т н ы х не с н и ж а е т с я .
В дальнейшем были обнаружены и
д р у г и е в и р у с ы как человека, т а к и ж и в о т н ы х , с п о с о б н ы е в ы з ы в а т ь перси-
ВИРУСНЫЙ БЕЛОК выявляется на радиоавтографе продольного среза мыши с персистентной инфекцией LCMV
(слева). Вирус концентрируется в мозгу, печени, селезенке
и почках. Второму животному с персистентной инфекцией
ввели Т-киллеры от мышей, иммунизированных LCMV. Че-
с т е н т н у ю и н ф е к ц и ю р а з л и ч н ы х систем органов, сопровождающуюся
нарушением
специализированных
клеточных функций.
Ч
ТОБЫ у с т а н о в и л а с ь п е р с и с т е н т н а я инфекция, вирус д о л ж е н обладать способностью ускользать от
з а щ и т н о г о д е й с т в и я и м м у н н о й систем ы организма. Многие вирусы зараж а ю т л и м ф о ц и т ы и м а к р о ф а г и (макр о ф а г и — э т о к л е т к и и м м у н н о й системы, поглощающие поврежденные
клетки и чужеродные частицы.) Поражение этих клеток м о ж е т играть
р о л ь в распространении инфекции в
организме, в латентном состоянии
в и р у с а , его с о х р а н е н и и и передаче незараженным особям. В частности,
м ы п о л а г а е м , ч т о инфекцией л и м ф о цитов объясняется избирательная иммуносупрессия, к о т о р о й с о п р о в о ж д а е т ся персистентная вирусная инфекция.
В норме, когда животное подвергае т с я о с т р о й и н ф е к ц и и L C M V , вирусн ы е ч а с т и ц ы а т а к у ю т с я вирус-специфическими ц и т о т о к с и ч е с к и м и Т - л и м -
рез 21 день после этого в его организме практически не
осталось вирусных белков (справа) и вирусный антиген
выявлялся только в почках, где скопились комплексы вирусных частиц и вирус-специфических антител, а т а к ж е в
мозге, где он исчез еще через 40 дней.
фоцитами,
называемыми
также
Т-киллерами
(от
англ.
kill
—
у б и в а т ь ) . Т а к и е к л е т к и у з н а ю т и разр у ш а ю т в и р у с н ы е ч а с т и ц ы , если они
с в я з а н ы н а п о в е р х н о с т и к л е т к и с особ ы м и гликопротеинами — белками
главного комплекса гистосовместимости ( М Н С — от англ. Major
Histocompatibility C o m p l e x ) ; э т и б е л к и
о п р е д е л я ю т и м м у н о л о г и ч е с к у ю индивидуальность организма. К а ж д ы й
Т - к и л л е р о п о з н а е т т о л ь к о о д и н определенный вирусный антиген в комплексе с о п р е д е л е н н ы м б е л к о м М Н С .
Например, Т-киллеры, специфичные
к к л е т к а м , з а р а ж е н н ы м L C M V и несущ и м о п р е д е л е н н ы е б е л к и М Н С , не
у б и в а ю т ни к л е т к и с т е м ж е т и п о м
М Н С , н о з а р а ж е н н ы е д р у г и м вирус о м , ни к л е т к и с д р у г и м т и п о м М Н С ,
зараженные L C M V . Именно Т-киллер ы в п е р в у ю очередь о т в е ч а ю т за р а з рушение зараженных вирусом клеток,
ограничивая таким образом распространение инфекции в организме.
Если же иммунная система ослаблена, наблюдается существенно иная
к а р т и н а . У м ы ш е й , и м м у н н а я система которых подавлена рентгеновским
облучением или иммуносупрессивным и п р е п а р а т а м и , инъекция L C M V в ы зывает персистентную инфекцию. То
же происходит у новорожденных м ы шей, у которых незрелая иммунная
с и с т е м а не с п о с о б н а с п р а в и т ь с я с вирусом.
М ы исследовали л и м ф о ц и т ы м ы шей
с персистентной
инфекцией
L C M V и о б н а р у ж и л и , ч т о инфекционн ы й вирус и в и р у с н ы е г е н ы с о д е р ж а т ся л и ш ь в н е м н о г и х л и м ф о ц и т а х . П о скольку в ы д е л е н н ы й из них в и р у с б ы л
с п о с о б е н з а р а ж а т ь л и м ф о ц и т ы и, суд я п о всему, п о д а в л я л и м м у н н ы й о т вет, приходилось предположить, что
о н о т л и ч а е т с я о т и с х о д н о г о вируса,
введенного ж и в о т н ы м . Р. Ахмед и я
решили проверить это и получили
у д и в и т е л ь н ы е р е з у л ь т а т ы : вирус, в ы д е л е н н ы й из л и м ф о ц и т о в з а р а ж е н ных м ы ш е й , обладал четко выраженн о й с п о с о б н о с т ь ю в ы з ы в а т ь персистентную инфекцию у взрослых животных. Поскольку у мышей, кото-
ВИРУС И ХОЗЯИН
КЛЕТКИ-МИШЕНИ
СИНДРОМ
LCMV У МЫШИ
КЛЕТКИ ГИПОФИЗА
ДЕФИЦИТ ГОРМОНА РОСТА,
ЗАДЕРЖКА РОСТА,
ГИПОГЛИКЕМИЯ
LCMV У МЫШИ
Т-ХЕЛПЕРЫ,
Т-КИЛЛЕРЫ
ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ
ИММУНОСУПРЕССИЯ
LCMV У МЫШИ
ФОЛЛИКУЛЯРНЫЕ КЛЕТКИ
ГИПОТИРЕОЗ
ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
LCMV У МЫШИ
0-КЛЕТКИ ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
ДИАБЕТ
LCMV У МЫШИ
НЕЙРОНЫ
ПОНИЖЕННЫЙ УРОВЕНЬ
СОМАТОСТАТИНА
ВИРУС ЧУМЫ СОБАЧЬИХ
У мыши
НЕИЗВЕСТНЫ
ОЖИРЕНИЕ, ПОНИЖЕННЫЙ
УРОВЕНЬ НОРАДРЕНАЛИНА
И ДОФАМИНА
РЕКОМБИНАНТНЫЙ ВИРУС,
ВЫЗЫВАЮЩИЙ ОБРАЗОВАНИЕ НЕИЗВЕСТНЫ
ФОКУСОВ В КУЛЬТУРЕ КЛЕТОК
НОРКИ, У мыши
ДЕФОРМАЦИЯ ВИБРИСС
ВИРУС ВЕНЕСУЭЛЬСКОГО
ЭНЦЕФАЛИТА ЛОШАДЕЙ У
ХОМЯКА
(3-КЛЕТКИ ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
ДИАБЕТ
ВИРУС ЛЕСА СЕМЛИКИ
У МЫШИ
НЕЙРОНЫ
ВИРУС БЕШЕНСТВА У
МЫШИ
НЕЙРОНЫ
КОКСАКИВИРУС В (ИЛИ
ПОДОБНЫЕ ЕМУ НУКЛЕО
ТИДНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬ
НОСТИ) У ЧЕЛОВЕКА
КЛЕТКИ МИОКАРДА
ПОНИЖЕННЫЙ УРОВЕНЬ
7-АМИНОМАСЛЯНОЙ
КИСЛОТЫ
НАРУШЕНИЕ КАРТИНЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
АКТИВНОСТИ МОЗГА
СЕРДЕЧНОЕ ЗАБОЛЕВАНИЕ
СВЯЗЬ между персистентными вирусными инфекциями и специфическими
аномалиями. Во всех случаях in vivo наблюдалось нарушение под действием вируса специальных клеточных функций без изменения жизненно важных.
р ы м в в о д и л и э т о т вирус, и м м у н н а я
система изначально б ы л а интактной,
с л е д о в а л о с д е л а т ь в ы в о д , ч т о вирус,
находящийся в лимфоцитах, является
мутантным вариантом, способным
избирательно подавлять направленн ы й п р о т и в него и м м у н н ы й о т в е т .
М ы п о л а г а е м , ч т о вирус, в ы з в а в ш и й
вначале персистентную инфекцию у
животного с ослабленной иммунной
системой, мог реплицироваться в
клетках, и при э т о м возникли мутант ы , способные подавлять активность
Т-киллеров, специфичных к данному
вирусу.
М ы сделали еще одно интересное
наблюдение, которое м о ж е т иметь
значение д л я п о н и м а н и я м е х а н и з м о в
п о д а в л е н и я и м м у н н о й с и с т е м ы вирус а м и . В х о д е п о и с к о в L C M V в орган и з м е м ы ш е й с п е р с и с т е н т н о й инфекцией в ы я с н и л о с ь , ч т о т о л ь к о 2 % л и м фоцитов, в основном так называемые
Т - х ё л п е р ы ( о т а н г л . help — п о м о щ ь ) ,
с о д е р ж а т в и р у с н ы е г е н ы . И з э т и х клет о к л и ш ь 2% (0,04% всех л и м ф о ц и -
т о в ) б ы л и и н ф е к ц и о н н ы м и , т . е. вирус в них р е п л и ц и р о в а л с я . З н а ч и т , в
большинстве лимфоцитов, зараженн ы х L C M V , н а х о д и л и с ь н е п о л н ы е , нер е п л и ц и р у ю щ и е с я в а р и а н т ы вируса.
О т с ю д а следует, что для избирательного подавления иммунного ответа
вирусу н у ж н о в ы в е с т и из с т р о я совсем н е м н о г о л и м ф о ц и т о в . Д л я в ы п о л н е н и я э т о й з а д а ч и п о л н а я репликация вируса не о б я з а т е л ь н а ; неполн ы е в и р у с н ы е ч а с т и ц ы т а к ж е эффективно нарушают функционирование
л и м ф о ц и т о в . Э т и м L C M V очень нап о м и н а е т вирус и м м у н о д е ф и ц и т а человека, в ы з ы в а ю щ и й С П И Д .
К
АКАЯ ж е м у т а ц и я и с х о д н о г о вируса п р и д а е т н е к о т о р ы м из его
потомков способность подавлять имм у н н у ю с и с т е м у ? Ч т о б ы о т в е т и т ь на
этот вопрос, сотрудница нашей лабор а т о р и и М . С а л ь в а т о о п р е д е л и л а нуклеотидную
последовательность
Р Н К LCMV. Она установила, что в
д л и н н о й м о л е к у л е Р Н К м у т а ц и и про-
и с х о д я т в участке, к о д и р у ю щ е м вир у с н у ю п о л и м е р а з у ( ф е р м е н т , осущ е с т в л я ю щ и й т р а н с к р и п ц и ю вирусной Р Н К ) , или в участке, к о д и р у ю щ е м б е л о к Z ( о б о з н а ч е н н ы й т а к за
свое с х о д с т в о со с в я з ы в а ю щ и м с я с
Д Н К р е г у л я т о р н ы м б е л к о м , содерж а щ и м цинк и н а з ы в а е м ы м п о а н г л .
zink finger), а т а к ж е о д н о в р е м е н н о в
о б о и х э т и х участках. А х м е д с к о л л е г а ми определял локализацию мутации,
обусловливающей иммуносупрессию,
д р у г и м м е т о д о м : п р о и з в о д и л с я обмен короткой и длинной Р Н К между
иммуносупрессирующим и исходным
вариантами L C M V . Он т о ж е показал,
что эта мутация затрагивает длинную
вирусную Р Н К .
Н а о с н о в а н и и р е з у л ь т а т о в э т и х экспериментов м ы пришли к выводу о
т о м , ч т о и з м е н е н н ы е ф о р м ы исходного L C M V р е п л и ц и р у ю т с я в л и м ф о ц и тах и прекращают размножение именно т е х Т - к и л л е р о в , к о т о р ы е у н и ч т о ж а ю т клетки, зараженные д а н н ы м
вирусом. Таким образом, мутация
обеспечивает
переход
инфекции
LCMV в персистентное состояние,
в с л е д с т в и е чего в и р у с н ы е Р Н К и белки, а т а к ж е и н ф е к ц и о н н ы е в и р у с н ы е
частицы накапливаются в крови и
т к а н я х з а р а ж е н н о г о о р г а н и з м а . Мех а н и з м ы п о д а в л е н и я и м м у н н о й систем ы д р у г и м и п е р с и с т е н т н ы м и или л а т е н т н ы м и в и р у с а м и н е и з в е с т н ы , но
в е с ь м а в е р о я т н о , ч т о при инфекции
т а к и м и п а т о г е н а м и , как вирус и м м у н о д е ф и ц и т а человека, ц и т о м е г а л о в и рус и вирус г е п а т и т а В, д л я к о т о р ы х
характерно заражение лимфоцитов и
в л и я н и е на их ф у н к ц и о н и р о в а н и е , разыгрываются сходные события.
Д л я лечения п е р с и с т е н т н ы х вирусн ы х инфекций, в о з н и к а ю щ и х в с л е д с т вие о с л а б л е н и я и м м у н н о й з а щ и т ы
под действием вирусов, важно выяснить, в о з м о ж н о ли ликвидировать
п о в р е ж д е н и я после п а д е н и я з а щ и т н ы х сил. Н а ш и и с с л е д о в а н и я L C M V
указывают, что это действительно
в о з м о ж н о . М ы в в о д и л и м ы ш а м с перс и с т е н т н о й инфекцией L C M V специф и ч н ы е к э т о м у вирусу Т - к и л л е р ы ,
в ы д е л е н н ы е из селезенки з д о р о в ы х
животных с соответствующим типом
М Н С , к о т о р ы х предварительно имм у н и з и р о в а л и п р о т и в L C M V . В результате такой процедуры больные
м ы ш и п р а к т и ч е с к и п о л н о с т ь ю избавл я л и с ь о т инфекции. В в е д е н н ы е и м
Т - к и л л е р ы у н и ч т о ж а л и как инфекцио н н ы й вирус, т а к и н а к о п л е н и я вирусных Р Н К . Подобная цитоиммунотерапия м о ж е т б ы т ь использована для
прекращения и других персистентных
инфекций, н о в к а ж д о м случае необход и м о в н а ч а л е о п р е д е л и т ь , какие клетки и м м у н н о й с и с т е м ы вирус в ы в е л из
строя.
Н
АКАПЛИВАЕТСЯ все б о л ь ш е
данных, свидетельствующих о
т о м , что такое же течение вирусной
инфекции, какое м ы н а б л ю д а л и у м ы шей, м о ж е т и м е т ь м е с т о и у человека.
М. Присс и его коллеги из Лондонского университета обнаружили, что после краснухи у н е к о т о р ы х детей задерживается р о с т и угнетается м е т а б о л и з м г л ю к о з ы . Двух мальчиков с этим и а н о м а л и я м и удалось вылечить,
восстановив н о р м а л ь н ы й
уровень
г о р м о н а р о с т а . В числе осложнений,
возникающих вследствие инфекции
краснухи во в н у т р и у т р о б н ы й период
развития, в 20—30% случаев б ы в а е т
д и а б е т . Вирусы Коксаки и эпидемического п а р о т и т а (свинки), а т а к ж е цитомегаловирус м о г у т в ы з ы в а т ь остр у ю инфекцию и повреждение клеток
островков Лангерганса поджелудочной ж е л е з ы . Вирус п а р о т и т а способен
т а к ж е п о р а ж а т ь клетки щ и т о в и д н о й
железы. Б ы в а ю т ли эти инфекции
п е р с и с т е н т н ы м и , не установлено. Однако известно, что вирусы — возбудители таких распространенных детских инфекционных заболеваний, как
корь, ветряная оспа и свинка, сохраняюся в клетках центральной нервной
системы переболевшего на п р о т я ж е нии всей его жизни.
В о з м о ж н о , вирусы, способные выз ы в а т ь персистентную
инфекцию,
участвуют в нарушении функционирования жизненно в а ж н ы х органов.
Н а протяжении последних двух лет
Л . Энчард с коллегами из Ч а р и н г Кросской больницы и Вестминстерской медицинской ш к о л ы в Л о н д о н е , а
т а к ж е Х . - П . Шультгейс, П . Х о ф ш найдер и их сотрудники из Мюнхенского университета собрали д а н н ы е ,
Наука
у к а з ы в а ю щ и е на связь между кардиом и о п а т и е й (это заболевание проявляется в значительном р а с т я ж е н и и сердечной м ы ш ц ы , с о п р о в о ж д а е т с я сердечной н е д о с т а т о ч н о с т ь ю и часто заканчивается л е т а л ь н ы м исходом; в
н е к о т о р ы х случаях показана трансплантация сердца) и присутствием в
организме вирусов Коксаки и подобных и м энтеровирусов. И з 70 обследованных б о л ь н ы х к а р д и о м и о п а т и е й у
30—50% в сердечной м ы ш ц е б ы л и обнаружены нуклеокапсиды и белки
этих вирусов. А в м а т е р и а л е биопсии
40 человек, с т р а д а ю щ и х другими заболеваниями сердечной м ы ш ц ы , вирусные компоненты выявлены не были.
И т а к , м н о г о е г о в о р и т о существовании ранее не известного пути проявления патогенной активности вирусов. К о л ь скоро вирусы м о г у т наруш а т ь производство г о р м о н о в и нейр о м е д и а т о р о в , не исключено, что
персистентные вирусные инфекции
участвуют во многих болезнях человека. Р а з у м н о б ы л о бы оценивать л ю бое нарушение специализированных
функций нервных клеток, желез внутренней секреции и иммунной с и с т е м ы
с точки зрения в о з м о ж н ы х инфекционных причин. Таких нарушений нем а л о . С ю д а м о ж н о отнести г о р м о нальные нарушения, например д и а б е т
взрослых, нервно-психические расс т р о й с т в а , а т а к ж е а у т о и м м у н н ы е заболевания, такие как системная волчанка и рассеянный склероз. П о к а нет
оснований у т в е р ж д а т ь , что все эти
болезни и м е ю т вирусное происхождение. Н о теперь при анализе причин заболеваний следовало б ы о т к а з а т ь с я
о т т р а д и ц и о н н ы х представлений о вирусной патологии.
и
Суперантиген ы
Т
ОКСИНЫ, в ы д е л я е м ы е бактериям и , м о г у т б ы т ь виновниками
многих неприятных и д а ж е у г р о ж а ю щих жизни симптомов — сыпи, ж а р а ,
дисбаланса водного обмена в тканях
при синдроме токсического шока, а
т а к ж е т о ш н о т ы и диарреи, связанных
с пищевым отравлением. Согласно последним д а н н ы м , опасное действие нек о т о р ы х м о щ н ы х бактериальных токсинов обусловлено т е м , что они слишком сильно стимулируют иммунную
систему, а это создает почву для иммунологических нарушений.
В большинстве своем чужеродные
белки в ы з ы в а ю т т о н к о скоординиро-
общество
ванный и м м у н н ы й о т в е т , в инициации к о т о р о г о участвуют клетки, наз ы в а е м ы е Т - л и м ф о ц и т а м и . К о г д а эти
клетки с т а л к и в а ю т с я с м о л е к у л а м и
чужеродного белка ( к о т о р ы е д о л ж н ы
б ы т ь представлены и м другими стор о ж е в ы м и клетками иммунной систем ы ) , т е немногие из Т - л и м ф о ц и т о в ,
к о т о р ы е с в я з ы в а ю т с я с д а н н ы м белком, начинают р а з м н о ж а т ь с я . Т а к и м
о б р а з о м , число одинаковых Т-лимфоц и т о в , с в я з ы в а ю щ и х определенный
чужеродный белок, постепенно возр а с т а е т . Одни Т - л и м ф о ц и т ы у б и в а ю т
з а р а ж е н н ы е клетки, другие в ы д е л я ю т
вещества,
стимулирующие
иные
клетки иммунной с и с т е м ы , в т о м числе клетки, производящие а н т и т е л а .
Поскольку разнообразие чужеродных белков, с к о т о р ы м и м о ж е т встрет и т ь с я индивид, о г р о м н о , организму
нужно м н о ж е с т в о различных Т-лимфоцитов, ч т о б ы г а р а н т и р о в а т ь связывание практически л ю б о г о белка.
Р а з н о о б р а з и е специфичности Т-лимф о ц и т о в достигается б л а г о д а р я расп о л а г а ю щ и м с я на поверхности этих
клеток
рецепторам.
Молекулы
рецепторов
кодируются
генами,
с о с т о я щ и м и из сегментов, к о т о р ы е
м о г у т б ы т ь соединены в различных
сочетаниях. О б ы ч н о антиген (каким
является всякий ч у ж е р о д н ы й белок)
взаимодействует л и ш ь с несколькими
р а з л и ч н ы м и р е ц е п т о р а м и Т-клеток,
т а к что исходно т о л ь к о
небольшаяд о л я Т - л и м ф о ц и т о в его
связывает.
Недавно Д ж . К а п п л е р и Ф. М а р р а к
с коллегами из Медицинского инстит у т а Г о в а р д а Х ь ю з а и Национального еврейского центра иммунологических и р е с п и р а т о р н ы х заболеваний в
Денвере
сообщили
в
жунале
«Science», что и м удалось идентифиц и р о в а т ь н о в ы й т и п антигенов, облад а ю щ и х гораздо более ш и р о к и м
с п е к т р о м взаимодействия с Т-лимфоц и т а м и . Э т и антигены, обнаруженн ы е у стафилококков (вероятно, они
есть и у других бактерий), активирую т сразу м н о г о различных Т-клеток,
в ы з ы в а я их размножение. Исследоват е л и инкубировали 9 стафилококковых токсинов с человеческими Т-лимф о ц и т а м и нескольких классов, различающихся по субъединице рецептора,
обозначаемой V^. Оказалось, что
к а ж д ы й из этих токсинов реагирует с
ш и р о к и м спектром Т - л и м ф о ц и т о в —
в п р о т и в о п о л о ж н о с т ь о б ы ч н ы м антигенам, к о т о р ы е а к т и в и р у ю т всего
несколько различных Т-клеток.
Поскольку стафилококки в ы з ы в а ю т токсический шок и пищевые отравления, М а р р а к предполагает, что
с и м п т о м ы этих и других патологических состояний, включая н е к о т о р ы е
а у т о и м м у н н ы е заболевания, м о г у т
б ы т ь р е з у л ь т а т о м воздействия на орг а н и з м суперантигенов. Их эффект
м о ж н о объяснить т е м , что при одновременной
активации
множества
Т - л и м ф о ц и т о в эти клетки п р о и з в о д я т
б о л ь ш о е количество веществ, к о т о р ы е в низкой концентрации стимулир у ю т и м м у н н у ю систему, но в и з б ы т ке в ы з ы в а ю т ж а р и с и м п т о м ы токсического шока. П о м н е н и ю Капплера и
его коллег, именно в рамках концепции суперантигенов м о ж н о объяснить
подверженность н е к о т о р ы х людей
определенным
заболеваниям:
поскольку у р а з н ы х индивидов преоблад а ю т различные классы Т-лимфоцит о в , их реакция на суперантигены
неодинакова.
Наука в Картинках
Спаривание
у древесных сверчков
Пение у сверчков — это прелюдия к удивительному
комплексу
поведенческих реакций, связанных с размножением
Д Е Й В И Д X. Ф А Н К
С
КОНЦА августа и до начала октября каждую ночь леса и поля
по всей Америке наполняются
мелодичными трелями сверчков и
кузнечиков. Э т и звуки служат нам
предвестьем окончания лета и наступления осени, а в т о же время они приятное напоминание о т о м , что в природе все живет и процветает. Д л я энт о м о л о г а многоголосое пение ночных насекомых означает, что у них
начался процесс ухаживания и вместе
с ним интенсивная конкуренция самцов за самок.
С а м ы м и н е у т о м и м ы м и и привлекаю щ и м и наибольшее внимание ночными певцами являются представители
подсемейства древесных
сверчков
Oecanthinae, называемые т а к ж е стеблевыми сверчками. Х о т я они входят в
т о же самое семейство Gryllidae, что и
более известные черные полевые
сверчки, древесные сверчки мельче
(размер взрослых особей варьирует
о т 1,2 до 2,4 см) и светлее по окраске — от бледно-зеленой до желтоватой. Кроме того, они, как о т р а ж е н о в
их названии, большей частью обитаю т на деревьях и высоких кустарниках — в отличие о т полевых сверчков,
живущих на земле.
И з известных в США 16 видов древесных сверчков наиболее полно
м н о ю изучены два вида: ширококрыл ы й древесный сверчок Oecanthus latipennis
и двухточечный древесный
сверчок Neoxabea bipunctata. Оба вида о б ы ч н ы в полях на юго-востоке
ш т . Пенсильвания вблизи моего дома. У обоих видов самцы и самки спариваются многократно на протяжении репродуктивной фазы жизни,
продолжающейся обычно 8—12 недель; ночью внимательный наблюдатель легко «поймает» ухаживающего
самца в луч света от карманного
фонарика.
Самцов легко отличить по форме
передних крыльев, представляющих
собой надкрылья: они шире и содерж а т больше мембранного компонента, чем у самок. Н а покрывающем
крыле имеется утолщенная жилка, называемая стридуляционной, которая
действует наподобие
напильника:
когда верхнее крыло трется о нижнее,
жесткий край которого выполняет
роль скребка, возникает звук (см. стат ь ю : Ф. Хьюбер, Д ж . Торсон, Акустическая коммуникация у сверчков,
«В мире науки», 1986, № 2). « П о ю т »
только самцы (как и у всех других
сверчков и большинства кузнечиков);
этими трелями, к о т о р ы е специфичны
для каждого вида, они д а ю т знать о
своем присутствии сексуально восприимчивым самкам.
Восприимчивая самка приближается к самцу сзади, поскольку именно в
э т о м направлении распространяется
основная
часть
производимого
крыльями звука. Как только самец
почувствует присутствие приближающейся самки, он прекращает пение и
поворачивается на 180°, ч т о б ы потрогать ее своими антеннами. Принято
считать, что таким образом самец
проверяет, принадлежит ли самка к
т о м у же виду, что и он, т. е. является
ли она подходящим партнером для
спаривания. Следующая стадия ухаживания включает сложный ритуал
(несколько варьирующий у разных видов), в ходе которого самец вновь
поет, а т а к ж е совершает иные демонстрации, например раскачивается из
стороны в сторону или ударяет
брюшком по субстрату.
Если самка восприимчива к этой
«увертюре», она забирается к самцу
на спину и начинает поедать специальное вещество, секретируемое метаторакальными
(среднегрудными)
железами, расположенными вблизи
участка груди, несущего крылья. Содержимое желез изливается в ямку,
находящуюся у основания задних
крыльев самца, где оно легко доступ-
но для самки, занявшей положение готовности к спариванию. Химический
анализ не проводился, но очевидно,
что оно исключительно привлекательно для самок. Вскоре после начала поедания самка позволяет самцу
спариться с ней.
У древесных сверчков, как у полевых сверчков и многих других насекомых, сперма помещается внутри богатой
питательными
веществами
полой сферы, называемой сперматофором. При спаривании сперматофор
переходит из половых путей самца в
совокупительную сумку, или влагалище, самки. Э т о перемещение занимает всего несколько секунд, но и после
этого самка остается «верхом» на
самце еще в течение 5-20 мин, продолжая п о г л о щ а т ь вещество, секретируемое его м е т а т о р а к а л ь н ы м и железами. Когда же она кончает «питаться»
и слезает, самец немедленно возобновляет активное ухаживание, предпринимая повторные попытки подлезть под свою партнершу. В конце
концов самка либо забирается к самцу
на спину вновь, либо покидает его.
Однако даже в т о м случае, когда спаривание не повторяется, обычно проходит еще 20 и более минут до тех
пор, пока самка удалится совсем. За
это время основная часть спермы переходит из сперматофора в сперматеку самки — орган для хранения сперм ы . Когда самка готова к откладке
яиц, сперма освобождается из сперматеки и оплодотворяет яйца по мере
их продвижения по яйцеводу.
.САМЕЦ ДРЕВЕСНОГО
СВЕРЧКА
Oecanthus latipennis noem по ночам с
августа по октябрь. Таким образом
он дает знать о себе находящимся
поблизости самкам. Звук возникает
при трении передних крыльев одно о
другое. Песня, состоящая из отдельных трелей, специфична для вида.
ПОЛОВОЙ ДИМОРФИЗМ
характерен для древесных сверчков.
Самцы
(слева) обладают широкими
крыльями, при трении которых одно о другое возникает звук. Самки (справа) не
поют, и их узкие крылья прижаты к
брюшку.
Строение с п е р м а т о ф о р а одинаково
у б о л ь ш и н с т в а насекомых и других
беспозвоночных, но сверчки отличаются т е м , что у них после переноса
с п е р м а т о ф о р а о т самца к самке значительная его часть остается вне тела
самки. Только т о н к а я нитевидная
трубочка проникает в совокупительную сумку; а т е л о с п е р м а т о ф о р а —
так н а з ы в а е м ы й флакон — остается
свободно свисающим снаружи полового отверстия самки. Подогнув брюшко вперед, самка легко м о ж е т схват и т ь с п е р м а т о ф о р р о т о в ы м и частями
и удалить его. Способность к т а к о м у
действию очень важна, поскольку считается, что стенка с п е р м а т о ф о р а сод е р ж и т п и т а т е л ь н ы е вещества, способствующие производству яиц. Самки сверчков всегда с ъ е д а ю т сперматофор после копуляции, и д а ж е самец
съест свой собственный сперматофор, если ему не удастся передать его
самке.
Наличие ж е л е з и с т ы х выделений и
наружное расположение сперматофора у древесных сверчков д е л а ю т этих
ж и в о т н ы х интересной м о д е л ь ю для
изучения п о л о в о г о о т б о р а . Предложенная впервые Ч а р л з о м Д а р в и н о м в
1859 г. в его книге «О происхождении
АГРЕССИВНЫЕ
СТЫЧКИ между самцами
происходят
при конкуренции за самку. Их «борьба» представляет собой в основном ритуал и заключается в том, что самцы
размахивают друг перед другом ногами. Иногда кончает-
видов» теория полового о т б о р а (в отличие о т более обшей т е о р и и естественного о т б о р а ) п ы т а е т с я объяснить,
почему существует м н о ж е с т в о морфологических и поведенческих различий между п о л а м и . Согласно формулировке Д а р в и н а , половой о т б о р яв-
ся тем, что кто-то из них просто уходит, оставляя самку сопернику, но часто один буквально спихивает
другого
с растения. (На этом снимке самка не видна.)
связаны с р а з м е р а м и их г а м е т и с т е м ,
сколь велик вклад к а ж д о г о из родителей в п о т о м с т в о . Как правило, производство спермы п о г л о щ а е т относит е л ь н о м а л о энергии, поскольку сперм а т о з о и д ы с о д е р ж а т л и ш ь генетический м а т е р и а л (в яйцеклетку ж е вход и т еще и запас п и т а т е л ь н ы х веществ).
Поэтому
продуктивность
самца в значительной мере определяется его с п о с о б н о с т ь ю о п л о д о т в о р я т ь м н о ж е с т в о самок. Самец м о ж е т
достичь своего м а к с и м а л ь н о г о репродуктивного потенциала т о л ь к о путем
спаривания с как м о ж н о б о л ь ш и м числ о м самок, а в э т о м случае часто приходится конкурировать с д р у г и м и
самцами, иногда весьма активно. Напротив, самка производит обычно относительно немного яиц, и поскольку
каждой яйцо представляет собой существенный энергетический вклад, с ее
с т о р о н ы максимальный репродуктивный потенциал м о ж е т б ы т ь достигнут
путем избирательного спаривания.
ляется следствием постоянно происходящей б о р ь б ы между самцами за
обладание самками. В результате
естественный о т б о р благоприятствует
развитию таких признаков, как рога у
оленей или красные гребни у петухов,
к о т о р ы е д е л а ю т самца физически бо-
лее конкурентоспособным, или увеличивают его привлекательность для самок, или обеспечивают и т о и другое.
Концепция п о л о в о г о о т б о р а в дальнейшем расширилась и детализировалась. Сейчас считается, что многие
различия в поведении самок и самцов
САМКА, СПАРИВАЮЩАЯСЯ
С САМЦОМ,
располагается у него на спине, так что их гениталии
смыкаются.
Передача сперматофора,
наполненного
спермой (не виден), занимает несколько секунд. Во время и после спари-
В р е з у л ь т а т е у многих видов насек о м ы х и других ж и в о т н ы х п а р т н е р ы
немедленно расходятся, как т о л ь к о
ритуал ухаживания завершается осеменением самки. Э т а стратегия, однако, о т н ю д ь не универсальна, и она менее вероятна у тех видов, где с а м ц ы
обеспечивают самок какими-то ресур-
вания самец держит свои крылья вертикально; в таком
положении его метаторакальная
ямка, из которой выделяется особый секрет, доступна для самки.
САМКА, ПОЛУЧИВШАЯ
СПЕРМАТОФОР
(его основная часть свисает на конце ее брюшка), отъединяет свои
гениталии, но остается на самце в продолжение еще 20 или
более минут, поедая вещество, секретируемое
метаторакальными железами у основания задних крыльев самца.
ВЫДЕЛЕНИЯ
МЕТАТОРАКАЛЬНЫХ
ЖЕЛЕЗ
самца
исключительно привлекательны
для самки. Эти выделения скапливаются в особой ямке, находящейся в основании задних крыльев самца (слеваЛ где они легко
доступны
для самки, когда та находится на спине самца. У сверчков
(так же как у других насекомых) сперма помещается в
специальном мешке, называемом сперматофором
(справа,), который при спаривании передается самке. Внутрь
ее тела, однако, проникает только его нитевидная часть,
через которую и проходит сперма; флакон, или основное
тело сперматофора (его длина варьирует от 1 до 4 мм у
разных видов), остается снаружи.
сами (обычно территорией, гнездовым участком или пищей), внося этим
значительный вклад (помимо генетического) в репродуктивную отдачу
самки. Действительно, у многих древесных сверчков, в т о м числе О. latipennis и N. bipunctata, партнеры не
покидают лруг друга тотчас после
спаривания, а остаются вместе, пока
самка ест секрет метаторакальных
желез самца. Но почему же самец продолжает заниматься партнершей, кот о р о й уже передал сперматофор, тогда как мог бы п о т р а т и т ь это время на
других самок?
Хотя не б ы л о специальных исследований, которые бы показали, что
вещество, выделяемое самцами, содержит ценные питательные компоненты, вполне вероятно, что оно необходимо самке для производства
яиц. Предоставляя своей партнерше
нужное ей питание, самец тем самым
обеспечивает возможность откладки
большего количества или более крупных яиц; этим он м о ж е т эффективно
увеличить свою собственную репродуктивную отдачу. Если даже секрет
метаторакальных желез самца непосредственно не влияет на производство яиц самкой, ясно, что он выполняет другую важную функцию — отвлекает самку, чтобы она не удалила
сперматофор до тех пор, пока он не
освободится от своего содержимого.
Если самка удаляет сперматофор
до того, как из него выйдет вся сперма, самец понапрасну теряет часть
своего репродуктивного потенциала.
Самка, спаривавшаяся ранее и потому
уже имеющая в сперматеке достаточный запас спермы, возможно, иногда
вступает в контакт с самцом только
ради питательных веществ, содержащихся в его сперматофоре. В пользу
этой гипотезы говорит т о т факт, что
многие самки стремятся удалить
сперматофор, прежде чем он освободится от спермы. «С точки зрения»
самца, спаривание без осеменения является потерей времени и энергии (в
виде сперматофоров, секреторных
выделений, а у некоторых видов —
отдельных частей тела). Значит, отбор сильно благоприятствует самцам, которые л ю б ы м и способами
обеспечивают успешное осеменение.
Так, например, у N. bipunctata развилось приспособление, сводящее к
минимуму в о з м о ж н о с т ь преждевременного ухода самки и таким образом
повышающее репродуктивный потенциал самца. В дополнение к секреторным выделениям у самцов этого вида
сформировалось поведение, мешающее самке покинуть партнера до того,
как основная часть спермы перейдет
из сперматофора в сперматеку. В процессе ухаживания самец подвешивает-
САМКИ ОТКЛАДЫВАЮТ
яйца в стебли растений (вверху,).
Игловидный
яйцеклад (торчит из кончика брюшка) почти под прямым уголом
втыкается
в губчатую ткань стебля. (У окончания брюшка видны еще два придатка, называемые церками; они выполняют сенсорную функцию и имеются у обоих
полов.) У некоторых видов яйца откладываются рядами: самка вводит яйцеклад в стебель, откладывает яйцо, вытаскивает яйцеклад и вновь погружает
его в стебель примерно на 1 мм ниже. На продольном срезе стебля видны
4 отверстия и 2. яйца (внизу: увеличение х 20).
СПАРИВАНИЕ
у двухточечного
древесного
сверчка
Neoxabea bipunctata
происходит
в висячем положении
«в верх ногами». При этом самец двигает своими задними
ногами взад и вперед вдоль тела самки, чтобы помешать
ей удалиться раньше, чем основная часть спермы перейдет из сперматофора в сперматеку.
САМКА,
покинувшая самца, тотчас загибает брюшко
вперед, удаляет сперматвфор ртом и съедает его. К этому времени основная часть содержимого
сперматофора
уже находится в ее сперматеке. По-видимому,
сперматофор является источником питательных
веществ,
ся вверх ногами на листьях или веточках деревьев и позволяет самке забраться на себя лишь тогда, когда он
находится в таком положении. Как
только самка окажется у самца на
спине, т о т опускает свои задние ноги,
удерживаясь на дереве двумя передними парами ног. Задние ноги освобождаются для определенной цели: передав самке сперматофор, самец начинает быстро раскачиваться, двигая
задними ногами взад-вперед вдоль тела самки. Так м о ж е т продолжаться
до 45 мин, и все это время самка находится как бы внутри живой изгороди,
создаваемой вокруг нее движущимися
конечностями партнера. На этой фазе
спаривающиеся пары двухточечных
сверчков очень хорошо заметны, и даже когда они находятся высоко на дереве, их легко обнаружить с п о м о щ ь ю
фонаря. В конце концов самец прекращает свои движения, самка слезает с
него, после чего извлекает и съедает
сперматофор.
У других видов сверчков возникли
иные приспособления,
мешающие
самкам покидать своих партнеров
прежде, чем содержимое сперматофора опорожнится в сперматеку. Так,
Р. Алекзандер из Мичиганского университета и Д. О т т из Академии
естественных наук в Филадельфии обнаружили, что самцы неугомонного
кустарникового сверчка Hapithus agitator
(подсемейство
Eneopterinae)
удерживают внимание самки тем, что позволяют ей о б г р ы з а т ь свои передние крылья в течение примерно
10 мин, пока продолжается спаривание. У самцов вида Orocharis saltator
т о г о же подсемейства на протяжении
одного полового акта образуется
множество сперматофоров, иногда
до 20 ш т . Эти сперматофоры отличаются тем, что каждый содержит относительно мало спермы (примерно в
10 раз меньше, чем в типичном сперматофоре Hapithus).
Передача спермы у Orocharis напоминает работу конвейера. Получив
первый сперматофор, самка немедленно покидает партнера и при этом
протаскавает брюшко по листу, удаляя сперматофор, который она начинает есть. Через 1-2 мин самец, уже
имеющий наготове следующий сперматофор, пытается спариться еще
раз. Если самка благосклонна к такой
попытке, она забирается на спину
самца, продолжая поедать первый
сперматофор, а самец в это время осеменяет ее следующим. Доев первый
сперматофор, самка вновь покидает
самца, удаляет второй сперматофор и
принимается за него. Между тем самец, у которого уже готов и третий
сперматофор, делает попытку нового
спаривания. Вся эта последователь-
ПЕРЕДА ЧА СПЕРМЫ у кустарникового сверчка Orocharis saltator напоминает работу конвейера. На этом снимке самка уже удалила первый сперматофор и поедает его. После того как самка удалила первый сперматофор, у самца образовался второй и он передал его самке, которая все еще ест первый.
Между тем у самца готов уже третий сперматофор, который он передаст
самке, как только она удалит и начнет есть второй.
ность повторяется много раз. Однажды я наблюдал пару сверчков, которая оставалась вместе на протяжении
3,5 ч, и за это время самец создавал
непрерывный поток сперматофоров.
Поскольку на поглощение одного
сперматофора самке требуется около
9 мин, а сперма опорожняется в сперматеку всего за 4 мин, непрерывное
производство
сперматофоров
у
Orocharis, по-видимому, выполняет
ту же функцию отвлечения самки, что
и секреция метаторакальных желез у
Oecanthus.
Множество разнообразных способов спаривания, наблюдаемое у сверчков, является, несомненно, следствием полового отбора. Э т о общее объяснение оставляет, однако, о т к р ы т ы ми немало вопросов. Весьма интересно, в частности, сколь велик вклад
самцов питательными веществами в
производство яиц? Ясно, что секреторные выделения и сперматофоры
помогают обеспечить осеменение самок, но способствуют ли они также
увеличению численности потомства
или повышению его жизнеспособности? П о данным Д. Гвинна из Торонтского университета, у самцов некоторых видов кузнечиков образуется
огромный сперматофор, достигающий 40% от веса тела. Такой сперматофор намного больше, чем это нужно только для осеменения самки; значительная его часть состоит из бога-
той питательными веществами оболочки, которая, съеденная самкой,
способствует производству яиц. У
других же видов сперматофор имеет
лишь небольшую оболочку с питательными веществами. С. Сакалук из
Университета ш т . Иллинойс обнаружил, например, что у одного из видов
сверчков оболочка сперматофора служит только для того, чтобы отвлекать самку в процессе осеменения.
Возможно, величина вклада одного
самца о т р а ж а е т число партнеров, с
к о т о р ы м и самка м о ж е т спариться на
протяжении своего репродуктивного
периода. Если это число велико, а так
оно и есть у многих сверчков, т о запас
питательных веществ, предоставленный д а н н ы м самцом, м о ж е т в итоге
оказаться потрачен на потомство соперника. Поэтому у тех видов, у которых обычно множественное спаривание, о т б о р должен благоприятствовать самцам, д а ю щ и м самкам лишь
столько, сколько необходимо для
осеменения.
Вопрос о вкладе самца питательными веществами в производство яиц
самкой, конечно, интересен, и поиски
ответа на него — важная задача будущих исследований. Однако это лишь
один из многочисленных вопросов,
которые начинают задавать энтомологи, интересующиеся проблемами
полового отбора.
Метаморфоза
обработки информации
Процессы преобразования отдельных фактов
в систему знаний всё больше опираются на эффективные
и нетривиальные средства параллельного
программирования
ДЕЙВИД
СЛИ б ы Г ю с т а в Эйфель ж и л в
наше время, он р а б о т а л б ы в
сфере п р о г р а м м и р о в а н и я . Современное п р о г р а м м и р о в а н и е — э т о
т о т ж е с т р о и т е л ь н ы й м а т е р и а л , кот о р ы м б ы л и чугун, с т а л ь и железобет о н в конце X I X — н а ч а л е X X в. О н о
является о с н о в н ы м средством построения
новых,
прогрессивных
структур. П о мере р а з в и т и я вычислит е л ь н о й техники р а з р а б о т ч и к и прог р а м м п о л у ч а ю т все более эффективные средства их реализации, к о т о р ы е
в сочетании с н о в ы м и принципами
конструирования п р о г р а м м позволяю т применить нетрадиционные метод ы вычислений.
Н а фоне современной вычислительной техники резко в ы д е л я ю т с я систем ы п р о г р а м м н о г о обеспечения, котор ы е п р е д с т а в л я ю т собой уже нечто
большее, чем б ы с т р о д е й с т в у ю щ и е
процессоры д а н н ы х или м о щ н ы е сумм и р у ю щ и е м а ш и н ы , — они превращ а ю т с я в а в т о м а т и з и р о в а н н ы е «обог а т и т е л ь н ы е » фабрики, способные
п р о и з в о д и т ь к р у п н о м а с ш т а б н ы е преобразования разрозненных ф а к т о в в
систему знаний. П о д о б н ы е информационно-обогатительные программы
м о г л и бы п р е в р а щ а т ь д а н н ы е низкого уровня, о п и с ы в а ю щ и е , скажем, состояние з д о р о в ь я пациента, р а б о т у
т р а н с п о р т н о й сети или фабрики, в
высокоуровневые д а н н ы е в виде обобщенных о т ч е т о в . Н а основании инф о р м а ц и и , содержащейся в электронных к а р т о т е к а х , они м о г л и б ы сос т а в л я т ь о б з о р ы по определенной теме (истории болезни пациентов, сводн ы е д а н н ы е о диких растениях или об
а в т о м о б и л ь н ы х авариях).
Такое направление в р а з в и т и и мет о д о в о б р а б о т к и информации тесно
связано с в о з р а с т а ю щ е й р о л ь ю принципа п а р а л л е л и з м а в и н ф о р м а т и к е и
вычислительной технике. У с т р о й с т в а
для п а р а л л е л ь н ы х вычислений, состоящие из многих « п о д к о м п ь ю т е р о в » ,
р а з м е щ е н н ы х в едином корпусе, значительно повысили в ы ч и с л и т е л ь н ы е
м о щ н о с т и доступных п о л ь з о в а т е л ю
средств. П а р а л л е л ь н о е п р о г р а м м н о е
Е
ГЕЛ Е Р Н Т Е Р
обеспечение позволяет в полной мере
з а д е й с т в о в а т ь эти средства и нередко
предлагает нетривиальное и удачное
решение многих с л о ж н ы х задач обраб о т к и информации.
Компьютерная программа — это
своего р о д а м а ш и н а . Такая аналогия
является хорошей о т п р а в н о й точкой
для понимания т о й в а ж н о й роли, кот о р у ю играет параллельное прог р а м м н о е обеспечение. П р о г р а м м а
представляет собой м а ш и н у для преобразования информации, так же, например, как кузнечный пресс, котор ы й является м а ш и н о й для преобразования
материалов:
закладывая
стальной п р е д м е т (или и н ф о р м а ц и ю )
одной ф о р м ы , получаем с т а л ь н о й
п р е д м е т другой ф о р м ы . О б ы ч н о прог р а м м ы р а с с м а т р и в а ю т с я как списки
инструкций, у к а з ы в а ю щ и х к о м п ь ю теру, что д е л а т ь , однако такое понимание м а л о о чем г о в о р и т ; с т а к и м же
успехом книгу м о ж н о с ч и т а т ь не более чем краской и бумагой. П р о г р а м м н ы е м а ш и н ы сами с о с т о я т из
т о г о ж е м а т е р и а л а , к о т о р ы й они прео б р а з у ю т , — из информации, закодированной в виде чисел и символов.
Декодирует эту и н ф о р м а ц и ю и выполняет т р е б у е м ы е действия уже мат е р и а л ь н а я часть к о м п ь ю т е р о в .
Представление о п р о г р а м м е как о
м а ш и н е — э т о ключ к н о в ы м принципам п р о г р а м м и р о в а н и я , о с н о в а н н ы м
не на т р а д и ц и о н н о м последовательн о м , а на п а р а л л е л ь н о м выполнении
операций. О б ы ч н ы е м е т о д ы программирования допускают в каждый
м о м е н т времени совершение л и ш ь одного действия. Однако б о л ь ш и н с т в о
м а ш и н в ы п о л н я е т сразу м н о г о операций в параллель. Так, система стереоп р о и г р ы в а т е л я одновременно вращает компакт-диск, детектирует записанные на нем цифровые к о д ы , преобразует ц и ф р о в ы е сигналы в аналоговые, усиливает а н а л о г о в ы е сигналы и
преобразует электрическую энергию в
звуковую. П а р а л л е л ь н ы е п р о г р а м м ные м а ш и н ы (хотя э т о название,
м о ж е т б ы т ь , звучит несколько экзотически) по своим свойствам ближе к
« р е а л ь н ы м » м а ш и н а м , чем традиционные к о м п ь ю т е р н ы е п р о г р а м м ы .
П а р а л л е л ь н ы е п р о г р а м м н ы е маш и н ы вместе с м о щ н ы м и параллельн ы м и к о м п ь ю т е р а м и , на к о т о р ы х они
р е а л и з у ю т с я , о т к р ы в а ю т широкие
перспективы для н о в ы х видов прог р а м м , п о з в о л я ю щ и х р е ш а т ь задачи,
ранее не п о д д а ю щ и е с я решению. Нес м о т р я на все д о с т и ж е н и я в р а з в и т и и
в ы ч и с л и т е л ь н о й техники за последние 40 л е т в о б л а с т и м е т о д о л о г и и расчетов и о б р а б о т к и д а н н ы х , она пока
м а л о п о м о г а е т в преобразовании инф о р м а ц и и в т а к о м виде, при к о т о р о м
числа или сигналы м о ж н о б ы л о б ы
п р е в р а т и т ь в полезные знания.
Н е т о л ь к о м ы , но и специалисты из
других научных ц е н т р о в исследовали
ряд подходов к п о с т р о е н и ю систем,
способных « о б о г а щ а т ь » и н ф о р м а цию.
Наиболее
перспективными
п р е д с т а в л я ю т с я два вида м а ш и н : инф о р м а ц и о н н ы й ф и л ь т р , преобразующий входной п о т о к д а н н ы х в знания
более в ы с о к о г о уровня, и «интеллект у а л ь н а я » база данных, в ы д е л я ю щ а я
наиболее значимые для п о т р е б и т е л я
сведения из описаний многих сходных
объектов или с о б ы т и й .
Х а р а к т е р н ы м п р и м е р о м информационного ф и л ь т р а является « н а б л ю д а т е л ь т р а н с п о р т н о й с и с т е м ы » . Такая м а ш и н а м о г л а б ы с о б и р а т ь милл и о н ы незначительных фактов, опис ы в а ю щ и х р а б о т у т р а н с п о р т н о й сис т е м ы в к а ж д ы й м о м е н т времени, и
п р е о б р а з о в ы в а т ь их в ф о р м у , удобн у ю для всякого пассажира. Она м о гла б ы отвечать на вопросы т и п а : каким путем сегодня лучше д о б и р а т ь с я
до р а б о т ы ,
каков
оптимальный
м а р ш р у т через город для грузовиков
дальнего следования, куда н а п р а в и т ь
м а ш и н у для буксировки, какой м о с т
имеет н а и б о л ь ш у ю в е р о я т н о с т ь обрушиться? П р о г р а м м н о е обеспечение
для п о д о б н ы х целей пока применяется в очень м а л ы х м а с ш т а б а х .
Аналогичная м а ш и н а м о г л а б ы
ф и л ь т р о в а т ь данные, п о с т у п а ю щ и е
о т датчиков и персонала реанимационного отделения, ч т о б ы обнару-
жить у больного опасные симптомы,
п р е ж д е ч е м н а с т у п и т к р и з и с н а я ситуация. Таким о б р а з о м м о ж н о следить
за л ю б о й с л о ж н о й , б ы с т р о м е н я ю щ е й с я с и с т е м о й — будь т о а в т о м а ш и н а , ф а б р и к а , н е ф т я н о й т а н к е р или
государственная экономика.
Интеллектуальная база данных могла б ы р а б о т а т ь с у ж е с у щ е с т в у ю щ и м и банками информации. Н а основании и м е ю щ е г о с я о п и с а н и я какого-ниб у д ь о б ъ е к т а или с о б ы т и я ( с к а ж е м ,
р е н т г е н о г р а м м ы г р у д н о й к л е т к и пациента
или
финансового
отчета
какого-нибудь делового учреждения)
такая система могла бы всесторонне
проанализировать любую ситуацию с
учетом результатов, уже записанных
д л я т ы с я ч и л и д а ж е м и л л и о н о в под о б н ы х с и т у а ц и й . Д л я э т о г о б а з а данн ы х д о л ж н а и з в л е ч ь из своих ф а й л о в
т е записи, к о т о р ы е и м е ю т о с о б е н н о
близкое отношение к рассматриваем о м у вопросу. Н а л ю б о м рабочем
месте временно могла бы разме-
ститься «интеллектуальная» библиот е к а , о б е с п е ч и в а ю щ а я д о с т у п к новейш и м м а т е р и а л а м в о всех к о н ц а х свет а . П о л ь з у я с ь е ю , у ж е не п р и ш л о с ь
б ы д е л а т ь з а п р о с ы т и п а « н а й т и все
о б ъ е к т ы п о д а н н о м у списку к л ю ч е в ы х
с л о в . . .», а сразу з а п р о с и т ь : «предс т а в ь т е все сведения о б О л и в е р е Н о р т е » (офицере, з а м е ш а н н о м в сканд а л ь н о й и с т о р и и , п о л у ч и в ш е й название « и р а н г е й т а » . — П е р е в . ) , В н а с т о ящее время существуют л и ш ь простейшие п р о т о т и п ы систем подобного р о д а . В б а з а х д а н н ы х , с о д е р ж а щ и х
тексты новых журнальных статей,
в с е в о з м о ж н о й технической л и т е р а т у р ы и д р у г и х д о к у м е н т о в , сведения,
которые можно б ы л о бы преобразовать в ценную информацию, используются м а л о или просто лежат мертв ы м грузом.
Н о д а ж е если б ы у ж е с у щ е с т в о в а л и
р а з в и т ы е п р о г р а м м н ы е с р е д с т в а преобразования информации, большинс т в о с о в р е м е н н ы х к о м п ь ю т е р о в не
ПЕРЕДОВАЯ ТЕХНИКА XIX в. создавала сооружения из чугуна или стали, такие, например, как мост ФортБридж неподалеку от Эдинбурга. Сейчас основной материал для сооружения прогрессивных структур — это программы. Хотя строительный материал изменился, многие
с м о г л и б ы э ф ф е к т и в н о их р е а л и з о в а т ь , п о с к о л ь к у они о б л а д а ю т слишком низким быстродействием. На
сегодняшний день к о м п ь ю т е р ы могут
либо подвергать большие наборы
данных простой обработке (выписыв а я , с к а ж е м , м и л л и о н ы с ч е т о в за телефонные переговоры), либо производить сложную обработку данных
небольшого объема (например, строить изображение страницы для лазерного принтера). Сложная обработка
б о л ь ш и х о б ъ е м о в д а н н ы х м о ж е т пот р е б о в а т ь м н о г и х недель и л и д а ж е
месяцев.
Х о т я с появлением параллельных
компьютеров, обладающих большей
вычислительной мощностью, положение дел в рассматриваемой области несколько улучшилось, остается
нерешенной более важная проблема:
создание развитого
программного
обеспечения д л я п р е о б р а з о в а н и я информации, что является чрезвычайно
трудной задачей. Д л я разработки та-
принципы строительства остались теми же: сложные системы строятся из множества относительно простых элементов, а внутренние детали конструкции отдельных элементов не д о л ж н ы влиять на конструкцию других узлов
или на все сооружение в целом.
ких и н ф о р м а ц и о н н ы х с и с т е м л и ш ь
немногие организации располагают
необходимыми временем и средствами, и еще меньше — квалифицированными специалистами. Большинство
разработок, предпринимавшихся в
университетах и других научных центр а х , ввиду н е д о с т а т к а ресурсов не завершилось созданием законченных,
ш и р о к о и с п о л ь з у е м ы х с и с т е м ; в лучш е м случае б ы л и с о з д а н ы л и ш ь п р о т о т и п ы . Н е и с к л ю ч е н о , ч т о в конце
концов чтобы создать необходимые
д л я С Ш А м о щ н ы е с р е д с т в а переработки
информации,
потребуется
специальное министерство государственных программных разработок.
Р
АЗРАБОТКА параллельных программ л ю б о г о вида — э т о новая
область (как, впрочем, и разработка
л ю б о г о нового программного обеспечения). Конкурирующие п о д х о д ы к
решению этой задачи различаются
требованиями, предъявляемыми к
ОТКРЫТЫЙ
программисту, и предоставляемыми
в о з м о ж н о с т я м и . Н а и б о л е е консерват и в н ы й п о д х о д з а к л ю ч а е т с я в создании с п е ц и а л ь н ы х « п а р а л л е л и з и р у ю щ и х » к о м п и л я т о р о в , т . е. т а к и х п р о г р а м м , к о т о р ы е а в т о м а т и ч е с к и прео б р а з у ю т и п р и с п о с а б л и в а ю т ее к параллельному режиму. Такой подход
п р и в л е к а т е л е н т е м , ч т о п о з в о л я е т пер е д е л ы в а т ь с т а р ы е п р о г р а м м ы при
минимальных затратах труда, но в т о
же время он применим для ограниченн о г о класса п р о г р а м м и с его пом о щ ь ю м о ж н о д о б и т ь с я л и ш ь незначительного повышения быстродействия. Б о л ь ш и н с т в о
исследователей
считают, что автоматические трансл я т о р ы , р е а л и з у е м ы е на к о м п ь ю т е р а х со м н о г и м и п р о ц е с с о р а м и , не м о гут у с п е ш н о с о р е в н о в а т ь с я с п р о г р а м мистами.
Другой подход связан с расширение м в о з м о ж н о с т е й б о л е е или менее
традиционных языков программирования, так ч т о б ы некоторые опера-
ции м о ж н о б ы л о в ы п о л н я т ь сразу со
многими элементами данных. Наприм е р , о д н о в р е м е н н о и з м е н и т ь все элем е н т ы списка или п р о с м о т р е т ь все записи б а з ы д а н н ы х и н а й т и записи,
удовлетворяющие
определенному
критерию. Такой подход позволяет
программистам заменять итерации
(многократное выполнение одного и
т о г о же набора инструкций с различн ы м и элементами данных) параллельно выполняющимися программ а м и . О д н а к о при э т о м п о д х о д е не
предусматривалась реализация широко р а с п р о с т р а н е н н о г о случая, а именно в ы п о л н е н и я м н о г и х в з а и м о с в я з а н ных, но различных операций в одно и
т о ж е в р е м я . Т а к а я в о з м о ж н о с т ь весьма важна при построении сложных
систем переработки информации.
Н а ш е й г р у п п о й в Й е л ь с к о м университете была разработана система
параллельного
программирования
« Л и н д а » , о р и е н т и р о в а н н а я на решение о б щ е й п р о б л е м ы к о о р д и н а ц и и :
космос
КОММУНИКАЦИИ между взаимодействующими подпрограммами в модели параллельного программирования
«Линда» анонимны и незамкнуты. Порции данных, называемые кортежами, создаются одной подпрограммой и позж е могут считываться или обрабатываться любой другой
подпрограммой. Характер коммуникаций «Линды» можно
уподобить работе бригады космонавтов при сооружении
орбитальной станции. Закончив работу с инструментом,
космонавт оставляет его в пределах досягаемости любого
другого космонавта. Ни отдающий, ни получающий не обязательно д о л ж н ы знать, кто после них будет пользоваться
или кто до них пользовался этим инструментом. Система
«Линда» была разработана автором статьи совместно с
Н. Карриером, т а к ж е из Йельского университета.
как с т р о и т ь большие п р о г р а м м ы из
многих одновременно в ы п о л н я ю щ и х ся меньших п р о г р а м м , независимо о т
т о г о , что они собой п р е д с т а в л я ю т , и
о т я з ы к а , на к о т о р о м они написаны.
В системе « Л и н д а » координация и
вычисления — это два о т д е л ь н ы х вопроса, и м е ю щ и х равное значение и
вместе определяющих проблему построения п р о г р а м м н о й м а ш и н ы . Хот я в научных кругах и м е ю т с я специал и с т ы , к о т о р ы е все еще рассматриваю т «Линду» как некое отклонение о т
о б щ е п р и н я т ы х подходов (а т о и вовсе
как ересь), число организаций, в котор ы х она уже находит применение, постоянно р а с т е т .
В системе « Л и н д а » координация
осуществляется по принципу максим а л ь н о г о упрощения процесса. Вместо т о г о ч т о б ы устанавливать хитроу м н ы е пути коммуникаций м е ж д у отд е л ь н ы м и к о м п о н е н т а м и программной м а ш и н ы и в в о д и т ь с л о ж н ы е
п р о т о к о л ы , по к о т о р ы м две или более к о м п о н е н т ы м о г у т синхронизиров а т ь свои действия, « Л и н д а » делает
процесс коммуникации а н о н и м н ы м и
н е з а м к н у т ы м . К о м п о н е н т а , генерир у ю щ а я данные, не о б я з а т е л ь н о
д о л ж н а « з н а т ь » , к т о и когда ими воспользуется, а к о м п о н е н т а м , к о т о р ы м
т р е б у ю т с я д а н н ы е , не нужно « з н а т ь » ,
кто их генерирует.
Ч т о б ы лучше понять, как осуществляется координирование процессов в
системе « Л и н д а » , представим себе
бригаду к о с м о н а в т о в , с о о р у ж а ю щ и х
космическую с т а н ц и ю . К о с м о н а в т ,
к о т о р о м у больше не нужен гаечный
ключ, отпускает его в «свободное
плавание» в безвоздушном
пространстве. Д р у г о й к о с м о н а в т , котор о м у в д а н н ы й м о м е н т потребовался
ключ, м о ж е т п р о т я н у т ь руку и взять
его. Т о же самое касается л ю б о г о другого и н с т р у м е н т а , а т а к ж е действий,
к о т о р ы е необходимо совершить, или
каких-то других сведений, к о т о р ы м и
м о г у т совместно пользоваться несколько к о с м о н а в т о в . Т о т , к т о сам
производит
информацию,
просто
оставляет ее т а м , где л ю б о й нуждающийся м о ж е т найти и воспользоваться ею. К а ж д ы й космонавт по отдельности м о ж е т не знать, у кого сейчас
находится понадобившееся ему средство или кому потребовался инструм е н т , к о т о р ы м он в данный м о м е н т
пользуется. Они п р о с т о берут нужные и н с т р у м е н т ы или о с т а в л я ю т их
т а м , где ими м о г у т воспользоваться
другие. Они не синхронизируют свои
действия: гаечный ключ, оставленный одним к о с м о н а в т о м в 10 часов
у т р а , м о ж е т п о т р е б о в а т ь с я другому
т о л ь к о через т р и часа.
Гипотетические к о с м о н а в т ы работ а ю т в физическом пространстве;
п р о г р а м м ы системы « Л и н д а » населя-
ю т т о , что м ы н а з ы в а е м «прос т р а н с т в о м к о р т е ж е й » (под кортеж е м м ы понимаем некую п о р ц и ю данных). Пассивные к о р т е ж и представл я ю т собой о б ы ч н ы е данные, котор ы е м о ж н о ч и т а т ь или о б р а б а т ы в а т ь . А к т и в н ы е к о р т е ж и — это подпрограммы, которые выполняются
одновременно, п о г л о щ а я и производя
другие к о р т е ж и . А к т и в н ы е к о р т е ж и
п р е в р а щ а ю т с я в пассивные, к о т о р ы е
м о ж н о ч и т а т ь или о б р а б а т ы в а т ь , после т о г о как завершилось их выполнение.
ИНДА» и другие системы параллельного программирования с л у ж а т как и н с т р у м е н т о м для построения крупных п р о г р а м м н ы х машин, так и н е о б х о д и м ы м м а т е р и а л о м
для э т о г о построения. К а к и м образ о м м о г л а б ы в ы г л я д е т ь архитектура
системы информационной переработки? Один из в о з м о ж н ы х в а р и а н т о в —
э т о м а ш и н а с «доской для записей»,
сконструированная группой специалистов под р у к о в о д с т в о м Л . Э р м а н а
и В. Лессинга в Университете Карнеги—Меллона в процессе их новаторской р а б о т ы по распознаванию
речи. А р х и т е к т у р а э т о г о т и п а допускает произвольное количество модулей, к а ж д ы й из к о т о р ы х записывает
свои р е з у л ь т а т ы в общей области пам я т и , с т е м ч т о б ы ими могли воспользоваться другие модули. Систем ы информационной
переработки
м о г у т б ы т ь т а к ж е основаны на комбинировании п р о с т ы х правил и составлении с л о ж н ы х дедуктивных цепочек. Э т о т м о щ н ы й м е т о д б ы л разр а б о т а н в С т а н ф о р д с к о м университете Б. Букананом, Э. Фейгенбаумом,
Э. Шортлиффом и их коллегами.
С нашей точки зрения, перспективной является архитектура в виде «решетки»: м о д у л и нижнего ряда соединены с внешними д а т ч и к а м и , м о д у л и
в т о р о г о , более высокого, ряда перерабатывают данные и устанавливают
связи между р а з л и ч н ы м и элементами, т р е т и й р я д осуществляет дальнейшую переработку и т . д. Двусторонние коммуникации между рядами
п о з в о л я ю т м о д у л я м низших уровней
и з м е н я т ь характер своих действий в
о т в е т на запросы или к о м а н д ы , поступающие о т верхних уровней.
М ы построили п р о т о т и п м а ш и н ы в
виде такой решетки. Она предназначена для сбора и анализа данных о состоянии здоровья пациентов реанимационного отделения. Э т а исследовательская система, р а з р а б о т а н н а я в сотрудничестве с П . М и л л е р о м из отдела анестезиологии и медицинской инф о р м а т и к и Йельского университета,
д о л ж н а помочь в поиске и о т р а б о т к е
м е т о д о в фильтрации и переработки
информации. (Последняя версия ма-
ш и н ы б ы л а построена в основном
М. Ф э к т о р о м , существенный вклад в
ее конструкцию внесли т а к ж е А . Кон
и Д. Ситтиг.) Программные модули
нижнего уровня решетки осуществляю т связь с у с т р о й с т в а м и , следящими
за р и т м о м сердечных сокращений,
т е м п е р а т у р о й и давлением крови в
различных точках т е л а и другими пар а м е т р а м и ; модули следующих уровней к о н ц е н т р и р у ю т внимание на все
более общих вопросах, касающихся
состояния пациента. Модули уровня,
непосредственно
прилегающего
к
нижнему, о п р е д е л я ю т тенденции изменения или очевидный ш у м (ошибки
датчиков) в поступающих данных;
модули следующего уровня п ы т а ю т ся в ы я в и т ь п р о с т ы е закономерности,
а модули, р а с п о л о ж е н н ы е еще выше,
с т а в я т д и а г н о з ы с учетом наличия
или отсутствия многих с и м п т о м о в .
Модули самых высоких уровней маш и н ы оценивают в е р о я т н о с т ь т о г о ,
что определенная гипотеза о наблюд а е м ы х закономерностях или состоянии пациента действительно верна.
Н а п р и м е р , в ныне действующей системе оценка вероятности гиповолемии (низкого объема жидкости) зависит о т оценки с и м п т о м а «закупорки»,
к о т о р а я в с в о ю очередь зависит о т сопротивления сосудов току ж и д к о с т и ,
а оно оценивается по н а б л ю д а е м о м у
кровяному давлению (такие д а н н ы е
получаются путем применения процед у р ы , н а з ы в а е м о й фильтрованием по
К а л ь м а н у , к о б ы ч н ы м показаниям
датчиков, фиксирующих
кровяное
давление).
О б р а з н о говоря, к а ж д ы й м о д у л ь
в ы с о к о г о уровня имеет циферблат,
стрелка к о т о р о г о пробегает показания о т «определенно ошибочно» до
«определенно правильно», включая
т а к ж е область, помеченную как «нед о с т а т о ч н о д а н н ы х » . (К н а с т о я щ е м у
времени м ы уже получили обнадеживающие результаты
относительно
построения модулей, к о т о р ы е способны оценивать получаемую информ а ц и ю так же, как это делал бы врач,
однако исследования,
касающиеся
процедуры подсчета самих вероятностей, еще не завершены.)
Д а н н ы е п р о т е к а ю т вверх о т м о д у л я
к м о д у л ю по линиям связи, присутств у ю щ и м в решетке. К о г д а новые данные, просочившиеся снизу, заставляю т т о т или иной модуль изменить
свою оценку состояния пациента, он
п о с ы л а е т новую и н ф о р м а ц и ю модул я м следующего, более высокого
уровня, к о т о р ы е в свою очередь пер е с м а т р и в а ю т свои прежние в ы в о д ы .
П о л ь з о в а т е л и м о г у т сделать запрос
м о д у л ю , к о т о р ы й еще не сформировал окончательного заключения. В
э т о м случае он п о с ы л а е т запрос о дополнительной информации м о д у л я м
н и ж н е г о у р о в н я по и м е ю щ и м с я линия м связи. Е с л и д о п о л н и т е л ь н у ю инф о р м а ц и ю м о ж н о н а й т и (или сгенерир о в а т ь ) , о н а б у д е т п о с л а н а вверх п о
решетке.
м
АШИНА-решетка,
в
сущности,
п а р а л л е л ь н ы х п р о г р а м м . Все ее м о д у ли р а б о т а ю т непрерывно и одноврем е н н о , р а б о т а т ь п о - д р у г о м у они про-
с т о не м о г у т . З а п у с т и т ь о д и н м о д у л ь ,
п р о г н а т ь его, о с т а н о в и т ь , з а п у с т и т ь
другой модуль и т . д. — это значит
неоправданно усложнить механизм.
Параллельный режим также важен
ДАННЫЕ
МАШИНА-РЕШЕТКА, разработанная автором и его коллегами для наблюдения за состоянием пациентов реанимационного отделения. Датчики, расположенные в нижнем
слое, посылают информацию (синий) вверх по иерархической структуре модулей, рассматривающих все более
сложные гипотезы о состоянии пациента (стрелки указы-
вают направление связи между модулями). Модули верхних уровней могут посылать запросы и комментарии (желтый) на нижние уровни, с тем чтобы получить дополнительную информацию либо изменить действие нижнего
модуля на основе гипотезы, возникшей на верхнем уровне.
для машин, фильтрующих информац и ю , в ч а с т н о с т и т а к и х , к о т о р ы е след я т за с о с т о я н и е м п а ц и е н т а , п о т о м у
ч т о э т и с и с т е м ы д о л ж н ы б ы с т р о реаг и р о в а т ь и з а к о р о т к о е в р е м я успевать проделать значительный объем
р а б о т ы по анализу н е п р е р ы в н о г о потока данных. Параллельные компьютеры
обеспечивают
необходимые
мощности для реализации построенной нами параллельной программной
машины.
Решетка отличается о т других тип о в а р х и т е к т у р ы д в у м я г л а в н ы м и характеристиками: она «прозрачна» и
локально самостоятельна. Решетку
можно назвать прозрачной потому,
ч т о функции к а ж д о г о у з л а м а ш и н ы
легко п о д д а ю т с я п о н и м а н и ю ; структ у р а соединений м е ж д у м о д у л я м и о т р а ж а е т структуру задачи, к о т о р у ю
машина должна решать.
Б л а г о д а р я э т о м у свойству с и с т е м ы
п о л ь з о в а т е л ь о т д а е т себе я с н ы й о т чет в т о м , ч т о м о ж е т и чего не м о ж е т
делать решетка и каким образом ею
лучше воспользоваться, так ч т о б ы
добиться
наибольшего
эффекта.
П р о з р а ч н о с т ь — э т о в а ж н о е свойство ( к о т о р ы м часто пренебрегают)
к о н с т р у к ц и и л ю б о й м а ш и н ы , и особенно э т о в а ж н о д л я с л о ж н ы х м а ш и н ,
р а б о т а ю щ и х в н а п р я ж е н н ы х условиях. Г л я д я на д и а г р а м м у , п о к а з ы в а ю щ у ю с т а т у с и соединения м е ж д у элементами решетки, пользователь может, например, быстро установить,
ч т о м а ш и н а а н а л и з и р у е т д в а в и д а сердечной н е д о с т а т о ч н о с т и ( и с к л ю ч а я
при э т о м почечные заболевания) и что
ее в ы в о д ы о х а р а к т е р е сердечной недостаточности зависят от информации об и ш е м и и , п о к а з а т е л е й р а б о т ы
сердца и т. д.
Л о к а л ь н а я с а м о с т о я т е л ь н о с т ь означает, что для понимания л ю б о г о
отдельного модуля решетки нужно
р а с с м о т р е т ь л и ш ь его н е п о с р е д с т в е н н у ю о к р е с т н о с т ь , п о н и м а н и я ж е всей
р е ш е т к и в ц е л о м не т р е б у е т с я . П р о граммистам, изменяющим модули
и л и д о б а в л я ю щ и м н о в ы е м о д у л и к решетке, нужно понимать работу лишь
тех модулей, с к о т о р ы м и новый мод у л ь б у д е т н е п о с р е д с т в е н н о связан.
Можно сконструировать,
собрать,
п р о в е р и т ь и ввести в э к с п л у а т а ц и ю
р е ш е т к у , с о с т о я щ у ю из т ы с я ч или д а ж е д е с я т к о в т ы с я ч м о д у л е й , х о т я ни
о д и н п р о г р а м м и с т не с м о ж е т п о н я т ь
действие м а ш и н ы в целом.
В о к о н ч а т е л ь н о м виде с и с т е м а набл ю д е н и я за п а ц и е н т а м и р е а н и м а ц и о н ного отделения, по-видимому, будет
с о с т о я т ь из нескольких с о т е н м о д у лей. Д р у г и е р е ш е т к и , т а к и е как гипот е т и ч е с к и й н а б л ю д а т е л ь за т р а н с п о ртной системой, возможно, будут
еще больше. Начиная с модулей само-
КОРТЕЖИ
С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЯМИ
РАБОЧИЕ МОДУЛИ
МАШИНА МАССОВОГО ПОИСКА сопоставляет вновь найденную последовательность Д Н К со всеми ранее известными последовательностями, хранящимися в базе данных. Главный модуль создает кортежи, содержащие известные
последовательности; рабочие модули сравнивают их с новой последовательностью и генерируют кортежи, содержащие результаты сравнения. Затем главный модуль собирает кортежи, чтобы определить, какие из каталогизированных последовательностей обладают наибольшим сходством с новым образцом.
г о н и з к о г о у р о в н я , с л е д я щ и х за с и т у а цией н а о т д е л ь н ы х участках шоссе,
железной
дороги
или
взлетноп о с а д о ч н о й п о л о с ы а э р о д р о м а , и кончая м о д у л я м и верхних э ш е л о н о в , о т в е ч а ю щ и х на с л о ж н ы е в о п р о с ы о
транспортных альтернативах, решетка п о д о б н о й с и с т е м ы н а б л ю д е н и я
м о ж е т с о с т о я т ь из м и л л и о н а и л и более у з л о в . Д а н н ы е н е п р е р ы в н ы м пот о к о м б у д у т п о с т у п а т ь на верхние
у р о в н и , в т о в р е м я как т ы с я ч и з а п р о сов на н о в ы е д а н н ы е с ц е л ь ю уточнения и м е ю щ и х с я сведений б у д у т п р о х о д и т ь через ф и л ь т р ы к м о д у л я м
н и ж н и х уровней.
Г д е б ы ни п р и м е н я л и с ь м а ш и н ы т и па « р е ш е т к и » , они всегда д о л ж н ы реш а т ь один и т о т ж е основной
в о п р о с — с о п о с т а в и т ь н о в у ю последовательность с каждой последовательностью, уже значащейся в катал о г е , и у с т а н о в и т ь м е р у их с х о д с т в а .
Ч е м б о л ь ш е б а з а д а н н ы х , т е м более
д л и т е л ь н ы м и дорогостоящим будет
поиск. Генетические б а з ы д а н н ы х у ж е
сейчас велики и о д н а из целей исследований в м о л е к у л я р н о й б и о л о г и и зак л ю ч а е т с я в т о м , ч т о б ы с д е л а т ь их
еще больше. Э т а проблема характерна, конечно, не т о л ь к о д л я б и о л о г и и .
С у щ е с т в у е т м н о ж е с т в о д р у г и х прим е р о в , как, с к а ж е м , поиск в к а т а л о г а х
химических реакций, и д е н т и ф и к а ц и я
и з о б р а ж е н и й п у т е м их с о п о с т а в л е н и я
с и м е ю щ и м и с я о б р а з ц а м и или поиск в
ф а й л а х д а н н ы х п о с л о ж н ы м поисковым критериям.
Нашей группой б ы л построен прот о т и п м а ш и н ы массового поиска для
идентификации последовательностей
Д Н К . Он с о с т о и т из п р о г р а м м н ы х
м о д у л е й двух т и п о в : г л а в н о г о м о д у ля, р а с с ы л а ю щ е г о данные для анализа, и п р о и з в о л ь н о г о числа р а б о ч и х
модулей,
выполняющих
операции
сравнения. П о существу г л а в н ы й м о дуль выдает каждому исполнителю
по о д н о м у и с к о м о м у о б р а з ц у (т. е.
новой последовательности) и затем
(ид. зо)
(ВОЗР. 42)
(ПЛОТНОСТЬ ПОВЫШЕНА)
(ГРАНИЦА ВЫРАЖЕНА? НЕТ)
(КОНТУР БУГРИСТЫИ)
(КОНТУР ОПРЕДЕЛЕННЫЙ?
ДА)
Выводы
(УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОТОКА? НЕТ)
(СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ? НЕТ)
Анализ: ПЛОТНОСТЬ МЕНЯЛАСЬ?
Предположение: МЕНЯЛАСЬ — напр.
случ. ((ид. 14) (возр.46) (диагноз инф. карцинома
протока))
случ. ((ид. 20) (возр. 60) (диагноз инф. карцинома
протока))
случ. ((ид. 50) (возр. 70) (диагноз инф. карцинома
протока))
Анализ: КОМЕТА?
Предположение: ДА — напр.
случ. 14
случ. ((ид. 40) (возр. 69) (диагноз инф. карцинома
протока))
Хотя система не располагает информацией
об изменении плотности в данном случае,
она быстро находит несколько сходных
случае (все рак), в которых плотность опухоли, определяемая по рентгенограмме,
увеличивалась со временем.
Исходя из аналогичных случаев, система
предполагает, что здесь должна наблюдаться «комета» (специфический ореол вокруг опухоли). Отсюда следует, что опухоль
злокачественная.
Выводы
(ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ ОТЛОЖЕНИЕ ИЗВЕСТИ? НЕТ)
(ВТЯГИВАНИЕ СОСКА? НЕТ)
По характеристикам границы опухоли на
рентгеновском снимке выводит другие
свойства, например когда нет втягивания
соска, она заключает, что если опухоль злокачественная, то она либо находится в начальной стадии, либо далеко локализована
от поверхности груди.
(ПЛОТНОСТЬ МЕНЯЛАСЬ?
НЕТ)
(ЕСТЬ ОРЕОЛ? НЕТ)
НЕТ — в данном контексте необычно см., напр.,
случ.14
случ. 40
Сочетание этих двух признаков редко; первое предполагает доброкачественное новообразование, второе — злокачественное.
Лишь в приведенных двух случаях на снимке также отсутствует ореол, но имеется то
же сочетание остальных признаков.
«ФОН — ПЛОТНОСТЬ ЖИРОВОЙ ТКАНИ)
(СЛУЧАИ РАКА В СЕМЬЕ НЕТ)
(СЛУЧАИ РАКА В ТЕЧЕНИЕ
ЖИЗНИ
ПАЦИЕНТА — МИЕЛОМА)
!! Никогда раньше не встречалось
Миелома — очень редкая опухоль для молочной железы, поэтому неувидительно,
что система никогда прежде не встречалась с ней.
Система рассматривает другие случаи,
сходные с данным. Три наиболее близкие
— злокачественные (коллоидный рак, инфильтративная карцинома протока и метастазирующая меланома); остальные —
доброкачественные.
Ближайшие случаи в базе данных:
ИД Злокачественное?
Диагноз
4
НЕТ
ФИБРОАДЕНОМА
6
ДА
КОЛЛОИДНЫЙ РАК
40
ДА
КАРЦИНОМА ИНФ.
ПРОТОКА
16
ДА
МЕТАСТАЗИРУЮЩАЯ
МЕЛАНОМА
29
НЕТ
ФИБРОАДЕНОМА
12
НЕТ
ФИБРОАДЕНОМА
Основываясь на случаях с похожими хаАнализ: ДИАГНОЗ
рактеристиками, система делает предполоПродолжение: ФИБРОАДЕНОМА
жение, что наблюдаемая опухоль
Проверка предположения:
В ТЕЧЕНИЕ ЖИЗНИ ПАЦИЕНТА БЫЛИ ОПУХОЛИ: доброкачественная. Однако при доброкачественной опухоли естественно ожидать,
ожидается НЕТ
что пациент ранее не наблюдался по повооднако есть МИЕЛОМА.
ду онкологических заболеваний. Найдя же
Предположение снимается.
запись в истории болезни, система снимает предполагаемый диагноз.
Хотя система не может точно установить
Анализ: ЗЛОКАЧЕСТВЕННОЕ?
вид опухоли (никогда прежде не сталкиваПредположение: ДА
лась с плазмоцитомой), она все же способПроверка предположения
на определить, является ли опухоль
ЕСТЬ ОРЕОЛ?:
злокачественной. Сравнение с аналогичныожидается НЕТ
ми случаями и выводы из этих сравнений
Подтверждается.
говорят о том что опухоль злокачественПредположение принимается.
ная. Предположение о диагнозе подтверждается отсутствием ореола (указывающего
на доброкачественность новообразования)
вокруг опухоли.
«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ» БАЗА Д А Н Н Ы Х анализирует возм о ж н о с т ь диагноза рака молочной железы на основании
сходства между описанием д а н н о й рентгенограммы молочной железы и о п и с а н и я м и случаев, для которых диагноз у ж е известен. Существующая система пока является
лишь прототипом и имеет доступ только к 70 о п и с а н н ы м
случаям. Здесь рассматривается случай злокачественной
опухоли (плазмацитомой), с которой раньше машина никогда не встречалась. Она не может п р и й т и к точному диагнозу, но все ж е по имеющемуся о п и с а н и ю определяет новообразование к а к злокачественную опухоль.
«прочесывает» всю базу данных, извлекая о т т у д а к а ж д у ю последоват е л ь н о с т ь и п о м е щ а я ее в пространство к о р т е ж е й . Рабочий м о д у л ь берет
еще не проверенную последовательн о с т ь из п р о с т р а н с т в а к о р т е ж е й ,
сравнивает ее с д а н н ы м ему о б р а з ц о м
и оставляет р е з у л ь т а т сравнения в
пространстве кортежей. Главный модуль собирает все р е з у л ь т а т ы и, когд а поиск завершается, п р е д с т а в л я е т
свое заключение п о л ь з о в а т е л ю . (На
с а м о м деле, э т о т процесс несколько
сложнее; например, в н е к о т о р ы х случаях г л а в н ы й м о д у л ь сосредоточивает на выполнении одного т р у д о е м к о го сравнения сразу м н о г о модулей, а
не задействует на этой операции один
рабочий модуль.)
Ч т о б ы и с п ы т а т ь в действии наши
концепции, м ы реализовали м а ш и н у
массового поиска на 64-процессорном
п а р а л л е л ь н о м к о м п ь ю т е р е Йельского университета. К а ж д ы й процессор
э т о г о к о м п ь ю т е р а основан на интегральной микросхеме «Intel 80386» и
по б ы с т р о д е й с т в и ю примерно соответствует с а м ы м б ы с т р ы м персон а л ь н ы м к о м п ь ю т е р а м последнего
поколения. О д н о м у т а к о м у процессору п о т р е б о в а л о с ь б ы о к о л о четырех
часов, ч т о б ы сравнить неизвестную
п о с л е д о в а т е л ь н о с т ь средней д л и н ы
со всеми п о с л е д о в а т е л ь н о с т я м и раздела п р и м а т о в в генетической базе
д а н н ы х « G e n B a n k » . М а ш и н а массового поиска справляется с э т о й задачей п р и б л и з и т е л ь н о за ч е т ы р е минут ы . Такое ускорение п о д т в е р ж д а е т
наше предположение о т о м , что часовую вычислительную р а б о т у м о ж н о
в ы п о л н и т ь за минуту, эффективно задействовав 60 процессоров на одной
задаче.
Параллельный компьютер, котор ы м м ы воспользовались для этих испытаний, — это большая и дорогос т о я щ а я м а ш и н а , однако система
массового поиска т а к ж е х о р о ш о
д о л ж н а п р о я в и т ь себя и на больших
настольных параллельных компьютерах. О т м е т и м т а к ж е , что п р о г р а м м а массового поиска м о ж е т в ы п о л няться на « в и р т у а л ь н о м параллельн о м к о м п ь ю т е р е » , с о с т о я щ е м из многих с а м о с т о я т е л ь н ы х м а ш и н , объединенных в сеть (подобную т е м сетям,
к о т о р ы е в настоящее время передают
электронную почту и о с у щ е с т в л я ю т
обмен файлами данных между машинами). Сети о с т а ю т с я пока м а л о исследованной о б л а с т ь ю для параллельных вычислений; л и ш ь небольшое число специалистов проявили интерес к изучению функциональных
в о з м о ж н о с т е й сетей д л я р а с с м а т р и в а е м ы х целей. Многие п р о г р а м м ы ,
успешно р а б о т а ю щ и е на о б ы ч н ы х пар а л л е л ь н ы х к о м п ь ю т е р а х , окажутся
неэффективными в условиях сети. Од-
нако п р о г р а м м а массового поиска,
по-видимому, х о р о ш о приспособлена
для выполнения в сети, поскольку обл а д а е т о т н о с и т е л ь н о низким отношением о б ъ е м а коммуникаций к объему
вычислений.
Л е т о м 1988 г. Р . У а й т с а й д из Национальной л а б о р а т о р и и Сандия в
Альбукерке в ы п о л н и л ряд п р о г р а м м
« Л и н д ы » на 14 о б ы ч н ы х к о м п ь ю т е рах, объединенных в сеть, воспользовавшись версией системы « Л и н д а » ,
созданной Д ж . Л е й х т е р о м из Йельского университета. Одна из этих прог р а м м с р а б о т а л а значительно б ы с т рее в сети, чем на суперкомпьютере — исключительно м о щ н о й и дорогой, но последовательной (непараллельной) машине. ( П о к а з а т е л и для
других п р о г р а м м « Л и н д ы » не оказались с т о л ь х о р о ш и м и . ) Многие организации р а с п о л а г а ю т б о л ь ш и м числ о м н е д о с т а т о ч н о загруженных или
бездействующих к о м п ь ю т е р о в , объединенных в л о к а л ь н ы е сети. Э т и м и
м а ш и н а м и м о ж н о б ы л о б ы с успехом
воспользоваться для б ы с т р о г о поиска
в больших базах данных.
Э
ЛЕМЕНТЫ б а з ы д а н н ы х о б ы ч н о
а н а л и з и р у ю т с я один за одним, но
если бы м а ш и н а м о г л а взглянуть на
них как на единое целое, преобразуя
м н о ж е с т в о о т д е л ь н ы х случаев в некий
единый «накопленный о п ы т » , т о у
нее появился бы н о в ы й б о г а т ы й источник знаний. И н т е л л е к т у а л ь н а я база д а н ы х — э т о м а ш и н а по переработке
информации,
помогающая
пользователю разобраться в новых
д а н н ы х путем их сопоставления с уже
н а к о п л е н н ы м о п ы т о м по м н о г и м
с х о д н ы м случаям.
Обычная база данных, содержащ а я , например, описания рентгеног р а м м м о л о ч н о й ж е л е з ы , м о ж е т найт и все записи о пациентах определенной возрастной группы, и м е ю щ и х
т о т или иной диагноз или же и с т о р и ю
болезни определенного пациента. Система, которую м ы разрабатываем в
настоящее время, сама будет п ы т а т ь ся з а п о л н я т ь п р о б е л ы в имеющихся
данных. Н а п р и м е р , если врач располагает п о л н ы м описанием рентгеног р а м м ы опухоли, система м о ж е т высказать предположение о т о м , является ли опухоль доброкачественной
или злокачественной, основываясь на
анализе уже зарегистрированных аналогичных случаев. П р о г р а м м а способна т а к ж е о т в е ч а т ь (формируя ответ т а к и м же о б р а з о м ) на не очень
определенные запросы т и п а « н а й т и
все случаи, сходные с д а н н ы м » .
Более т о г о , н а ш а интеллектуальная
база д а н н ы х п ы т а е т с я и м и т и р о в а т ь
(хотя и не очень точно) творческую
деятельность
квалифицированных
экспертов. Н а с т о я щ и е эксперты не
п р о с т о з а н и м а ю т с я интерполяцией
по и з в е с т н ы м т о ч к а м и придерживаю т с я статистически н а д е ж н ы х вариа н т о в ; они т а к ж е с т р о я т догадки и гип о т е з ы и приходят к т е м или и н ы м
в ы в о д а м . Н а ш а система п о с т р о е н а
так, ч т о б ы в какой-то мере и м и т и р о в а т ь эту деятельность. Она привлекает внимание пользователей к интересн ы м в о з м о ж н ы м в а р и а н т а м , д а ж е если они не м о г у т б ы т ь т в е р д о обоснованы (или я в л я ю т с я в о о б щ е ошибочн ы м и ) . Такой тип поведения м ы называем «моделируемым размышлением». ( А н т р о п о м о р ф н ы й т е р м и н
применяется л и ш ь для краткости;
п р о г р а м м а не п ы т а е т с я моделиров а т ь психологические процессы человека.)
В о з м о ж н о с т и системы
должны
р а с ш и р я т ь с я с к а ж д ы м н о в ы м сеансом ее применения. Всякий р а з , когда
п о л ь з о в а т е л ь формулирует запрос,
о б р а щ е н н ы й к базе данных, э т о т запрос запоминается так же, как если
б ы э т о б ы л новый р е г и с т р и р у е м ы й
случай. П р и поступлении новых данных или новых запросов система мож е т проверить, не п р о л и в а ю т ли они
свет на уже зарегистрированные данные или з а п р о с ы . С и с т е м а м о г л а б ы ,
к примеру, о т в е т и т ь : « Н о в ы й случай,
введенный в а м и , н а п о м и н а е т о запросе, сделанном X Y Z ш е с т ь месяцев назад, и м о ж е т о т к р ы т ь новую перспективу».
П р о т о т и п п р о г р а м м ы (пока рассчитанный на последовательное, а не
параллельное выполнение) получил
название F G P - м а ш и н ы (от слов fetch,
generate,
project — соответственно
о т ы с к и в а т ь , генерировать и проектировать). Он б ы л написан С. Фертиг о м из Йельского университета и основан на более ранней
работе
М . Скляра при участии П . Фишера.
Э л е м е н т ы б а з ы д а н н ы х представлены в F G P - м а ш и н е как о б л а с т и прос т р а н с т в а . Соседствующие области
соответствуют элементам, имеющим
близкое сходство друг с д р у г о м . ( Э т а
м о д е л ь з а и м с т в о в а л а п о д х о д ы , широко применяемые при поиске фрагм е н т о в текста.) П о представленному
ей запросу м а ш и н а с т р о и т о б л а с т ь ,
с о о т в е т с т в у ю щ у ю характеристикам
запроса, и з а т е м исследует ее окрестн о с т ь в поисках наиболее сходных
случаев. Затем м а ш и н а анализирует
эти случаи, п ы т а я с ь найти общие
а т р и б у т ы — те, к о т о р ы е в е р о я т н о
будут справедливы и для о б л а с т и ,
представляющей запрос. Э т и атрибут ы вместе с их с р а в н и т е л ь н ы м и вероя т н о с т я м и м а ш и н а и представляет
пользователю.
С ф о р м у л и р о в а в в ы в о д ы , представляющиеся р а з у м н ы м и , м а ш и н а переходит к т о м у , что м ы н а з ы в а е м модел и р у е м ы м р а з м ы ш л е н и е м . Отвлека-
ясь на время о т текущего запроса, она
фокусирует внимание на л ю б ы х «нап о м и н а ю щ и х » о чем-то интересном
в о з м о ж н о с т я х , к о т о р ы е могли проявиться в ходе исследования соседних
областей, — о неизвестных фактах,
к о т о р ы е м о г л и б ы значительно суз и т ь фокус поиска, если б ы они б ы л и
известны. Н а п р и м е р , при первом
представлении р е н т г е н о г р а м м ы м о лочной железы м о г л а возникнуть версия наличия « к о м е т ы » — своеобразного к о м е т о о б р а з н о г о следа вокруг
опухоли. Такие к о м е т ы я в л я ю т с я пол е з н ы м и диагностическими индикат о р а м и , п о э т о м у система м о ж е т пер е к л ю ч и т ь свое внимание на вопрос о
т о м , где и в каких случаях они о б ы ч н о
н а б л ю д а ю т с я . М а ш и н а переходит к
т о й о б л а с т и б а з ы данных, к о т о р а я
представлена п о д о б н ы м и интересным и в о з м о ж н о с т я м и , и исследует новую окрестность т а к же, как она исследовала окрестности исходного запроса.
В какой мере F G P - м а ш и н а м о ж е т
себе п о з в о л и т ь , т а к сказать, отвлечься, зависит о т п а р а м е т р а , н а з ы в а е м о го уровнем концентрации. К о г д а степень
концентрации
максимальна,
п р о г р а м м а в о о б щ е не р а з м ы ш л я е т ;
на более низких уровнях она начинает
отвлекаться о т поставленной перед
ней задачи. К о г д а же уровень концентрации д о с т и г а е т нулевого значения, система пускается в свободные
ассоциации, переходя о т одной интересной в о з м о ж н о с т и к другой, уже
никогда не возвращаясь к исходному
запросу (разве что случайно). Большинству людей, конечно, не нужна
м а ш и н а , и г н о р и р у ю щ а я их в о п р о с ы и
п р о в о д я щ а я все время в свободных ассоциациях; э т а способность м а ш и н ы
является л и ш ь л ю б о п ы т н ы м (и возм о ж н о , з а с т а в л я ю щ и м задуматься)
п о б о ч н ы м эффектом самой ее конструкции.
В отличие о т с и с т е м ы , н а б л ю д а ю щей за состоянием б о л ь н ы х в реаним а ц и о н н о м отделении, или м а ш и н ы
массового поиска F G P - м а ш и н а пока
не является параллельной программой. О н а р а б о т а е т настолько медленно, что д а ж е при небольшой базе данных ею почти н е в о з м о ж н о пользоваться. М ы уже начали модернизиров а т ь F G P - м а ш и н у , ч т о б ы сделать ее
параллельной. Появление
относит е л ь н о дешевой параллельной аппар а т у р ы и — что еще важнее — прос т ы х и эффективных м е т о д о в создания п а р а л л е л ь н ы х п р о г р а м м н ы х машин позволило п р о д о л ж и т ь р а б о т у
над п р о е к т о м , к о т о р ы й л е т 10 т о м у
назад б ы л бы (в практическом смысле) обречен.
М ы собираемся воспользоваться
м е т о д а м и , а н а л о г и ч н ы м и т е м , что
п р и м е н я ю т с я в м а ш и н е массового поиска, ч т о б ы ускорить р а б о т у F G P м а ш и н ы и ч т о б ы она м о г л а вычисл я т ь расстояния м е ж д у поисковой обл а с т ь ю и м н о г и м и другими областям и б а з ы д а н н ы х одновременно. З а т е м
м ы применим м е т о д ы сетевого прог р а м м и р о в а н и я , п о д о б н ы е т е м , что
б ы л и п р о д е м о н с т р и р о в а н ы в Национальной л а б о р а т о р и и Сандия, благод а р я чему F G P - м а ш и н ы получат доступ к б а з а м д а н н ы х всей с т р а н ы (или
д а ж е мира). К о г д а э т а технология будет п о л н о с т ь ю о т р а б о т а н а , станет
в о з м о ж н ы м извлекать полезную инф о р м а ц и ю из баз данных, содержащих описания различных объектов
или с о б ы т и й — будь т о к а т а л о г и диких цветов, клинописные дощечки,
архивы уголовных дел, г а з е т н ы е
с т а т ь и или м е с т а летнего о т д ы х а .
П о л ь з о в а т е л ь с м о ж е т сделать, скаж е м , т а к о й запрос: « М ы п ы т а е м с я
идентифицировать преступника (или
цветок), о б л а д а ю щ е г о следующими
характеристиками. К т о (или что) соо т в е т с т в у е т э т и м характеристикам?
Если не удается н а й т и хорошего соответствия, т о какими другими характер и с т и к а м и э т о т человек (или цветок)
м о ж е т о б л а д а т ь ? » В конечном итоге
м ы намереваемся п р и м е н и т ь F G P м а ш и н у к р а з н о о б р а з н ы м и неоднор о д н ы м д а н н ы м ; она будет служить в
качестве р а з в и т о г о интерфейса с энциклопедией, з а т е м , в о з м о ж н о , с библиотекой, а еще п о з ж е — со всеми
библиотеками страны.
П
РЕЖДЕ чем п о д о б н ы е п л а н ы осуществятся, п р е д с т о и т п р о д е л а т ь
м н о г о р а б о т ы . Однако в о з м о ж н о с т и
здесь поистине безграничны. Систем ы наблюдения за р а б о т о й транспорт а или состоянием здоровья пациент о в реанимационного отделения и
п о д о б н ы е и м о т к р ы в а ю т н о в ы й подход
к
рассмотрению
больших
систем — п р о г р а м м н ы й м и к р о к о с м .
Исследователи нашей группы п ы т а ю т с я п о с т р о и т ь п р о г р а м м н ы е «тенев ы е с и с т е м ы » , к о т о р ы е прослеживали б ы э в о л ю ц и ю реальных систем
или организаций (таких как б о л ь н и ц ы
или университеты). В основе, по-
Мантийная циркуляция
на экране компьютера
К
ОГДА одна из
литосферных
плит, из к о т о р ы х с о с т о и т по-
в и д и м о м у , будут л е ж а т ь программ н ы е м а ш и н ы , в к о т о р ы х за эволюцией каждой о т д е л ь н о й части систем ы будет следить свой о т д е л ь н ы й м о дуль. П р о г р а м м н ы й м и к р о к о с м сам
по себе будет в ы п о л н я т ь минимальную р а б о т у по анализу моделируемой
с и с т е м ы , но п о л ь з о в а т е л ь будет
и м е т ь в о з м о ж н о с т ь з а д а в а т ь разноо б р а з н ы е в о п р о с ы , следить за качеств о м в ы п о л н я е м о й р а б о т ы , фиксиров а т ь п о с т о я н н ы е запросы по какимл и б о д а н н ы м или п р о с т о осуществ л я т ь поиск нужной информации.
Ц е л ь всех этих проектов — решеток, интеллектуальных баз д а н н ы х ,
м и к р о к о с м а — по существу одна и т а
же: п о м е с т и т ь о г р о м н ы й м и р в маленький ящик, так ч т о б ы л ю д и м о г л и
исследовать его по своему усмотрению. М е т о д ы , р а з р а б о т а н н ы е нашей
исследовательской группой и многим и другими, п о к а з ы в а ю т конкретные
пути дальнейшего р а з в и т и я средств
о б р а б о т к и и м е т о д о в использования
информации. Однако в недалеком будущем п р о е к т ы п о д о б н о г о р о д а уже
в ы й д у т за пределы в о з м о ж н о с т е й
академических научных исследований. П р о д о л ж и т ь р а б о т у д о л ж н ы будут другие организации, располагающие б о л ь ш и м и ресурсами.
К сожалению, в промышленных,
правительственных и д а ж е научных
кругах имеется л и ш ь смутное представление о проблемах п р о г р а м м н о г о
обеспечения. С л о в о « м е т а м о р ф о з а »
не случайно б ы л о вынесено в заголовок с т а т ь и , оно с а м о претерпело мет а м о р ф о з у б л а г о д а р я т в о р е н и ю Кафки. Н о в а я технология, наверное, не
и з б е ж и т критики, злоупотреблений,
ш а р л а т а н с т в а и д а ж е нападок в духе
луддитского движения «разрушителей м а ш и н » . Л ю д я м , к о т о р ы е сами
не з а н и м а ю т с я п р о г р а м м и р о в а н и е м ,
в их же собственных интересах следует в полной мере о с о з н а т ь потенциа л ь н ы е в о з м о ж н о с т и новых информ а ц и о н н ы х м а ш и н . Тем с а м ы м они
з а щ и т я т себя о т в с е в о з м о ж н ы х недоразумений, расширят свой кругозор и,
м о ж е т б ы т ь , придут в восхищение перед открывающимися перспективами.
верхность Земли, заканчивает свое
геологическое существование, она загибается вниз по линейной зоне субдукции и погружается как пластинообразное т е л о в м а н т и ю . Однако ког-
д а г о р я ч и й м а т е р и а л п о д н и м а е т с я из
м а н т и и — с л о я т в е р д ы х , но п л а с т и ч н ы х п о р о д м о щ н о с т ь ю 3000 к м , располагающегося между корой и металл и ч е с к и м я д р о м , — он ч а с т о о б р а з у е т узкие м а н т и й н ы е с т р у и . П о ч е м у ж е
так сильно различаются нисходящие
и восходящие течения в мантии?
Компьютерная модель показывает, что существование погружающихся п л а с т и н о о б р а з н ы х т е л и восходящих мантийных струй м о ж е т б ы т ь
обусловлено
сферической
формой
мантии. Модель, разработанная Дейв о м Б е р к о в и ч и и Д ж е р а л д о м Шуберт о м из К а л и ф о р н и й с к о г о университета в Лос-Анджелесе, а также Гари
А . Г л а ц м а й е р о м из Л о с - А л а м о с с к о й
национальной лаборатории,
представляет собой попытку воспроизвести конвективную циркуляцию в мант и и . Т е п л о в а я энергия, п о с т у п а ю щ а я
из я д р а или о б р а з у ю щ а я с я в р е з у л ь т а те распада радиоактивных элементов
в мантии, обусловливает конвекцию:
г о р я ч а я п о р о д а в с п л ы в а е т и перемещается по горизонтали. Такой поток
заставляет двигаться поверхностные
п л и т ы до тех пор, пока м а т е р и а л в
н е м не о с т ы н е т и не начнет погруж а т ь с я в зоне субдукции.
Ранее считалось, что форма зоны
субдукции о т р а ж а е т степень ж е с т к о сти поверхностных плит, к о т о р ы е
с г и б а ю т с я по н е к о т о р о й л и н и и и в ходе п о г р у ж е н и я с о х р а н я ю т с в о ю пластинообразную форму. Современные
результаты моделирования, о котор ы х с о о б щ а л о с ь в ж у р н а л е «Science»,
п о з в о л я ю т п р е д п о л о ж и т ь , ч т о зона
субдукции сохраняла б ы свою форму,
д а ж е если б ы п л и т ы не б ы л и жесткими.
Б о л е е р а н н и е м о д е л и конвекции в
м а н т и и не с м о г л и о б ъ я с н и т ь г е о м е т р и ю п о т о к а , п о с к о л ь к у в них конвекция м а н т и й н о г о м а т е р и а л а р а с с м а т р и в а л а с ь в п а р а л л е л е п и п е д е или в верт и к а л ь н о м сечении З е м л и . К а к правило, предполагалось также, что пород ы о д н о р о д н ы по п л о т н о с т и , х о т я в
д е й с т в и т е л ь н о с т и п л о т н о с т ь возраст а е т с г л у б и н о й . Б е р к о в и ч и и его сотрудники, используя исключительные возможности суперкомпьютеров
и модель,
разработанную
ранее
Г л а т ц м а й е р о м д л я изучения конвекции во в н е ш н и х слоях С о л н ц а , пос т р о и л и м а т е м а т и ч е с к у ю м о д е л ь , которая воспроизводит конвекцию в
т р е х м е р н о й сферической о б о л о ч к е с
радиальной стратификацией плотнос т и , а н а л о г и ч н о й с т р а т и ф и к а ц и и , существующей в реальной мантии.
Д а ж е в т а к о м виде модель б ы л а
значительно упрощенной, поскольку
в ней не у ч и т ы в а л а с ь п о в е р х н о с т н а я
о б о л о ч к а из ж е с т к и х п л и т . П р е д п о л а г а л о с ь т а к ж е , ч т о конвекция менее инт е н с и в н а , чем в р е а л ь н о й м а н т и и , а
РАДИАЛЬНЫЙ ПОТОК в мантии, рассчитанный по модели, в которой мантия
рассматривается как сферическая оболочка с конвективным движением ж и д кого материала. В картине циркуляции возникают узкие восходящие потоки
(красный) и погружающиеся пластинообразные тела (синий). Рисунок предоставлен Гарри А. Глатцмайером.
в я з к о с т ь п о с т о я н н а (хотя в д е й с т в и т е л ь н о с т и о н а и з м е н я е т с я и по в е р т и кали, и по г о р и з о н т а л и ) . П о м и м о э т о го, поскольку с о о т н о ш е н и е м е ж д у количеством тепла, которое поступает
в м а н т и ю из я д р а , и к о л и ч е с т в о м т е п л а , к о т о р о е генерируется в с а м о й
м а н т и и , не и з в е с т н о , и с с л е д о в а т е л и
проанализировали несколько вариант о в м о д е л и , с о о т в е т с т в у ю щ и х разн ы м значениям указанного отношения п о т о к о в т е п л а . Во всех случаях
модель давала погружение холодных
п л а с т и н о о б р а з н ы х т е л д о с а м о г о осн о в а н и я слоя с к о н в е к т и в н ы м д в и ж е н и е м и в о с х о ж д е н и е горячих м а н т и й ных струй.
Сейсмические д а н н ы е п о д т в е р ж д а ю т , что пластинообразные структур ы с о х р а н я ю т с я д о б о л ь ш и х глубин в
з о н а х субдукции. А в т о р ы у т в е р ж д а ю т , ч т о э т о о т к р ы т и е т р у д н о объясн и т ь исходя т о л ь к о из ж е с т к о с т и
п л и т . Геофизические д а н н ы е т а к ж е
подтверждают предположение, что
в о с х о д я щ и е п о т о к и « п р и в я з а н ы » исключительно к мантийным струям.
Хотя мантийный материал поднима-
е т с я в в и д е « п р о с т ы н ь » в срединноокеанических х р е б т а х ( л и н е й н ы х рифтах между расходящимися плитами),
горячий материал,
характеризующийся низкой скоростью прохождения сейсмических в о л н , п о - в и д и м о м у ,
о б р а з у е т с я в б л и з и п о в е р х н о с т и , как
реакция на р а з д в и ж е н и я п л и т . Г л у бинные мантийные струи под такими
« г о р я ч и м и т о ч к а м и » , как Г а в а й с к и е
о с т р о в а и И с л а н д и я , в о з м о ж н о , предс т а в л я ю т с о б о й о б ы ч н у ю ф о р м у восх о д я щ и х течений.
Почему погружающиеся пластинообразные тела и восходящие мантийн ы е с т р у и в о з н и к а ю т в сферической
оболочке с конвективным движением? Б е р к о в и ч и и его к о л л е г и п р о д о л ж а ю т а н а л и з и р о в а т ь п о л у ч е н н ы е рез у л ь т а т ы в н а д е ж д е о т в е т и т ь на э т о т
в о п р о с . И с с л е д о в а т е л и т а к ж е надею т с я с о з д а т ь более р е а л и с т и ч н ы е м о дели, к о т о р ы е б у д у т у ч и т ы в а т ь существующую изменчивость вязкости
м а н т и и . Т а к и е м о д е л и д о л ж н ы восп р о и з в е с т и д о п о л н и т е л ь н ы е особенности тектоники плит, а возможно и
движение самих плит.
Мышцы среднего уха
Когда человек говорит или поет, а также когда
на него воздействует громкий шум, крохотные мышцы
за барабанной перепонкой непроизвольно сокращаются.
Эта нервно-мышечная "контрольная система" защищает
слуховой аппарат от перегрузок и позволяет лучше
распознавать звуки
Э Р И К БОРГ, С. А Л Л Е Н К А У Н Т Е Р
Н
АУЧНОтехническая революция сделала мир очень шумн ы м . Слишком часто м ы слышим оглушительный грохот могучих
прессов, рев реактивных самолетов,
неистовые вопли электрогитар. Однако природа как будто предвидела
наступление такой какофонии и снабдила человеческое ухо весьма изощренной системой з а щ и т ы о т чрезмерного шума. Основную роль в ней
играют две крохотные м ы щ ц ы , прикрепленные к так н а з ы в а е м ы м слуховым косточкам, соединяющим барабанную перепонку с улиткой (вместилищем рецепторных клеток, воспринимающих звуки). Когда эти м ы ш ц ы
сокращаются, колебания слуховых
косточек уменьшаются и звуковой
сигнал, поступающий во внутреннее
ухо, ослабляется.
»
Х о т я обе м ы ш ц ы относятся к скел е т н ы м (это самые миниатюрные
скелетные м ы ш ц ы в теле человека),
сокращаются они непроизвольно. Сокращение вызывается
рефлекторно — примерно через 0,1 с после того,
как одно или оба уха подверглись воздействию громких внешних звуков.
Характеристики этого рефлекса настолько хорошо изучены, что отклонения их о т нормы используют в качестве диагностического показателя
при различных нарушениях слухового
восприятия, в т о м числе неврологически обусловленных.
М ы ш ц ы среднего уха сокращаются
не только в ответ на громкие внешние
звуки, но и непосредственно перед
тем, как человек начинает говорить
или петь. Э т о т предвокализационный
рефлекс действует, даже когда человек говорит ш е п о т о м , тихо напевает
или едва слышно всхлипывает при
плаче. Многие данные указывают на
т о , что рефлекторное сокращение
этих м ы ш ц обеспечивает защиту
внутреннего уха от переутомления,
звуковых помех и даже о т повреждений под действием громких внутренних звуков, издаваемых самим чело-
веком, особенно при громкой речи
или крике. В противном случае у детей, например, испускаемые ими вопли и крики раздавались бы в их собственных ушах с громкостью проходящего рядом поезда.
Мышцы среднего уха человека обеспечивают не только неискаженное ослабление внутренних и громких внешних звуков; они также приглушают
громкие низкочастотные звуки, которые при сочетании с высокочастотными как бы подавляют последние. Такая
частотная избирательность в конечном
счете улучшает слуховое восприятие,
особенно сложных звуков, содержащих
много высокочастотных компонент,
как, например, звуков речи. Фактически
именно благодаря мышцам среднего
уха человек может слышать разговор
других людей даже тогда, когда говорит сам.
В
ОСПРИНИМАЕМЫЕ ухом звуки,
независимо от их происхождения,
всегда преобразуются в колебательные движения барабанной перепонки;
при внешних звуках они возникают
под действием колебаний давления
воздуха в наружном слуховом проходе. Через три звуковые косточки среднего уха (молоточек, наковальню и
стремя) колебания барабанной перепонки передаются улитке. Механизм
среднего уха (барабанная перепонка и
т р и звуковые косточки, связывающие
ее с внутренним ухом) служит для
преобразования звуковых колебаний
воздуха, обладающего низкой плотностью, в аналогичные колебания
значительно более плотной жидкости
в улитке. Колебания этой жидкости
передаются чувствительным отросткам рецепторных клеток, выстилающих основную мембрану улитки. Механические деформации отростков
возбуждают эти волосковые клетки,
посылающие электрические импульсы через слуховой нерв в мозг, где
происходит переработка информации.
К звуковым косточкам прикреплены две м ы ш ц ы среднего уха: м ы ш ц а ,
напрягающая барабанную перепонку
(/и. tensor timpani),
и стременная
м ы ш ц а (stapedius) (см. рисунок на
с. 51). Первая м ы ш ц а крепится одним
концом к рукоятке молоточка, а другим уходит в толщу "стенки евстахиевой трубы (вентиляционной т р у б ы ,
соединяющей носоглотку и среднее
ухо). Стременная м ы ш ц а начинается
в стенке полости среднего уха (барабанной полости) и кончается у головки стремени, вблизи суставного сочленения с наковальней. Общую анат о м и ю м ы ш ц среднего уха описал в
1562 г. Б а р т о л о м е о Евстахио (чьим
именем и названа евстахиева труба).
Ч т о же касается их функции и роли в
слуховом восприятии человека, т о
споры по этому вопросу продолжались до нашего столетия, пока с пом о щ ь ю экспериментов на животных,
клинических наблюдений и сравнительного анализа не удалось понять
физиологическую роль этих м ы ш ц .
Система м ы ш ц среднего уха имеется у позвоночных всех классов, однако
у некоторых видов она имеет определенные особенности. Так, например,
у лягушек определенных видов орган
слуха содержит только одну слуховую косточку, к которой прикреплена
м ы ш ц а , подобная стременной. Примечательно, что такие лягушки не
квакают и не устраивают "лягушачьи
концерты".
Среди низших позвоночных наиболее совершенной системой слуха и
звуковой коммуникации о б л а д а ю т
птицы. В каждом ухе у них есть аналог стременной м ы ш ц ы , которая крепится к барабанной перепонке и к
единственной слуховой косточке —
так называемой колонке. У птиц стременная м ы ш ц а обычно расположена
вне полости среднего уха, поэтому ее
м о ж н о изучать, не опасаясь повред и т ь тонкие структуры среднего уха.
М ы изучали физиологию стременной м ы ш ц ы в экспериментах с обыч-
ными домашними птицами, в частнос т и с к у р а м и ; э т и и с с л е д о в а н и я велись
в Королевском институте в Стокгольме и в Г а р в а р д с к о м у н и в е р с и т е т е .
Прикрепив тензометрический датчик
к сухожилию стременной м ы ш ц ы ,
м ы с п о м о щ ь ю электрической с т и м у л я ц и и м ы ш ц ы убедились, ч т о о н а
с п о с о б н а с о к р а щ а т ь с я с ч а с т о т о й более 100 р а з в секунду.
Присущие этой м ы ш ц е быстродействие и способность к длительной работ е без утомления п о д т в е р ж д а ю т с я такж е д а н н ы м и электронной микроскопии: м ы ш е ч н ы е волокна с о д е р ж а т много митохондрий (которые п о с т а в л я ю т
энергию), имеется густая сеть саркоплазматического ретикулума (из которого в ы с в о б о ж д а ю т с я ионы кальция,
инициирующие сокращение), а т а к ж е
многочисленные Т-трубочки для поступления ионов кальция.
Х о т я у п т и ц с т р е м е н н а я м ы ш ц а сок р а щ а е т с я всякий р а з , к о г д а п т и ц а изд а е т звуки или г л о т а е т , о н а , п о всей
в и д и м о с т и , не с о к р а щ а е т с я рефлект о р н о в о т в е т на г р о м к и е в н е ш н и е
звуки. Г л а в н а я функция э т о й м ы ш ц ы
МОЛОТОЧЕК
НАКОВАЛЬНЯ
СТРЕМЯ
ЩМ^МЫШЦА,
Я и » НАПРЯГАЮЩАЯ
ЛИЦЕВОЙ
НЕРВ
%'7барабан"
| Й В Н У Ю ПЕРЕg g ^ ТЮНКУ
ВЕТОЧКА ЛИЦЕВОГО
НЕРВА К СТРЕМЕННОЙ
МЫШЦЕ
СТРЕМЕННАЯ
МЫШЦА
ЕВСТАХИЕВА
ТРУБА
СТРЕМЕННАЯ
МЫШЦА
£
СЛУХОВОЙ НЕРВ
МОСТ
ВЕНТРАЛЬНОЕ ЯДРО УЛИТКИ
ЛИЦЕВОЙ HEPI
ЕВСТАХИЕВА ТРУБА
ОЛИВА
СТВОЛ МОЗГА
МЫШЦЫ СРЕДНЕГО УХА (стременная мышца и мышца, напрягающая барабанную перепонку) видны через наружный
слуховой проход с удаленной барабанной перепонкой (в
квадрате). Сокращаясь, эти мышцы демпфируют колебания слуховых косточек (молоточка, наковальни и стремени). Цепочка их этих трех косточек соединяет барабанную
перепонку с улиткой — вместилищем слуховых рецепторов. В итоге сокращение мышц приводит к уменьшению
громкости звука, поступающего в улитку. Громкий звук
(фиолетовые волны слева), подаваемый на одно ухо, активирует стременные мышцы обоих ушей через рефлекторную дугу (красные стрелки), в которой участвуют нейроны
(розовый, голубой и зеленый), расположенные в стволе
мозга и в области моста. В эту дугу входят слуховой нерв,
вентральное улитковое ядро, трапециевидное тело (не показано), олива и лицевой нерв.
у птиц заключается, по-видимому, в
п р е д о т в р а щ е н и и перегрузки чувствит е л ь н ы х с л у х о в ы х р е ц е п т о р о в в о врем я собственных громких криков. Дейс т в и т е л ь н о , крики чаек или к а р к а н ь е
в о р о н с о з д а ю т звуковое д а в л е н и е в
голове кричащей птицы, соответствую щ е е г р о м к о с т и не менее 130 д Б , ч т о
равносильно громкости реактивного
д в и г а т е л я н а р а с с т о я н и и 15 м .
Э т а гипотеза о роли сокращения
стременной м ы ш ц ы у птиц получила
п р я м о е п о д т в е р ж д е н и е в о п ы т а х по
ПРЕДДВЕРНО-УЛИТКОВЫЙ
НЕРВ
КОЛОНКА
регистрации микрофонного эффекта в
улитке: как и з в е с т н о , электрические
сигналы, генерируемые волосковыми
клетками улитки, в точности повтор я ю т звуковые колебания, поступающ и е на э т и к л е т к и . Е с л и ж е в условиях
с т а б и л ь н о г о в о з д е й с т в и я н а ухо п т и цы с т а н д а р т н ы м т о н о м м ы вызывал и н е з н а ч и т е л ь н о е с о к р а щ е н и е стременной м ы ш ц ы (регистрируя однов р е м е н н о р а з в и в а е м о е м ы ш ц е й механическое н а п р я ж е н и е ) , т о э т о п р и в о дило к существенному снижению ам-
МОЗЖЕЧОК
СТВОЛ МОЗГА
РЕЦЕПТОРНЫИ ОРГАН
СЛУХА
БАРАБАННАЯ
ПЕРЕПОНКА
плитуды генерируемых
электрических к о л е б а н и й , а з н а ч и т — к уменьш е н и ю к о л и ч е с т в а звуковой энергии,
п о с т у п а ю щ е й на р е ц е п т о р ы в н у т р е н него уха. П р и э т о м о с л а б л е н и е звука
п о д д е й с т в и е м в ы з ы в а е м о г о н а м и сок р а щ е н и я с т р е м е н н о й м ы ш ц ы оказалось у птиц совершенно одинаковым
д л я всех ч а с т о т п т и ч ь е г о з в у к о в о г о
диапазона.
К р о м е того, эксперименты показали, что сокращение стременной м ы ш ц ы у п т и ц п р и в о д и т не т о л ь к о к сниж е н и ю а м п л и т у д ы электрических кол е б а н и й , г е н е р и р у е м ы х в у л и т к е , но и
к с м е щ е н и ю их по фазе; при э т о м несколько видоизменяется положение
пиков и в п а д и н , а з н а ч и т , и ф о р м а их
о г и б а ю щ е й и все э т о слегка и з м е н я е т ся во в р е м е н и . В о з н и к а е т в о п р о с — в
чем ц е л е с о о б р а з н о с т ь т а к о г о сдвига
по фазе? П о - в и д и м о м у , э т о с в я з а н о с
н а л и ч и е м в н у т р и черепа п т и ц з а п о л ненного воздухом канала, к о т о р ы й
СТРУКТУРЫ СЛУХОВОЙ СИСТЕМЫ у
птиц расположены непосредственно
во фронтальной области черепа
(вверху). В ухе птицы имеется только
одна мышца среднего уха — стременная мышца (не показана) и единственная слуховая косточки — колонка.
Особенность птиц — наличие канала
из пористой кости, который соединяет обе полости среднего уха, позволяя
звуку — в буквальном смысле — входить в одно ухо и выходить из другого. В результате барабанная перепонка уха, более удаленного от источника
N
ПОРИСТАЯ
звука, колеблется не в фазе с барабан4г 1.
•
КОСТЬ
ной перепонкой уха, в которое входит
звук. Разность фаз отчетливо выявляется (внизу) при сопоставлении синхронно записанных сигналов от обоих
ушей (а): электрические колебания,
генерируемые в к а ж д о й из улиток рецепторными клетками, которые воспроизводят звуковые колебания (в
данном случае чистый тон 800 Гц), поступающие во внутреннее ухо. Экспериментально вызываемое сокращение стременной мышцы приводит к
снижению интенсивности звука, поступающего на рецепторы внутреннего уха (черная кривая).
Поскольку
стременная мышца энергично сокращается, когда птица поет или кричит,
можно предполагать, что основная
функция этой мышцы — ослабление
звуков, доходящих до внутреннего уха
• птицы при ее собственных криках. Наряду со снижением амплитуды звуковых колебаний экспериментально вызываемое сокращение стременной
мышцы приводит к небольшим сдвигам их по фазе, что показывает сравнение наложенных друг на друга
электрических сигналов от улитки
при разных значениях напряжения,
развиваемого сокращенной мышцей
(Ь). Ослабление звуков и сдвиг фаз,
по-видимому, помогают птицам в ло100
200
300
400 кации источников звуков.
НАПРЯЖЕНИЕ, РАЗВИВАЕМОЕ СТРЕМЕННОЙ МЫШЦЕЙ, мН
с о е д и н я е т о б а уха и п о з в о л я е т звукам — в буквальном смысле слова —
" в х о д и т ь в о д н о ухо и в ы л е т а т ь в д р у гое". Звуковая волна, идущая от одного уха с к в о з ь в с ю г о л о в у , в о з д е й с т в у е т н а б а р а б а н н у ю перепонку д р у г о г о
уха у ж е и з н у т р и и в ы з ы в а е т в у л и т к е
э т о г о уха э л е к т р и ч е с к и е с и г н а л ы , кот о р ы е слегка о с л а б л е н ы и п о ч т и совсем не с о в п а д а ю т п о ф а з е с с и г н а л а м и т о г о уха, через к о т о р о е з в у к о в а я
волна "вошла" в голову. М ы полагаем, ч т о с о к р а щ е н и я
стременных
м ы ш ц у птицы могут так модулировать бинауральные соотношения амплитуд и фаз, что это помогает птице
осуществлять звуковую локацию —
о п р е д е л я т ь н а п р а в л е н и е на и с т о ч н и к
звуков.
О д н а из н а и б о л е е с п е ц и а л и з и р о в а н н ы х м ы ш е ч н ы х с и с т е м среднего уха
имеется у летучих м ы ш е й , которые,
как и з в е с т н о , о р и е н т и р у ю т с я с пом о щ ь ю э х о л о к а ц и и . И х м о щ н ы е стременные м ы ш ц ы и м ы ш ц ы , напрягающ и е б а р а б а н н у ю перепонку, непрерывно сокращаются и расслабляются
с б о л ь ш о й ч а с т о т о й все в р е м я , пока
летучие м ы ш и в полете испускают
свои " о х о т н и ч ь и к р и к и " — ч а с т ы е
з а л п ы к о р о т к и х щ е л к а ю щ и х звуков.
За в р е м я к а ж д о г о щ е л к а н ь я м ы ш ц ы
с р е д н е г о уха у с п е в а ю т с о к р а т и т ь с я и
развить максимальное напряжение, а
з а т е м они с т о л ь ж е б ы с т р о р а с с л а б л я ю т с я , ч т о б ы п о в ы с и т ь чувствит е л ь н о с т ь уха д л я в о с п р и я т и я эха —
щ е л к а ю щ е г о звука, о т р а ж е н н о г о о т
т е л а п о т е н ц и а л ь н о й д о б ы ч и . Весь
цикл
сокращения —
расслабления
д л и т с я всего н е с к о л ь к о м и л л и с е к у н д
и м о ж е т п о в т о р я т ь с я с ч а с т о т о й более 100 р а з в секунду, п о к а л е т у ч а я
м ы ш ь не н а с т и г н е т с в о ю ж е р т в у .
О . Х е н с о н из Й е л ь с к о г о у н и в е р с и т е т а
и Н о б у о С у г а из В а ш и н г т о н с к о г о университета в Сент-Луисе показали, что
у л е т у ч и х м ы ш е й м ы ш ц ы среднего
уха р е ф л е к т о р н о с о к р а щ а ю т с я за нес к о л ь к о м и л л и с е к у н д д о н а ч а л а испускания звука и в с о к р а щ е н н о м с о с т о я нии м о г у т с н и з и т ь и н т е н с и в н о с т ь звука, д о с т и г а ю щ е г о в н у т р е н н е г о уха, на
20 д Б и б о л е е .
нии, п о с к о л ь к у э л е к т р и ч е с к а я а к т и в н о с т ь р е з к о в о з р а с т а е т при с о к р а щ е нии. С п о м о щ ь ю Э М Г у д а л о с ь показ а т ь , ч т о у человека э л е к т р и ч е с к а я акт и в н о с т ь с т р е м е н н о й м ы ш ц ы возник а е т н е п о с р е д с т в е н н о перед п р о и з н е сением г л а с н о й и з а м е т н о у с и л и в а е т ся п р и б о л е е г р о м к о й в о к а л и з а ц и и .
И с х о д я из э т о г о , м о ж н о п о л а г а т ь ,
что стременная м ы ш ц а автоматически с о к р а щ а е т с я не т о л ь к о в у ш а х
к р и ч а щ и х м л а д е н ц е в , но и в у ш а х усп о к а и в а ю щ и х их ш е п о т о м м а т е р е й ,
т . е. в д и а п а з о н е о т с а м ы х т и х и х д о
с а м ы х г р о м к и х в н у т р е н н и х звуков.
Мышца, напрягающая барабанную
перепонку, т а к ж е , п о - в и д и м о м у , сок р а щ а е т с я перед в о к а л и з а ц и е й .
М ы ш ц ы среднего уха м о г у т а к т и в и роваться также спонтанно, в отсутствие к а к и х - л и б о звуков, ч т о п р и в о д и т к
о щ у щ е н и ю н е п р е р ы в н о г о и нередко
весьма неприятного шума в ушах.
Кроме того, сокращения стременной
м ы ш ц ы м о ж н о в ы з в а т ь п у т е м почес ы в а н и я или э л е к т р и ч е с к о й с т и м у л я ции о п р е д е л е н н ы х у ч а с т к о в к о ж и на
лице или на у ш н о й р а к о в и н е .
В отличие от птиц у людей и других
м л е к о п и т а ю щ и х р е ф л е к т о р н о е сокращ е н и е м ы ш ц с р е д н е г о уха в ы з ы в а е т с я
громкими внешними звуками. У боль-
шинства млекопитающих рефлекторно с о к р а щ а ю т с я
как
стременная
мышца , так и мышца, напрягающая
б а р а б а н н у ю перепонку, у человека
же — только стременная м ы ш ц а . Поэ т о м у р е а к ц и ю н а г р о м к и й звук м ы ш ц
среднего уха у ч е л о в е к а н а з ы в а ю т акустическим
рефлексом
стременной
м ы ш ц ы (АРСМ).
А Р С М вызывает смещение стремени о т его п о л о ж е н и я в с о с т о я н и и покоя п р и м е р н о н а 50 м к м , ч т о п о в ы ш а е т ж е с т к о с т ь с у с т а в н о й связки. Э т о в
с в о ю очередь п р и в о д и т к у х у д ш е н и ю
звукопередачи в о в н у т р е н н е е ухо — к
с н и ж е н и ю г р о м к о с т и на 20 д Б и более. П о д о б н о з р а ч к о в о м у рефлексу
(при к о т о р о м в о т в е т н а освещение
одного глаза происходит сокращение
о б о и х зрачков), А Р С М н а б л ю д а е т с я ,
как п р а в и л о , в о б о и х у ш а х , д а ж е если
звук п о д а е т с я т о л ь к о на о д н о ухо. Рефлекс о б ы ч н о в ы з ы в а ю т звуки, на
80—90 д Б п р е в ы ш а ю щ и е п о р о г индив и д у а л ь н о й с л ы ш и м о с т и , ч т о прим е р н о с о о т в е т с т в у е т у р о в н ю уличного шума при интенсивном движении
транспорта.
В
ТЕЧЕНИЕ д о л г о г о в р е м е н и вопрос о р о л и м ы ш ц с р е д н е г о уха
д л я н о р м а л ь н о г о слуха человека п р о -
И
ССЛЕДОВАНИЕ л ю д е й с перфор и р о в а н н о й б а р а б а н н о й переп о н к о й п о к а з а л о , ч т о и у человека
м ы ш ц ы с р е д н е г о уха а к т и в и р у ю т с я
п р и произнесении звуков. Ч е р е з о т в е р с т и е в б а р а б а н н о й перепонке в
с т р е м е н н у ю м ы ш ц у в в о д и л и игольчат ы й э л е к т р о д ; э т а б е з в р е д н а я процед у р а п о з в о л я е т р е г и с т р и р о в а т ь электромиограмму (ЭМГ) мышцы, в том
числе и в процессе а р т и к у л я ц и и . Э М Г
о т р а ж а е т электрическую активность
м ы ш е ч н ы х в о л о к о н и п о з в о л я е т суд и т ь о б их ф у н к ц и о н а л ь н о м с о с т о я -
ЭЛЕКТРОМИОГРАММА, отображающая электрическую активность мышечных
волокон, записанная синхронно с поступающими изнутри или извне звуковыми
колебаниями. Сравнение кривых показывает, что стременные мышцы человека
непроизвольно сокращаются непосредственно перед тем, как он начинает произносить звуки (а) или сразу после того, как на него извне действуют громкие
звуки (Ь). (Кривые данные в схематическом виде.)
-10
реннего уха. ( К с т а т и , риск п о в р е ж д е ния в н у т р е н н е г о уха при т а к о м з а л п е
м о ж н о у м е н ь ш и т ь , если перед в ы с т р е л о м т и х о н ь к о м у р л ы к а т ь какойн и б у д ь м о т и в : п р и э т о м м ы ш ц ы среднего уха а к т и в и р у ю т с я а в т о м а т и ч е ски.) С т р е м е н н а я м ы ш ц а с п о с о б н а осл а б и т ь и о т р ы в и с т ы е г р о м к и е звуки,
но т о л ь к о если они п р и х о д я т о д и н за
другим, в частой последовательности, чтобы в м ы ш ц е могло поддерживаться
состояние
тетанического
(слитного) сокращения. По-видимому, з а щ и т н а я функция м ы ш ц среднего уха с л о ж и л а с ь в х о д е э в о л ю ц и и исх о д н о д л я т о г о , ч т о б ы и з б е ж а т ь вреда от громких природных звуков —
р а с к а т о в г р о м а или о г л у ш и т е л ь н о г о
рева ж и в о т н ы х , а э т и звуки н а р а с т а ю т по г р о м к о с т и не с л и ш к о м б ы с т р о .
И т е м не менее м ы ш ц а м среднего уха
у д а е т с я о т л и ч н о с п р а в л я т ь с я с нелегкой задачей — з а щ и т о й человеческого слуха п о ч т и о т всех и н д у с т р и а л ь ных шумов современной цивилизации.
0
АУДИОГРАММА (вверху) демонстрирует клинические последствия нефункционирования стременной мышцы. Слух человека с парезом стременной мышцы,
часто и подолгу подвергающегося воздействию громкого шума (пунктир), гораздо хуже, чем у человека в сходной шумовой ситуации, но с функционирующими
мышцами среднего уха (сплошная линия). Эти различия особенно заметны на
частотах от 250 до 4000 Гц. В этот диапазон частот (розовый), попадают многие
составляющие нормальной речи (красный). Физическая причина такого дефекта слуха — повреждение чувствительных отростков на волосковых клетках, являющихся слуховыми рецепторами (внизу слева). В норме эти отростки образуют тонкие длинные пучки (внизу справа). Микрофотографии Верит Энгстрём и
Агнеты Виберг из Королевского института в Стокгольме.
должал оставаться дискуссионным.
В ы д в и г а л и с ь г и п о т е з ы , с о г л а с н о кот о р ы м эти м ы ш ц ы д о л ж н ы были вып о л н я т ь л и б о одну ф у н к ц и ю , л и б о
д р у г у ю , л и б о т р е т ь ю . О д н а к о сопос т а в л е н и е р е з у л ь т а т о в м н о г и х исследований позволило понять, что и в
д а н н о м случае п р и р о д а ведет свое хоз я й с т в о э к о н о м н о : она н а д е л и л а э т и
м ы ш ц ы несколькими взаимосвязанн ы м и функциями.
Р о л ь м ы ш ц среднего уха н а ч а л изуч а т ь в о п ы т а х на ж и в о т н ы х еще в начале X X в. японский о т о л а р и н г о л о г
Тору Като. Его результаты, дополн е н н ы е более с о в р е м е н н ы м и исследов а н и я м и А Р С М , в к л ю ч а я и н а ш и данн ы е , привели к о д н о з н а ч н о м у в ы в о д у
о т о м , ч т о с т р е м е н н а я м ы ш ц а способна з а щ и т и т ь в о л о с к о в ы е к л е т к и внутр е н н е г о уха человека о т д л и т е л ь н о г о
воздействия громкого шума, котор ы й иначе м о г б ы п р и в е с т и к п о т е р е
слуха, п р и ч е м в н а и б о л е е в а ж н о м д л я
речевого общения диапазоне частот.
Такое оглушение происходит, когда
в н у т р е н н е е ухо п о д в е р г а е т с я акустическому удару, о т к о т о р о г о л о м а ю т с я
о т р о с т к и в о л о с к о в ы х к л е т о к и т е утрачивают способность к рецепции
звука.
Защитная
функция
стременных
м ы ш ц , о д н а к о , н е б е з г р а н и ч н а : о н и не
могут предотвратить повреждение
в н у т р е н н е г о уха при очень резких и
с и л ь н ы х у д а р н ы х звуках. М а к с и м а л ь ное с о к р а щ е н и е с т р е м е н н о й м ы ш ц ы
д о с т и г а е т с я через 100—200 мс; т а к о е
б ы с т р о д е й с т в и е все ж е н е д о с т а т о ч н о
д л я т о г о , ч т о б ы п р и г л у ш и т ь звук, например, орудийного выстрела, до того как он д о с т и г н е т р е ц е п т о р о в внут-
Недавние исследования показали,
что стременная м ы ш ц а играет и
другую — еще более
удивительн у ю — р о л ь , о б л е г ч а я речевое о б щ е ние. А у д и о л о г а м и з в е с т н о , ч т о л ю д и
с нефункционирующими стременными м ы ш ц а м и о б ы ч н о и с п ы т ы в а ю т
з а т р у д н е н и я в р а с п о з н а в а н и и звуков
речи при наличии г р о м к о г о ш у м о в о г о
ф о н а или ч р е з м е р н о м усилении с а м о й
речи. О т с у т с т в и е ф у н к ц и о н и р у ю щ и х
с т р е м е н н ы х м ы ш ц , п о - в и д и м о м у , зат р у д н я е т и д е н т и ф и к а ц и ю слов, п р о износимых другим человеком. Как
это м о ж е т быть?
О т в е т легко н а й т и , если прослед и т ь за т е м , как п р о и с х о д и т р а з л о ж е ние звуковой в о л н ы на с о с т а в л я ю щ и е
ее ч а с т о т ы в д о л ь д л и н н о г о с п и р а л ь ного к а н а л а у л и т к и . Звуковая в о л н а ,
преобразованная в колебания жидкости в н у т р е н н е г о уха, г е н е р и р у е т бегущ у ю волну,
распространяющуюся
вдоль основной мембраны, которая
д е л и т у л и т к о в ы й п р о т о к на д в е части
о т с а м о г о его н а ч а л а д о верхушечного
завитка. При этом низкочастотные
компоненты возбуждают волнообр а з н ы е к о л е б а н и я (ондуляции) м е м б р а н ы , бегущие о т м е с т а прикрепления с т р е м е н и в д о л ь всей м е м б р а н ы д о
верхушки у л и т к о в о й с п и р а л и , т о г д а
как о н д у л я ц и и м е м б р а н ы , в ы з в а н н ы е
высокочастотными
компонентами,
з а т у х а ю т з н а ч и т е л ь н о б ы с т р е е и поэтому ограничены областью мембраны только вблизи стремени. Поскольку в о н д у л я ц и я х о с н о в н о й м е м б р а н ы
улитки д о м и н и р у ю т низкочастотные
к о м п о н е н т ы , низкие г р о м к и е звуки
м о г у т п р и г л у ш и т ь в ы с о к и е звуки и
д а ж е п о л н о с т ь ю з а г л у ш и т ь их.
Такое
"маскирование"
высокоча-
с т о т н ы х звуков
низкочастотными
сводится к минимуму при наличии
А Р С М , т а к как п о в ы ш е н и е ж е с т к о с т и
с у с т а в н ы х связок в с р е д н е м ухе приводит к ослаблению низкочастотных
к о м п о н е н т о в с л о ж н о г о звука в б о л ь шей с т е п е н и , ч е м в ы с о к о ч а с т о т н ы х .
П о с к о л ь к у к л ю ч е в ы е звуки речи в ы с о к о ч а с т о т н ы е , п о л у ч а е т с я , ч т о сокращ е н и е м ы ш ц с р е д н е г о уха д е й с т в и тельно м о ж е т улучшить восприятие
речи.
Р о л ь стременной м ы ш ц ы в поддержании достаточной чувствительнос т и уха к н а и б о л е е р а с п р о с т р а н е н н ы м
р е ч е в ы м ч а с т о т а м д а ж е п р и значительных ш у м о в ы х помехах продем о н с т р и р о в а л и Р о л а н д Н и л ь с с о н из
Гетеборгского университета и ДжонЭ р и к Закриссон из У н и в е р с и т е т а в
У м е о в Швеции. О н и п о к а з а л и , ч т о
А Р С М м о ж е т снизить порог слышим о с т и в ы с о к о ч а с т о т н ы х з в у к о в на
ф о н е ш у м о в п р и м е р н о н а 50 д Б .
Стременная м ы ш ц а повышает такж е с п о с о б н о с т ь человека с л ы ш а т ь
в н е ш н и е звуки п р и г о в о р е н и и . В средн е м ухе г о в о р я щ е г о в о з н и к а ю т и н т е н сивные низкочастотные колебания,
возбуждаемые главным о б р а з о м произнесением г л а с н ы х з в у к о в . К счаст ь ю , предвокализационное сокращение м ы щ ц с р е д н е г о уха п р е д о т в р а щ а ет маскирующее действие собственной речи на в о с п р и я т и е в н е ш н и х в ы -
с о к о ч а с т о т н ы х звуков. Т а к и м о б р а зом, именно эти м ы ш ц ы позволяют
говорящему с л ы ш а т ь даже тихие
в н е ш н и е звуки.
М
Ы ТОЛЬКО сейчас н а ч и н а е м разб и р а т ь с я в н е й р о н н ы х цепях в
составе
рефлекторной
дуги
при
А Р С М и п р е д в о к а л и з а ц и о н н о м рефлексе. С о в р е м е н н ы е м е т о д ы визуал и з а ц и и н е й р о н о в в к о м п л е к с е с электрофизиологическими исследованиям и п о з в о л я ю т в ы я в и т ь с л о ж н у ю сис т е м у связей м е ж д у н е й р о н а м и , к о т о рые участвуют в активации м ы ш ц
среднего уха.
А Р С М осуществляется при замыкании очень с л о ж н о й р е ф л е к т о р н о й дуги, в к л ю ч а ю щ е й р я д ядер (скоплений
нейронов) ствола мозга, слуховые
нейроны и мотонейроны, отростки
которых образуют лицевые нервы
(см. рисунок на с. 51). Н а ч и н а е т с я э т а
д у г а в у л и т к е с т и м у л и р у е м о г о уха:
под воздействием звуковых колебаний в в о л о с к о в ы х клетках в о з н и к а ю т
э л е к т р и ч е с к и е с и г н а л ы ; по с л у х о в о м у
нерву они п о с т у п а ю т в с т в о л м о з г а —
в область вентрального улиткового
я д р а и в о л и в у , п о с л е чего по л и ц е в о м у нерву н а п р а в л я ю т с я к т о й его ветви, к о т о р а я и н н е р в и р у е т с т р е м е н н у ю
мышцу. Есть данные о том, что в
д р у г о м — н е с т и м у л и р о в а н н о м — ухе
А Р С М и н и ц и и р у е т с я н е й р о н а м и вент-
ОСЛАБЛЕНИЕ низкочастотных компонент громкого сложного
звука
при
сокращении
стременной
мышцы
предотвращает "маскирование" высокочастотных компонент. Предполагается/что маскирование обусловлено способом разложения сложного звука в улитке на высоко- и
низкочастотные составляющие. У человека с нефункционирующей стременной мышцей (вверху) низкочастотные
цепи н е й р о н о в р е ф л е к т о р н о й дуги
А Р С М между мышцей и стволом
мозга.
Тесная с в я з ь м е ж д у слуховой ц е п ь ю
нейронов, перерабатывающих информ а ц и ю от рецепторных клеток улитки, и м о т о н е й р о н а м и , а к т и в и р у ю щ и ми стременные м ы ш ц ы , особенно
четко, п р о д е м о н с т р и р о в а н а в экспериментах с введением в стременную
м ы ш ц у меченых веществ, в частности
красителей и некоторых вирусов. При
этом метка обнаруживается именно в
цепи нейронов рефлекторной дуги
А Р С М между
мышцей и стволом
мозга.
Это позволяет определить точную
локализацию мотонейронов,
которые иннервируют стременные м ы ш цы у млекопитающих (обладающих
А Р С М ) : тела этих нейронов располаг а ю т с я в к р а е в ы х о б л а с т я х я д р а лицевого нерва — в непосредственной
близости от оливы и восходящего
слухового т р а к т а , о т к о т о р ы х эти мотонейроны активируются. В отличие
о т м л е к о п и т а ю щ и х у п т и ц (не и м е ю щ и х А Р С М ) т е л а м о т о н е й р о н о в , активирующих стременные
мышцы,
располагаются внутри ядра лицевого
н е р в а — на н е к о т о р о м у д а л е н и и о т
восходящего слухового т р а к т а . Вряд
ли м о ж н о сомневаться в т о м , что эти
различия в морфологии соответствующих областей ствола мозга у млеко-
компоненты (красный)
подавляют
высокочас т отные
(синий), что показано путем наложения огибающих этих
двух компонент. В норме стременная мышца устраняет такую интерференцию, приглушая низкочастотные компоненты еще до того, как звук достигнет внутреннего уха (внизу). Это позволяет воспринимать как высокочастотные,
так и низкочастотные компоненты звука без искажений.
10 С Е К У Н Д -
МЕТОД ТЕСТИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА
использует благоприятную особенность акустического рефлекса стременной мышцы (АРСМ): непроизвольное сокращение этой мышцы в ответ на громкий звук происходит,
как правило, в обоих ушах, даже если звук подается только
на одно ухо. В этом методе источник звука, представляющий собой головной телефон ("наушник"), воздействует на
одно ухо звуком достаточной громкости, чтобы вызвать
АРСМ в обоих ушах. Рефлекторный ответ записывается с
помощью зонда, вводимого в противоположное ухо. В зонде находится другой источник, испускающий постоянный
тихий тон, а т а к ж е датчик, воспринимающий звук, отраж е н н ы й от барабанной перепонки. При сокращении стременной мышцы увеличивается ж е с т к о с т ь как цепочки слу-
п и т а ю щ и х и у п т и ц о т р а ж а ю т наличие или о т с у т с т в и е А Р С М .
Р е ф л е к т о р н а я д у г а из н е й р о н о в ,
контролирующих активацию м ы ш ц
среднего уха м л е к о п и т а ю щ и х п р и вок а л и з а ц и и , е щ е не и д е н т и ф и ц и р о в а н а
до конца, однако она, по-видимому,
содержит и некоторые общие элемент ы с рефлекторной дугой, активирующей м ы ш ц ы г о р т а н и в процессе речи.
Об этом свидетельствует т о т факт,
ч т о у н е к о т о р ы х м л е к о п и т а ю щ и х удал о с ь о б н а р у ж и т ь р е ф л е к т о р н у ю передачу в о з б у ж д е н и я о т р е ц е п т о р о в гортани к стременным мышцам.
П о л у ч а е т с я , ч т о р е ф л е к т о р н а я дуга
А Р С М п р о х о д и т через о б л а с т ь с т в о ла мозга, в которой находится целый
ряд
центров,
взаимосогласованно
управляющих различными жизненно
в а ж н ы м и ф у н к ц и я м и . И з э т о г о следу-
ховых косточек, так и барабанной перепонки, в результате
чего резко возрастает интенсивность звука, отраженного
от барабанной перепонки. В типичном опыте уровни отраж е н н о г о звука {синий) записываются при ступенчато нарастающих интенсивностях звука, вызывающего АРСМ
(фиолетовый). В конце опыта в течении 10 с подается постоянный по интенсивности звук, заведомо вызывающий
АРСМ. Если у здорового человека с нормальным слухом запись отраженного звука полностью соответствует записи
звука, вызывающего АРСМ, то у больного с опухолью, затрагивающей рефлекторную дугу на стороне стимулируемого звуком уха регистрируются ослабленные ответы, повышенный порог АРСМ и быстрое затухание реакции на
продолжающийся звук.
е т , ч т о и с с л е д о в а н и е д а н н о г о рефлекса о т к р ы в а е т п у т ь д л я изучения целостности и гармоничного единства
э т и х ц е н т р о в . С э т о й ц е л ь ю б ы л создан неповреждающий диагностический м е т о д , н а з в а н н ы й " т е с т и р о в а ние а к у с т и ч е с к о г о и м п е д а н с а " , к о т о р ы й о с н о в а н на и с п о л ь з о в а н и и А Р С М
и позволяет определить точную локализацию повреждения внутричерепн ы х н е р в о в или п о р а ж е н и я т о й и л и
и н о й о б л а с т и с т в о л а м о з г а , участвующей в А Р С М .
Первый вариант метода разработ а л д а т с к и й врач О т т о М е ц в 1946 г.
О н о п р е д е л я л влияние А Р С М на колеб а н и я б а р а б а н н о й п е р е п о н к и и слуховых косточек. Предварительно эти
колебания возбуждаются с п о м о щ ь ю
миниатюрного источника чистого тона с т а н д а р т н о й и н т е н с и в н о с т и , не
в ы з ы в а ю щ е й А Р С М . И с т о ч н и к вмест е с м и н и а т ю р н ы м м и к р о ф о н о м ввод я т в н а р у ж н ы й с л у х о в о й п р о х о д , герметично закупоривая последний, и с
помощью микрофона
записывают
звук, о т р а ж е н н ы й о т б а р а б а н н о й пер е п о н к и . Вслед з а э т и м на т о ж е или
н а д р у г о е ухо п о д а ю т б о л е е г р о м к и й
тон такой же в ы с о т ы , заведомо активирующий А Р С М . При
сокращении с т р е м е н н о й м ы ш ц ы в о з р а с т а е т ж е с т к о с т ь б а р а б а н н о й перепонки
и это изменяет уровень отраженного звука в с л у х о в о м прох'оде. Э т и
и з м е н е н и я , с о о т в е т с т в у ю щ и е измен е н и ю т а к н а з ы в а е м о г о «акустичес к о г о и м п е д а н с а » , р е г и с т р у ю т с я микр о ф о н о м и с а м о п и с ц е м (см. рисунок
вверху).
В норме сокращение стременной
м ы ш ц ы , вызванное таким способом,
м о ж н о п о д д е р ж и в а т ь в т е ч е н и е нескольких секунд и за э т о в р е м я — судя
п о записи о т р а ж е н н о г о звука — акустический и м п е д а н с п о ч т и не уменьш а е т с я . Г е н р и А н д е р с о н из К о р о л е в с кой клиники в С т о к г о л ь м е п о к а з а л ,
ч т о р а з л и ч н ы е п о в р е ж д е н и я слухового нерва м о г у т с т а т ь п р и ч и н о й необычно быстрого затухания А Р С М .
Так, например, у больных с опухолям и в б л и з и с л у х о в о г о нерва о б н а р у ж и в а е т с я спад к р и в о й а к у с т и ч е с к о г о и м педанса о т п и к о в о г о значения д о исх о д н о г о (при о т с у т с т в и и
АРСМ)
уровня в первые же секунды. Такой
спад о б ъ я с н я е т с я д а в л е н и е м о п у х о л и
на н е р в н ы е в о л о к н а и б о л е е б ы с т р о й
утомляемостью сдавленных волокон.
Повреждения ствола мозга в области вентрального улиткового ядра
т а к ж е п р о я в л я ю т себя в а н о м а л ь н о
б ы с т р о м затухании А Р С М и в повышении порога вызывания А Р С М для
о б о и х ушей. А в о т п о в р е ж д е н и я б о л е е
удаленных участков рефлекторной
дуги могут блокировать А Р С М в прот и в о п о л о ж н о м ухе, не в л и я я н а рефлекс в с т и м у л и р о в а н н о м ухе. А н о мальные амплитуды и скорости затухания А Р С М о б н а р у ж е н ы т а к ж е у
л и ц , с т р а д а ю щ и х р а с с е я н н ы м склерозом.
П р и п а р е з а х з р и т е л ь н о г о нерва (пар а л и ч е Б е л л а ) А Р С М снижен и л и п о л ностью блокирован только в одном
ухе б о л ь н о г о , если у него п о р а ж е н а
область между начальным участком
л и ц е в о г о н е р в а и его в е т в ь ю , иннервирующей стременную мышцу данного
уха. В т а к и х случаях п о в т о р н ы е исследования акустического импеданса мог у т п о м о ч ь в оценке э ф ф е к т и в н о с т и
л е ч е б н ы х п р о ц е д у р , а т а к ж е п р и констатации спонтанного выздоровления. ( К с т а т и , п о ж а л о б а м б о л ь н ы х , у
к о т о р ы х с т р е м е н н а я м ы ш ц а не функц и о н и р у е т из-за п а р е з а з р и т е л ь н о г о
нерва, м о ж н о с у д и т ь о р о л и э т о й
м ы ш ц ы в слуховом восприятии: больн ы е о б ы ч н о ж а л у ю т с я , ч т о их у ш и
слишком чувствительны к громким
звукам и ч т о ч а с т о они не м о г у т р а з о б р а т ь т о , ч т о с л ы ш а т , из-за какихт о искажений.)
Исследование акустического импед а н с а — очень в а ж н ы й д и а г н о с т и ч е ский т е с т п р и в ы я в л е н и и п р о г р е с с и р у ющей мышечной атрофии (myastenia
gravis) и н а б л ю д е н и и за т е ч е н и е м э т о го т я ж е л о г о а у т о и м м у н н о г о з а б о л е вания. Болезнь проявляется в постепенно н а р а с т а ю щ е м о с л а б л е н и и всех
м ы ш ц , в ч р е з в ы ч а й н о й их у т о м л я е м о с т и и о б у с л о в л е н а п р о и з в о д с т в о м ант и т е л к с о б с т в е н н ы м р е ц е п т о р а м ацетилхолина на поверхности м ы ш е ч н ы х
м е м б р а н . А ц е т и л х о л и н — химический п о с р е д н и к передачи н е р в н ы х и м пульсов — в норме стимулирует м ы -
ш е ч н у ю а к т и в н о с т ь ; если р е ц е п т о р ы
ацетилхолина
не
функционируют,
мышца быстро атрофируется.
И с с л е д о в а н и е а к у с т и ч е с к о г о импеданса у больных с прогрессирующей
мышечной атрофией выявляет типичные аномалии: повышение порога
А Р С М , с н и ж е н и е его а м п л и т у д ы и
очень б ы с т р о е угасание р е ф л е к с а .
Эти аномалии удается устранять
(к с о ж а л е н и ю , н е н а д о л г о ) ,
вводя
б о л ь н о м у и н г и б и т о р ф е р м е н т а , разр у ш а ю щ е г о а ц е т и л х о л и н , и т е м сам ы м п о в ы ш а я к о н ц е н т р а ц и ю последнего: вскоре п о с л е инъекции с у щ е с т венно с н и ж а е т с я п о р о г А Р С М , а его
а м п л и т у д а и д л и т е л ь н о с т ь нередко
б о л е е чем у д в а и в а ю т с я .
Э
ВОЛЮЦИЯ среднего уха у п о з в о н о ч н ы х н а д е л и л а их в ы с о к о й
чувствительностью к звукам. Э т о
весьма полезное качество породило,
однако, необходимость эффективной
з а щ и т ы от чрезмерно интенсивных
ш у м о в , к о т о р ы е иначе н а р у ш и л и б ы
в о с п р и я т и е т и х и х звуков, существенных для выживания животного.
М ы ш е ч н а я с и с т е м а с р е д н е г о уха —
весьма и з ы с к а н н о е т в о р е н и е п р и р о д ы , разрешающее эту проблему. Э т а
система "глушителей" и "настройщиков" эффективно подавляет громкие
в н е ш н и е и в н у т р е н н и е звуки, п о з в о л я я
о т д е л и т ь н у ж н ы е т и х и е звуки о т м е шающих
громких.
Специфическая
функция м ы ш ц с р е д н е г о уха с о с т о и т в
т о м , ч т о их р е ф л е к т о р н о е с о к р а щ е н и е
з а щ и щ а е т с л у х о в ы е р е ц е п т о р ы о т пот е р и ч у в с т в и т е л ь н о с т и , у с т р а н я е т интерференцию
высокочастотных
и
низкочастотных
компонентов
при
в о с п р и я т и и с л о ж н ы х звуков и, н а к о нец,
предотвращает
повреждение
в н у т р е н н е г о уха. Н е и с к л ю ч е н о , ч т о
и м е н н о м ы ш ц ы среднего уха о д а р и л и
позвоночных тем
преимуществом,
к о т о р о е о б е с п е ч и л о их успех н а всем
пути эволюции от низших позвоночн ы х д о человека.
В р о ж д е н н ы е р е ф л е к с ы м ы ш ц среднего уха не т о л ь к о у л у ч ш а ю т слух чел о в е к а , но и п о з в о л я ю т н а д е ж н о
определять интегральную
целостн о с т ь всей с и с т е м ы с л у х о в о г о в о с п р и я т и я , в к л ю ч а я ухо'и н е й р о н н у ю цепь в
стволе мозга. Последнее и послужило
с т и м у л о м для широкого внедрения
м е т о д а т е с т и р о в а н и я акустического
импеданса в самые разные области
клинической п р а к т и к и . М о ж н о предположить, что в будущем этот метод
п р и о б р е т е т е щ е б о л ь ш е е значение, в
частности, для раннего выявления
людей, предрасположенных к утрате
слуха под д е й с т в и е м г р о м к и х звуков,
а также для лучшей реабилитации
лиц, пользующихся слуховыми протезами.
Журнал «ТИИЭР»
(перевод журнала
Proceedings of the IEEE)
готовится к печати
тематический выпуск
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
(ТИИЭР, т. 77, № 8, август 1989)
В выпуск вошли обзорные работы, посвященные проблемам
разработки и
практического
применения низко- и высокотемпературных
сверхпроводящих материалов в электротехнике
и
радиоэлектронике.
Рассматриваются вопросы технологии изготовления проводов
и кабелей, их применение в обмотках
электромагнитов
и
электрических машин, а т а к ж е в
линиях электропередач. В разделе, посвященном электронике, рассмотрены технология изготовления тонкопленочных материалов на основе ниобия и
его соединений и их применение для изготовления интегральных схем, в частности ЗУ.
Отдельные обзоры посвящены
СКВИДам, элементам ИК- и миллиметровых приемников, сдвиговым регистрам, устройствам
аналоговой обработки сигналов, АЦП, сверхмаломощным
устройствам, проблеме гибридизации сверхпроводящих и полупроводниковых
элементов.
Объем выпуска 35 авт. л.
Цена номера 3 р. 30 к.
Читатели Москвы и Подмосковья
могут оформить предварительный
заказ в Московском Доме книги
(пр. Калинина, 26, секция «Мир») и
магазине № 19 «Мир» (Ленинградский пр., 78). Иногородним читателям заказы следует направлять на
открытках по адресу: 129820, ГСП,
Москва, И-110, 1-й Рижский пер., 2,
издательство
«Мир»,
редакция
ТИИЭР.Заказы принимаются до
25 января 1990 г.
Письменность майя
Индейцы майя имели самую развитую систему письма
в доколумбовой Америке. В последнее десятилетие ученые
наконец смогли прочесть тексты майя,
что позволило заполнить значительные пробелы
в наших знаниях об этой цивилизации
ДЕЙВИД СТЮАРТ, СТИВЕН Д. ХЬЮСТОН
В
ИСТОРИЧЕСКОЙ науке
под
с л о в о м « д о и с т о р и ч е с к и й » поним а е т с я п е р и о д в р а з в и т и и общества, предшествовавший появлен и ю п и с ь м е н н о с т и . В м е с т е с т е м , нес м о т р я на т о ч т о и н д е й ц ы м а й я и м е л и
с а м у ю в ы с о к о р а з в и т у ю с и с т е м у письм а в д о к о л у м б о в о й А м е р и к е , д о нед а в н е г о в р е м е н и они и з у ч а л и с ь как
«доисторический» народ. Причина
б ы л а п р о с т а : н и к т о не м о г п р о ч е с т ь
их т е к с т ы . В т е ч е н и е последних десяти лет ситуация изменилась. Основываясь на с и с т е м е к р и т и ч е с к о г о а н а л и за с т р у к т у р ы и с о д е р ж а н и я м а й я с к о г о
п и с ь м а , п р е д л о ж е н н о й в 1950-х г о д а х ,
с р а в н и т е л ь н о н е б о л ь ш а я группа учен ы х , в к л ю ч а ю щ а я нас д в о и х , р а с ш и ф ровала значительную часть известных майяских текстов. Содержание
текстов, вырезанных на каменных
м о н у м е н т а х и л и в ы в е д е н н ы х краскам и на керамических сосудах, д о п о л н я ет наши представления о майяском
обществе,
полученные
благодаря
упорной работе археологов.
Б ы л о , н а п р и м е р , п о д т в е р ж д е н о ранее в ы с к а з а н н о е п р е д п о л о ж е н и е , ч т о
о б р я д ы кровопусканий, совершавшиеся а р и с т о к р а т и ч е с к о й э л и т о й , играл и в а ж н у ю р о л ь в о б щ е с т в е м а й я . Менее д р а м а т и ч н о , но, б ы т ь м о ж е т , более з н а ч и т е л ь н о т о , ч т о э т и н а д п и с и
р а с с к а з ы в а ю т н а м о п о л и т и к е и геог р а ф и и . Б о л ь ш а я ч а с т ь надписей —
это по существу летописи, в которых
отмечены наиболее важные с о б ы т и я
ж и з н и о т д е л ь н ы х п р а в и т е л е й : их
р о ж д е н и е , к о р о н а ц и я , р и т у а л ы , завоевания и с м е р т ь . Б л а г о д а р я т щ а т е л ь н о м у и з у ч е н и ю этих т е к с т о в ученые
начали понимать, сколь нестабильной б ы л а политическая жизнь майяского общества, в к о т о р о м возникновение и р а с п а д с о ю з о в , а т а к ж е в о й н ы
м е ж д у г о р о д а м и - г о с у д а р с т в а м и вели
к б ы с т р ы м и з м е н е н и я м «геополитического п е й з а ж а » . Э т а о б р а с т а ю щ а я все
большими деталями картина — один
из первых р е з у л ь т а т о в р а с ш и ф р о в к и
письменности м а й я , и э т и р е з у л ь т а т ы ,
полученные после 100 л е т безуспеш-
н ы х п о п ы т о к , в в о д я т майяское общес т в о в «исторический» период.
Ц
ИВИЛИЗАЦИЯ м а й я , с у щ е с т в о вавшая в тропическом районе,
где сейчас р а с п о л о ж е н ы в о с т о ч н а я
часть Мексики, Г в а т е м а л а , Белиз, зап а д н ы й Гондурас и С а л ь в а д о р , д о начал а X X в. не б ы л а о б ъ е к т о м основательных археологических
исследований.
Проведенные с тех пор раскопки показали, ч т о приблизительно в 1500 г. д о
н. э. л ю д и , в е р о я т н о , г о в о р и в ш и е на
о д н о м из п р е д к о в ы х м а й я с к и х я з ы ков, з а с е л и л и п о к р ы т ы е л е с а м и низменности. В течение тысячелетия
ж и з н ь в л е с н ы х селениях п р о т е к а л а в
о с н о в н о м без и з м е н е н и й . О д н а к о окол о 250 г. д о н. э. здесь п р о и з о ш л и
ф у н д а м е н т а л ь н ы е п е р е м е н ы в социальной и политической структуре.
С л е д у ю щ и е д в а или т р и с т о л е т и я с т а ли свидетелями появления могущественных городов-государств, правител и к о т о р ы х , как у к а з ы в а ю т с а м ы е
р а н н и е иероглифические т е к с т ы , претендовали на роль богов на земле.
Иероглифическая система письма, к
к о т о р о й п р и н а д л е ж а л и э т и р а н н и е (и
п о с л е д у ю щ и е ) т е к с т ы , не б ы л а изобретена майя. Напротив, похоже, что
о н а б ы л а с о з д а н а на основе древней
системы, которая использовалась в
течение веков в р а з в и т ы х к у л ь т у р а х к
западу от майя. Письменность стала
и с п о л ь з о в а т ь с я на т е р р и т о р и и современного мексиканского ш т а т а Оахака
у ж е о к о л о 700 г. д о н. э., как п о к а з а л о
о т к р ы т и е т а м м о н у м е н т а с высеченн ы м и на н е м р а н н и м и и е р о г л и ф а м и .
Родственная система письма была
р а з в и т а в с о в р е м е н н о м ш т а т е Веракрус, о чем с в и д е т е л ь с т в у е т о б н а р у ж е н н ы й н е д а в н о в поселении Л а - М о х а р р а к а м е н н ы й м о н у м е н т с надп и с ь ю из 420 и е р о г л и ф о в . Х о т я б о л ь шую часть этого текста невозможно
р а с ш и ф р о в а т ь , две к а л е н д а р н ы е д а т ы в н е м с о о т в е т с т в у ю т 143 и 156 гг.
н . э . Н а д п и с ь на к а м е н н о м м о н у м е н т е
из Л а - М о х а р р ы и с а м ы е р а н н и е известные тексты майя, датируемые
II в. н. э., м о г л и и м е т ь о б щ и х предшественников.
К а к о в ы б ы ни б ы л и и с т о к и письм е н н о с т и м а й я , в н а ч а л е классического периода майяской цивилизации
( о к о л о 250 г. н. э.) и е р о г л и ф а м и п о л ь з о в а л и с ь в с о т н е поселений. В течение
классического п е р и о д а , д л и в ш е г о с я
д о 900 г. н. э. (к э т о м у в р е м е н и культур а м а й я д о с т и г л а н а и в ы с ш е г о расцвет а ) , бесчисленное к о л и ч е с т в о каменн ы х м о н у м е н т о в б ы л о п о к р ы т о иероглифическими" н а д п и с я м и . В э т о т ж е
п е р и о д п о я в л я ю т с я книги, и з г о т о в л е н н ы е из л у б а и о б е р н у т ы е ш к у р о й
я г у а р а , и ф и г у р н а я к е р а м и к а с надписями.
Политические
объединения
м а й я , в к о т о р ы х э т и надписи с о з д а в а лись, б ы л и н е б о л ь ш и м и и, в е р о я т н о ,
с л а б ы м и по своей и н ф р а с т р у к т у р е .
Последнее обстоятельство, возможн о , с п о с о б с т в о в а л о в н е з а п н о м у упадку классической ц и в и л и з а ц и и м а й я ,
п р и м е р н о в 900 г. н. э. (причина упадка д о сих п о р с о с т а в л я е т п р е д м е т дискуссий м е ж д у у ч е н ы м и ) .
В п о с л е д у ю щ и й , постклассический
п е р и о д п и с ь м е н н о с т ь п р о д о л ж а л а использоваться
в
монументальной
с к у л ь п т у р е и а р х и т е к т у р е и в книгах
из л у б а , из к о т о р ы х с о х р а н и л и с ь
л и ш ь ч е т ы р е . В п о с л е д н е м независим о м государстве майя в Северной
Гватемале письменность существовал а в п л о т ь д о к о н ц а X V I I в. С е г о д н я ,
н е с м о т р я на т о ч т о п и с ь м е н н а я т р а д и ц и я м а й я у т р а ч е н а , 4 м л н . человек,
г о в о р я щ и х б о л е е ч е м на 20 м а й я с к и х
языках, п р о д о л ж а ю т населять террит о р и и древней р о д и н ы м а й я . Э т о
весьма б л а г о п р и я т н о е о б с т о я т е л ь с т в о
д л я ученых, и з у ч а ю щ и х п и с ь м е н н о с т ь
м а й я , так как с л о в а р и (как современ-
СТЕЛА с рельефной надписью из Йашчилана датируется VII в. н. э., относящемуся к классической эпохе цивилизации майя. Иероглифический текст
высечен в честь захвата пленника
местным правителем по имени «ЩитЯгуар». Рельеф изображает правителя и стоящего на коленях пленника.
ные, так и изданные в колониальный
период) и исследования л и н г в и с т о в даю т в о з м о ж н о с т ь .проверять процесс
р а с ш и ф р о в к и т е к с т о в — преимущество, ч а с т о о т в е р г а е м о е т е м и , к т о п ы т а е т с я р а з г а д а т ь древние письмена.
П о п ы т к и расшифровать майяскую
письменность начались вскоре после
и с п а н с к о г о з а в о е в а н и я в 1520 г. П е р в ы м и исследователями иероглифики
м а й я с т а л и испанские м о н а х и , к о т о р ы е п ы т а л и с ь о б р а т и т ь м а й я в хрис т и а н с к у ю веру. С а м ы м и з в е с т н ы м из
них б ы л Д и э г о де Л а н д а , т р е т и й епископ Ю к а т а н а , к о т о р ы й в 1566 г. написал т р у д , н а з в а н н ы й « С о о б щ е н и я о
делах в Юкатане». В эту работу Л а н д а
в к л ю ч и л к р а т к о е и з л о ж е н и е своего
п о н и м а н и я м а й я с к о й с и с т е м ы письм а . П о его м н е н и ю , иероглифические
знаки б ы л и б у к в а м и а л ф а в и т а , н а п о добие алфавитов
индоевропейских
я з ы к о в . Он с д е л а л н а б р о с к и з н а к о в ,
к а ж д ы й из к о т о р ы х б ы л о т м е ч е н букв а м и А , В, С и т . д . К с о ж а л е н и ю ,
Л а н д а не с м о г п о н я т ь , ч т о знаки м а й я
б ы л и всем, чем у г о д н о , но т о л ь к о не
а л ф а в и т н ы м и . Т а к и л и иначе, его
т р у д лежал неоцененным в течение
т р е х веков.
"fAu'XV
Р, "
S
П
l i i l i l
ТРАНСЛИТЕРАЦИЯ
НА-ХА-ВА/ЙИ-Ч'А-КИБАЛ АМ/[СЕЙ БАЛ Ь]-АХАВ/
ЙИ-ЧИ-НАЛ/У-ЧАН-НУЛ(?)/
К'ИН-НИ-БАЛАМ/Ч'УЛ[ДОС-ПИ Л АС]-АХАВ/
ПЕРЕВОД
«ОН БЫЛ УКРАШЕН (ДЛЯ
ЖЕРТВОПРИНОШЕНИЯ ?), КОГОТЬ ЯГУАРА. ВЛАДЫКА
СЕЙБАЛЯ ПРИ СТРАЖЕ (?) (ПЛЕННИКАМ -СОЛНЦЕЯГУАРЕ, БОЖЕСТВЕННОМ
ВЛАДЫКЕ ДОС-ПИЛАСА»
СТЕЛА 2 в Агуатеке имеет надпись, вероятно, указывающую на то, что один из
изображенных правителей — «Коготь ягуара» изСейбаля — одет в ритуальный
костюм для обряда жертвоприношения. Стоящая фигура — правитель Дос-Пиласа в Гватемале; пленник— «Коготь ягуара»— изображен у его ног. Политическое объединение с центром в Дос-Пиласе в конце VII — начале VIII в. быстро
расширилось за счет включения Агуатеки и других городов майя. .
ЕРВУЮ з н а ч и т е л ь н у ю н а у ч н у ю
п о п ы т к у р а с ш и ф р о в а т ь письменность майя предпринял Эрнст
Фёрстеманн, сотрудник Королевской
б и б л и о т е к и в Д р е з д е н е . В 1880 г. о н
з а н я л с я изучением и е р о г л и ф о в в кодексах (сохранившихся книг из л у б а ,
из к о т о р ы х с а м а я и з в е с т н а я — Д р е з денский кодекс — и м е л а с ь в К о р о левской б и б л и о т е к е ) и на нескольких
известных в т о время резных каменн ы х м о н у м е н т а х . За ч е т ы р н а д ц а т ь
лет Фёрстеманн разгадал сложный
к а л е н д а р ь м а й я . О н п о к а з а л , ч т о кал е н д а р ь б а з и р о в а л с я н а п а р н ы х цикл а х в 260 и 365 дней и к а л е н д а р н а я дат а о б ы ч н о о т м е ч а л а с ь по своей позиции в о б о и х циклах. П о с к о л ь к у опред е л е н н а я к о м б и н а ц и я д а т ы , записанн о й в о б о и х циклах, п о в т о р я л а с ь к а ж д ы е 52 г о д а , л е т о п и с ц ы м а й я з а п и с ы вали также положение д а т ы в более
т о ч н о м « д л и н н о м счете», л и н е й н о м
л е т о с ч и с л е н и и , н а ч а л о к о т о р о г о прих о д и т с я н а 3114 г. д о н. э.
Благодаря работам Фёрстеманна и
д р у г и х ученых ( н а п р и м е р , а м е р и к а н ца Д ж о з е ф а Г у д м э н а , п р е д л о ж и в ш е г о
в 1905 г. к о р р е л я ц и ю м е ж д у м а й я с к и м
и христианским календарями, котор а я д о сих п о р ш и р о к о п р и н я т а ) очень
р а н о с т а л о я с н о , ч т о счет в р е м е н и
б ы л чрезвычайно в а ж н ы м для майя.
Однако система летосчисления могла
иметь множество контекстов, включая исторический, религиозный и миф о л о г и ч е с к и й , и у ч е н ы м не б ы л о ясн о , ч т о с о д е р ж а л и в себе н е к а л е н д а р н ы е ч а с т и м а й я с к и х надписей.
ГРАФИЧЕСКОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ давало возможность писцам майя записывать каждое слово по-разному. Здесь показаны три варианта написания глагола «ц'апах» — («воздвигать», «устанавливать вертикально»). К а ж д ы й образец
включает знаки для передачи трех слогов: «ц'а», «па» и
«ха». В первом примере (слева) знаки следуют в обычном
П е р в ы й ш а г к п о н и м а н и ю некаленд а р н ы х надписей с д е л а л д р у г о й немецкий ученый, П а у л ь Ш е л л ь х а с , кот о р ы й о п р е д е л и л м н о г и х б о г о в и их
и м е н а в рукописях. Р а б о т а Ш е л л ь х а с а
над рукописями позволила с большей
уверенностью
предположить,
что
надписи м а й я б ы л и р е л и г и о з н ы м и
или м и ф о л о г и ч е с к и м и по своему сод е р ж а н и ю , и э т у т о ч к у зрения р а з д е л я л и м н о г и е ученые в п л о т ь д о 60-х годов. П о мере расширения археологических и с с л е д о в а н и й в п е р в ы е д е с я т и л е т и я X X в. б ы л и н а й д е н ы м н о г о ч и с л е н н ы е н а д п и с и на к а м н е и керамике,
которые могли служить материалом
д л я проверки этой г и п о т е з ы . К с о ж а л е н и ю , н е с м о т р я на з н а ч и т е л ь н ы е усилия ведущих специалистов по эпиграфике тех л е т — Сильвануса Г . М о р л и
и Д ж . Э р и к а С. Т о м п с о н а , — у ч е н ы е
м а л о п р о д в и н у л и с ь вперед в р а с ш и ф ровке н е к а л е н д а р н ы х т е к с т о в .
У д и в и т е л ь н о , ч т о ни в о д н о й из
ранних п о п ы т о к расшифровки этих
т е к с т о в не б ы л и с п о л ь з о в а н з а г а д о ч ный «алфавит» Л а н д ы , о т к р ы т ы й
в н о в ь в 1860-х г о д а х . В е р о я т н о , о д н о й
из г л а в н ы х причин о т с у т с т в и я научного интереса к этому «алфавиту»
б ы л а у в е р е н н о с т ь в т о м , ч т о по крайней м е р е н е к о т о р ы е из и е р о г л и ф о в
м а й я б ы л и л о г о г р а ф а м и : з н а к а м и , зам е н я ю щ и м и целые слова. Например,
о д и н из д в а д ц а т и д н е в н ы х месяцев в
365-дневном цикле н а з ы в а л с я « Л е т у чая м ы ш ь » , и знак м е с я ц а и з о б р а ж а л
л е т у ч у ю м ы ш ь . Т а м , где Л а н д а видел
б у к в ы , р а н н и е э п и г р а ф ы видели цел ы е с л о в а , в р е з у л ь т а т е и н т е р е с к его
труду б ы л утрачен.
П
ЕРВОЕ д о с т и ж е н и е в п о н и м а н и и
ф о р м а л ь н ы х а с п е к т о в письмен-
порядке. Во втором (в центре) знак «па» вписан в знак «ц'а»,
изображенный вертикально. В третьем варианте (справа)
писец использовал «фигурный» (лицевой) иероглиф для
передачи слога «па»: сидящий мужчина «баюкает » на
руках знак «ц'а».
ности майя б ы л о сделано м о л о д ы м
советским ученым Юрием Кнорозов ы м из л е н и н г р а д с к о г о И н с т и т у т а э т н о г р а ф и и А Н С С С Р , к о т о р ы й вернулся к Л а н д е и т щ а т е л ь н о п р о а н а л и з и р о в а л его т р у д . Ю. К н о р о з о в убед и л с я , ч т о список Л а н д ы не б ы л а л ф а в и т о м , н о о н не о т в е р г его п о л н о с т ь ю
п о э т о й причине. Н а п р о т и в , о н приш е л к в ы в о д у , ч т о д а н н ы й список е с т ь
результат недопонимания, возникающего между представителями разных
культур. Например, прося помогавш е г о ему индейца н а п и с а т ь букву «Ь»
( п р о и з н о с и м у ю « b e h » по-испански),
Л а н д а п о л у ч а л м а й я с к и й знак с л о г а
«beh».
К
НОРОЗОВ п р е д п о л о ж и л , ч т о « а л фавит» Ланды в действительнос т и я в л я л с я « с и л л а б а р и е м » , и л и спис к о м с л о г о в . К а ж д ы й знак в н е м с о о т ветствовал определенной комбинации о д н о г о с о г л а с н о г о с о д н и м гласн ы м . С о е д и н е н н ы е в м е с т е знаки б ы л и ф о н е т и ч е с к о й з а п и с ь ю слов; ч а с т о
слова имели форму согласный —
гласный — согласный.
Поскольку
л и ш ь н е м н о г и е с л о в а м а й я оканчиваю т с я на г л а с н ы е , к о н е ч н ы й г л а с н ы й
м о г в ы п а д а т ь при п р о и з н е с е н и и слова. Н о к о г д а с л о в о з а п и с ы в а л о с ь , сог л а с н о К н о р о з о в у , писец д о л ж е н б ы л
в ы б р а т ь слог, к о т о р ы й в к л ю ч а л б ы
т о т же гласный, что и начальный
слог. Принцип соответствия между
начальным и конечным гласными
Кнорозов назвал сингармонией.
Д л я п о д т в е р ж д е н и я своей г и п о т е з ы
К н о р о з о в о б р а т и л с я к р у к о п и с я м . Он
в з я л с л о в о , к о т о р о е , как с ч и т а л о с ь ,
означало «индюк». На языке юкатанских м а й я (крупная группа современн ы х м а й я с к и х я з ы к о в — о д н а из наи-
более близко связанных с я з ы к о м
древних надписей) и н д ю к н а з ы в а е т с я
с л о в о м «куц». К н о р о з о в н а ч а л со знака Л а н д ы , п е р е д а ю щ е г о звук «к», кот о р ы й он и н т е р п р е т и р о в а л как слог
«ку». В т о р о й знак в п а р е и е р о г л и ф о в ,
передающих слово «индюк» в соответствии с принципом сингармонии,
п о х о ж е , о з н а ч а л слог «цу». З а т е м он
обратился к двум знакам, которые в
кодексах, как п о л а г а л и , о з н а ч а ю т
« с о б а к а » . П е р в ы й знак б ы л г и п о т е т и ческим « ц у » , в т о р о й — буквой « л »
а л ф а в и т а Л а н д ы , к о т о р а я т е п е р ь инт е р п р е т и р у е т с я как с л о г « л у » . « П у л »
или «цу-л(у)», как д р е в н и е м а й я п р о и з н о с и л и его, б ы л о с т а р ы м ю к а т е к с к и м н а з в а н и е м собаки.
Работа Кнорозова была выдающимся достижением и обоснованн о с т ь ее г л а в н ы х п р и н ц и п о в — синг а р м о н и я и с л о г и — т е п е р ь не в ы з ы в а е т с о м н е н и я . П р о ш л о м н о г о л е т после з а в е р ш е н и я К н о р о з о в ы м э т о й раб о т ы в 1950-х г о д а х , п р е ж д е чем о н а
б ы л а п р и з н а н а на З а п а д е . В т о ж е сам о е в р е м я д в о е з а п а д н ы х ученых дос т и г л и с т о л ь ж е б о л ь ш и х успехов в
понимании
содержания
надписей.
Генрих Берлин, независимый ученый,
к о т о р ы й жил в Мехико и занимался
т а к ж е б и з н е с о м , о т м е т и л , ч т о определенная категория знаков, к о т о р ы е
он н а з в а л э м б л е м н ы м и , и л и г е р б о в ы м и и е р о г л и ф а м и , по всей в и д и м о с т и ,
о б о з н а ч а е т л и б о г о р о д а , л и б о правящ и е в них ф а м и л и и . К а к м ы п о к а ж е м
д а л ь ш е , э м б л е м н ы е и е р о г л и ф ы в настоящее время являются в а ж н ы м
объектом исследований в области
письменности майя.
В 1960 г., всего через д в а г о д а п о с л е
р а б о т ы Берлина, Татьяна Проскуряк о в а из И н с т и т у т а К а р н е г и в В а ш и н г -
тоне наметила другой поворотный
э т а п в изучении м а й я с к о г о п и с ь м а .
Проскурякова, которая вошла в майян и с т и к у как а р х и т е к т о р , з а н и м а л а с ь
составлением таблицы изменений в
художественных стилях майя. Э т а раб о т а т р е б о в а л а т о ч н о й фиксации д а т
на м о н у м е н т а х д л я д а т и р о в к и с т и л и стических ф а з . Р е з у л ь т а т о к а з а л с я нео ж и д а н н ы м : г р у п п ы д а т на м о н у м е н тах соответствовали периодам жизни
т о г о или и н о г о человека. Н а п р и м е р е
надписей из П ь е д р а с - Н е г р а с в Г в а т е м а л е П р о с к у р я к о в а у б е д и т е л ь н о показала, что записанные д а т ы отмечал и с о б ы т и я в ж и з н и у к а з а н н ы х в надписях п р а в и т е л е й и их семей.
Вклад Кнорозова, Берлина и П р о -
скуряковой произвел переворот в
представлениях как о ф о р м е м а й я с к о й
письменности, т а к и о ее с о д е р ж а н и и .
В п е р в ы е б ы л о у с т а н о в л е н о , ч т о данная с и с т е м а письма в к л ю ч а е т как л о г о г р а ф ы , т а к и знаки д л я обозначения
с л о г о в т и п а С — Г (согласный — гласный). В т о ж е в р е м я с т а л о ясно, ч т о сод е р ж а н и е надписей чаще всего и м е е т
отношение к историческим с о б ы т и я м
из ж и з н и п р а в я щ е й э л и т ы , а не к неперсонифицированным религиозным
или
мифическим
повествованиям.
Значение э т и х н о в а т о р с к и х р а б о т еще
не р а с к р ы т о п о л н о с т ь ю , и в последние 10 л е т и с с л е д о в а н и я в э т о й о б л а сти продвигались вперед особенно
быстро.
ВИЦ («ХОЛМ»)
ЛОГОГРАФЫ И СЛОГОВЫЕ ЗНАКИ давали писцам майя дополнительную гибкость. Логограф — это знак, обозначающий все слово. Здесь показана логографическая и слоговая запись майяских слов «ахав» — владыка, «пакаль» —
щит и «виц» — холм.
В
РЕЗУЛЬТАТЕ в н а с т о я щ е е в р е м я
стало возможным попытаться
сделать обзор системы письменности
м а й я и ее с о д е р ж а н и я . О с н о в н ы м и
элементами этой системы служили
знаки, к о т о р ы х и з в е с т н о о к о л о восьмисот. Обычно знаки и м е ю т вид
квадрата или продолговатого овала;
о д и н и л и н е с к о л ь к о з н а к о в м о г у т располагаться вместе, образуя так называемый иероглифический блок. Многие т а к и е б л о к и р а с п о л о ж е н ы в определенном порядке в прямолинейной
решетке, которая определяла пространственные рамки для большинств а и з в е с т н ы х надписей. В н у т р и э т о й
р е ш е т к и и е р о г л и ф и ч е с к и е б л о к и обр а з у ю т р я д ы и к о л о н к и , чтение к о т о рых подчинялось особым
правилам.
Знаки б ы л и в з н а ч и т е л ь н о й степени
п и к т о г р а ф и ч е с к и м и и Часто и з о б р а ж а л и со м н о г и м и д е т а л я м и ж и в о т ных, людей, части тела и предметы
б ы т а . П и к т о г р а ф и ч е с к и й п р и н ц и п наиболее з а м е т н о проявляется в надписях, с о с т о я в ш и х из « п о л н о ф и г у р н ы х »
иероглифов, в к о т о р ы х индивидуальн ы е знаки и ц и ф р ы и з о б р а ж а л и с ь как
б ы в з а и м о д е й с т в у ю щ и м и д р у г с друг о м . Э т о , о д н а к о , не о з н а ч а е т , ч т о
майя имели простое пиктографическое, или р и с у н о ч н о е п и с ь м о . Н а п р о тив, комбинация слогов С — Г и логографов давала писцам возможность
записывать слова в текстах детально.
Отчасти эта гибкость проистекала
о т н а л и ч и я двух т и п о в з н а к о в . Н а п р и м е р , о д и н очень р а с п р о с т р а н е н н ы й
почетный т и т у л в текстах майя читае т с я как « а х а в » , ч т о о з н а ч а е т « п р а в и тель» или «знатный». «Ахав» м о ж е т
б ы т ь записан в логографической форм е в виде г о л о в ы в п р о ф и л ь с о с о б о й
г о л о в н о й п о в я з к о й или ш а р ф о м , которые отличали высшую знать в
майяском обществе. Н о это же слово
м о ж н о б ы л о записать в виде комбин а ц и и из т р е х фонетических с л о г о в ы х
з н а к о в : «а-ха-ва». П о д о б н ы м о б р а зом слово «пакаль» — « щ и т » — могло б ы т ь обозначено изображением
щ и т а или к о м б и н а ц и е й т р е х ф о н е т и ческих с л о г о в ы х з н а к о в : « п а - к а - л а » .
П о с к о л ь к у м н о г и е знаки м а й я о с т а ются нерасшифрованными,
невозможно точно определить относительное с о о т н о ш е н и е л о г о г р а ф и ч е с к и х и
слоговых знаков. Ч и с л о расшифрованных слоговых знаков продолжает
р а с т и , и с е г о д н я о к о л о п о л о в и н ы силл а б и ч е с к о й р е ш е т к и з а п о л н е н о . (Силл а б и ч е с к а я р е ш е т к а п р е д с т а в л я е т соб о й с х е м а т и ч е с к о е с о о т н о ш е н и е гласных и согласных разговорного языка
м а й я и т е м с а м ы м совокупность знаков, н е о б х о д и м ы х в п и с ь м е н н о м я з ы ке.) П о л о в и н а р е ш е т к и м о ж е т показ а т ь с я н е д о с т а т о ч н о й , о д н а к о следует
ИЕРОГЛИФЫ-ЭМБЛЕМЫ представляют собой группы знаков, связанных с определенными политическими объединениями. Они содержат одно из первых указаний на то, что
тексты майя имели историческое, а не мифологическое
или религиозное содержание. Эти знаки-эмблемы происходят из Дос-Пиласа и Паленке в Мексике и Копана в Гон-
помнить, что открытие структуры
с л о г о в ы х э л е м е н т о в — г л а в н ы й вклад
К н о р о з о в а — б ы л о с д е л а н о ч у т ь более 30 л е т н а з а д . Б о л е е т о г о , м н о г и е
слоги С — Г , к о т о р ы е уже понятны,
встречаются часто. Много пустых
мест в силлабической решетке остаю т с я т а к о в ы м и , п о т о м у ч т о э т и знаки р е д к о в с т р е ч а ю т с я в я з ы к е и их
с л о ж н е е п е р е в е с т и , чем о б ы ч н ы е .
Т е м не менее по м е р е привлечения
н о в ы х и с т о ч н и к о в ф о н е т и ч е с к а я расш и ф р о в к а б у д е т в е с т и с ь все б ы с т р е е .
О д н а из х а р а к т е р н ы х ч е р т м а й я с к о й
письменности, которая м о ж е т усложн и т ь э т о т процесс, — н а л и ч и е р а з н ы х
знаков с одним значением. Д в а знака,
и м е в ш и х о д н о и т о ж е значение, изв е с т н ы как а л л о г р а ф ы . П о д о б н ы е
графические э к в и в а л е н т ы о б ы ч н ы в
т е к с т а х м а й я , и оценивая ф о н е т и ч е скую и н т е р п р е т а ц и ю с л о г а , очень
в а ж н о о п р е д е л и т ь как м о ж н о б о л ь ш е
вариантных форм. Процесс распознавания аллографов зависит о т кропотл и в о й р а б о т ы по с о п о с т а в л е н и ю м н о гих т е к с т о в д л я о п р е д е л е н и я в а р и а н т о в записи о д н о г о и т о г о ж е с л о в а .
А
ЛЛОГРАФЫ не с в я з а н ы т о л ь к о с
фонетическими слогами. В логографической ф о р м е з а м е щ е н и я о д н о го и е р о г л и ф а д р у г и м д л я передачи одного слова могут б ы т ь использованы
несколько з н а к о в . Н а п р и м е р , м а й я ское с л о в о « к а н » (или « к а а н » ) м о ж е т
и м е т ь значения « з м е я » , « н е б о » или
« ч е т ы р е » , п о д о б н о т о м у как а н г л и й ское с л о в о «tie» м о ж е т о з н а ч а т ь « г а л с т у к » , а т а к ж е «игру в н и ч ь ю » , или
р а в н ы й счет в а т л е т и ч е с к о м с о р е в н о вании. О д и н а к о в о е звучание э т и х с л о в
служило древним писцам основой для
и г р ы слов. П р а в д а , з а м е н а о д н о г о
знака д р у г и м и н о г д а г р а н и ч и т с кал а м б у р о м , как в случае, к о г д а знак
«неба» находится в контексте, в кото-
дурасе. Все три основаны на майяском титуле «к'ул ахав»,
означающем «божественный владыка». Первый знак —
«к'у», или «к'ул» — «священный, божественный», второй —
«ахав» — «владыка». Варьирующий третий знак, вероятно,
имеет отношение к определенному городу-государству.
р о м о н д о л ж е н б ы т ь переведен как
«четыре».
Э т и э к в и в а л е н т н ы е значения не
п р о с т о о п р е д е л и т ь и они м о г у т служ и т ь п р и м е р о м т е х т р у д н о с т е й , с кот о р ы м и сталкиваются исследователи
т е к с т о в м а й я . Н е с м о т р я на э т и п р о б л е м ы , расшифровка в последние годы
в е д е т с я очень б ы с т р ы м и т е м п а м и .
Ч т о у д а л о с ь у з н а т ь о с а м и х м а й я на
о с н о в е этих о т к р ы т и й ? И н т е р п р е т и руя и н ф о р м а ц и ю , с о д е р ж а щ у ю с я в
т е к с т а х , следует п о м н и т ь , ч т о иерогл и ф и к а п р о л и в а е т свет т о л ь к о на одну с т р а т у п и р а м и д а л ь н о й с т р у к т у р ы
майяского общества — элиту. Надписи з а к а з ы в а л и с ь п р а в я щ е й э л и т о й и
в к л ю ч а л и в себя т о л ь к о т у и н ф о р м а цию, которую правители считали
в а ж н о й . Э т а и н ф о р м а ц и я в е с ь м а ценна д л я ученых, и о н а д о л ж н а б ы т ь
тщательно проанализирована. В отношении подавляющего большинства
м а й я с к о г о населения — з е м л е д е л ь цев, м е л к и х р е м е с л е н н и к о в , т о р г о в цев, к а м е н щ и к о в — п и с ь м е н н ы е памятники молчат.
Ч т о с ч и т а л а д л я себя в а ж н ы м прав я щ а я э л и т а ? П е р в о с т е п е н н о е значение п р и д а в а л о с ь р о д о в ы м с в я з я м и
политической власти. Берлин и Проскурякова раскрыли имена правителей и их жен в т а к и х г о р о д а х , как П а ленке, П ь е д р а с - Н е г р а с и И а ш ч и л а н , и
с о с т а в и л и списки п р а в и т е л е й . П о з д нее р а б о т а в е л а с ь вне списков п р а в и телей для выяснения родственных
связей м е ж д у л ю д ь м и , п о и м е н о в а н н ы м и в надписях. В х о д е э т о й р а б о т ы
с т а л о ясно, ч т о в т е ч е н и е классического п е р и о д а в л а с т ь п е р е д а в а л а с ь о т о т ца к с ы н у , как э т о б ы л о в н а с л е д с т в е н ных монархиях Европы.
В надписях м н о г о м е с т а у д е л е н о о т ношениям между отцами и сыновьями в правящих родах и другим родственным отношениям. Определенно,
э т и о т н о ш е н и я и м е л и б о л ь ш о е значение д л я п р а в и т е л е й м а й я . П о - в и д и м о м у , с е м е й н ы е связи б ы л и о с н о в о п о л а гающими для политической организации о б щ е с т в а м а й я . Б р а к и м е ж д у п р а вящими родами разных государств
играли важную роль в дипломатии и
заключении союзов. Внутри отдельных государств члены царской семьи,
не п р и н а д л е ж а в ш и е к п р я м о й л и н и и
т р о н а , и н о г д а в ы п о л н я л и в а ж н ы е роли в государственном управлении.
Д
РУГИЕ п р е д с т а в и т е л и з н а т и с т а н о в и л и с ь и с к у с н ы м и ремесленн и к а м и , как о б э т о м с в и д е т е л ь с т в у е т
керамический сосуд из р а й о н а Н а р а н хо в С е в е р н о й Г в а т е м а л е . Э т о т сосуд,
происходящий,
к сожалению,
из
ограбленного погребения (разграбление археологических п а м я т н и к о в лишает аборигенных народов культурного наследия, а археологов — подробной информации о происхождении а р т е ф а к т о в ) , п о д п и с а н его с о з д а телем. Подпись частично читается:
« С ы н в л а д ы к и (ахав) Н а р а н х о и госп о ж и из Й а ш х а » . М н о г и е х у д о ж н и к и
о с т а в л я л и свои п о д п и с и на к е р а м и к е и
каменных монументах.
Несколько
имен ч а с т о о б н а р у ж и в а ю т на о д н о й
с к у л ь п т у р е , ч т о с в и д е т е л ь с т в у е т как о
совместной
работе
нескольких
скульпторов, так и о ценности, придаваемой произведениям знаменитых
мастеров.
Из вышесказанного следует, что
м н о г и е п р а в и т е л и , их р о д с т в е н н и к и и
ближайшие подчиненные в настоящее
в р е м я м о г у т б ы т ь у с т а н о в л е н ы по
и м е н а м и п о л о ж е н и ю в с т р о г о й социа л ь н о й и е р а р х и и м а й я . О д н а к о все э т о
дает лишь смутное представление о
культуре майя. Об укладе жизни
о с т а л ь н ы х членов м а й я с к о г о о б щ е с т ва п р а к т и ч е с к и ничего не и з в е с т н о ,
имеются только намеки. Большин-
ство текстов майя описывают лишь
основные эпизоды в жизни правителей и т о л ь к о т а к и е , к о т о р ы е и м е ю т
прямое отношение к статусу владыки,
т а к и е как р о ж д е н и е , в о с ш е с т в и е на
престол, смерть и погребение. Состав и т ь п р е д с т а в л е н и е о м а й я с к о м общ е с т в е , исходя из э т о й и н ф о р м а ц и и , в
к а к о й - т о с т е п е н и , все р а в н о ч т о п ы таться реконструировать английское
о б щ е с т в о X I X в., изучая н а д г р о б и я в
Вестминстерском аббатстве.
Д р у г и е надписи ч у т ь б о л е е содержательны и описывают некоторые
стороны ритуальной жизни элиты,
в к л ю ч а я игру в м я ч , к о т о р о й увлекал и с ь все м е з о а м е р и к а н с к и е н а р о д ы и
к о т о р а я д о сих п о р м а л о п о н я т н а учен ы м . Р я д о ч а р о в а т е л ь н ы х т е к с т о в сопровождает каменные «моментальные снимки» игроков в богатом
убранстве. Обычно это двое мужчин,
обменивающиеся ударами большого
м я ч а из каучука. К с о ж а л е н и ю , с о п р о в о ж д а ю щ и е н а д п и с и ничего не говор я т о п р а в и л а х или к о л и ч е с т в е наб р а н н ы х очков в игре. В т о ж е в р е м я
они с о о б щ а ю т н а м , ч т о п р а в и т е л и
ШШ
ГОРШОЧЕК ДЛЯ КАКАО был найден в 1984 г. в богатом царском погребении в
Рио-Асуль в Гватемале. Изогнутая дугой ручка имеет свойство замка: она долж н а быть приведена в легкое вращение, чтобы снять с горшочка крышку. Сосуд
был расписан по слою штука под шкуру ягуара. В к а ж д ы й из пятнадцати овальных медальонов был первоначально вписан иероглиф. В горшочке находились
превратившиеся в корку остатки ж и д к о с т и , которую химический анализ определил как какао.
иногда самолично играли в мяч: часто
в т е к с т а х п р а в и т е л ь н а з ы в а е т с я «ах
пиц», или «игрок в мяч».
Из особых ритуалов, описанных в
текстах, наиболее распространенными б ы л и о б р я д ы и н д и в и д у а л ь н ы х
кровопусканий и с ж и г а н и я б л а г о в о н н ы х курений, в к о т о р ы х п р е д с т а в и т е л и з н а т и п р е д л а г а л и с а м о е ценное —
ч а с т ь своей к р о в и — б о г а м в о б м е н на
божественное к ним благоволение и
п о д д е р ж к у . Э т и о б р я д ы ч а с т о соверш а л и с ь в т а к и е в а ж н ы е м о м е н т ы , как
восшествие на престол, объявление
н а с л е д н и к а или п р а з д н о в а н и е о с о б о г о
календарного цикла. Х о т я эти ритуал ы б ы л и очень с у щ е с т в е н н ы (и их д о п о л н я л и другие, в к о т о р ы х п р о л и в а л а с ь к р о в ь пленников), б ы л о б ы нев е р н ы м п р и д а в а т ь о б р я д а м кровопускания п е р в о с т е п е н н о е значение.
Т е м не менее, ведение войн м е ж д у
городами-государствами в действит е л ь н о с т и и м е л о в а ж н о е значение. Зах в а т п л е н н и к о в , п о - в и д и м о м у , счит а л с я о б я з а н н о с т ь ю в л а д ы к и и предм е т о м его г о р д о с т и : о д и н ц а р ь из
Й а ш ч и л а н а п о ч т и всегда у п о м и н а е т с я
как « т о т , у к о г о 20 п л е н н и к о в » . В нек о т о р ы х случаях, п о х о ж е , в о й н ы вели
к тому, что власть и контроль над
т е р р и т о р и я м и переходили из рук в руки. О д и н из р а й о н о в в н и з м е н н о с т я х
майя, откуда происходят обширные
с в и д е т е л ь с т в а ( п а м я т н и к и , письменн ы е у п о м и н а н и я ) о ведении войн м е ж ду г о с у д а р с т в а м и , — э т о р а й о н о з е р а
Петешбатун в Гватемале. Согласно
о б н а р у ж е н н ы м здесь н а д п и с я м , на
протяжении сорока лет отношения
м е ж д у г о р о д а м и - г о с у д а р с т в а м и изменялись от дружественных до вражд е б н ы х и о б р а т н о . В э т о ж е в р е м я государство с центром в Дос-Пиласе в
р а й о н е П е т е ш б а т у н а о с у щ е с т в и л о нес к о л ь к о в о е н н ы х н а б е г о в , б ы с т р о увеличилось в размерах и почти столь же
б ы с т р о у т р а т и л о с в о ю в л а с т ь н а д захваченными землями и сократилось
до прежних размеров.
П а м я т н и к и из Д о с - П и л а с а свидет е л ь с т в у ю т , ч т о в о й н ы и г р а л и существенную роль в майяском обществе. В м е с т е с т е м надписи из д р у г и х
а р е а л о в г о в о р я т о т о м , ч т о в о й н ы не
всегда велись с ц е л ь ю захвата и, возм о ж н о , в о м н о г о м носили р и т у а л ь н ы й
х а р а к т е р . У исследователей пока о т с у т с т в у ю т д а н н ы е , п о з в о л я ю щ и е оцен и т ь , в какой степени в о й н ы б ы л и захватническими. О д н а к о недавнее о т к р ы т и е т о ч н ы х названий г о р о д о в приведет к более
ясному
пониманию
майяской территориальной политики.
И е р о г л и ф ы , о б о з н а ч а ю щ и е населенные пункты, хорошо известны в
других мезоамериканских системах
п и с ь м а , н о в п л о т ь д о н а с т о я щ е г о времени п р е д с т а в л е н и я о названиях г о р о -
дов в ареале майя б ы л и довольно
смутными.
Понятие
эмблемных
иероглифов, выдвинутое Берлином,
б ы л о б о л ь ш и м ш а г о м вперед, но о н о
не б ы л о у б е д и т е л ь н ы м . Х о т я Б е р л и н
с ч и т а л , ч т о и е р о г л и ф ы - э м б л е м ы имел и географическое значение, он не м о г
б ы т ь уверен, к чему и м е н н о они о т н о сились: к д и н а с т и я м , о т д е л ь н ы м гор о д а м или г о с у д а р с т в а м , в к л ю ч а ю щ и м в себя б о л ь ш е чем о д и н г о р о д .
Вслед за П и т е р о м М а т ь ю з о м из Университета в Калгари, большинство
ученых в н а с т о я щ е е в р е м я п о л а г а ю т ,
что эмблемные иероглифы и м е ю т отношение к политическим объединения м или г о р о д а м - г о с у д а р с т в а м , превышавшим размеры одного центра.
Н е к о т о р ы е из их н а и б о л е е интересных новейших работ преследовали
цель п о н я т ь р о л ь п о д о б н ы х ц е н т р о в в
рамках майяской территориальной
политики.
Внутри этих государств отдельные
г о р о д а т а к ж е и м е л и свои н а з в а н и я ,
к о т о р ы е , как п о к а з а л и а в т о р ы д а н н о й
с т а т ь и в 1986 г., п е р е д а в а л и с ь иерогл и ф а м и в надписях. Н е к о т о р ы е из названий
объясняются
природными
особенностями определенных местн о с т е й . Г о р о д А г у а т е к а , т а к ж е в районе П е т е ш б а т у н а , н а з ы в а л с я древним и м а й я « К ' и н и ч Виц», или « О б р а щ е н н ы й к С о л н ц у Х о л м » . Э т о название в к л ю ч а е т знак « х о л м а » , р а з д в о е н н о г о на в е р ш и н е , поскольку с а м г о р о д
н а х о д и л с я на в е р ш и н е х о л м а , раздел е н н о г о на две ч а с т и р а с щ е л и н о й глуб и н о й более 50 м .
В е р о я т н о , н а и б о л ь ш е е число особых названий найдено в знаменитом
г о р о д е Т и к а л ь в Г в а т е м а л е . Здесь в
надписях у к а з а н ы м н о г и е ц е н т р ы и
р а й о н ы г о р о д а , и х о т я не все из этих
названий переведены, большинство
из них, очевидно, о т н о с и т с я к о т д е л ь н ы м з д а н и я м или к о м п л е к с а м з д а н и й .
Названия, которые майя давали этим
с о о р у ж е н и я м , с о д е р ж а т указания на
т о , как они в ы г л я д е л и . Н е к о т о р ы е из
погребальных пирамид,
например,
и м е ю т названия, в к л ю ч а ю щ и е слово
«виц» — « х о л м » , к о т о р о е г о в о р и т о
т о м , ч т о м а й я п о н и м а л и их как рукот в о р н ы е г о р ы . П о к р ы т ы е надписями
к а м е н н ы е с т е л ы , к о т о р ы м и усеяны
п л о щ а д и майяских г о р о д о в , часто упом и н а ю т с я в надписях как «камни-раст е н и я » или «камни-деревья». В букв а л ь н о м с м ы с л е м а й я м ы с л и л и свои
г о р о д а , с о с т о я щ и м и из гор и деревьев.
Для майя наименования предметов
не и с ч е р п ы в а л и с ь з д а н и я м и или м о н у ментами. Как б ы л о недавно установлено, н е ф р и т о в ы е у к р а ш е н и я , к а м е н ные сосуды, керамика, музыкальные
т р у б ы из р а к о в и н и д р у г и е п р е д м е т ы
н о с и л и свои с о б с т в е н н ы е н а з в а н и я и
и м е н а их в л а д е л ь ц е в . Б о л ь ш е всего
этих надписей на керамических сосу-
НАДПИСЬ на горшочке для какао частично расшифрована одним из авторов
(Стюартом). Здесь изображены шесть знаков, которые были на сосуде. Знаки а
и d передают майяское слово «ка - ка - в/а/», от которого произошло английское «какао». Знак Ь, возможно, означает «его сосуд». Расположенные парами
упоминания какао могут означать, что в сосуде подавались два разных напитка
из какао. Текст продолжается на основной части сосуда; он содержит имя владельца и, вероятно, указывает на его связь с лицом высокого ранга.
дах. В 1971 г. М а й к л К о из Й е л ь с к о г о
университета объявил, что большая
ч а с т ь т е к с т о в на сосудах в к л ю ч а е т
один и т о т же ряд иероглифов, котор ы й он н а з в а л П е р в и ч н ы м с т а н д а р т н ы м р я д о м . О с н о в ы в а я с ь на а н а л и з е
сопровождающих тексты расписных
сцен (в о с н о в н о м м и ф о л о г и ч е с к и х ) ,
К о п р е д л о ж и л с в о ю т р а к т о в к у содерж а н и я П е р в и ч н о г о с т а н д а р т н о г о ряд а , к о т о р ы й , по его м н е н и ю , и м е л о т н о ш е н и е к « П о п о л ь Вух», эпосу о т в о рении м а й я , п е р е ж и в ш е м у испанское
завоевание.
С о в с е м н е д а в н о , о д н а к о , м н о г и е из
знаков в т е к с т а х на г л и н я н ы х сосудах
б ы л и р а с ш и ф р о в а н ы фонетически и
семантически, и п о я в и л а с ь совершенно иная их и н т е р п р е т а ц и я . О д и н из часто встречающихся иероглифов был
переведен как « р а с п и с а н н ы й » , другой — как «его б л ю д о » (или « г о р ш о к » ) , т р е т и й ж е — как « к а к а о » . Зат е м следует и м я в л а д е л ь ц а сосуда.
Э т а частичная расшифровка позволяет у т в е р ж д а т ь , ч т о надписи на сосуд а х в д е й с т в и т е л ь н о с т и у к а з ы в а л и на
их в л а д е л ь ц е в , назначение и с о д е р ж и мое. Э т а новая интерпретация —
ч а с т н ы й случай б о л е е о б щ е й тенден-
ции перехода о т т р а к т о в к и с о д е р ж а ния надписей как мифических и неперсонифицированных к историческим и
личностным,
наметившейся
после
п е р в ы х ж е успехов в р а с ш и ф р о в к е
письменности майя.
В течение последних д е с я т и л е т
прогресс в р а с ш и ф р о в к е б ы л впечатл я ю щ и м . В результате м ы получили
н о в ы е сведения по и с т о р и и , я з ы к у , социальной и политической организации и р и т у а л ь н о й ж и з н и м а й я . В м е с т ё
с т е м м н о г и е надписи о с т а ю т с я непон я т н ы м и и п о ч т и все т е к с т ы содерж а т и е р о г л и ф ы , к о т о р ы е не м о г у т
б ы т ь п о л н о с т ь ю и с т о л к о в а н ы . В нек о т о р ы х д о с а д н ы х случаях знаки м о гут б ы т ь р а с ш и ф р о в а н ы фонетически, но их значение, в о з м о ж н о , у т р а чено навсегда, т а к как э т и с л о в а б о л ь ш е не с у щ е с т в у ю т в с о в р е м е н н о м
м а й я с к о м я з ы к е или в д о ш е д ш е м д о
нас с л о в а р е . Д р у г и е и е р о г л и ф ы т е м
не менее, н е с о м н е н н о , у с т у п я т будущ и м у с и л и я м и с с л е д о в а т е л е й , занимающихся расшифровкой текстов.
В д а л ь н е й ш е м нас ж д у т н е о ж и д а н н ы е
о т к р ы т и я в н е и з в е д а н н о й части э т о й
с а м о й р а з в и т о й из д о к о л у м б о в ы х
письменностей.
Долгие дебаты
о возрасте Земли
За последние три столетия в ходе спора, в который
были вовлечены архиепископ Асшер, Джеймс Хаттон,
лорд Кельвин, Эрнест Резерфорд, Бертрам Болтвуд
и Артур Холмс, возраст Земли увеличился до 4,6 млрд. лет
ЛОУРЕНС
ОГДА 4,6 м л р д . лет назад первые лучи т е р м о я д е р н о й вспышки на Солнце пронизали Галактику, из вращающегося облака газа, пыли и т в е р д ы х планетоземалей,
окружавших новую звезду, возникла
«первичная» Земля. В последующие
800 млн. лет э т о т сгусток вещества
превращался в т в е р д у ю планету —
т р е т ь ю о т Солнца.
Н а этих цифрах основаны вся геология и теория эволюции. По-видим о м у , они действительно с о с т а в л я ю т
часть неизменного «банка д а н н ы х » ,
накопленных человечеством. Однако
построена э т а хронология совсем недавно. В последние 150 лет б ы л и отвергнуты две более ранние оценки
возраста Земли; э т о с т а л о в о з м о ж н ы м благодаря т о м у , что такие описательные науки, как биология и геология, обратились к д о с т и ж е н и я м более точной науки — физики.
Первая датировка б ы л а о т б р о ш е н а
в X I X в. К б о л ь ш о м у неудовольств и ю Ч а р л з а Дарвина и других геологов т о г о времени физик У и л ь я м Томсон (впоследствии л о р д Кельвин)
представил безупречный на первый
взгляд расчет, согласно к о т о р о м у
Земля существовала не вечно, как полагали т о г д а многие, а возникла
100 млн. л е т назад. Ошибочность
этой хронологии б ы л а доказана в конце X I X в., когда появился м е т о д ядерной (абсолютной) геохронологии; с
его п о м о щ ь ю возраст Земли б ы л оценен в несколько м и л л и а р д о в л е т . После ожесточенных д е б а т о в между геол о г а м и и физиками ядерная геохронология получила всеобщее признание.
Дискуссия о возрасте Земли п о м и м о
всего д е м о н с т р и р у е т , что эмоции, интуиция и личная заинтересованность
могут почти т а к же определять путь
развития науки, как логика и эксперимент.
Надо- п о л а г а т ь , что вопрос о возрасте Земли т а к же стар, как и рассуждения о строении Вселенной и месте
человека в ней. Действительно, в мифах, созданных м н о г и м и древнейши-
К
БАДАШ
м и цивилизациями, сотворение Земли
и происхождение Вселенной не разделялись. Космогоническим т е о р и я м
б ы л а присуща идея цикличности. Например, древние греки считали, что
естественная история все время пов т о р я е т с я . Майя д у м а л и , что в 3114 г.
до н.э. п р о и з о ш л о последнее новое
сотворение Вселенной. В первом веке
нашей э р ы п о х о ж у ю точку зрения разделяли многие к и т а й ц ы . Они считали, что к а ж д ы й 23 639 040 лет Вселенная разрушается и создается вновь.
В иудейской и христианской т р а д и циях рождение Земли и Вселенной
т а к ж е р а с с м а т р и в а е т с я как единое соб ы т и е . Книга Б ы т и я б ы л а использована учеными с целью определить
число поколений людей, существовавших со времен А д а м а и Е в ы . В 1654 г.
Д ж о н Л а й т ф у т уточнил до предельной точки известный расчет м о м е н т а
творения, сделанный архиепископом
А с ш е р о м : 9 ч у т р а 26 октября 4004 г.
до н.э. по юлианскому календарю в
Месопотамии.
М
ИХАИЛ Васильевич Л о м о н о с о в ,
живший в XVIII в., б ы л одним
из п е р в ы х ученых, к т о п р е д п о л о ж и л ,
что образование Земли происходило
сотни т ы с я ч л е т назад независимо от
остальной Вселенной. В 1779 г. граф
Ж о р ж Луи Б ю ф ф о н п о п ы т а л с я определить возраст Земли эксперимент а л ь н ы м путем. Он исходил из т о г о ,
что сначала Земля находилась в разог р е т о м состоянии и с тех пор медленно о с т ы в а е т . Сконструировав небольшой глобус, копировавший внутреннее строение Земли, Б ю ф ф о н измерил
на этой модели скорость ее остывания. Полученный в р е з у л ь т а т е расчет о в возраст Земли составил 75 000
л е т . П о существу Л о м о н о с о в и Б ю ф фон б ы л и одиноки в своих п о п ы т к а х
определить а б с о л ю т н ы й возраст Земли на научной основе. Если другие нат у р а л и с т ы XVIII в. и обращались к
этой проблеме, т о о т д а в а л и все в руки
С о з д а т е л я или же допускали попросту, что Земле и всему живущему на
ней п о т р е б о в а л о с ь длительное время,
ч т о б ы д о с т и г н у т ь современного состояния. Д ж е й м с Х а т т о н в своем
классическом труде «Теория Земли»
(1795) сформулировал идею длительного геологического развития следую щ и м о б р а з о м : « М ы не находим никаких признаков начала и никаких намеков на конец».
Однако н е к о т о р ы е современники
Х а т т о н а заинтересовались геохронологией. Они пришли к выводу, что последовательность залегания геологических слоев и почв в определенном
месте соответствует порядку их формирования. В 90-х годах XVIII в.
Уильям С м и т сформулировал э т о т
принцип т а к и м о б р а з о м : два расположенных в разных местах слоя и м е ю т
одинаковый возраст, если они содерж а т одинаковые ископаемые остатки.
Н а основании этих представлений
е с т е с т в о и с п ы т а т е л и стали с о з д а в а т ь
геологическую летопись и определять
продолжительность
геологических
периодов. Д а т и р о в к и сильно различались, поскольку ученые м о г л и оперировать только грубыми данными о
времени формирования геологических слоев.
В 1830 г. Ч а р л з Л а й е л ь создал теоретическую основу для п о д о б н ы х исследований. Л а й е л ь настойчиво утверждал, что ф о р м а ц и и горных пор о д и другие геологические о б ъ е к т ы
в о з н и к а ю т , р а з р у ш а ю т с я и преобраз у ю т с я с неизменной с к о р о с т ь ю . Фактически никто из естествоиспытателей не воспользовался идеей Лайеля
для вычисления в о з р а с т а геологических образований — с л и ш к о м скудн ы м и б ы л и еще д а н н ы е о геологических процессах. Однако благодаря
Л а й е л ю многие н а т у р а л и с т ы стали
приверженцами у н и ф о р м и з м а — теории, отрицавшей в о з м о ж н о с т ь катастрофических геологических изменений или б ы с т р о й эволюции м о л о дой Земли. К р о м е т о г о , изучение каменного м а т е р и а л а и костей ж и в о т ных свидетельствовало, что к а ж д ы й
геологический период п р о д о л ж а л с я
очень д о л г о , в е р о я т н о с о т н и м и л л и о нов лет, и что возраст самой Земли в
н е с к о л ь к о р а з п р е в ы ш а е т э т о значение.
П о э т о м у н а т у р а л и с т ы б ы л и удивл е н ы , к о г д а в 1862 г. л о р д К е л ь в и н ,
т о г д а еще п р о с т о Уильям Томсон,
физик из Г л а з г о , у с т а н о в и л , ч т о Земл я в о з н и к л а в п е р и о д о т 400 д о
20 м л н . л е т н а з а д . Т о м с о н о т в е р г а л
у н и ф о р м и з м из-за его н е д о к а з у е м о с т и . О н , как и м н о г и е д р у г и е физики
т о г о времени, считал, что сначала
Земля находилась в расплавленном
с о с т о я н и и , а в п о с л е д с т в и и ее поверхн о с т ь о с т ы л а и з а т в е р д е л а , но я д р о
осталось разогретым. Именно поэтом у , у т в е р ж д а л он, т е м п е р а т у р а увеличивается с глубиной.
П ы т а я с ь о п р е д е л и т ь в о з р а с т Земли, Томсон рассчитал, сколько времени п о т р е б о в а л о с ь д л я у м е н ь ш е н и я ее
температуры от первоначальной до
с о в р е м е н н о й . Он и с х о д и л из п р е д п о л о ж е н и я , ч т о все з е м н о е т е п л о (за исключением небольшого количества,
поступающего от Солнца) возникло в
результате гравитационного сжатия,
с ф о р м и р о в а в ш е г о З е м л ю . З а т е м он
установил, насколько хорошо Земля
проводит тепло и какое количество
т е п л а н е о б х о д и м о д л я ее р а с п л а в л е ния или п о в ы ш е н и я т е м п е р а т у р ы д о
о п р е д е л е н н о г о у р о в н я . Он з н а л , ч т о
согласно в т о р о м у началу термодинамики Земля постоянно охлаждается,
о т д а в а я э н е р г и ю в х о л о д н о е космическое п р о с т р а н с т в о . П р и м е н и в т е о р и ю
теплопроводности
Жана
Батиста
Ж о з е ф а Ф у р ь е , он н а ш е л , к а к д о л ж н о
б ы л о измениться распределение темп е р а т у р ы в н у т р и З е м л и (см. с т а т ь ю :
Р . Н . Брейсуэлл. П р е о б р а з о в а н и е Фурье, «В м и р е науки», 1989, № 8). Он
уточнил расчеты, учтя количество
т е п л а , п о с т у п а ю щ е г о о т С о л н ц а , и величину т р е н и я , в о з н и к а ю щ е г о п о д
в л и я н и е м п р и л и в о в . В к о н е ч н о м счете
он определил
продолжительность
з е м н о й и с т о р и и в 20—40 м л н . л е т .
Р
АБОТА Т о м с о н а н а р у ш и л а спокойствие геологов, к о т о р ы х вполне у с т р а и в а л а идея н е о г р а н и ч е н н о г о
в р е м е н и . О н и б ы л и в о з м у щ е н ы бесцеремонностью физика, вторгшегося в
их в о т ч и н у , н о к о н т р а р г у м е н т о в они
в ы д в и н у т ь не с м о г л и и о п у б л и к о в а л и
СПЕЦИАЛИСТ по стратиграфии Ричард Гриффит в доспехах из палеозойских окаменелостей парирует атаку палеонтолога Д ж о н а Филлипса. На карикатуре 1843 г. высмеивается спор об относительном возрасте слоев горных пород, содержащих изображенные ископаемые остатки. Та-
л и ш ь н е с к о л ь к о с т а т е й по г е о х р о н о логии.
В ы ч и с л е н и я Т о м с о н а к а з а л и с ь неу я з в и м ы м и с п о з и ц и и л о г и к и и физики. С о в р е м е н е м б ы л а д о к а з а н а о ш и б о ч н о с т ь его в ы в о д о в . И все-таки
Т о м с о н нанес п о с л е д н и й у д а р п о описательной геохронологии, поставив
на ее м е с т о к о л и ч е с т в е н н ы е м е т о д ы .
Д о конца X I X в. оценки Т о м с о н а являлись теми стандартами, с которым и с р а в н и в а л и с ь все д р у г и е в ы в о д ы .
Р а с ч е т ы Т о м с о н а ш о к и р о в а л и не
только геологов, но и биологов. Дарвин и д р у г и е б и о л о г и у т в е р ж д а л и , ч т о
для возникновения сложных организм о в н у ж н о б ы л о г о р а з д о б о л ь ш е врем е н и , чем 40 м л н . л е т . О д н а к о д а н н ы е по ж и в у щ и м и и с к о п а е м ы м о р г а н и з м а м не м о г л и с л у ж и т ь о с н о в о й
для независимого расчета времени
эволюции. Биологический календарь
в к о н е ч н о м счете о п и р а л с я н а г е о л о г и ческий.
Томас Г. Хаксли, ревностный сторонник теории Дарвина, обрушился
на н а и б о л е е у я з в и м о е м е с т о в п о с т р о ениях Т о м с о н а . В о в з г л я д а х Х а к с л и
о т р а з и л о с ь п р е з р е н и е к физической
кие относительные датировки способствовали установлению возраста Земли. Судит поединок геолог Родерик Мурчисон, на камзоле которого изображена стратиграфическая колонка палеозоя.
науке, с в о й с т в е н н о е г е о л о г а м п о з д н е в и к т о р и а н с к о й эпохи. В своей презид е н т с к о й речи 1869 г. в Л о н д о н с к о м
геологическом обществе Хаксли подчеркивал, ч т о н и к т о из г е о л о г о в не собирается отстаивать
абсолютный
у н и ф о р м и з м , речь и д е т л и ш ь о п р и м е нении его п р и н ц и п о в . З а т е м Х а к с л и
обратился
к
выводам
Томсона.
« Н е л ь з я д о п у с т и т ь , — с к а з а л он, —
чтобы точные математические вычисления в л а с т в о в а л и н а д р е з у л ь т а т а м и , ибо страницы,
исписанные
ф о р м у л а м и , не в ы т я н у т истину из
множества
фактов».
Возможно,
Хаксли полагал, что Земля отдает
свое т е п л о не т а к б ы с т р о , как с ч и т а л
Т о м с о н . Т о м с о н с ч и т а л свои р а с ч е т ы
с к р о м н ы м и , но не м о г б ы т ь уверен в
своих оценках.
К
ЭТОМУ в р е м е н и , о д н а к о , Т о м сон у ж е не б ы л о д и н о к в своей
борьбе. И американский астроном
С а й м о н Н ь ю к о м , и немецкий физик
Г е р м а н Г е л ь м г о л ь ц р а с с ч и т а л и время, необходимое для того, чтобы в
результате гравитационного сжатия
газо-пылевая туманность приобрела
р а з м е р ы с о в р е м е н н о г о С о л н ц а . Рез у л ь т а т ы , п о л у ч е н н ы е и м и независим о д р у г о т д р у г а , д а л и в е р х н ю ю границу в о з р а с т а З е м л и — 100 м л н . л е т
(при д о п у щ е н и и , ч т о д о в о з н и к н о в е ния С о л н ц а З е м л я не с у щ е с т в о в а л а ) .
В
дискуссию
вступил
Джордж
X. Дарвин, сын Ч а р л з а Дарвина,
профессор астрономии Кембриджского у н и в е р с и т е т а . Он п р е д п о л о -
жил, что Л у н а образовалась в результате отрыва от быстровращающейся
расплавленной Земли, и обнаружил,
ч т о оценка Т о м с о н а х о р о ш о согласуется с в р е м е н е м , к о т о р о е требовалось
приливно-отливному трению, чтобы
уменьшить период вращения Земли
д о 24 ч.
Н е к о т о р ы е геологи соглашались с
оценкой в о з р а с т а З е м л и , д а н н о й Т о м с о н о м . Е щ е д о п о я в л е н и я его р а с ч е т о в
Д ж о н Ф и л л и п с , п л е м я н н и к и ученик
У. С м и т а , заявил, что Земля д о л ж н а
б ы л а с у щ е с т в о в а т ь 96 м л н . л е т ( э т о т
р е з у л ь т а т б ы л получен на о с н о в а н и и
оценки с к о р о с т и о с а д к о о б р а з о в а н и я в
р е з у л ь т а т е р е ч н о г о сноса). В 1868 г.
Арчибальд Гейки, директор геологической с л у ж б ы Ш о т л а н д и и , п р о а н а лизировал эрозионные процессы и
с д е л а л в ы в о д , ч т о в о з р а с т З е м л и не
п р е в ы ш а е т 100 м л н . л е т .
В 1899 г. Д ж о н Д ж о л и из Д у б л и н ского университета впервые предложил единственно верный в т о время
геологический м е т о д и з м е р е н и я возр а с т а З е м л и . Он у т в е р ж д а л , ч т о вся
соль, содержащаяся в морской воде,
о б р а з о в а л а с ь из м и н е р а л ь н ы х о т л о жений в результате выветривания и
р а с т в о р е н и я . К р о м е т о г о , он п р е д п о л о ж и л , ч т о к о н ц е н т р а ц и я солей в океа н а х не м о г л а у м е н ь ш а т ь с я . П о э т о м у
Д ж о л и с м о г у с т а н о в и т ь связь м е ж д у
с о л е н о с т ь ю и в о з р а с т о м З е м л и . Он
в з я л н а и л у ч ш и е из и м е в ш и х с я д а н н ы х
п о п о с т у п л е н и ю в о д ы в о к е а н ы и по ее
с о л е н о с т и . З а т е м о н р а с с ч и т а л ежег о д н о е увеличение с о д е р ж а н и я с о л и .
ГЕОЛОГИ И ФИЗИКИ «увеличили» возраст Земли от ж и з н и нескольких сотен поколений людей до нескольких миллиардов оборотов нашей планеты вокруг
Солнца. Красная точка соответствует библейским исчислениям возраста Земли. В период между 1795 и 1862 гг. большинство геологов были уверены в том,
что Земля существовала вечно или что по крайней мере продолжительность
этого периода не поддается измерениям.
У м н о ж и в с о л е н о с т ь на весь о б ъ е м
о к е а н о в и р а з д е л и в п р о и з в е д е н и е на
е ж е г о д н ы й п р и р о с т к о н ц е н т р а ц и и сол и , Д ж о л и о п р е д е л и л , ч т о существую щ у ю соленость морская вода могла
п р и о б р е с т и з а 80—90 м л н . л е т .
В п о с л е д о в а в ш и е д е с я т и л е т и я все
б о л ь ш е г е о л о г о в п р и х о д и л и к убежден и ю , ч т о З е м л я о б р а з о в а л а с ь менее
100 м л н . л е т н а з а д . О д н а к о все п о п ы т ки о п р е д е л и т ь в о з р а с т З е м л и о с н о в ы в а л и с ь на к а к о м - л и б о д о п у щ е н и и ,
а н а л о г и и и л и п р о с т о на д о г а д к е о скор о с т и и з м е н е н и я геологических п р о цессов.
Все э т и п р е д п о л о ж е н и я с о з д а в а л и
почву д л я с п о р о в . Н е к о т о р ы е ученые
выступали п р о т и в т о г о , ч т о б ы объясн и т ь излучение З е м л е й и С о л н ц е м
т е п л а т о л ь к о о д н о й п р и ч и н о й — грав и т а ц и о н н ы м с ж а т и е м . О н и допускали существование другого источника
энергии. О д н и у т в е р ж д а л и , ч т о З е м л я
н и к о г д а не н а х о д и л а с ь в р а с п л а в л е н н о м с о с т о я н и и , т о г д а как д р у г и е считали, что расплавленное ядро внутри
п л а н е т ы с о х р а н и л о с ь д о сих п о р .
( К о н в е к т и в н а я п е р е д а ч а т е п л а , обусл о в л е н н а я п р и с у т с т в и е м в н у т р и Земл и р а с п л а в а , — э т о и м е н н о т о , ч т о не
п р и н я л в о в н и м а н и е в своих в ы ч и с л е ниях Т о м с о н . ) Р я д и с с л е д о в а т е л е й
п о д в е р г а л и с о м н е н и ю д а н н ы е п о скоростям эрозии и осадкообразования,
а также расчеты солености.
К концу века г е о л о г и в о б щ е м пришли к выводу, что с момента рождения З е м л и п р о ш л о о к о л о 100 м л н .
л е т . О д н а к о они не у л а д и л и свои р а з ногласия с Т о м с о н о м , к о т о р ы й к том у в р е м е н и за н а у ч н ы е заслуги п о л у чил п р а в о и м е н о в а т ь с я л о р д о м К е л ь вином. Проводя расчеты теплопот е р ь , К е л ь в и н о п е р и р о в а л «укороченн о й » г е о х р о н о л о г и ч е с к о й ш к а л о й , игн о р и р у я геологические ф а к т ы .
К т о м у времени, однако, геологи
у ж е н а с т о р о ж е н н о о т н о с и л и с ь к физическим м е т о д а м К е л ь в и н а . О н и полагались (возможно, неоправданно)
на свои с о б с т в е н н ы е м е т о д ы геохрон о л о г и и в б о л ь ш е й степени, чем на
допущения
знаменитого
физика.
В конце к о н ц о в они р а з р а б о т а л и нес к о л ь к о п р и е м о в , к о т о р ы е д а л и сходн ы е р е з у л ь т а т ы . П о с л е нескольких
д е с я т и л е т и й г е о л о г о р а з в е д о ч н ы х работ, картирования, проведения разл и ч н ы х и з м е р е н и й и классификаций
г е о л о г и п о ч у в с т в о в а л и , ч т о их обучение т о ч н ы м н а у к а м з а в е р ш е н о .
О
ДНАКО п р о ш л о совсем н е м н о г о
в р е м е н и и физики с н о в а в т о р глись во в л а д е н и я г е о л о г и и . Н а э т о т
р а з с и г н а л о м к а т а к е п о с л у ж и л и исследования в области радиоактивнос т и . Э т о явление б ы л о о т к р ы т о в
1896 г. А н р и Б е к к е р е л е м . П е р в ы е р а -
диоактивные элементы — полоний и
р а д и й — о б н а р у ж и л и в 1898 г. М а р и я
Склодовская-Кюри и Пьер Кюри. Позднее, в 1902—1903 гг., Э р н е с т Р е з е р ф о р д и Ф р е д е р и к С о д д и в нескольких
статьях дали теоретическое объяснение я в л е н и ю р а д и о а к т и в н о с т и , к о т о р о е , как они в е р н о з а м е т и л и , представляет собой
самопроизвольное
превращение а т о м н ы х ядер одних
элементов в а т о м н ы е ядра других.
Д л я г е о х р о н о л о г и и о с о б о е значение
и м е л о о т к р ы т и е а-,/3- и у - р а д и а ц и и , а
не с о б с т в е н н о р а д и о а к т и в н ы х э л е м е н тов. (Позднее б ы л о установлено, что
а - ч а с т и ц ы с о с т о я т из двух п р о т о н о в и
двух н е й т р о н о в , т . е. п р е д с т а в л я ю т
с о б о й я д р о а т о м о в гелия; /3-частицы — это излученные электроны, а
7-лучи — кванты электромагнитного
излучения.) Е щ е р а н ь ш е , в 1900 г., Рез е р ф о р д и Р . К . М а к - К л а н г из М о н р е а л ь с к о г о у н и в е р с и т е т а М а к - Г и л л а пок а з а л и , ч т о э т и лучи несут о г р о м н у ю
э н е р г и ю . О д н а к о к р о м е у з к о г о круга
физиков и химиков, занимающихся
п р о б л е м о й р а д и о а к т и в н о с т и , н а их
с т а т ь ю мало кто обратил внимание.
Совершенно иной б ы л а реакция,
к о г д а в 1903 г. П ь е р К ю р и и А л ь б е р т
Лаборд выступили с сообщением, что
радий излучает тепловую энергию,
достаточную для того, чтобы кажд ы й час р а с т а п л и в а т ь к о л и ч е с т в о
льда, превышающее количество рад и я . И н т е р е с в ы з в а л и м е н н о э т о т неи с ч е р п а е м ы й з а п а с энергии. О т к у д а
она берется? О т в е т на э т о т вопрос дали Резерфорд и Г о в а р д Т. Барнес.
Они установили, что количество тепл о в о й энергии п р о п о р ц и о н а л ь н о числу и з л у ч а е м ы х cc-частиц. Э т и о т н о с и тельно крупные частицы летят с
б о л ь ш о й с к о р о с т ь ю и при с т о л к н о в е нии с а т о м а м и их кинетическая энергия п р е в р а щ а е т с я в т е п л о в у ю .
Г е о л о г и сразу ж е п о н я л и , ч т о сущ е с т в о в а н и е связи м е ж д у р а д и о а к т и в н о с т ь ю и передачей т е п л а в н о с и т
существенную поправку в расчеты
возраста Земли. Кельвин предполаг а л , ч т о з е м н о е т е п л о и м е е т солнечное п р о и с х о ж д е н и е и л и с о х р а н и л о с ь с
т о г о времени, когда Земля находилась в расплавленном
состоянии.
В о б о и х случаях е д и н с т в е н н ы м и с т о ч н и к о м энергии с ч и т а л о с ь г р а в и т а ц и о н н о е с ж а т и е . О д н а к о , если н а З е м л е
и на Солнце радиоактивных элементов было достаточно для образования з н а ч и т е л ь н о г о з а п а с а т е п л о в о й
энергии, э т о з а ч е р к и в а л о х р о н о л о г и ю , п о с т р о е н н у ю К е л ь в и н о м и друг и м и на о с н о в а н и и д о п у щ е н и я о постепенном охлаждении Земли.
В 1903 г. Д ж о р д ж Д а р в и н и Д ж о л и
первыми высказали предположение,
ч т о солнечное и з е м н о е т е п л о , по
крайней мере частично, обусловлено
ЛОРД КЕЛЬВИН {слева вверху) оценил возраст Земли в 20 млн. лет. Эрнест Резерфорд (справа вверху) и Бертрам Б. Болтвуд (слева внизу) с помощью радиологических методов установили, что Земля возникла более миллиарда лет назад. Артур Холмс (справа внизу) продолжил разработку этих методов.
радиоактивностью. Н о много ли
в н у т р и З е м л и р а д и о а к т и в н о г о , вещества? Частично на э т о т вопрос отв е т и л и Ю л и у с Э л ь с т е р и Г а н с Ф . Гейт е л ь , ш к о л ь н ы е у ч и т е л я из В о л ф е н бюттеля
(Германия),
которые
в
1901 г. и з м е р и л и
радиоактивность
в о з д у х а , а п о з д н е е и п о ч в ы . Вскоре
п о с л е них м н о г и е э н т у з и а с т ы - л ю б и т е л и , а т а к ж е п р о ф е с с и о н а л ь н ы е учен ы е в з я л и с ь за и з м е р е н и е р а д и о а к т и в н о с т и д о ж д я , снега и п о д з е м н ы х в о д ,
д а ж е в о д я н о й взвеси у Н и а г а р с к о г о
в о д о п а д а . С к о р о у г е о л о г о в не о с т а лось сомнений в широком распространении радиоактивности на Земле.
Ч т о касается концентрации радиоактивных
элементов,
то
Роберт
Д ж . С т р а т т обнаружил следы радия
во многих горных породах. Н а самом
д е л е н а й д е н н о г о и м р а д и я б ы л о слишком много, для того чтобы этот
э л е м е н т м о г б ы т ь р а в н о м е р н о распределен п о всему з е м н о м у ш а р у (даж е без у ч е т а всех о с т а л ь н ы х р а д и о а к тивных элементов). Радиоактивность
только одного радия должна была
обеспечивать З е м л ю внутренним тепл о м . С т р а т т п р е д п о л о ж и л , ч т о геох р о н о л о г и ч е с к а я ш к а л а не о г р а н и ч е н а
в о в р е м е н и , в о в с я к о м случае он не обн а р у ж и л ни п р и з н а к о в о с т ы в а н и я
З е м л и , ни с в и д е т е л ь с т в , у к а з ы в а ю щ и х н а ее в о з р а с т .
Научное сообщество по-разному
отреагировало на это
открытие.
Д ж о л и и У и л ь я м Д ж . С о л л а с из Оксф о р д с к о г о у н и в е р с и т е т а б ы л и обеспокоены тем, что работа С т р а т т а
м о ж е т о п р о в е р г н у т ь их с о б с т в е н н ы е
расчеты
возраста
Земли — около
100 м л н . л е т . К е л ь в и н н а х о д и л с я в зат р у д н е н и и : в г л у б и н е д у ш и о н сознав а л , ч т о д о к а з а н а о ш и б о ч н о с т ь его
вычислений, однако публично прод о л ж а л их з а щ и щ а т ь . О с т а л ь н ы е б ы ли счастливы освободиться от датировки Кельвина. Итак, радиоактивн о с т ь не толькД р а з о р в а л а « о к о в ы »
созданной К е л ь в и н о м т е о р и и , но и д а л а
ключ к определению возраста Земли.
В
ПЕРВЫЕ г о д ы X X в. п о с л е т о г о ,
как Р е з е р ф о р д и С о д д и н а з в а л и
р а д и о а к т и в н о с т ь « с т и х и й н о й алхим и е й » , и н т е р е с ученых п е р е м е с т и л с я
от радиации к изучению самих радиоа к т и в н ы х э л е м е н т о в . П о м н е н и ю Резерфорда и Содди, за определенное
время один радиоактивный элемент
п р е в р а щ а е т с я в д р у г о й химический
элемент. Скорость превращения выр а ж а е т с я через п е р и о д п о л у р а с п а да — время, необходимое для того,
КАРТОГРАФЫ, создавшие в 1500 г. глобус Ханта-Ленокса
(слева), при определении возраста Земли могли опираться
лишь на библейское летоисчисление, дававшее величину в
800 000 раз отличающуюся от истинной. Астронавты, сфо-
чтобы в пробе данного радиоактивного э л е м е н т а п о л о в и н а его а т о м о в
п р е в р а т и л а с ь в а т о м ы п р о д у к т а распада.
П е р и о д п о л у р а с п а д а у р а з н ы х элементов м о ж е т составлять от миллиа р д о в л е т д о м и л л и о н н ы х д о л е й секунды. Уран, торий и радий и м е ю т
б о л ь ш и е п е р и о д ы п о л у р а с п а д а , поэ т о м у п р и с у т с т в у ю т н а З е м л е в зам е т н ы х к о л и ч е с т в а х , т о г д а как элем е н т о в с к о р о т к и м и п е р и о д а м и полураспада крайне м а л о . Следовательно,
наличие или отсутствие отдельных
радиоактивных элементов в горных
породах связано с возрастом пород, и
измерение концентрации радиоактивных элементов дает возможность
о п р е д е л я т ь а б с о л ю т н ы й в о з р а с т породы.
Радиоактивные элементы образуют различные радиоактивные ряды:
распад элементов продолжается до
тех пор, пока в результате этого процесса не в о з н и к а е т с т а б и л ь н ы й элем е н т . В начале X X в. б ы л о д о к а з а н о
или п р е д п о л а г а л о с ь с у щ е с т в о в а н и е
рядов урана-радия, актиноурана и тор и я . В р е з у л ь т а т е изучения р а д и о а к т и в н ы х э л е м е н т о в и их р я д о в б ы л а
разработана методика определения
абсолютного возраста горных пород.
Пионерами в этих исследованиях были Резерфорд и радиохимик Б е р т р а м
Б. Болтвуд.
Р а б о т а я после о к о н ч а н и я Й е л ь с к о го у н и в е р с и т е т а х и м и к о м - к о н с у л ь т а н т о м , Б о л т в у д изучал м н о г о ч и с -
тографировавшие Землю из космоса (справа), знают, что
Земля возникла 4,5 млрд. лет назад. Эта величина получена
с помощью метода абсолютной геохронологии.
л е н н ы е о б р а з ц ы р у д , в т о м числе
монацит — минерал, в состав котор о г о в х о д я т уран и т о р и й . К о г д а Рез е р ф о р д щ е д р о д е л и л с я с в о и м и знания м и на лекциях в Й е л ь с к о м университете, у Болтвуда зародился интерес к
р а д и о а к т и в н ы м элементам и он стал
с о б и р а т ь д а н н ы е о п р е в р а щ е н и я х элементов в радиоактивных рядах.
Спустя год Резерфорд разработал
м е т о д о п р е д е л е н и я в о з р а с т а З е м л и по
с о д е р ж а н и ю гелия в м и н е р а л а х . Рез е р ф о р д п р е д п о л о ж и л (а в 1908 г. и
д о к а з а л ) , ч т о гелий не я в л я е т с я прод у к т о м р а с п а д а в к а к о м - т о определенном радиоактивном ряде, а образ у е т с я во всех р я д а х при с т а л к и в а н и и
двух э л е к т р о н о в с а - ч а с т и ц е й . С э р
У и л ь я м Р а м с е й и С о д д и в Юниверсит и - К о л л е д ж е в Л о н д о н е к т о м у времени о п р е д е л и л и с к о р о с т ь о б р а з о в а н и я
гелия при р а с п а д е р а д и я . Е с л и р а с ч е т
Рамсея—Содди б ы л точен и с момент а о б р а з о в а н и я гелий не исчезал из
м и н е р а л а (и т о , и д р у г о е к а з а л о с ь
очень в е р о я т н ы м ) , т о с о д е р ж а н и е гел и я д о л ж н о б ы л о у к а з ы в а т ь на возр а с т о б р а з ц а . Р е з е р ф о р д м о г похвастаться тем, что выполнил датировку
и м е в ш е г о с я у него о б р а з ц а фергусон и т а , и м е ю щ е г о в о з р а с т 40 м л н . л е т .
Болтвуд вместе с тем попытался
н а й т и в р а д и о а к т и в н ы х р я д а х конечные продукты распада, количество
к о т о р ы х со в р е м е н е м д о л ж н о в о з р а с т а т ь . У ж е б ы л о известно, что радий
я в л я е т с я п р о д у к т о м р а с п а д а р я д а урана; в 1905 г. Б о л т в у д н а з в а л конеч-
н ы м продуктом распада уранового
р я д а свинец. Г и п о т е з у п р е в р а щ е н и я
у р а н а в свинец п о д д е р ж а л Р е з е р ф о р д .
О н у т в е р ж д а л , ч т о если п р о д у к т о м
р а с п а д а у р а н а я в л я е т с я р а д и й и если
р а д и й (его а т о м н ы й вес с ч и т а л с я равн ы м 225) и его п р о и з в о д н ы е и з л у ч а ю т
5 а - ч а с т и ц ( а т о м н ы й вес к а ж д о й из
к о т о р ы х равен 4), т о в р е з у л ь т а т е распада должен образоваться элемент с
а т о м н ы м в е с о м 205 — значение, б л и з кое к а т о м н о м у весу свинца — 206,9.
Б о л т в у д с ч и т а л , ч т о заслуга о т к р ы тия основного м е т о д а определения
возраста древних пород принадлежит
Р е з е р ф о р д у , о д н а к о и м е н н о химик
Болтвуд
продемонстрировал
возм о ж н о с т и э т о г о м е т о д а . К концу
1905 г. он о п р е д е л и л в о з р а с т 26 разл и ч н ы х о б р а з ц о в м и н е р а л о в и получил значения о т 92 д о 570 м л н . л е т .
К с ч а с т ь ю д л я р е п у т а ц и и н о в о г о мет о д а , э т и р е з у л ь т а т ы не б ы л и опубликованы. Болтвуд допустил неточн о с т ь в о п р е д е л е н и и о т н о ш е н и я рад и я и свинца в р а д и о а к т и в н о м ряду.
Э т о б ы л о вызвано плохой калибровкой ш к а л ы Р е з е р ф о р д а д л я и з м е р е н и я
к о л и ч е с т в а р а д и я , а т а к ж е неоднок р а т н о м е н я в ш е й с я в 1905—1906 гг.
оценкой п е р и о д а п о л у р а с п а д а р а д и я .
О п р е д е л е н и е в о з р а с т а п о р о д существенно зависело о т э т и х величин.
В
РАБОТЕ,
опубликованной
в
1907 г., Б о л т в у д о т м е т и л п о р а зительное постоянство
отношения
свинца и у р а н а д л я м и н е р а л о в из од-
ного геологического слоя, т . е. таких,
возраст к о т о р ы х считался одинаков ы м . Он о т м е т и л т а к ж е , ч т о содержание свинца в минералах в о з р а с т а е т
с увеличением их о т н о с и т е л ь н о г о возр а с т а . М и н е р а л ы , обедненные свинцом, по-видимому, в р е з у л ь т а т е выщелачивания, характеризовались более низкими о т н о ш е н и я м и свинца и
урана, чем о с т а л ь н ы е м и н е р а л ы из
т о г о же слоя. Все эти д а н н ы е х о р о ш о
увязывались между собой. Однако
Б о л т в у д не обнаружил п о с т о я н с т в а
отношения свинца и т о р и я в минералах; конечный продукт в ряду т о р и я
оставался тайной. Он решил не учит ы в а т ь о т н о ш е н и я свинца и т о р и я и
эта ошибка повлияла на определение
возраста минералов, содержащих и
уран, и т о р и й .
Затем он рассчитал, что образец
уранинита (для к о т о р о г о э т о отношение равно 0,041) имеет возраст
410 м л н . лет, а образец т о р и а н и т а
с отношением
0,22
образовался
2,2 м л р д . л е т назад.
К о г д а б ы л о установлено точное
значение периода полураспада радия,
в о з р а с т образцов Б о л т в у д а б ы л пересчитан: они составили о т 250 млн.
до 1,3 м л р д . лет. Однако д а ж е с учет о м этой поправки возраст торианит а б ы л определен неверно, т а к как
свинец образуется в процессе распада
не т о л ь к о урана, но и т о р и я . Т е м не
менее р е з у л ь т а т ы б ы л и впечатляющ и м и м — они свидетельствовали,
что в о з р а с т Земли составляет около
миллиарда лет.
Ч т о б ы определить а б с о л ю т н ы й
возраст минералов, Б о л т в у д исследовал р а д и о а к т и в н ы й ряд уран—радий.
П о лучшим на т о время д а н н ы м Резерфорда, к о т о р ы й в своих расчетах
учел число а - ч а с т и ц , излучаемых радием каждую секунду, период полураспада радия б ы л оценен в 2 600 лет
(по современным данным — 1 620 лет).
С учетом т о г о , что распад радиоактивных элементов идет по экспоненте, д о л я радия, распадающегося за год, д о л ж н а б ы л а с о с т а в л я т ь
270 ООО м л р д - 1 . Резерфорд и Б о л т в у д
установили, что почти по всех горных
породах на 1 м л р д . частей урана приходится 380 частей радия. Таким обр а з о м , д о л я ежегодно распадающегося радия, умноженная на д о л ю радия
в уране, д а е т 1 часть ежегодно распадающегося радия на к а ж д ы е 10 м л р д .
частей урана.
С
Б о л т в у д правильно п р е д п о л о ж и л ,
что р а д и о а к т и в н ы е р я д ы элементов,
содержащихся в собранных и м горных породах, находятся в равновесн о м состоянии. Н а п р и м е р , радиоакт и в н ы й ряд урана—свинца находится
в равновесии, когда число а т о м о в урана, распадающихся за единицу времени, равно числу распадающихся атом о в радия, а т а к ж е числу возникающих а т о м о в свинца. Д л я сохранения
равновесия р а д и о а к т и в н ы е э л е м е н т ы
с б о л ь ш и м периодом полураспада
д о л ж н ы п р и с у т с т в о в а т ь в больших
количествах, чем э л е м е н т ы с коротким периодом полураспада. (Несмотря на т о что со временем количество
урана уменьшается, Б о л т в у д оценил
эти потери как незначительные.)
Б о л т в у д пришел к выводу, что если
к а ж д ы й год на 10 м л р д . частей урана
приходится распад 1 части радия, т о
образуется и 1 часть свинца. Э т о соотношение Б о л т в у д в ы р а з и л формулой: возраст горной п о р о д ы равен
10 м л р д . лет, у м н о ж е н н ы м на отношение содержаний свинца и урана.
ТРАННО, но т а к о й серьезный вывод б ы л встречен равнодушно.
Х о т я с т а т ь я Б о л т в у д а появилась в
главном
геологическом
журнале
США, н и к т о не захотел п о в т о р и т ь
или п р о д о л ж и т ь его исследования. Не
смогли р е з у л ь т а т ы Б о л т в у д а поколеб а т ь и уверенности геологов в т о м ,
что значение р а д и о а к т и в н о с т и переоценивается. Они не т о л ь к о не приним а л и в расчет т е п л о в о й эффект радиоактивного распада на Земле, но и «отш л и ф о в а л и » свои геологические и физические д а н н ы е для д о к а з а т е л ь с т в а
т о г о , что ш к а л а геологического времени Кельвина все-таки верна!
Б о л ь ш е Б о л т в у д не писал о свинцов о м м е т о д е в геохронологии. Он вернулся к исследованиям радиоактивных рядов и о т к р ы л н о в ы й радиоакт и в н ы й элемент — ионий. Резерфорд
со своей с т о р о н ы изредка возвращался к проблеме в о з р а с т а Земли, публикуя примерно одну с т а т ь ю в десять
лет, что вряд ли м о ж н о считать признаком всепоглощающего интереса.
С т р а т т занимался совершенствованием гелиевого м е т о д а определения
в о з р а с т а горных п о р о д до 1910 г.,
после чего т а к ж е о т о ш е л о т этой тем ы и о б р а т и л с я к еще не изученным
проблемам.
Однако С т р а т т оставил после себя
«наследство». Он возбудил интерес к
геохронологии у м о л о д о г о английского студента-геолога А р т у р а Х о л м са, к о т о р ы й почти в одиночку стал зан и м а т ь с я э т о й т е м о й . В конце концов,
именно Х о л м с за долгие годы р а б о т ы
в п р о м ы ш л е н н о с т и и в университетах
Д а р г е м а и Эдинбурга заставил геологов п р и з н а т ь ядерную геохронологию. Однако д о 1930 г. Х о л м с и Д ж о ли б ы л и единственными геологами,
владевшими м е т о д и к о й определения
а б с о л ю т н о г о в о з р а с т а пород, к т о м у
же Д ж о л и сомневался в т о ч н о с т и полученных р е з у л ь т а т о в .
У Х о л м с а сомнений не б ы л о . Он
считал т а к ж е , что свинцовый м е т о д
по сравнению с гелиевым является более н а д е ж н ы м м е т о д о м а б с о л ю т н о й
геохронологии. В 1911 г. в р е з у л ь т а т е
изучения м н о ж е с т в а образцов он
определил возраст наиболее древней
горной п о р о д ы — 1,6 м л р д . л е т . П о
его м н е н и ю (основанному, скорее, на
догадке, чем на доказательстве), при
ф о р м и р о в а н и и г о р н ы х пород, образц ы к о т о р ы х он исследовал, свинец в
них о т с у т с т в о в а л ; образовался же
свинец в р е з у л ь т а т е р а д и о а к т и в н о г о
распада урана, и л ю б ы е внешние воздействия не влияли на количество как
свинца, так и урана.
Д в у м я г о д а м и позже, однако, б ы л и
получены р е з у л ь т а т ы , позволившие
торжествовать противникам Холмса.
Первым было открытие изотопов:
а т о м о в с о д и н а к о в ы м и химическими
свойствами, но с р а з н ы м и весами,
определяющимися числом нейтронов
и п р о т о н о в . Так, например, ядро атом а свинца с о д е р ж и т 82 п р о т о н а , а его
а т о м н ы й вес м о ж е т с о с т а в л я т ь о т 195
до 214. В т о р ы м д о с т и ж е н и е м стало
о т к р ы т и е физических законов, точно
определяющих конечные
продукты
р а д и о а к т и в н о г о распада к а ж д о г о элемента.
Согласно
этим
законам,
конечным п р о д у к т о м распада ряда
т о р и я д о л ж е н б ы т ь один из и з о т о п о в
свинца.
Х о т я для многих специалистов в
о б л а с т и наук о Земле эти новые отк р ы т и я делали м е т о д а б с о л ю т н о й
геохронологии более с л о ж н ы м и менее н а д е ж н ы м , Х о л м с возглавил исследования в э т о м направлении, публикуя непрерывный п о т о к р а б о т по
геохронологии д о и после первой мировой в о й н ы . Он учел в своей р а б о т е
наличие и з о т о п о в и уточнил прежние
р е з у л ь т а т ы . Б л а г о д а р я его успехам
о т к р ы т о е сопротивление а б с о л ю т н о й
геохронологии б ы л о сломлено, однако м е т о д не пользовался б о л ь ш о й поп у л я р н о с т ь ю среди ученых.
Исключение составил Д ж о з е ф Баррелл, профессор геологии Йельского
университета, к о т о р ы й в 1917 г. дал
новую и н т е р п р е т а ц и ю геологической
истории с учетом д а н н ы х а б с о л ю т н о й
геохронологии. Особое значение Баррелл придавал т о м у , что изменение
интенсивности геологических процессов носят циклический, а не м о н о т о н н ы й характер. П о э т о м у современный
т е м п геологических изменений не
м о ж е т б ы т ь , как утверждали униформисты, ключом к познанию прошлого.
М е т о д ы а б с о л ю т н о й геохронологии постепенно получали признание.
К 1921 г. на собрании Британской ассоциации по р а з в и т и ю науки геологи,
ботаники, зоологи, м а т е м а т и к и и физики, выступавшие с д о к л а д а м и , казалось, разделяли мнение о т о м , что
в о з р а с т З е м л и с о с т а в л я е т несколько
м и л л и а р д о в л е т и ч т о д л я его определения м о ж н о и с п о л ь з о в а т ь как р а д и о логические, т а к и геологические м е т о д ы . Однако конкретных рекомендаций в ы р а б о т а н о не б ы л о . Неудивительно, что «старая гвардия» оставалась
настроенной
скептически.
С о л л а с у п о р н о н а с т а и в а л на т о м ,
ч т о в о з р а с т З е м л и не п р е в ы ш а е т
100 м л н . л е т . О н з а я в и л : « Г е о л о г и не
очень о б е с п о к о е н ы т е м , какой о т р е зок времени и м м о г у т п р е д о с т а в и т ь
физики; д л я них не и м е е т б о л ь ш о г о
значения, д л и н н ы й он или н е т , но,
п р е ж д е чем п р и с т у п и т ь к п е р е с т р о й к е
своей науки, г е о л о г и х о т е л и б ы получить доказательства надежности этих
данных».
Окончательная победа пришла в
1962 г.,
когда
в
Национальном
н а у ч н о - и с с л е д о в а т е л ь с к о м с о в е т е нац и о н а л ь н о й а к а д е м и и наук С Ш А б ы л
с о з д а н к о м и т е т д л я изучения п р о б л е м ы определения в о з р а с т а З е м л и .
Х о л м с как о д и н из н е м н о г и х эксперт о в в о ш е л в с о с т а в к о м и т е т а и написал б о л ь ш у ю ч а с т ь о т ч е т а (почти две
трети). К о м и т е т пришел к единодушному выводу, что анализ радиоактивности позволяет создать единственно
н а д е ж н у ю г е о х р о н о л о г и ч е с к у ю шкалу. О т ч е т с о д е р ж а л м н о г о четких и
Ускоритель фотонов
П
РЕДСТАВЬТЕ себе океанский л а й нер, п е р е с е к а ю щ и й с п о к о й н ы й
м о р с к о й з а л и в . Н а берегу человек с
д о с к о й д л я серфинга ж д е т появления
самой большой волны. Он м о ж е т
«поймать» поднятую лайнером волну
и пересечь на ней з а л и в в к и л ь в а т е р е
судна.
Этим примером можно проиллюс т р и р о в а т ь физические п р о ц е с с ы , кот о р ы е л е ж а т в основе идеи о преобр а з о в а н и и к о р о т к и х и м п у л ь с о в светов о г о излучения л а з е р а в и н т е н с и в н ы е
с ф о к у с и р о в а н н ы е пучки р е н т г е н о в ского излучения. Н о в а я т е х н о л о г и я ,
предложенная С. Уилксом и Д ж . Доу с о н о м из К а л и ф о р н и й с к о г о универс и т е т а в Л о с - А н д ж е л е с е , м о ж е т со
временем развиться в более м о щ н у ю
и эффективную а л ь т е р н а т и в у л а з е р а м
на с в о б о д н ы х электронах и рентгеновским л а з е р а м . Н о в ы й м е т о д с о с т о и т в
следующем: пучок частиц пропускают
через облако электронов, в к о т о р о м
генерируется м о щ н а я кильватерная
п о д р о б н ы х д о к а з а т е л ь с т в . Б ы л и надежно определены константы радиоа к т и в н о г о р а с п а д а , в к л ю ч е н ы в расчет ы и з о т о п ы свинца, а т а к ж е показан о , ч т о п р о д у к т ы р а с п а д а не исчезаю т со в р е м е н е м из п о р о д ы . М е т о д ы
определения а б с о л ю т н о г о в о з р а с т а ,
впервые предложенные Резерфордом
и Б о л т в у д о м и р а з р а б о т а н н ы е впос л е д с т в и и Х о л м с о м , п о л у ч и л и наконец б л а г о с л о в е н и е г е о л о г о в . О н и не
только нашли следы начала геологической и с т о р и и , но и получили возм о ж н о с т ь д а т и р о в а т ь ее ц е л и к о м .
За последние ш е с т ь д е с я т и л е т и й
с в и н ц о в ы й м е т о д определения абсол ю т н о г о возраста пород постепенно
с о в е р ш е н с т в о в а л с я , и т е п е р ь д л я наиболее древних п о р о д , о б р а з о в а в ш и х с я
на Земле, он д а е т значение 3,8 м л р д .
л е т . Э т а ц и ф р а о т н о с и т с я скорее к минимальному возрасту твердой земной
к о р ы , чем ко в р е м е н и о б р а з о в а н и я
Солнечной системы в результате сжатия спиралевидной газо-пылевой тум а н н о с т и . В 1955 г. К л е р П а т т е р с о н и
его к о л л е г и из К а л и ф о р н и й с к о г о технологического института
впервые
о п р е д е л и л и в о з р а с т С о л н е ч н о й систем ы по в о з р а с т у м е т е о р и т о в . П о с л е д ние д а т и р о в к и м е т е о р и т о в п о к а з а л и ,
ч т о в о з р а с т « п е р в и ч н о й » З е м л и сос т а в л я е т 4,6 м л р д . л е т .
волна, к о т о р а я передает ф о т о н а м
энергию, д о с т а т о ч н у ю д л я их превращения в рентгеновское излучение.
Для создания облака электронов
газ, п о м е щ е н н ы й в д л и н н у ю камеру,
н а г р е в а ю т д о т е м п е р а т у р ы , при которой электроны отрываются от
а т о м н ы х ядер, т . е. образуется плазм а . З а т е м в нее н а п р а в л я ю т пучок частиц, скорость к о т о р ы х близка к скор о с т и света; в кильватере пучка возникает в о л н а электронов. Ее м о ж н о расс м а т р и в а т ь как «стену» о т р и ц а т е л ь ного заряда (плазменную волну), движ у щ у ю с я в т о м ж е направлении и с т о й
ж е с к о р о с т ь ю , ч т о и пучок частиц.
Идея Уилкса и Доусона состоит в
т о м , ч т о б ы импульс лазерного света
определенной частоты направить в
п л а з м у п о з а д и пучка ч а с т и ц , но впереди фронта движущейся «стены» отриц а т е л ь н о г о з а р я д а . Л а з е р н ы й импульс п р о н и к а е т в п л а з м у в виде пакета фотонов. «Стена» отрицательного
з а р я д а будет р а з г о н я т ь ф о т о н ы , т . е.
они б у д у т п о г л о щ а т ь э н е р г и ю плазменной волны. Таким образом, фото-
н ы р а з г о н я ю т с я , п р и о б р е т а ю т энерг и ю и п о к и д а ю т п л а з м у в виде пучка
излучения в ы с о к о й энергии.
Уилкс, Д о у с о н и их к о л л е г и опублик о в а л и в ж у р н а л е «Physical Review
Letters» р е з у л ь т а т ы
выполненного
ими компьютерного моделирования
т а к о г о процесса ускорения ф о т о н о в .
О с н о в ы в а я с ь на с о в р е м е н н о м с о с т о я нии л а з е р н о й и п л а з м е н н о й т е х н о л о гии, ученые п р е д с к а з ы в а ю т , ч т о в т а к о м у с к о р и т е л е энергия ф о т о н о в м о ж е т б ы т ь увеличена в 10 раз; в результ а т е ф и о л е т о в ы й свет п р е в р а т и т с я в
р е н т г е н о в с к о е излучение. О н и п о л а г а ю т , ч т о если у д а с т с я у в е л и ч и т ь продолжительность
периода
взаимод е й с т в и я ф о т о н о в с п л а з м о й , т о коэффициент
усиления
дополнительно
в о з р а с т е т . Теоретически п о д о б н ы й
у с к о р и т е л ь д о л ж е н б ы т ь более эффект и в е н в с м ы с л е передачи энергии фот о н а м , чем с у щ е с т в у ю щ и е л а з е р ы на
с в о б о д н ы х э л е к т р о н а х и рентгеновские л а з е р ы . П о л у ч а е м о е в ускорителе излучение м о ж е т и с п о л ь з о в а т ь с я в
в о е н н о й технике, в качестве хирургического и н с т р у м е н т а или д л я ускорения процесса т е р м о я д е р н о г о синтеза.
Для первых испытаний фотонного
у с к о р и т е л я ученые п л а н и р у ю т приспособить устройство, ускоряющее
э л е к т р о н н ы е пучки в п л а з м е (см. с т а т ь ю : Д ж . Д о у с о н . П л а з м е н н ы е ускор и т е л и ч а с т и ц , «В м и р е науки», 1989,
№ 5). С е р ф у ж е с т о и т на калифорнийс к о м берегу, и в б л и ж а й ш и е несколько месяцев с т а н е т ясно, с у м е ю т л и физики « п о й м а т ь » в о л н у .
Микросхемы
на товарном рынке
Д
ЕЛЬЦЫ на т о в а р н о й б и р ж е ник о г д а не упускали в о з м о ж н о с т ь
з а к л ю ч и т ь к о н т р а к т на п р о д а ж у всев о з м о ж н ы х с т а н д а р т н ы х т о в а р о в по
о г о в о р е н н ы м на о п р е д е л е н н ы й срок
ценам. Свиная кожа, нефть, золото,
ценные бумаги и даже луковицы для
т ю л ь п а н о в — все э т о б ы л о предмет о м в ы г о д н ы х сделок. Т е п е р ь на двух
биржах дельцам предлагают заключ а т ь с р о ч н ы е к о н т р а к т ы на продукц и ю с о в р е м е н н о й т е х н о л о г и и — микр о с х е м ы динамической п а м я т и п р о и з вольного доступа.
Динамическая память — это важн е й ш а я ф у н к ц и о н а л ь н а я часть к о м п ь ю т е р о в и т а к и х у с т р о й с т в , как лазерный принтер и факсимильные машины. Микросхемы
динамической
п а м я т и п р о и з в о д я т с я в о г р о м н ы х количествах, и в о с н о в н о м я п о н с к и м и
ф и р м а м и . В н а с т о я щ е е в р е м я , наприм е р , список б е с т с е л л е р о в в о з г л а в л я ют микросхемы емкостью 1 Мбит,
содержащие миллион запоминающих
элементов.
М о ж н о ли р а с с м а т р и в а т ь д и н а м и -
ческую п а м я т ь как о б ы ч н ы й т о в а р ,
к о т о р ы м т о р г у ю т на б и р ж е ? О п р е д е л е н н о д а , с ч и т а ю т п р е д с т а в и т е л и недавно организованной в Миннеаполисе т о р г о в о й ф и р м ы Twin Cities Board
of T r a d e и и з в е с т н о й б и р ж и Pacific
Stock E x c h a n g e в С а н - Ф р а н ц и с к о . В
конце м а я они заявили, ч т о в следующ е м году н а м е р е в а ю т с я н а ч а т ь т о р г о в л ю м и к р о с х е м а м и динамической пам я т и после т о г о , как будет получено
официальное
разрешение
властей.
« К а ж е т с я , э т о неплохая идея», — заяв и л Э . Д е й в и с , б и з н е с м е н из Ч и к а г о ,
занимающийся торговлей товарами.
В то же время изготовители микросхем и п о т р е б и т е л и э т о й п р о д у к ц и и
в с т р е т и л и д а н н о е п р е д л о ж е н и е несколько настороженно и с большим
любопытством.
«Микросхемы нельзя н а з ы в а т ь товаром, — возразил
представитель
ф и р м ы Texas I n s t r u m e n t s , о д н о й из
трех американских компаний, производящих блоки динамической памят и . _ М и к р о с х е м ы р а з л и ч а ю т с я по
быстродействию,
а
требования,
предъявляемые к корпусам, неодинаковы у различных фирм, производящих компьютеры и т . п.». Другой
б и з н е с м е н , п о ж е л а в ш и й о с т а т ь с я неизвестным, сказал: « М ы считаем это
предложение возмутительным».
Специалисты по торговле товарам и з а я в л я ю т , ч т о о н и н е п л о х о справляются с большим разнообразием
сельскохозяйственных продуктов. На
р а з л и ч а ю щ и е с я п р о д у к т ы н у ж н о зак л ю ч а т ь к о н т р а к т ы с т о ч н ы м указанием соответствующих характеристик этих продуктов.
Как утверждает
У. Таи,
вицепрезидент
корпорации
Memory
Clearing в С а н - Ф р а н ц и с к о , к о т о р а я
г о т о в и т с я к в ы х о д у на т о в а р н ы й р ы нок д и н а м и ч е с к о й п а м я т и через бирж у P a c i f i c Stock E x c h a n g e , л ю д я м , покупающим и продающим товары,
с р о ч н ы е сделки п о м о г а ю т з а с т р а х о в а т ь с я о т и з м е н е н и я цен. З н а ч и т е л ь н ы е к о л е б а н и я цен на м и к р о с х е м ы — явление обычное.
Согласно
д а н н ы м фирмы Dataquest, занимающ е й с я изучением р ы н к а , в т р е т ь е м
к в а р т а л е 1988 г. цена о д н о й м и к р о с х е м ы п а м я т и с о с т а в л я л а 18,92 д о л л . , а
к т р е т ь е м у к в а р т а л у 1989 г. о ж и д а е т ся, ч т о о н а у п а д е т д о 16,53 д о л л . Т а кие и з м е н е н и я о п а с н ы : в о в т о р о м
квартале нынешнего года доходы
компании Apple Computer значительно снизились отчасти вследствие того, ч т о к о м п а н и я п р и о б р е т а л а м е г а б и т н ы е микросхемы динамической
п а м я т и по в ы с о к и м ц е н а м . ( П р е д с т а в и т е л и A p p l e п о к а не к о м м е н т и р о в а ли предложение о созданий товарного
рынка микросхем.)
Возьмем, например, пользователя
микросхем, решившего
заключить
с р о ч н ы й к о н т р а к т на покупку м и к р о схем. В я н в а р е он у ж е м о ж е т з н а т ь ,
ч т о в и ю л е его к о м п а н и и , в е р о я т н о ,
п о т р е б у е т с я 10 ООО м и к р о с х е м е м к о с т ь ю 1 М б и т , но его б е с п о к о и т возм о ж н о е п о в ы ш е н и е цен. Т о г д а он зак л ю ч а е т с р о ч н ы й к о н т р а к т с указание м ф и к с и р о в а н н о й ц е н ы 18 д о л л . за
ш т у к у ; к и ю л ю цена в ы р о с л а на
50 ц е н т о в за ш т у к у . В э т о й с и т у а ц и и
пользователь м о ж е т п р о д а т ь свой тов а р по т е к у щ и м ц е н а м , з а р а б о т а в по
50 ц е н т о в н а к а ж д о й м и к р о с х е м е , ч т о
покрывает дополнительные расходы
при покупке м и к р о с х е м за н а л и ч н ы й
расчет. И л и ж е он м о ж е т п о т р е б о в а т ь
д о с т а в к у м и к р о с х е м , п о с т а в л я е м ы х по
к о н т р а к т у , за счет п о с т а в щ и к а . В л ю б о м в а р и а н т е м и к р о с х е м ы не о б о й д у т ся д о р о ж е , чем он р а с с ч и т ы в а л .
з а т е м , если э т а п о п ы т к а о к а ж е т с я усп е ш н о й , п е р е й д у т к т о р г о в л е п о контрактам. (Наличный рынок означает
немедленную доставку покупателю
п р и о б р е т е н н о г о т о в а р а . ) Б и р ж а Twin
Cities ф и н а н с и р у е т с о з д а н и е своей
собственной информационной сети,
ч т о б ы обеспечить базу данных для
потенциальных покупателей, продавцов и биржевых маклеров, торгующ и х м и к р о с х е м а м и . Pacific Stock
E x c h a n g e , к р у п н е й ш а я б и р ж а н а западном побережье США, предлагает
о р г а н и з о в а т ь т о л ь к о т о р г о в л ю по
контрактам.
Представители фирм—изготовител е й м и к р о с х е м , т а к и х как Texas Instruments, говорят, что они предпочитаю т сами строить «долговременные,
с т р а т е г и ч е с к и е в з а и м о о т н о ш е н и я » со
своими пользователями, с т е м чтобы
к о л е б а н и я цен и с р о к о в п о с т а в о к сдел а т ь более умеренными. П о э т о м у
Таи считает, что первыми дельцами
н а т о в а р н о м р ы н к е д и н а м и ч е с к о й пам я т и будут агенты небольших компан и й , и з б е г а ю щ и х в с т у п а т ь в рискованные взаимоотношения с крупными производителями.
К а к г о в о р я т н а б л ю д а т е л и , успех
и л и неудача т о р г о в о г о р ы н к а д и н а м и ческой п а м я т и з а в и с и т о т т о г о , какие
именно микросхемы станут предмет о м т о р г о в л и и н а с к о л ь к о ш и р о к о буд у т с ф о р м у л и р о в а н ы у с л о в и я конт р а к т о в . М н о г и е к о м п а н и и у ж е предложили целый ряд пунктов, которые,
п о их м н е н и ю , д о л ж н ы б ы т ь о г о в о р е ны в контрактах. Однако получит ли
д о с т а т о ч н у ю перспективу т о р г о в л я
микросхемами динамической памяти
по к о н т р а к т а м с т а к и м и к о н к р е т н ы м и у к а з а н и я м и х а р а к т е р и с т и к , как,
с к а ж е м , в р е м я д о с т у п а 100 не, п л а с т м а с с о в ы й корпус с 4 в ы в о д а м и д л я
в в о д а / в ы в о д а , сказать пока трудно.
Т е м не м е н е е о б е и м б и р ж а м , в Миннеаполисе и Сан-Франциско, предстоит еще многое сделать. Представители первой биржи, к о т о р а я пока еще
н и ч е м не т о р г у е т , г о в о р я т , ч т о сначал а они с о б и р а ю т с я о т к р ы т ь « н а л и ч ный» рынок динамической памяти, а
« Я не з н а ю , х о р о ш а или п л о х а э т а
идея [ о р г а н и з а ц и я т о в а р н о г о р ы н к а
динамической
памяти], — говорит
Д ж . Айверсон, президент американской а с с о ц и а ц и и э л е к т р о н и к и , — одн а к о и н т е р е с н о п о с м о т р е т ь , к а к о в будет результат».
ТОВАРНАЯ БИРЖА ХЛОПКА в Новом Орлеане, изображенная Эдгаром Дега в
1873 г. Можно ли ее считать предшественником товарного рынка микросхем? Репродукция воспроизведена с картины из Granger Collection.
О скачках уплотнения,
распространяющихся вдоль потока машин
ДЖИРЛ УОЛКЕР
П
РИ НЕ ОЧЕНЬ интенсивном
движении на а в т о с т р а д е водит е л ь м о ж е т ехать примерно с
постоянной с к о р о с т ь ю и д а ж е перед а т ь управление системе а в т о м а т и ч е ского к о н т р о л я скорости, если автом о б и л ь ею снабжен. Н а п р о т и в , при
большой плотности машин водитель
д о л ж е н вовремя и з м е н я т ь скорость
движения, если он хочет, двигаясь в
основном потоке, и з б е ж а т ь столкновений. Э т о д о в о л ь н о нудная процедура, но часто не т р е б у ю щ а я особого
внимания. И н о г д а , впрочем, едущий
впереди а в т о м о б и л ь т а к резко замедляет ход, ч т о в о д и т е л ь вынужден изо
всей силы д а в и т ь на педаль т о р м о з а :
э т о з а с т а в л я е т его «проснуться» и пер е к л ю ч и т ь внимание на дорогу. К а кие же условия с о з д а ю т с т о л ь опасную ситуацию?
Движение а в т о м о б и л е й на д о р о г е
определяется т а к и м м н о ж е с т в о м факт о р о в , что описать его количественно
чрезвычайно т р у д н о . И все-таки начиная с 1950-х годов б ы л о п р е д л о ж е н о
несколько м е т о д о в анализа, к о т о р ы е
со временем усовершенствовались.
Все эти м е т о д ы основаны на т о м , ч т о
п о т о к м а ш и н уподобляется потоку
жидкости; они п о з в о л я ю т р а с с ч и т а т ь
средние свойства п о т о к а , не приним а я во внимание случайные флуктуации.
Один из первых р е з у л ь т а т о в в этой
о б л а с т и б ы л опубликован в 1955 г.
Майклом Д ж . Лайтхиллом и Джер а л д о м Б. У и з е м о м из Манчестерского университета. Они высказали предположение, что небольшие вариации
п л о т н о с т и м а ш и н и их скорости расп р о с т р а н я ю т с я вдоль по потоку в виде «кинематических волн». Если такие в о л н ы , и м е ю щ и е существенно
различные скорости, встречаются,
образуется «скачок уплотнения»; в
э т о м месте водители как раз и в ы н у ж дены резко т о р м о з и т ь . В зависимости о т условий скачок уплотнения
м о ж е т распространяться в т о м же направлении, что и м а ш и н ы (вниз по потоку), в о б р а т н о м направлении (вверх
по потоку) или с т о я т ь на месте.
Две первые ситуации иллюстрирую т с я на с. 79: э т о две серии «мгновенн ы х » изображений п о т о к а м а ш и н ,
движущихся в о д н о м ряду. Три
«снимка» слева п о к а з ы в а ю т скачок
уплотнения, движущийся вниз по потоку, а т р и п р а в ы х снимка — скачок
уплотнения, движущийся вверх по потоку. В к а ж д о й серии снимков левый
о т н о с и т с я к более раннему м о м е н т у ,
а п р а в ы й — к более позднему. В обеих ситуациях едущие б ы с т р о и с больш и м и и н т е р в а л а м и м а ш и н ы (в нижней части снимка) п р и б л и ж а ю т с я к
п л о т н о сбитой группе м а ш и н , движущихся медленнее (в верхней части
снимка). Скачок уплотнения находится в т о м месте, где расположен автом о б и л ь , к о т о р ы й т о л ь к о что резко зат о р м о з и л , ч т о б ы и з б е ж а т ь столкновения с последним из группы медленно движущихся а в т о м о б и л е й . Замет и м , что в первом случае (левая серия
снимков) скачок уплотнения д в и ж е т с я
вниз по потоку, т . е. к а ж д ы й последую щ и й а в т о м о б и л ь п р о е з ж а е т несколько дальше, чем предыдущий,
прежде чем его в о д и т е л ь вынужден
начать т о р м о з и т ь . Во в т о р о м случае
(правая серия снимков) скачок уплотнения д в и ж е т с я вверх по потоку. Вначале я вкратце опишу м е т о д , использованный Л а й т х и л л о м и У и з е м о м , а
з а т е м покажу, как проверить их вывод ы , имея секундомер, видеокамеру и
видеомагнитофон.
П р и анализе используются измеренйя, к о т о р ы е д о в о л ь н о т р у д н о выполнить, но в р е з у л ь т а т е м ы получаем простой, но м о щ н ы й м е т о д , поз в о л я ю щ и й описать возникновение и
распространение
кинематических
волн и скачков уплотнения. Измерения п о з в о л я ю т рассчитать характеристики п о т о к а м а ш и н : «расход» (пропускную способность), п л о т н о с т ь и
среднюю скорость. Вначале проведем
м ы с л е н н о поперек д о р о г и две линии
на н е б о л ь ш о м расстоянии L (скажем,
40 м) друг о т друга. Теперь в о з ь м е м
определенный п р о м е ж у т о к времени Т
(например, 60 с) и посчитаем, сколько
а в т о м о б и л е й проедут за время Т че-
рез отрезок д о р о г и длиной L, а т а к ж е
за сколько времени к а ж д ы й а в т о м о биль пройдет э т о т отрезок (назовем
его т р а н з и т н ы м временем). (Если вы
п р о с т о с т о и т е на обочине и наблюдаете за движением, и з м е р и т ь в т о р у ю
величину н е в о з м о ж н о ; задача, однако, становится в ы п о л н и м о й , если
с н и м а т ь п о т о к м а ш и н видеокамерой,
так ч т о б ы пленку м о ж н о б ы л о прокручивать м н о г о к р а т н о . )
Расход п о т о к а м а ш и н на отрезке L
определяется как число м а ш и н , которое в ы насчитали, деленное на время
Т. Ч т о б ы определить п л о т н о с т ь пот о к а , вы суммируете все т р а н з и т н ы е
времена и д е л и т е сумму на произведение Т и L. Наконец, средняя скорость
равна д е л и м о м у о т расхода на плотность. ( Э т о «уравнение» м о ж н о переписать в ф о р м е , к о т о р а я будет использована ниже: расход равен произведению п л о т н о с т и на с р е д н ю ю скорость.) П р е д п о л о ж и м , к примеру, что
20 м а ш и н п р о х о д я т через отрезок дороги длиной 40 м за 60 с и что сумма
их т р а н з и т н ы х времен равна 36 с.
Тогда расход на отрезке равен 1/3 маш и н ы в секунду, п л о т н о с т ь 0,015 маш и н ы на м е т р , а средняя скорость
22,2 м / с .
Э т и р е з у л ь т а т ы я в л я ю т с я следствием в ы б о р о ч н ы х измерений, поскольку о т о д н о г о м о м е н т а к другому
число машин и их т р а н з и т н ы е времена на отрезке L м е н я ю т с я . Если измерения п о в т о р и т ь м н о г о к р а т н о , м о ж но получить более определенные данные о т о м , каков средний п о т о к машин на отрезке L. Я д о л ж е н особенно
подчеркнуть, что рассчитанная скор о с т ь — э т о условная величина. Если
д о р о г а очень загружена или, наобор о т , свободна, б о л ь ш и н с т в о м а ш и н
движется со с к о р о с т ь ю , близкой к
средней, но при других значениях
п л о т н о с т и м а ш и н м о ж е т оказаться,
что ни один из а в т о м о б и л е й не движется со средней с к о р о с т ь ю . Ч а с т ь из
них м о ж е т двигаться д а ж е намного
быстрее, в особенности на шоссе с несколькими полосами, где нетерпеливый водитель меняет полосу движения при приближении к более медленно движущейся м а ш и н е .
Представим теперь, что м ы смотрим видеофильм и видим, как плотность д о р о ж н о г о потока постепенно
растет от небольших значений д о максимума, соответствующего «пробке»,
когда все м а ш и н ы о с т а н а в л и в а ю т с я .
Вначале редкий а в т о м о б и л ь , проходящий через отрезок L, движется с
предельной скоростью. П о мере возрастания п л о т н о с т и п о т о к а расстояние между м а ш и н а м и уменьшается до
такой степени, что водители начинаю т зависеть друг о т друга. Снижение
скорости в такой ситуации м о ж е т
б ы т ь в ы з в а н о соображениями безо-
являются р е з у л ь т а т о м реакции води- секунды. В следующую секунду начипасности: водитель боится, что идутелей на небольшие изменения плот- нает т о р м о з и т ь водитель, едущий за
щая впереди машина м о ж е т внезапно
ности потока. Предположим, вы дви- вами. Таким образом, процесс замедз а т о р м о з и т ь . Снижение скорости можетесь в потоке с умеренной плотнос- ления движения распространяется нажет б ы т ь вызвано также и т е м , что
волт ь ю . Если ваш автомобиль и автомо- зад в виде кинематической
при интенсивном движении затруднебиль, едущий впереди, движутся оди- ны.
но маневрирование и водители выАналогичная волна возникает и в
наково б ы с т р о , и если вы не хотите
нуждены скапливаться за каким-нит о м случае, когда едущая перед вами
обогнать его, вам нужно просто подбудь медлительным водителем. П о
машина ускоряет ход, так что расстодерживать данную скорость. Если же
мере т о г о как плотность потока возяние между вами увеличивается и
водитель перед вами сбрасывает скорастает, м ы видим на экране телевиплотность в данном месте падает.
рость, расстояние между вашими мазора, как средняя скорость продолСпустя секунду вы т о ж е прибавляете
шинами сокращается, плотность увежает падать по одной из указанных
скорость. Спустя следующую секунду
личивается, и вы д о л ж н ы также снипричин. В пределе плотность потока
ускоряет ход следующая за вами мазить скорость. Ваша реакция не мгнодостигает максимума и машины осташина и т . д. В обоих случаях изменевенна: все действия занимают около
навливаются бампер к бамперу.
Ч т о происходит с расходом при
возрастании
плотности
потока?
Вспомним, что расход выражается
как произведение плотности и средней скорости, причем возрастанию
плотности сопутствует уменьшение
скорости. Вначале расход увеличивается благодаря возрастанию плотности и несмотря на уменьшение скорости. Затем эта тенденция сменяется
на обратную: расход уменьшается в
результате уменьшения средней скорости машин, несмотря на возрастание плотности. Результат м о ж н о выразить в виде «графика расхода», на
к о т о р о м величина расхода является
функцией плотности (см. верхний рисунок на следующей странице). Замет и м , что при некотором промежуточном значении плотности расход достигает максимума; такая ситуация
наблюдается довольно редко. Интервалам между часами пик соответствует левая часть графика. В часы пик
движение описывается правой част ь ю . Переход о т одного состояния
движения к другому происходит
обычно довольно б ы с т р о .
Если у вас есть график расхода, построенный по д а н н ы м измерений, вы
можете найти среднюю скорость автомобилей для данной плотности.
Проведем прямую линию из начала
графика в точку на кривой, которая
соответствует
интересующей
нас
плотности. Наклон этой линии и дает
среднюю скорость при данном значении плотности. Возьмем одну точку в
левой части графика (А ) и одну в правой его части (В); нетрудно видеть,
что наклон линии, как и ожидаемая
средняя скорость, уменьшается. Взяв
крайнюю правую точку на кривой, получим линию с нулевым наклоном,
соответствующим
автомобильной
пробке.
В т а к о м виде, в каком он б ы л сейчас
изложен, этот метод не имеет большой ценности для прогнозов, но
Лайтхилл и Уизем указали и на другую особенность графика, показывающую, как распространяется по по- Р а н ь ш е
току машин кинематическая волна.
Волна возникает в результате тех коАвтомобили, движущиеся в одном ряду, встречаются со скачком уплотнения,
лебаний скорости машин, которые
который распространяется вниз по потоку (слева; или вверх по потоку ('справа;
Наклон дает среднюю '
скорость
njDu Э а н н о й п л о т н о с т и
Малая
Средняя
Плотность
Больаюя
потока
График расхода и определение средней скорости
Наклон к а с а т е л ь н о й д а е т с к о р о с т ь к и н е м а т и ч е с к о й болны
ние скорости примерно компенсирует
изменение плотности потока, так что
расход (равный произведению этих
двух характеристик) остается постоянным. П о этой причине кинематические волны называют волнами с постоянным расходом: прохождение
этих волн оставляет расход неизменн ы м несмотря на небольшие флуктуации скорости отдельных машин.
Скорость распространения кинематических волн по потоку зависит от
средней плотности потока и м о ж е т
б ы т ь определена из графика расхода
(см. нижний рисунок на этой странице). Найдите на кривой точку, соответствующую данной плотности, и
проведите к кривой касательную в
этой точке. Скорость кинематических
волн (относительно дороги или наблюдателя, стоящего у края дороги)
равна наклону касательной. Если точка находится в левой части графика,
наклон положительный, и это означает, что волны распространяются вниз
по потоку. Если точка лежит в правой
части графика, наклон отрицательный и волны распространяются вверх
по потоку. Если точка лежит на вершине кривой, касательная имеет нулевой наклон и волны неподвижны.
Во всех случаях скорость волн меньше средней скорости автомобилей и
поэтому относительно потока волны
движутся назад. Н а б л ю д а т е л ь , стоящий на обочине, м о ж е т не увидеть эти
волны, поскольку связанные с ними
флуктуации весьма незначительны.
Их не замечаешь, даже если проезжаешь сквозь них на машине: вы лишь
оцениваете расстояние до ближайшей
машины и м о ж е т е проследить за своими действиями, к о т о р ы е вам приходится выполнять, чтобы согласовать
скорость вашей машины со скорост ь ю м а ш и н ы , идущей впереди.
Данные по средней скорости машин
и скорости кинематических волн можно представить в более удобном для
практического использования виде,
если с графика расхода перенести их
на «график расстояния», на к о т о р о м
расстояние вдоль дороги отложено
как функция времени (см. левый рисунок на следующей странице). Нижняя
часть нового графика соответствует
началу данного отрезка шоссе, а
верхняя — концу этого отрезка. Левая часть о т р а ж а е т условия в начале
наблюдений, а правая — в более
поздние м о м е н т ы .
Предположим, что плотность и
расход определяются точкой А на
графике расхода. Проведем на этом
графике прямую из начала координат
в точку А , а затем проведем на графике расстояния линию с таким же наклоном. Э т а вторая (пунктирная) линия о т р а ж а е т продвижение автомобиля, едущего со средней скоростью.
А в т о м о б и л ь «въезжает» в рисунок в
начальный момент времени и затем
равномерно движется по дороге.
М о ж н о провести и другие линии, соответствующие автомобилям, котор ы е «въезжают» в рисунок в другие
м о м е н т ы времени и также движутся
со средней скоростью.
С одного графика на другой м о ж н о
перенести и информацию о кинематических волнах. Проведем касательную к кривой расхода в точке А , а затем, уже на графике расстояния, проведем серию линий с тем же наклоном, что и у касательной. Интервалы
между ними не связаны ни с какими
реальными характеристиками, но их
наклон показывает, как распространяются эти волны вдоль отмеченного
отрезка дороги. Волна, которая появляется в начале отрезка дороги, постепенно распространяется вниз по
потоку (на рисунке снизу вверх). То же
построение м о ж н о проделать, взяв
точку В на графике расхода. В этом
случае линии, представляющие средн ю ю скорость и кинематические волны, и м е ю т меньший наклон, чем в
предыдущем примере.
Если плотность машин достаточно
велика, ей будет соответствовать
часть графика в окрестности точки С.
Средняя скорость в данном случае
меньше, чем в предыдущих примерах,
а кинематические волны теперь представляются линиями, имеющими отрицательный наклон. Э т о означает,
что волна появляется где-то впереди
на отрезке дороги и распространяется
назад к его началу.
Графики п о м о г а ю т вообразить, как
движется вдоль потока машин скачок
уплотнения. Он м о ж е т возникнуть в
т о м случае, если по какой-то причине
плотность машин внезапно увеличи-
вается, так что средняя скорость резко падает. Например, скачок уплотнения м о ж е т возникнуть тогда, когда
на автостраду въезжает грузовик, кот о р ы й движется медленнее, чем весь
поток. Водители, подъезжающие к
грузовику сзади по т о й же полосе, вынуждены т о р м о з и т ь и плотность машин в э т о м месте возрастает. Флуктуации скорости и плотности распространяются назад по потоку приближающихся машин в виде скачка уплотнения.
Предположим, что до появления на
дороге грузовика условия движения
характеризовались точкой А на графике расхода, а после появления
грузовика — точкой В. Наклон прямой, соединяющей точки А и В, равен
скорости скачка уплотнения. Он составляет около половины среднего
наклона касательных в точках А и В.
П р я м а я имеет положительный наклон; э т о означает, что скачок уплотнения движется вниз по потоку. Ч т о бы проследить за его распространением, перенесем построенную линию
на график расстояния (см. правый рисунок на этой странице). Дополним
этот график, проведя линии, к о т о р ы е
д о л ж н ы представлять кинематические волны и движение автомобиля со
средней скоростью в условиях, характеризующихся точками А и В на графике расхода. Перед скачком уплотнения (выше на графике) условия описываются точкой В. За скачком условия они описываются точкой А . Замет и м , что скачок уплотнения представляется линией, где кинематическая
волна, распространяющаяся с одной
скоростью, встречается с другой волной, распространяющейся с существенно отличной скоростью. В данном
примере встреча волн приводит к возникновению скачка уплотнения, который распространяется вниз по потоку.
П р е д п о л о ж и м , вы д о л ж н ы проехать через такой скачок уплотнения.
Вначале вы двигаетесь с умеренной
скоростью в умеренно п л о т н о м потоке машин. Затем вы замечаете, что
водитель перед вами резко замедляет
скорость, и вы, ч т о б ы избежать
столкновения, д о л ж н ы резко т о р м о зить. После этого вы продолжаете
двигаться медленнее в более п л о т н о м
потоке машин. Если скачок уплотнения возник в результате появления на
дороге грузовика и если вы находитесь достаточно далеко от него, ситуация м о ж е т показаться странной, поскольку, двигаясь по шоссе, вы не видите ничего, что указывало бы на
причину задержки — например, след ы аварии или р е м о н т а дороги. Если
грузовик постепенно набирает скорость, движение за ним т а к ж е убыстряется и скопление машин рассасыва-
График расстояния
Построение скачка уплотнения, движущегося вниз по потоку
ется. Изменения скорости и плотности распространяются через плотно
сбитую колонну машин и постепенно,
б ы т ь м о ж е т намного позже, д о к а т ы ваются и до вас.
Описанный скачок уплотнения распространяется вниз по потоку, поскольку линия, соединяющая точки А
и В на графике расхода, имеет положительный наклон. М о ж н о проанализировать ситуации, в к о т о р ы х линия, соединяющая две точки на графике расхода, имеет отрицательный
наклон; в э т о м случае скачок уплотнения распространяется вверх по потоку. Если же наклон прямой равен нул ю , скачок уплотнения неподвижен
относительно д о р о г и .
О д н а ж д ы я решил п о н а б л ю д а т ь за
движением на участке а в т о с т р а д ы
вблизи Кливлендского университета.
Я хотел увидеть, как изменяется движение о т полудня до часа пик, когда
м а ш и н ы заполняют все т р и полосы
шоссе. Д л я этого я расположился на
мосту через автостраду, установив на
нем видеокамеру. Камера смотрела
навстречу движению, т . е. вверх по
потоку. Съемка продолжалась около
двух часов. К а м е р а была снабжена
весьма полезным устройством, которое записывало на пленке цифры часов и минут. (В такой ситуации важно
установить видеокамеру над серединой дороги: если она сдвинута в
какую-либо сторону от центральной
линии, большой автобус или грузовик
м о ж е т заслонить легковые м а ш и н ы
на соседней полосе.)
Вернувшись домой, я изучил видеопленку, применив м е т о д Лайтхилла и Уизема для построения графика
расхода. Ч т о б ы привязаться к фиксированному отрезку L , я приклеил к
экрану телевизора две узкие полоски
липкой л е н т ы — одну у верхнего края
экрана, другую у нижнего. В качестве
начала интервала Т я в ы б р а л м о м е н т ,
когда на экране изменились цифры,
указывающие м и н у т ы . Следующее
изменение цифр дало конец интервала. За эти 60 с по экрану от нижней полоски до верхней «проехало» достаточно много машин. Затем я перемот а л пленку и в начальный момент интервала Т приступил к измерению с
п о м о щ ь ю секундомера т о г о времени,
которое потребовалось первому появившемуся в поле зрения а в т о м о б и л ю
«проехать» от нижней полоски до
верхней. Затем я снова перемотал
пленку назад и измерил время проезда
второго автомобиля и т . д. В определенный м о м е н т цифры минут на экране изменились на единицу. Э т о б ы л
конец интервала Т. Автомобиль, за
к о т о р ы м я следил в это время, стал
последним из тех, что я включил в
данные наблюдений.
Д л я т о г о чтобы измерить действительное значение L, я мог бы привязаться к каким-то хорошо з а м е т н ы м
особенностям дороги, расположенн ы м рядом с полосками л е н т ы на
экране (следы колес, оставляемые при
резком торможении, мусор и т . д.), а
затем вернуться на место съемки и измерить расстояние между этими метками. Однако я выбрал более надежный метод. Дождавшись, когда появился школьный автобус, я остановил
пленку и измерил на экране его длину
и расстояние L. Позже, измерив действительную длину автобуса, стоявшего на школьном дворе, я определил
и действительную величину L.
Измерения я проводил только для
среднего ряда. Э т о создавало определенные трудности. Н у ж н о ли б ы л о ,
например, включать в расчеты авто-
м о б и л ь , если на о т р е з к е / , он переходил из одного р я д а в другой? Если на
соседних полосах движение о т л и ч а е т ся о т движения на средней полосе,
продвижение т а к о г о а в т о м о б и л я будет о т л и ч а т ь с я о т его продвижения в
случае, если б ы он оставался на одной
полосе. В конце концов я р е ш и л включ а т ь т а к о й а в т о м о б и л ь в р а с ч е т ы , если он находился на средней полосе
б о л ь ш е п о л о в и н ы т о г о времени, за
к о т о р о е он п р о е з ж а л отрезок L.
П р о и з в е д я такие измерения несколько р а з на п р о т я ж е н и и двухчасового периода съемки, я п о с т р о и л график расхода. Х о т я точки оказались
д о в о л ь н о р а з б р о с а н н ы м и , проведенная через них кривая б ы л а п о х о ж а на
идеальную
кривую,
построенную
Л а й т х и л л о м и У и з е м о м . Точки, хар а к т е р и з у ю щ и е движение до часа пик,
попали в левую часть графика, а те,
что ассоциировались с часом пик, — в
правую. С а м а я в ы с о к а я точка на гра-
фике находится примерно посередине
отрезка на оси п л о т н о с т и , о т р а ж а я
т о т факт, что в д а н н о м месте расход
был максимальным.
Я провел д о в о л ь н о м н о г о времени
перед
телевизором
и
смотрел
« ф и л ь м » , к о т о р ы й снял, не производя никаких измерений. Я видел ускоряющиеся и з а м е д л я ю щ и е ход машин ы , но не замечал никаких кинематических волн. Вероятно, они б ы л и
с л и ш к о м с л а б ы м и . Д о часа пик они
о б ы ч н о движутся вниз по потоку, однако если в какой-то м о м е н т п л о т н о с т ь м а ш и н существенно возрастает, они начинают двигаться вверх по
потоку. В часы пик они всегда распрос т р а н я ю т с я вверх по потоку. Всякий
раз, когда возникал скачок уплотнения, — а судить о б э т о м м о ж н о б ы л о
х о т я б ы по в и з ж а н и ю т о р м о з о в , — я
радовался, что н а б л ю д а ю за движением м а ш и н с экрана, а не из окна автомобиля.
Наука и
От надежды
к разочарованию
К
ОГДА в 1986 г. впервые ш и р о к о
заговорили о в ы с о к о т е м п е р а т у р ных сверхпроводниках,
некоторые
ученые и многие о б о з р е в а т е л и предсказывали наступление « з о л о т о г о века», когда сверхбыстродействующие
к о м п ь ю т е р ы , поезда на м а г н и т н о й
подушке и сверхмощные м а г н и т ы
п р е о б р а з я т облик м и р о в о й экономики. Все эти н о в ы е технические средства будут о х л а ж д а т ь с я ж и д к и м азот о м , к о т о р ы й «дешевле пива». П р о ш л о т р и года, и сейчас уже вырисов ы в а е т с я менее о п т и м и с т и ч н а я карт и н а . « Р а д у ж н ы е н а д е ж д ы на сверхпроводники начали меркнуть», — восклицает « Н ь ю - Й о р к т а й м е » , « П а р т и я проиграна?» — задается вопрос о м «Сайенс».
М р а ч н ы й с м ы с л этих заголовков
навеян не с т о л ь к о неверием в значим о с т ь с а м о г о научно-технического
достижения,
сколько
неожиданно
п р и н я в ш и м широкий р а з м а х соперничеством м е ж д у с т о р о н н и к а м и двух
теориий, в к о т о р ы х д е л а ю т с я п о п ы т ки объяснить, почему в ы с о к о т е м п е р а т у р н ы е сверхпроводники утрачиваю т в ы с о к у ю п р о в о д и м о с т ь больших
т о к о в при воздействии м а г н и т н ы х полей. Э т о нежелательное явление, как
з а я в л я ю т ученые, делает невозможн ы м в настоящее время р е а л и з а ц и ю
идей о создании систем м а г н и т н о -
общество
резонансного изображения и поезда
на м а г н и т н о й подушке, поскольку
нельзя и з г о т о в и т ь т р е б у ю щ и е с я для
них дешевые э л е к т р о м а г н и т ы . В т о
же время т е о б л а с т и , где применение
сверхпроводимости не связано с большими токами и сильными магнитным и п о л я м и , такие как создание сверхпроводниковых датчиков м а г н и т н ы х
полей и не и м е ю щ и х сопротивления
проводников для микросхем к о м п ь ю теров, р а з в и в а ю т с я б ы с т р ы м и т е м пами.
Физикам и м а т е р и а л о в е д а м уже более года известно, что при пропускании электрического т о к а по высокотемпературному
сверхпроводнику,
находящемуся в м а г н и т н о м поле, возникает сила, д е й с т в у ю щ а я на силовые
линии м а г н и т н о г о п о т о к а , пронизыв а ю щ е г о э т о т сверхпроводник; под
воздействием э т о й силы м а г н и т н ы й
поток
становится
направленным
вдоль проводника и создает в нем
электрическое сопротивление. Спорн ы м является вопрос о т о м , остается
ли при э т о м «решетка» силовых линий м а г н и т н о г о п о т о к а фактически
целой в процессе д е ф о р м и р о в а н и я или
она претерпевает ф а з о в ы й переход,
п о д о б н ы й т о м у , к о т о р ы й имеет место, когда лед превращается в воду.
Э к с п е р и м е н т ы , к о т о р ы е м о г л и бы
о т в е т и т ь на э т о т вопрос, еще предс т о и т провести.
П р е д с т а в и т е л и о д н о г о направления, в числе к о т о р ы х А . М а л о з е м о ф ф
из
Исследовательского
центра
им. Т. У о т с о н а ф и р м ы IBM, высказ ы в а ю т с я в пользу г и п о т е з ы о «колоссальных смещениях п о т о к а » . В
э т о м процессе, как они с ч и т а ю т , отдельные силовые линии п о д действием с и л ы , создаваемой т о к о м ,
«перескакивают» с одного м е с т а на
другое; в конце концов вся решетка
«скользит» в направлении т о к а .
Д . Б и ш о п из AT&T Bell Laboratories, к о т о р ы й с п о м о щ ь ю электронного микроскопа получил небезынтересные для р а с с м а т р и в а е м о й п р о б л е м ы
снимки с и з о б р а ж е н и е м « д р о ж а щ и х »
линий п о т о к а , является с т о р о н н и к о м
г и п о т е з ы о ф а з о в о м переходе. Точку
зрения Б и ш о п а разделяет Д . Нельсон
из Гарвардского университета, котор ы й уподобил с п л о ш н у ю решетку сил о в ы х линий коробке, наполненной
м а к а р о н а м и ; по мере увеличения т е м п е р а т у р ы , как указывает Нельсон, линии п о т о к а « р а з м я г ч а ю т с я » и растек а ю т с я , образуя в конечном итоге
массу перепутанных линий.
Фактически из расчетов Нельсона
следует, что м а г н и т н ы е силовые линии м о г у т вести себя подобно длинн ы м п о л и м е р н ы м цепочкам, к о т о р ы е
на неожиданно возникающие силы реа г и р у ю т т а к же, как т в е р д ы е вещества, но « п е р е т е к а ю т » они медленно за
более долгий период. Д а ж е нежесткие
линии м а г н и т н о г о п о т о к а , как говор и т Нельсон, м о г у т сильно п р о т и в о с т о я т ь растеканию.
А т е м временем, не задумываясь
над х о д о м полемики, ученые-матер и а л о в е д ы р а б о т а ю т над созданием
сверхпроводников, к о т о р ы е сохраняли б ы решетку силовых м а г н и т н ы х
линий устойчивой. К а к у т в е р ж д а е т
М . Бисли из С т а н ф о р д с к о г о университета,
сверхпроводящие
тонкие
пленки, способные п р о в о д и т ь большие токи при сильных м а г н и т н ы х полях, « я в л я ю т с я д о к а з а т е л ь с т в о м существования» структур, к о т о р ы е м о гут у д е р ж и в а т ь решетку силовых линий не смещенной. Сунхо Ц з и н ь из
Bell Laboratories считает, что тонкие
пленки и м е ю т больше кристаллических дефектов, к о т о р ы е способны зах в а т ы в а т ь и у д е р ж и в а т ь силовые линии м а г н и т н о г о п о т о к а , но никто не
знает, как воспроизвести такие дефект ы в с п л о ш н ы х сверхпроводниках.
Р . ван Доувер, коллега Сунхо Цзиня, указывает, что сверхпроводники
на основе и т т р и я , излучающие б ы с т р ы е н е й т р о н ы , м о г у т увеличивать пороговое значение т о к а в 10 раз, что
свидетельствует о в о з м о ж н о с т и под о б н о г о п о в ы ш е н и я э т о г о порога у
м а т е р и а л о в с более в ы с о к и м и критическими т е м п е р а т у р а м и . Однако Бишоп считает, что э т о же свойство,
обусловливая у н е к о т о р ы х сверхпроводников высокие критические темпе-
р а т у р ы (за счет о с л а б л е н и я связи
между проводящими плоскостями),
с п о с о б с т в у е т т о м у , ч т о р е ш е т к и силовых линий магнитного потока становятся гибкими и легко «расплавляющимися».
Б и ш о п п о л а г а е т , ч т о и ш и р о к а я рек л а м а , и д о с т а т о ч н о д л и т е л ь н о е врем я , п о т р а ч е н н о е на т о , ч т о б ы н о в ы е
открытия достигли стадии практической р е а л и з а ц и и , с о д е й с т в у ю т неизбежному и в дальнейшем колебанию
между
восторгом
и
отчаянием.
А . Вольски из А р г о н н с к о й н а ц и о нальной лаборатории заявляет: «Нас
не д о л ж н о у д р у ч а т ь с о з н а н и е т р у д н о с т и с т о я щ е й перед н а м и з а д а ч и » .
Усилитель
солнечной энергии
Э
НЕРГИЯ, излучаемая Солнцем,
н а п у т и к З е м л е с у щ е с т в е н н о осл а б л я е т с я за счет дисперсии. К т о м у
м о м е н т у , к о г д а солнечное излучение
достигает нашей планеты, оно уже
настолько слабо, что по крайней мере
все ж и в о е м о ж е т в ы н о с и т ь его, не
п р и б е г а я ни к какой и н о й з а щ и т е , кроме той, к о т о р у ю обеспечивает атмосфера.
О с л а б л е н и е , о к о т о р о м и д е т речь,
ограничивает возможности использов а н и я с о л н е ч н о й э н е р г и и . П е р е д нам и , как у т в е р ж д а ю т с п е ц и а л и с т ы , о т к р ы л о с ь б ы н е м а л о н о в ы х ее п р и м е нений, если б ы м ы н а ш л и с п о с о б ,
обеспечивающий доступ к «первородному» излучению Солнца. Группа
ученых в о главе с Р о л а н д о м У и н с т о н о м из Ч и к а г с к о г о у н и в е р с и т е т а прод е м о н с т р и р о в а л а , как д о с т и ч ь э т о г о .
Ученые соорудили коллектор, котор ы й с п о с о б е н к о н ц е н т р и р о в а т ь солн е ч н ы й свет и с о з д а в а т ь т а к у ю его интенсивность, которая, похоже, выше,
чем на п о в е р х н о с т и с а м о г о с в е т и л а .
В м е с т о о б ы ч н ы х о п т и ч е с к и х сис т е м , к о т о р ы е и с п о л ь з у ю т с я д л я получения и з о б р а ж е н и й и в о з м о ж н о с т и
которых концентрировать световую
э н е р г и ю в е с ь м а о г р а н и ч е н н ы , Уинс т о н и с п о л ь з о в а л и н о й п о д х о д , не
и м е ю щ и й ничего о б щ е г о с п р и н ц и п о м
формирования оптического изображ е н и я . В его у с т а н о в к е п а р а б о л и ч е ское з е р к а л о н а п р а в л я е т свет н а л и н зу, у с т а н о в л е н н у ю н а ш и р о к о м конце
п о л о г о с е р е б р я н о г о конуса, з а п о л н е н ного маслом с высоким показателем
п р е л о м л е н и я . С е к р е т у с т а н о в к и заключается в особой конфигурации
в н у т р е н н е г о п р о с т р а н с т в а конуса, кот о р о е о б р а з у е т с я и с к р и в л е н н о й поверхностью, описываемой сложными
математическими
формулами.
По
с л о в а м У и н с т о н а , э т о с д е л а н о с пом о щ ь ю м е т о д а « к р а е в о г о луча»: все
с в е т о в ы е пучки, п о с т у п а ю щ и е н а в х о д
конуса д а ж е п о д с а м ы м и б о л ь ш и м и
у г л а м и п а д е н и я , о т р а ж а ю т с я не б о л е е
о д н о г о р а з а о т в н у т р е н н е й поверхности, прежде чем достичь выходного
о т в е р с т и я н а у з к о м конце конуса.
«Такая конфигурация, — говорит
Уинстон, — обеспечивает максимально в о з м о ж н у ю к о н ц е н т р а ц и ю » .
Устройство Уинстона, имеющее
н е б о л ь ш и е р а з м е р ы , с п о с о б н о усилив а т ь с о л н е ч н ы й свет в 56 т ы с . р а з и
создавать
излучение
плотностью
4,4 к В т / с м 2 . Е с л и в м е с т о с е р е б р я н о г о
конуса с м а с л я н ы м н а п о л н е н и е м исп о л ь з о в а т ь с п л о ш н о й конус из соединения и т т р и я , а л ю м и н и я и г р а н и т а
(широко используемого в лазерной
технике), т о , как н а д е ю т с я ученые,
к о э ф ф и ц и е н т усиления
солнечного
с в е т а м о ж н о д о в е с т и д о 80 ООО: указ а н н о е соединение о б л а д а е т н а м н о г о
большим показателем преломления,
чем м а с л о , и с п о с о б н о о т р а ж а т ь свет
в н у т р ь п р а к т и ч е с к и без п о т е р ь . В ы х о д н о й луч в э к с п е р и м е н т а л ь н о й у с т а новке У и н с т о н а , описание к о т о р о й
приведено в журнале «Nature», имеет
д и а м е т р не б о л е е 1 м м . Л а б о р а т о р и я
И н с т и т у т а с о л н е ч н о й энергии в Г о л дене ( ш т . К о л о р а д о ) п л а н и р у е т пос т р о и т ь а н а л о г и ч н у ю у с т а н о в к у , в кот о р о й , как п р е д п о л а г а ю т , б у д е т исп о л ь з о в а н о о т р а ж а ю щ е е з е р к а л о диам е т р о м о к о л о 1 м ; д и а м е т р луча на
в ы х о д е б у д е т не б о л е е нескольких сантиметров.
В Израиле и Японии некоторые
д р у г и е в и д ы к о л л е к т о р о в солнечной
энергии с н е т р а д и ц и о н н о й о п т и к о й
уже начали находить коммерческое
применение в различных установках,
р а б о т а ю щ и х на с о л н е ч н о й энергии.
В США в настоящее время изучаются
п о т е н ц и а л ь н ы е в о з м о ж н о с т и использования изобретения Уинстона для
генерации энергии. П о с л о в а м сот р у д н и к а И н с т и т у т а с о л н е ч н о й энергии Д ж . Т о р н т о н а , в п е р с п е к т и в е
установка Уинстона м о ж е т также
н а й т и п р и м е н е н и е в о м н о г и х других
областях. Как предполагает Торнтон,
с о л н е ч н ы й свет ч р е з в ы ч а й н о в ы с о к о й
интенсивности м о ж н о будет использ о в а т ь д л я в ы с о к о т е м п е р а т у р н о й обработки
материалов,
разложения
т о к с и ч н ы х в е щ е с т в и д л я накачки лазеров.
УСТРОЙСТВО, созданное Р. Уинстоном и его коллегами из Ч и к а г с к о г о университета, в схематическом изображении. На верхнем рисунке показано, как свет,
попадая на параболическое зеркало, отражается от него и направляется в полый конус. В конусе (внизу) световые лучи концентрируются н а е г о узком конце
за счет использования принципа «краевого луча».
Занимательный компьютер
странством и которое способно демонстрировать удивительные явления, представляющие научный интерес и необыкновенно красивое зрелище, основано на чрезвычайно прост о м правиле. Оно заключается в т о м ,
чтобы пронумеровать в о з м о ж н ы е состояния от 0 до п — 1 и считать, что
если клетка находится на данном такте в состоянии к, т о на следующем
такте она должна «съесть» л ю б ы е соседние клетки, находящиеся в состоянии к — 1. Съедание проявляется в
т о м , что съеденная соседняя клетка
переходит из состояния к — 1 в состояние к. Э т о правило напоминает
действующую в природе систему поедания высшим существом низшего:
клетка в состоянии 2 может съесть
клетку в состоянии 1, в т о время как последняя поедает клетки в состоянии 0.
Однако в циклическом пространстве
эта цепочка не имеет конца, потому что
клетка в состоянии 0 может поедать соседние клетки в состоянии п — 1.
Клеточная вселенная и ее развитие
во времени и пространстве
А. К. Д Ь Ю Д Н И
ЕКОТОРЫЕ
математические
системы, хотя имеют простое
описание, способны порожд а т ь м и н и а т ю р н ы е вселенные невероятной сложности. Э т и меры не доступны ни телескопам, ни космическим кораблям, их м о ж н о исследов а т ь только с п о м о щ ь ю компьютеров. Одним из примеров является
множество Мандельброта (о к о т о р о м
уже неоднократно пиеалось в статьях
нашей рубрики). Элементы множества определяются путем итерирования
простых арифметических операций,
однако, когда результаты появляются на компьютерном экране, м ы видим потрясающие по сложности изображения. Клеточные а в т о м а т ы пор о ж д а ю т , по-видимому, еще более
удивительные м и р ы , потому что,
подобно нашему, они изменяются во
времени.
вый тип клеточного а в т о м а т а , отк р ы т ы й Дейвидом Гриффитом из Висконсинского университета в Мадисоне. С т а р т у я из произвольно выбранного исходного состояния, а в т о м а т
демонстрирует четыре различные фаз ы , завершающиеся причудливыми
кристаллическими
образованиями,
сильно напоминающими примитивные ф о р м ы жизни.
Клеточный а в т о м а т состоит из бесконечной решетки клеток, каждая из
которых находится в одном из нескольких
возможных
состояний.
К а ж д а я клетка меняет свое состояние
синхронно с очередным т а к т о м воображаемого часового механизма и в соответствии с набором несложных
правил. Реализованные на компьютере клетки представляют собой пикселы (точечные элементы изображения) на экране; различным состояниям клеток соответствуют различные
по окраске пикселы. При правильно
выбранном наборе правил и исходных состояний компьютерный клеточный а в т о м а т м о ж е т п о р о ж д а т ь
чрезвычайно интересные
цветные
узоры, изменяющиеся во времени.
Н а основе этого одного простого
правила циклическое пространство
способно превращать случайное распределение окрашенных точек в стабильные спиралевидные образования. Исходную хаотическую стадию
Гриффит называет «осколками» — и
не без оснований: на начальном этапе
циклическое пространство выглядит
как беспорядочная свалка предметов
неправильной ф о р м ы . Однако через
какой-то промежуток времени осколки сменяются маленькими капельками, по к о т о р ы м пробегают внутренние цветовые волны. Капельки растут, пока не заполнят все циклическое
пространство. В э т о т момент начинаю т выкристаллизовываться спиралевидные объекты, изящные структур ы , питающиеся в ходе непрерывного
вращения.
Ну а с а м ы й лучший пример такой
миниатюрной вселенной дает нам но-
Изобретение Гриффита, которое я
буду называть циклическим про-
К а ж д а я спираль возникает из того,
что Гриффит называет дефектом —
«Клеточные а в т о м а т ы — это стилизованные, синтетические вселенные...
У них свой вид материи, кружащейся
в своем пространстве и времени».
Т. Т о ф ф о л и и Н.
Машины
на клеточных
М а р г о л а с ,
автоматах
Н
ШйШЩ,
Wf%M
Н^НЕ^ЗН
J
-7 СКуЩ
BSb^
• J» mffi^
J 4J
Ш 1
Циклическое пространство с 14 состояниями в фазе осколков (слева) и капель (справа)
этот термин заимствован из кристаллографии. Спирали растут медленно
и величественно, но в конце концов им
становится тесно и они начинают бороться за жизненное пространство.
Одни уступают в борьбе, другие же
п р о д о л ж а ю т доминировать вплоть
до заключительной фазы в развитии
циклического пространства. Такие
долгоживущие спирали Гриффит называет демонами.
Независимо от того, велико или мало количество возможных состояний,
развитие всегда идет по одному и тому
же сценарию: осколки сменяются капельками, затем появляются дефекты
и демоны. Первые три фазы характеризуются свойством метастабильности: они удерживаются в течение большого количества циклов, прежде чем
уступят место следующей фазе.
Рассмотрим циклическое пространство, обладающее двадцатью возм о ж н ы м и состояниями. Почему первоначальное случайное распределение
состояний оказывается метастабильным? Другими словами, почему требуется довольно длительное время, прежде чем обширные области на экране изменят свою мелкодисперсную хаотическую структуру? (Конечно, время от
времени и на начальной стадии возникают пульсирующие капельки, но в целом
они не меняют картины.)
На самом деле ответ тут очень простой. Скажем, если клетка находится
в состоянии 5, т о насколько велика вероятность, что по крайней мере одна
из 4 соседних клеток будет в состоянии 4? Очевидно, невелика. При 20 дозволенных состояниях эта вероятность будет приблизительно равна
0,19. Н о даже если одна из соседних
клеток окажется «съедобной», велика
ли вероятность, что на следующем
такте либо у данной клетки, либо у
«съеденной» по соседству окажется
клетка в состоянии 4? Э т о вероятностное рассуждение объясняет картину, наблюдаемую на экране компьютера, когда циклическое пространство начинает эволюционировать от исходного случайного распределения клеточных
состояний:
после нескольких спорадических изменений циклическое пространство входит в состояние застоя.
Однако это не полный застой.
Вспомним о нескольких изолированных капельках. П о поверхности каждой капли п р о к а т ы в а ю т с я волны, которые, отражаясь от окружающих
осколков, изменяют направление движения. Э т о т процесс, по-видимому,
не только поддерживает жизнь в капельке, но и способствует ее росту:
клетки из окружающих осколков вовлекаются в процессы, протекающие
внутри капли. Увеличивающиеся кап-
Два цикла, один из которых (справа) является дефектом
ли постепенно сливаются друг с другом, оставляя все меньше рассеянных
островков из осколков. Ч т о заставляет капли расти?
Одним из факторов, гарантирующих постоянный рост капли, является
наличие цикла: замкнутой цепочки
клеток, в которой состояние каждой
клетки отличается от состояния прилегающих к ней клеток не более чем на
1 (см. рисунок вверху). Таким образом, если взять л ю б у ю клетку, принадлежащую циклу, т о состояние следующей клетки м о ж н о получить прибавлением 1 , - 1 или 0 к состоянию
данной. (Напомним, что в циклическом пространстве наивысшее состояние отличается о т состояния 0 также
на 1.) Если просуммировать по всей
замкнутой цепи разности состояний
при переходе от клетки К клетке, т о
окончательная сумма м о ж е т получиться и не равной 0. Цикл, обладающий такой характеристикой, будет
неопределенно долго поддерживать
процесс роста капли. На самом деле
это и есть дефект, основа третьей метастабильной фазы в развитии циклического пространства.
Клеточные процессы, обусловленные дефектом, отличаются от процессов, протекающих в бездефектном
цикле. Дефект заставляет окружающие клетки изменять состояние в регулярном ритме. На компьютерном
экране область, окружающая дефект,
приобретает изящную спиральную
геометрию. В конце концов все циклическое пространство (или по крайней
мере та его часть, которая видна на
экране) полностью покрывается такими спиралями.
Каким образом образуются дефект ы по мере того, как циклическое пространство эволюционирует от исходного состояния, когда оно представляет собой «груду» осколков? Конечно же, дефект м о ж е т существовать с
самого начала клеточной вселенной.
На самом деле, если учесть, что циклическое пространство бесконечно,
т о среди осколков статистически га-
Циклическое пространство в фазе дефектов
ния
такого
цикла.
Читателям,
к о м п ь ю т е р ы к о т о р ы х и м е ю т небольшую память, м ы советуем ограничиться сравнительно маленьким массивом клеток, скажем 50 х 50. В приведенных здесь двух внутренних циклах размеры клеточного массива
предполагаются р а в н ы м и 100 х 100.
Клетка с координатами (/, j ) находится на пересечении /-й строки и /'-го
столбца.
Циклическое пространство в заключительной фазе демонов
рантировано наличие дефектов. И все
же дефекты обычно образуются т а м ,
где их раньше не б ы л о . Как? Я предл а г а ю читателям построить маленький прямоугольник из клеток, который на данный момент не содержал
бы дефекта, но в дальнейшем породил бы его. Д л я этого нужно выработ а т ь некоторый несложный тест
(конечно, не такой, к о т о р ы й компьютер выполнял бы в течение долгого
времени), определяющий области,
где в дальнейшем должен появиться
дефект.
Четвертую и последнюю фазу трудно визуально отличить от третьей. П о
словам Гриффита, некоторые дефект ы оказываются «эффективнее» других в т о м отношении, что они действуют как часовой механизм с п состояниями: прохождение клеточных
состояний по самому внутреннему
циклу требует в точности п т а к т о в .
Спирали, движущиеся в более медленном ритме, поглощаются более
эффективными спиралями. Такие эффективные спирали и являются демонами, которые населяют четвертую фазу
циклического пространства. Они обустраиваются на вечное существование,
отделяясь от соседних демонов невидимыми, но прочными барьерами.
Возможно Гриффит и не о т к р ы л
бы циклическое пространство, если
бы Н о р м а н Марголас и Томассо Тоффоли из Массачусетского технологического института не разработали машину на клеточном а в т о м а т е (Cellular
Automaton
Machine),
сокращенно
С А М . Э т а машина состоит из нескольких больших микросхем на
плате, вставляемой в с т а н д а р т н ы е
гнезда персонального компьютера. В
интегральных микросхемах каждая
клетка автомата представляется отдельной ячейкой пямяти, содержимое
которой изменяется с помощью специальных управляющих логических схем.
При максимальном быстродействии
САМ способна перевычислять клеточный массив размером 256 х 256 со скоростью 60 раз в секунду.
К сожалению, с т о и м о с т ь э т о г о устройства довольно высока. Тем не-менее читатели могут создать свою собственную модель циклического пространства (хотя и более медленную по
сравнению с САМ) под названием
D E M O N , переведя приведенное ниже
алгоритмическое описание на наиболее привычный для них язык программирования. В алгоритме используются два массива: new (новый) и old (старый), содержащие соответственно текущие и предшествующие состояния
клеток циклического пространства.
repeat until н а ж а т а клавиша
for i ~ 1 to 100
for j - 1 to 100
for каждый сосед (k, I) клетки (/, j )
if old (k, I) = old (/, j ) + 1
then new (/, j) — old (k, I)
for / - 1 to 100
for j - 1 to 100
показать new (/, j)
old (/, j ) - new (/, j )
Внешний цикл, заканчивающийся,
когда
пользователь
программы
D E M O N нажимает
определенную
клавишу, управляет повторением основных циклов проверки и высвечивания состояний клеток. Разумеется,
в о з м о ж н ы и другие способы построе-
В самом внутреннем цикле прог р а м м ы D E M O N проверяется состояние каждой из четырех клеток, прилегающих к клетке (/, j). ( П о э т о м у читателям в своих версиях а л г о р и т м а нужно включить инструкции, присваивающие значения i — 1 и / + 1 индексной переменной к, когда / равно j.
Аналогичным
образом,
значения
j — 1 и j + 1 д о л ж н ы б ы т ь присвоены /, когда к равно / .) Если состояние
одной из соседних клеток оказывается на 1 больше состояния клетки (/, j),
т о клетка (/, j ) должна б ы т ь съедена:
ее состояние становится равным состоянию этой соседней клетки.
В программе D E M O N при вычислении значений old (/, j ) + 1 д о л ж н о
применяться сложение по модулю.
Другими словами, если old (/', j ) оказывается равным п — 1, т . е. наивысшему состоянию, т о сумма old (/', j ) + 1
должна б ы т ь равна 0. Следовательно,
если число состояний б ы л о выбрано
равным 10, т о возможные состояния — это 0, 1,2, ..., 9 и 9 + 1 = 0. Если состояние клетки изменяется, т о
его новое значение нужно присвоить
элементу массива new (/, j).
В двойном цикле, следующем за циклом проверки, высвечиваются все
клетки, содержащиеся в массиве new,
а в массиве old старые значения заменяются соответствующими значениями из new. Ч т о б ы выяснить, как высвечивать клетки на компьютерном
экране, читатели могут ознакомиться
с описанием этой процедуры в наших
предшествующих статьях, в частности в статье за п р о ш л ы й месяц.
Арифметические операции д о л ж н ы
выполняться по модулю не только по
отношению к значениям состояния
клеток, но и по отношению к индексным переменным i и j. Простейший
способ создать и л л ю з и ю бесконечного пространства заключается в т о м ,
чтобы придать экрану свойство замкнутости. Клетки в крайне правом
столбце считаются прилегающими к
клеткам крайне левого столбца, а
клетки нижней строки — прилегающими к клеткам верхней. Д л я этого
нужно воспользоваться значениями
индекса от 0 до 99, а не о т 1 до 100. Таким образом, клетка, прилегающая
справа к клетке (23,99), будет иметь
координаты (23,0). Следовательно,
числа / — 1, / + 1, j — 1 и j + 1, являющиеся индексами соседей клетки
(/, j), д о л ж н ы б р а т ь с я по м о д у л ю . В
большинстве я з ы к о в п р о г р а м м и р о в а ния существуют инструкции, к о т о р ы е
д е л а ю т это автоматически.
Конечно, п р о г р а м м а D E M O N долж н а п о з в о л я т ь п о л ь з о в а т е л ю «инициа л и з и р о в а т ь » клеточное пространство начальными значениями состояний. Д л я э т о г о в а л г о р и т м е м о ж н о
п р е д у с м о т р е т ь средство, позволяющее п о л ь з о в а т е л ю указать желаемое
количество в о з м о ж н ы х состояний, а
т а к ж е о р г а н и з о в а т ь цикл, з а д а ю щ и й
каждой клетке п р о с т р а н с т в а исходное, случайно в ы б р а н н о е состояние
из д о п у с т и м о г о диапазона чисел.
К а к и м же лучше всего в ы б р а т ь числ о в о з м о ж н ы х состояний? Э т о зависит о т т о г о , как д о л г о с м о ж е т ж д а т ь
читатель, пока все четыре ф а з ы не
сменят друг друга на экране компьют е р а . Если число состояний очень велико, скажем больше 25, т о случайно
проинициализированный массив разм е р о м 100 х 100, вероятно, в о о б щ е
не будет э в о л ю ц и о н и р о в а т ь . С другой с т о р о н ы , когда число состояний
м а л о , т о ф а з ы с м е н я ю т друг друга
слишком б ы с т р о , и э т о т о ж е не интересно. Г р и ф ф и т рекомендует выбир а т ь число состояний в интервале от
12 до 16.
Несколько месяцев назад я говорил,
что с о б и р а ю с ь нанести визит в Висконсинский университет, ч т о б ы рассказать о д е я т е л ь н о с т и так называем о й «мафии исследователей частиц»,
членом к о т о р о й
является
также
Г р и ф ф и т . ( Э т о название объясняется
т е м , что на раннем этапе о б л а с т ь науки, изучающая системы частиц, б ы л а
связана с именем Фрэнка Спитцера,
м а т е м а т и к а из Корнеллского университета, т . е. из т о й местности, где
(согласно
голливудской
легенде)
скрывалась когда-то ш т а б - к в а р т и р а
мафии.) Публикации и лекции Спитцера, посвященные системам частиц,
способствовали популяризации этой
области науки в Северной Америке;
аналогичную р о л ь с ы г р а л а р а б о т а его
коллеги Р . Л . Д о б р у ш и н а в Советском С о ю з е . Несколько студентов,
учившихся у Спитцера в Корнеллском
университете, а т а к ж е ряд других его
последователей занялись играми, основанными на системах частиц. Пом и м о Г р и ф ф и т а м о ж н о н а з в а т ь также
таких
исследователей,
как
М. Б р а м с о н ( т о ж е из Мадисона),
Р. Д е р р е т из К о р н е л л с к о г о университ е т а и Т. Л и г г е т из Калифорнийского
университета в Лос-Анджелесе.
Ч т о же собой представляет система
частиц? О б ы ч н о под такой системой
подразумевается клеточный а в т о м а т ,
в к о т о р о м в к а ж д ы й м о м е н т л и ш ь од-
на клетка м о ж е т и з м е н я т ь свое состояние — зачастую случайным образом. А л г о р и т м диффузионно-ограниченной агрегации, описанный в нашей
февральской статье, является одним из
примеров. В данном случае единственная частица совершает случайное движение по решетке клеток д о тех пор,
пока не встретится с растущим агрегат о м . Она застывает на месте, и в т о т
же м о м е н т другая частица начинает
движение. Со временем агрегат всегда
приобретает форму в виде дерева.
С и с т е м ы частиц поставили перед
исследователями ряд в а ж н ы х и трудных п р о б л е м , не последнее место среди к о т о р ы х з а н и м а е т , в частности,
вопрос, касающийся долговременной
устойчивости определенных фаз, возникающих в ходе эволюции подобных
систем. Х о т я циклическое пространство и не о т н о с и т с я к т р а д и ц и о н н ы м
системам частиц, Г р и ф ф и т считает,
что оно по крайней мере д а е т м о д е л ь
локально периодических волновых
объектов, которая, б л а г о д а р я своим
п р о с т ы м правилам, значительно легче поддается м а т е м а т и ч е с к о м у изучению. И д е й с т в и т е л ь н о , н е д а в н о он доказал т е о р е м у , к о т о р а я д а е т для каждого в о з м о ж н о г о р а з м е р а массива и
числа состояний в е р о я т н о с т ь т о г о ,
что циклическое п р о с т р а н с т в о никогда не в ы й д е т из своей первоначальной
фазы осколков.
Ну а для нас с вами циклический
клеточный а в т о м а т по крайней мере
представляет в о з м о ж н о с т ь исследов а т ь свойства м и н и а т ю р н о й вселенной. Конечно, она намного проще т о й
Вселенной, в которой м ы живем, но у
нее есть свои неведомые нам к р а с о т ы
и удивительные явления.
Н
АША с т а т ь я в июньском номере
журнала, посвященная шутливой т е м е о получении м а т е р и и из ничего, в ы з в а л а многочисленные отклики читателей. В с т а т ь е рассматривались два м е т о д а получения «дополнительной» м а т е р и и , оба основанные на
парадоксах. П е р в ы й м е т о д заключался в разрезании квадрата 8 x 8 д ю й м о в на четыре части, из к о т о р ы х зат е м собирался прямоугольник размер о м 5 x 1 3 д ю й м о в . Если эту операцию п р и м е н и т ь к квадрату, сделанному из з о л о т а , т о м о ж н о б ы л о бы
быстро обогатиться.
Б о л ь ш и н с т в о читателей р е ш и л о
«парадокс», т щ а т е л ь н о изучив приведенный в с т а т ь е чертеж. С о б р а н н ы й
прямоугольник, конечно, б ы л подделкой (на что явно указал Липоф). Если
п о п ы т а т ь с я с о б р а т ь из ф р а г м е н т о в
квадрата прямоугольник, как показано на рисунке, т о в его середине будет
зазор. Его п л о щ а д ь в т о ч н о с т и равна
одному к в а д р а т н о м у д ю й м у . Следовательно, первый «парадокс» вовсе не
является парадоксом. Э т о с т а р ы й
т р ю к , с к о т о р ы м я впервые познакомился,
прочитав
очаровательную
книгу Р. Рида « Т а н г р а м м ы » .
Второй парадокс совершенно реален, д а ж е если он, несмотря на утверждения Л и п о ф а , и не м о ж е т б ы т ь
применен для производства м а т е р и и .
Парадокс Банаха — Тарского гласит,
что шар м о ж н о р а з р е з а т ь на конечное
число ф р а г м е н т о в т а к и м о б р а з о м ,
что из них м о ж н о с о б р а т ь другой
сплошной шар вдвое большего объема! Восклицательный знак, поставленный м н о ю , в о з м о ж н о покажется излишним т е м читателям, к о т о р ы е отд а ю т себе отчет, что эти « ф р а г м е н т ы »
совсем не просты и их лучше описыв а т ь как математические множества.
Схема, и л л ю с т р и р у ю щ а я описание
парадокса, б ы л а заимствована из книги С. Вэйгона, сотрудника колледжа
С м и т а , под названием « П а р а д о к с
Банаха — Тарского». Н а рисунке двумерное гиперболическое пространство проектируется на плоский круг
двумя р а з л и ч н ы м и способами. Рисунок служит наглядной демонстрацией
парадоксальной
природы
пространства. Показаны три множества,
каждое из к о т о р ы х одновременно
равно половине и третьей части пространства. Теорема, положенная в основу и л л ю с т р а ц и и , б ы л а результат о м совместной р а б о т ы Вэйгона и
Я н а Мициельски из университета Кол о р а д о в Боулдере.
В
последнее
время
парадокс
Банаха — Тарского с т а л привлекать
внимание м а т е м а т и к о в в связи с работ а м и М и к л о ш а Л а ш к о в и ч а из Будапештского университета (см. заметку
в рубрике «Наука и о б щ е с т в о » в сент я б р ь с к о м номере нашего журнала).
Л а ш к о в и ч доказал, что круг м о ж н о
р а з л о ж и т ь на конечное число фрагм е н т о в (на с а м о м деле э т о число
меньше Ю 50 ), а затем с о б р а т ь из них
квадрат т о й же п л о щ а д и .
Перед ч и т а т е л я м и книги Д . Ш а ш и
« У д и в и т е л ь н ы е приключения доктора Экко» б ы л о поставлено 10 задач,
решение к о т о р ы х д а в а л о право на титул «всеведущего», учрежденный сам и м д о к т о р о м Экко. П о б е д и т е л я м и
конкурса стали Ф. Гэлвин из Лоуренса
(шт. Канзас) и Л . Брайт из Линкольна
(шт. Небраска), к о т о р ы й выиграл также главный приз, ш а х м а т н ы й набор,
присужденный ему по жребию.
Одна из задач э т о г о конкурса заключалась в т о м , ч т о б ы п р и д у м а т ь
о п т и м а л ь н о е расположение к о м н а т в
антарктическом
исследовательском
центре. Здание д о л ж н о с о с т о я т ь из
31 комнаты, каждая площадью 20 квадратных футов. Ни одна из комнат не
должна иметь больше 4 дверей, а толщину стенок можно считать пренебрежимо малой. К о м н а т ы и двери долж н ы б ы т ь расположены так, чтобы из
любой заданной комнаты м о ж н о было
перейти в любую другую, не проходя
по пути более чем через 6 дверей.
Наилучшее
решение
прислал
Б. Л . П л а т т из Вудз-Кросса ( ш т .
У Юта). Ч и т а т е л и м о г у т п о п ы т а т ь с я
п о в т о р и т ь решение П л а т т а , воспользовавшись древовидной структурой.
В о з м о ж н о , придется поэксперимент и р о в а т ь с натуральной м о д е л ь ю ,
Опечатки в отпечатках
Н
ЕКАЯ В и л ь м а П о н с и ее двухлетняя дочь 5 февраля 1987 г. б ы л и
обнаружены зарезанными в своей квартире в Ю ж н о м Бронксе. П о подозрению в убийстве полиция арестовала их
соседа Хосе Кастро. Н а браслете его
часов оказалось пятно высохшей крови.
Кровь послали для анализа в лаборатор и ю фирмы Lifecodes Corporation в
Валхалле (шт. Нью-Йорк) — одну из
двух коммерческих л а б о р а т о р и й в
С Ш А , п р и м е н я ю щ и х в практических
целях н о в ы й криминалистический мет о д , к о т о р ы й м о ж н о н а з в а т ь генетической дактилоскопией. Э т а л а б о р а т о р и я д а л а однозначный о т в е т : кровь
на часах К а с т р о и кровь П о н с одна и
т а же. Однако в ходе предварительного слушания по делу Кастро, проведенного для т о г о , ч т о б ы убедиться в доверии научной общественности к новому криминалистическому м е т о д у ,
группа ученых, в т о м числе Э. Л а н д е р
из И н с т и т у т а медико-биологических
исследований Уайтхеда, к о т о р ы й выступал как свидетель з а щ и т ы , и
Р. Роберте из Колд-Спринг-Харборской лаборатории, являвшийся свидетелем обвинения, предъявила претензии к заключению сотрудников фирмы
Lifecodes Corporation. Ландер, Роберте
и еще двое участвовавших в разбирательстве ученых пришли к выводу, отраженному в необычном совместном
заявлении, что данные, полученные в
Lifecodes Corporation, в научном смысле недостоверны. Между т е м ожидалось, что в июле судья Д ж . Шейндлин
вынесет решение по делу К а с т р о именно на основании результатов генетической дактилоскопии.
П о с л е дела К а с т р о и нескольких
других случаев, в к о т о р ы х в ы в о д ы
криминалистов, основанные на рез у л ь т а т а х анализа Д Н К , б ы л и подвергнуты сомнению, общественность
обеспокоилась т е м , не с л и ш к о м ли
поспешно юридическая практика взя-
ч т о б ы удостовериться в существовании р а з у м н о г о архитектурного решения. М о ж е т б ы т ь , н а ш и м всемогущ и м а р х и т е к т о р а м удастся и более
оригинальная схема расположения,
к о т о р а я при тех ж е условиях м о ж е т
в м е с т и т ь б о л ь ш е чем 31 к о м н а т у . Решение м о ж н о п о с ы л а т ь на адрес
Д . Шаши, я же опубликую и м я побед и т е л я в одном из следующих номеров журнала. Шаша р а б о т а е т в Математическом и н с т и т у т е им. К у р а н т а
при Н ь ю - Й о р к с к о м университете, на
отделении и н ф о р м а т и к и .
ла на вооружение генетическую дакт и л о с к о п и ю . Широко разрекламированный м е т о д уже послужил в С Ш А
основанием д л я 200 обвинительных
приговоров и нескольких оправдат е л ь н ы х (согласно оценке П . Н ь ю филда и Б . Шека, б ы в ш и х защитникам и в деле К а с т р о ) . Х о т я н и к т о не оспаривает
эффективность
анализа
Д Н К , в ы с к а з ы в а ю т с я опасения, что
его и с п о л ь з у ю т неправильно и из-за
неблагоприятной репутации м е т о д а
о т генетической дактилоскопии м о г у т
вообще отказаться.
П о общему мнению, настоятельно
н е о б х о д и м ы с т а н д а р т ы . Группа специалистов ш т . Н ь ю - Й о р к , собранная
по э т о м у вопросу, скорее всего потребует учредить к о н с у л ь т а т и в н ы й ком и т е т д л я надзора за качеством конт р о л ь н ы х процедур при анализе
Д Н К ; э т о т к о м и т е т в ы д а в а л б ы криминалистическим л а б о р а т о р и я м соо т в е т с т в у ю щ е е официальное удостоверение. Н а ц и о н а л ь н а я академия наук
С Ш А п р е д л о ж и л а провести исследование, ч т о б ы в ы р а б о т а т ь инструкции, к о т о р ы м и м о ж н о б ы л о б ы руководствоваться. Н а ц и о н а л ь н ы й инстит у т юриспруденции и Федеральное
б ю р о расследований, к о т о р ы е сначал а отказались финансировать э т о исследование, в июне 1989 г. приняли
решение п о д д е р ж а т ь его.
Генетическая дактилоскопия — в
принципе п р я м о й м е т о д . Он базируется на т о м , что в человеческой Д Н К
имеются последовательности, котор ы е несколько варьируют по длине у
разных людей. Д Н К расщепляют при
п о м о щ и ферментов и р а з д е л я ю т фрагм е н т ы путем электрофореза в геле. Зат е м гель о б р а б а т ы в а ю т Д Н К - п р о б а м и , несущими р а д и о а к т и в н у ю метку,
причем в качестве п р о б берутся послед о в а т е л ь н о с т и Д Н К , комплементарн ы е в а р и а б е л ь н ы м участкам и п о т о му связывающиеся с ними. Фрагмент ы , связавшие меченую пробу, выявл я ю т с я на рентгеновской пленке в ви-
де т е м н ы х полос, положение к о т о р ы х
с о о т в е т с т в у е т длине
фрагментов.
Зная закономерности популяционной
генетики и характеристики Д Н К в
конкретной популяции, м о ж н о рассчитать, как часто встречается данн ы й аллель определенного фрагмента
в этой популяции. Если число проб
д о с т а т о ч н о велико, в е р о я т н о с т ь того, ч т о у двух индивидов «отпечатки
пальцев» Д Н К совпадут, очень м а л а .
Однако в криминалистике р е з у л ь т а т
анализа Д Н К м о ж е т оказаться трудно и н т е р п р е т и р у е м ы м . Н а конференции, состоявшейся осенью 1988 г. в
Ц е н т р е Бэнбери в Колд-Спринг-Харбор, молекулярные биологи, статистики, р а б о т н и к и органов правосудия
и ю р и с т ы обсуждали критерии, котор ы м и следует руководствоваться при
принятии решения об идентичности
образцов Д Н К на основании визуального сравнения рентгеновских пленок
и расчета м о л е к у л я р н ы х масс фрагм е н т о в по п о л о ж е н и ю в геле с пом о щ ь ю к о м п ь ю т е р а . Участники конференции
подчеркнули
необходим о с т ь к о н т р о л я , поскольку фрагмент ы одного р а з м е р а по р а з н ы м «дор о ж к а м » м о г у т перемещаться с различной скоростью, что приводит к
сдвигу полос. К р о м е того, важно помнить, что материал, используемый для
получения образцов Д Н К , нередко претерпевает деградацию, а из-за этого
картина м о ж е т оказаться смазанной,
могут появляться лишние полосы.
В единственной на сегодняшний
день профессиональной проверке криминалистического анализа Д Н К , осуществленной в 1987 г. Ассоциацией
д и р е к т о р о в л а б о р а т о р и й криминалистики ш т . К а л и ф о р н и я , в фирму Lifecodes Corporation передали 51 пару
образцов Д Н К ; из них в 37 случаях
б ы л д а н п р а в и л ь н ы й о т в е т , а в 14 рез у л ь т а т получился неубедительным.
В т о р о й американской фирме, коммерчески з а н и м а ю щ е й с я а н а л и з о м
Д Н К для криминалистических целей, — Cellmark Diagnostics в Д ж е р мантауне ( ш т . Мэриленд) — б ы л о послано 49 пар образцов; в э т о й лаборат о р и и в 44 случаях получился прав и л ь н ы й о т в е т и в о д н о м случае —
ошибочный.
Х о т я , если судить по этой проверке, ф и р м а Lifecodes Corporation дает
как б у д т о н а д е ж н ы е заключения, в деле К а с т р о всплыли н е к о т о р ы е обстоя т е л ь с т в а анализа,
заставляющие
усомниться в его р е з у л ь т а т а х . Ч т о б ы
определить, п р и н а д л е ж и т ли. убитой
кровь на часах подозреваемого, б ы л а
использована Д Н К - п р о б а на один из
локусов Y - х р о м о с о м ы , а в качестве
к о н т р о л я взяли женскую Д Н К ; конт р о л я ж е с мужской Д Н К , ч т о б ы убедиться, что данная п р о б а « р а б о т а е т » ,
сделано не б ы л о . З а щ и т а предъявила
т а к ж е претензии к процедуре установления идентичности сравниваемых
образцов Д Н К . В отчете, представленном ф и р м о й Lifecodes Corporation
прокурору
округа,
говорилось:
« Ф р а г м е н т ы , различающиеся по м о лекулярной массе не более чем на 2%
(уровень значимости 99,7%), считаю т с я о д и н а к о в ы м и » . Однако в о д н о м
месте р а з м е р ы фрагментов, рассчит а н н ы е с п о м о щ ь ю к о м п ь ю т е р а , различались более чем на 2%. П о словам
д и р е к т о р а л а б о р а т о р и и криминалистики и установления о т ц о в с т в а фирм ы Libecodes Corporation М. Б э р д а , в
д а н н о м случае в своих выводах эксп е р т ы основывались более на субъект и в н о м визуальном сравнении, чем на
п р и н я т ы х ими самими объективных
стандартах.
В т е л е ф о н н о м и н т е р в ь ю Бэрд заявил, что в фирме Lifecodes Corporation д а н н ы е анализа Д Н К изучаются визуально и з а т е м п о д в е р г а ю т с я
к о м п ь ю т е р н о й о б р а б о т к е , ч т о б ы сдел а т ь в ы в о д об идентичности. В получаемые значения вводится поправка в
первую очередь на сдвиг полос, котор ы й определяется по п о л о ж е н и ю ряда
к о н т р о л ь н ы х полос; значения в пределах 2 % - н о г о расхождения с ч и т а ю т с я
с о в п а д а ю щ и м и . Однако в ходе анализа Д Н К по делу К а с т р о т а к о г о конт р о л я на сдвиг не б ы л о сделано. Бэрд
т а к ж е сказал, что в тех случаях, когда
в распоряжении криминалистов имеется д о с т а т о ч н о м а т е р и а л а , служащего источником Д Н К , часть сравниваемых Д Н К с м е ш и в а ю т и анализир у ю т смесь параллельно с индивидуа л ь н ы м и о б р а з ц а м и . Э т о т прием
пропагандировался как лучший способ к о н т р о л и р о в а т ь сдвиг полос: если
сравниваемые Д Н К идентичны, смеш а н н ы й образец даст т а к у ю же картину полос, как и индивидуальные.
П о словам тех ученых, к о т о р ы е
з н а к о м ы с р я д о м р а б о т , проделанных
в Lifecodes Corporation д л я криминалистических задач, нельзя поручиться, что критерии идентичности всегда
объективны. Как признает сотрудник
этой ф и р м ы К . Макэлфреш, в о д н о м
р а с с м а т р и в а ю щ е м с я сейчас в г. Мар и е т т а (шт. Д ж о р д ж и я ) деле, в котор о м с т о и т вопрос о с м е р т н о м приговоре за изнасилование, рентгеновские
пленки после электрофореза фрагмент о в Д Н К подозреваемого и ж е р т в ы
при визуальном сравнении не совпали. Однако эксперты сочди, что несовпадение полос б ы л о последовательн ы м в ходе всего теста, п о э т о м у б ы л
сделан в ы в о д об идентичности. Н о ,
по словам Лэндера, ф и р м а не представила никаких внутренних контролей, ч т о б ы д о к а з а т ь последовательный сдвиг полос.
В ходе слушания дела К а с т р о обсуждалось также, действительно ли в
популяции американцев испанского
происхождения, к к о т о р о й принадлеж и т обвиняемый, распределение аллелей
подчиняется
уравнению
Харди—Вайнберга,
справедливому
для случайного скрещивания. Если аллели к о м б и н и р у ю т с я неслучайно, т о
в е р о я т н о с т ь идентичности отдельных полос при анализе Д Н К двух разных индивидов не равна произведен и ю вероятностей. К р о м е т о г о , имеет большое значение степень инбредности (близкородственного скрещивания) популяции. В деле об изнасиловании в ш т . Техас она б ы л а высокой
при небольшой численности популяции, а в анализе, проведенном Lifecodes, э т о , по словам Л а н д е р а , не б ы л о
учтено.
Многие методические п р и е м ы , применявшиеся в л а б о р а т о р и и ф и р м ы
Lifecodes Corporation для анализа
Д Н К (и критиковавшиеся в ходе слушания дела К а с т р о ) , с тех пор модифицированы. С. Ф о р д — специалист
по молекулярной генетике из Калифорнийского университета в Ирвине,
подчеркнул: «В практике судопроизводства необходимо всякий раз показ а т ь , что применяемая м е т о д и к а вышла из стадии эксперимента. Н о фирм ы Cellmark и Lifecodes в настоящее
время п р о д о л ж а ю т м о д и ф и ц и р о в а т ь
свои м е т о д и к и . Э т о с а м о по себе свидетельствует об их несовершенности». Р о б е р т е , к о т о р ы й очень скептически оценивает способность судов во
всем р а з о б р а т ь с я и н а й т и научную истину, заявляет, что «если и м о ж н о
в ы р а б о т а т ь какую-то с т р а т е г и ю в
м а с ш т а б а х всей с т р а н ы , т о в обязанности ф и р м д о л ж н о входить объяснение неудач».
Успех секса
П
ОЧЕМУ б о л ь ш и н с т в о высших
ж и в о т н ы х и растений «сексуально озабочены»? Ведь бесполое размножение имеет важное преимущество: в популяции, р а з м н о ж а ю щ е й с я
б е с п о л ы м путем, к а ж д а я особь мож е т произвести п о т о м с т в о , т о г д а как
при п о л о в о м р а з м н о ж е н и и к э т о м у
способна т о л ь к о половина популяции — самки. С к о р о с т ь р о с т а популяции, р а з м н о ж а ю щ е й с я п о л о в ы м
путем, вдвое меньше, чем при беспол о м размножении. Известно несколько видов ящериц, представленных
т о л ь к о самками, к о т о р ы е р а з м н о ж а ю т с я партеногенетически. Т е м не менее, н е с м о т р я на вдвое м е н ь ш у ю потенциальную скорость р о с т а популяций с п о л о в ы м размножением, оно существует, и среди биологов до сих
пор нет единого мнения о причинах
его эволюционного успеха.
Согласно новой гипотезе, изложенной в журнале «Nature» М. К и р к п а т р и к о м и Ш. Дженкинс из Техасского
университета в Остине, популяции
особей, р а з м н о ж а ю щ и х с я п о л о в ы м
путем,
выигрывают
в
процессе
естественного о т б о р а п о т о м у , что половое
размножение
обеспечивает
б о л ь ш у ю скорость закрепления благ о п р и я т н ы х мутаций о б ы ч н о г о т и п а .
Такие м у т а ц и и д а ю т максимальное
преимущество, когда о р г а н и з м несет
их в двойной дозе, т . е. когда м у т а ц и я
имеется в обеих а л л е л ь н ы х копиях гена. Если же м у т а н т н а т о л ь к о одна копия, в ы г о д ы о т м у т а ц и и меньше.
Н а п о м н и м н е к о т о р ы е генетические
закономерности. П р и п о л о в о м разм н о ж е н и и отец и м а т ь п е р е д а ю т данному п о т о м к у л и ш ь по одной из имеющихся у них двух а л л е л ь н ы х копий
к а ж д о г о гена. Если у какой-то особи в
т о м или и н о м гене возникла благоприятная м у т а ц и я , т о через некоторое время в популяции появятся особи, несущие эту м у т а ц и ю в обоих аллелях данного гена, что дает носителю
максимальное
преимущество,
обусловленное мутацией.
П р и бесполом р а з м н о ж е н и и родит е л ь передает п о т о м к у по два аллеля
к а ж д о г о гена. В р е з у л ь т а т е п о т о м ство оказывается в худшем положении: сразу две м у т а н т н ы е кйпии могут появиться у какой-то особи, т о л ь ко если точно т а к а я ж е м у т а ц и я произойдет в п а р н о м аллеле вторично,
что м а л о в е р о я т н о . П о э т о м у максим а л ь н ы м преимуществом, с в я з а н н ы м
с мутацией, популяция воспользуется
не так скоро, как если б ы происходило
случайное сочетание аллелей (что
имеет м е с т о при п о л о в о м р а з м н о ж е нии). Тем временем конкурирующая
популяция особей, р а з м н о ж а ю щ и х с я
п о л о в ы м путем, пользуется преимущ е с т в о м , к о т о р о е дает ей полезная
мутация. К и р к п а т р и к и Дженкинс пок а з ы в а ю т , как при ряде вполне реальных условий в ы г о д а о т б ы с т р о г о распространения м у т а ц и и в популяции
перевешивает ущерб о т более низкой
скорости р а з м н о ж е н и я .
« П о - м о е м у , т а к о е объяснение эвол ю ц и о н н о г о успеха полового размножения весьма удачно, и, насколько я
знаю, оно еще никому не приходило в
голову», — к о м м е н т и р у е т
работу
К и р к п а т р и к а и Дженкинс сотрудник
т о г о же учреждения Д ж . Балл. Как
правило, д о в о д ы основывались на
т о м , что перетасовка генов, происход я щ а я при п о л о в о м р а з м н о ж е н и и ,
м о ж е т д а в а т ь преимущество, поскольку м о г у т собираться вместе благ о п р и я т н ы е комбинации генов. А гипотеза К и р к п а т р и к а и Дженкинс свод и т необходимое и д о с т а т о ч н о е для
успеха сочетание к одной-единственной ларе генов.
Кпми
В поисках индоевропейцев; ветер и море;
огнедышащий дракон; как мирятся приматы;
жизнь и деятельность Чандрасекхара Рамана
ФИЛИП МОРРИСОН
Дж. П. Маллори.
В
ЕВРОПЕЙЦЕВ:
Язык,
ПОИСКАХ
ИНДО-
АРХЕОЛОГИЧЕ-
СКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МИФ
In
SEARCH
OF
THE
INDO-EUROPEANS:
LANGUAGE, ARCHAEOLOGY AND M Y T H ,
by J. P. Mallory. Thames and Hudson,
1989 ($29.95)
В
ДАЛЕКОЙ древности широкое
распространение имело изображение свастики, построенное с нарушением симметрии в виде четырежды
повторяющегося элемента. В наше
время оно воспринимается исключительно как «символ террора, внушающий еще больший ужас, чем покрытая змеями голова Медузы-горгоны».
(Так выразился в 1937 г. математик
Герман Вейль, выступая в Вене перед
неоднородной
по
политическим
взглядам математической аудиторией, чрезвычайно бурно встретившей тогда эти слова.) Какое-то недоброе предчувствие по-прежнему возникает у нас сегодня даже тогда, когда это древнее и загадочное изображение креста с загнутыми концами
встречается нам на фризе какогонибудь храма в южной части Индии.
Нелепое увлечение арийцев (иначе
говоря, индоевропейцев) знаком свастики стало наблюдаться в период после 1870 г., а поводом к этому послужило чисто лингвистическое наследие, полученное примерно 2 м л р д . людей, которые «не могут вести счет. . .
или называть свои самые основные
действия. . . не обращаясь к . . . системе речи», которая была для них некогда общей на протяжении 6 т ы с .
лет. Это, впрочем, не имеет никакого
отношения к отвратительному и
справедливо развенчанному сегодня
мифу о превосходстве и чистоте
арийской расы. В самом деле, идиш в
такой же мере относится к группе индоевропейских языков, что и любой
из существующих германских диалектов, а более всего оснований для того,
чтобы претендовать на принадлежность к арийцам в северной части Ев-
ропы у цыган, говорящих на своем
родном языке.
В своей научной и при этом чрезвычайно увлекательной книге профессор
Д ж . П. Маллори, специалист по археологии в Королевском университете в Белфасте, знакомит читателя с
исследованиями, проводившимися по
этой проблеме в самых разнообразных научных областях, включая
филологию и лингвистику, археологию, сравнительную мифологию и религию; следует о т м е т и т ь , что ежегодно выходит около 2 тыс. работ,
посвяшенных этим исследованиям.
(Автор не касается лишь соответствующих исследований в области биохимической генетики, где все еще ощут и м о отравляющее действие остатков мышления «Третьего рейха».)
Сегодня любой г р а м о т н ы й человек
уже имеет некоторое представление о
теории индоевропейских языков и
профессор Маллори предлагает читателю новые и интересные сведения из
этой области, над к о т о р ы м и вот уже
200 лет л о м а ю т голову ученые-лингвисты. Он начинает с того, что приводит список слов для обозначения
числительных в двух десятках языков
народов мира. Э т о т список представляет собой несколько видоизмененный вариант, к о т о р ы й лингвистпервооткрыватель Джеймс Парсонс
привел в своей «наивной» и «скучной»
книге, увидевшей свет в 1767 г. Возьмем, для примера, слова, обозначающие числительное «3» в тех языках,
носители которых заселяют половину
территории Евразии: ирландском,
бенгальском, литовском и тохарском
(древний язык, известный по рукописям из бассейна реки Тарим на территории Восточного Туркестана). В т о м
же порядке расположим и эти слова:
tri, tri, trys, tre. (В целях разумного
контроля возьмем слова для обозначения этого же числительного из следующих 4 языков, не входящих в индоевропейскую группу: турецкого, иврита, малайского и китайского — ис,
salosa, tiga, san.)
К настоящему времени, на основе
тщательного изучения звуковых и
структурных языковых
особенностей, произведена группировка явных
и скрытых сходных признаков примерно 50 современных языков и такого же числа древних языков, для чего
были использованы самые ранние
имеющиеся свидетельства т о г о времени. К числу таких свидетельств относятся глиняные таблички с клинописью, обнаруженные при раскопках
на территории древней Анатолии и
принадлежавшие некогда ассирийским купцам, к о т о р ы м и создавались
т а м торговые поселения. На этих табличках приводятся характерные для
индоевропейской группы имена их
местных торговых партнеров и названия тех мест, где они жили. Подобные глиняные свидетельства относятся примерно к 19 веку до н. э. и соответственно являются более древними,
чем любые из имеющихся текстов на
санскрите, хеттском и эгейском языке.
Гипотеза, о которой автор книги
«никак не может умолчать», предполагает существование где-то между
Европой и Азией такого места, где
люди в глубокой древности пользовались п р о т о я з ы к о м — общим для них
языком, полученным ими от своих
предков. (Лишь самые увлеченные
мифологией читатели поверят, однако, в возможность того, что некогда
люди жили и на Северном полюсе, как
следует из некоторых поэтических
произведений древних, в которых Полярная звезда помешалась ими прямо
над родиной их предков.) Величайшая
цель современных исследователей состоит как раз в т о м , чтобы установить место и время существования такого языкового центра, прикоснуться
к богатой и насыщенной культуре того общества. Основная трудность
этой задачи в т о м , как добиться столь
конкретного результата, используя
свидетельства почти исключительно
лингвистического характера. Ведь,
как указывается, «текстов на протоиндоевропейском языке не существует;. . . материальные остатки м о ж н о
идентифицировать, лишь располагая
убедительными свидетельствами, местонахождение которых на протяжении вот уже полутора столетий. . .
является предметом споров».
Письменность появилась в Азии
раньше, чем в других местах, и поэтому именно т а м м ы находим наиболее
ранние свидетельства т о г о времени.
Поскольку словарь предполагаемого
индоевропейского лингвистического
наследия со всей очевидностью содерж и т названия домашних животных,
сельскохозяйственные и гончарные
термины, м о ж н о сделать вывод, что
речь, очевидно, идет о неолите или
каком-то более позднем периоде.
В самом деле, э т о т словарь охватывает понятия, начиная с эпохи, предшествующей складыванию привычного нам образа жизни, вплоть до
периода появления колеса, молочных
продуктов животноводства, плугов
для обработки земли и роскошных
боевых колесниц и лошадей. По всей
территории о т Дуная до Каспийского
моря археологи находили самые разнообразные древние колесные конструкции, начиная с простейших степных повозок, в которые запрягались
быки. Примерно в т о же время жители этих мест научились объезжать лошадей. Таким образом, формирование в древнем сообществе индоевропейцев общего языка вместе с его характерными выражениями произошло около 4500 г. до н. э.; проявляя
некоторую осторожность, нам следует остановиться именно на этом рубеже, поскольку наиболее раннее из
имеющихся у нас свидетельств относится к чуть более позднему периоду.
И т а к , откуда же следует начать поиски? Прежде всего необходимо уяснить для себя характер разыскиваемого сообщества: это п о м о ж е т определ и т ь не только м а с ш т а б ы предстоящих работ, но и м о ж е т б ы т ь даже
примерное расположение района. Неожиданную подсказку м о ж е т д а т ь
следующее чисто лингвистическое
наблюдение: речь групп людей, удаленных на значительное расстояние
о т своего языкового центра, имеет
большую тенденцию к консерватизму; в свою очередь, речь живущих
ближе к такому центру с течением
времени быстрее меняется и обновляется. (Например, французский язык
жителей канадской провинции Квебек
и английский язык жителей Аппалачей в США очень напоминает речь парижан и лондонцев сотни лет назад.)
Э т о говорит нам о т о м , что интересующий нас языковый центр не следует
искать
на
границах
населенных
зон — ни на западной окраине города
Голуэй, ни к востоку от реки Тарим, а
где-то посередине между ними. Как
нам представляется, языковые сообщества т о й эпохи занимали обычно
территорию от 250 тыс. до 1 млн.
кв. км. остатки материальной культуры именно такого рода сообществ
должны представлять для нас интерес.
П о единодушному мнению специалистов, участок поисков должен находиться где-то между Ч е р н ы м морем и
равнинами вблизи Волги и Предуралья. Советскими археологами уже
найдены такие возможные места, отвечающие многим предъявлявшимся
требованиям. На Украине, например,
выявлена тысяча мест, где именно в
т о время, или чуть ранее, располагались центры деревенской культуры;
подходящие места встречаются в изо-
билии и в более поздних слоях к востоку о т этой территории. И все же у
специалистов нет твердой уверенности в этом случае. Сильное впечатление произвели на них результаты проведенной недавно р а б о т ы по реконструкции религиозно-ритуальной и
классовой структуры индоевропейского общества, состоявшего, как был о установлено, из трех слоев: религиозных служителей, военных и скотоводов. Если такая общественная
структура как нельзя лучше согласуется с индоевропейскими обычаями и
текстами более позднего времени, то
не так т о просто проследить ее связь с
найденными в степных могильниках
медными кольцами, глиняными черепками, частями колес и конской
сбруи, относящихся к т о й эпохе, когда письменность не была еще распространена.
Противники данной гипотезы о
месте и времени зарождения индоевропейских языков не ж а л е ю т усилий.
Профессор Маллори, со своей стороны, приводит ясные и убедительные
доводы в поддержку своей принципиальной позиции. Д о л г о ж д а н н ы й пол о ж и т е л ь н ы й результат в его работе
могут принести лишь усилия археологов и представленные ими убедительные свидетельства, подтверждающие
распространение одной из местных
древних культур. И дело здесь вовсе
не в стремлении кого-то доказать
факт победоносного шествия «голубоглазых героев». Речь идет лишь о
т о м , ч т о б ы проследить, как постепенно складывались в т о время новые
общественные и другие условия, при
которых на многих граничащих друг с
другом территориях возникало сначала двуязычие, и как оно, в конце концов, вытеснялось новым языком.
И т а к , вопрос остается о т к р ы т ы м .
Будем надеяться, что обсуждаемая
проблема уже миновала с т а д и ю ожесточенных нападок и что она больше
не войдет в число неразгаданных тайн
древней истории.
плаваниями знаменитого "Бигля". На
основе т щ а т е л ь н ы х наблюдений им
была составлена 12-бальная шкала
для оценки силы ветра по волнению
моря. Эти наблюдения записаны
столь живо и лаконично, что п о м и м о
чисто практических сведений передаю т чувство восторга и страха перед
стихией, и с п ы т ы в а е м ы е моряками, а
заодно содержат ценные советы — к
примеру, когда следует приспустить
паруса. Рецензируемая книга содержит множество цветных фотографий, снятых на борту канадских суден
погоды "Ванкувер" и " К в а д р а " патрулировавших район Тихого океана в
1700 км к западу о т Ванкувера.
При нулевом балле поверхность
моря напоминает зеркало, разве что
изредка пологая волна ветровой зыби
слегка исказит ее. При силе ветра в 5
баллов двухметровые гребни волн начинают удлиняться, и море покрывается белыми барашками. Одиннадц а т ь баллов б ы л о отмечено в т о м
районе всего один раз за все 5 лет
наблюдений — волны пятнадцатиметровой в ы с о т ы несутся в яростном
вихре, п о р ы в ы ветра со скоростью 68
узлов сталкивают их друг с другом,
наполняя воздух брызгами и пеной.
Настоящий ураган (12 баллов) так и
не встретился на пути двух кораблей.
Два судовых метеоролога, Р.Ф. Уэббер и Д.Х. Скарлетт, с 1976 до 1981 гг.
сделали 338 снимков. Каждая градация
шкалы Бофорта иллюстрируется двумя фотографиями. Цель авторов состояла в том, чтобы подготовить для
морских офицеров «наглядное пособие» по определению силы ветра; результатом же явилось прекрасное дополнение к традиционному описанию
шкалы Бофорта. То, что раньше приходилось мысленно представлять себе по
описанию, отныне можно увидеть на
фотографии.
Харрисон
Е.
Сэйлсбери.
Большой
ЧЕРНЫЙ ОГНЕДЫШАЩИЙ ДРАКОН: СТИХ И Й Н О Е БЕДСТВИЕ В К И Т А Е
THE
GREAT
BLACK
DRAGON
FIRE:
A
CHINESE INFERNO, b y H a r r i s o n E . SalisУ. Т.Р.
Аллен.
В Е Т Е Р И МОРЕ: Ф О Т О -
Г Р А Ф И И С О С Т О Я Н И Я М О Р С К О Й ПОВЕРХ-
bury. Little,
($17,95)
Brown&Company,
1989
Н О С Т И , И Л Л Ю С Т Р И Р У Ю Щ И Е Ш К А Л У БОФОРТА
WIND
AND
SEA:
STATE
OF
SEA
P H O T O G R A P H S FOR THE B E A U F O R T W I N D
SCALE, by W.T.R. Allen. Environment
Canada; Canadian Government Publishing Centre, ($ 9.95)
К
АПИТАН, а впоследствии адмирал Фрэнсис Б о ф о р т б ы л океанографом Королевского флота Великобритании начиная со времен Нельсона
и вплоть до десятилетий, отмеченных
О
ГОНЬ продолжает проявлять себя как разрушительная стихия.
Во второй половине 1987 г. один из самых известных американских корреспондентов Харрисон Сэйлсбери отправился на место катастрофического
пожара, опустошившего в мае того
года берега реки Черного Дракона
(известной как Амур), протекающей
вдоль границы с территорией С С С Р и
отделяющей северо-восточную часть
К и т а я (Маньчжурию) от советской
Сибири. Огромный таежный массив
Китая, это "зеленое море", горело в
течение месяца. Огонь не пощадил и
деревянных поселений. Конец пожару
положили дожди, частично вызванные разбрасыванием ядер конденсации с п о м о щ ь ю артиллерийских орудий и самолетов, а также встречный
огонь и другие м е р ы , предпринятые
40-тысячной "армией" тушителей —
в основном солдат военных подразделений, размещенных в пограничном
районе.
П л о щ а д ь выжженного и поврежденного леса на китайском берегу составила 13 ООО км 2 . На советском берегу удаленность основного лесного
массива о т места пожара существенно облегчила положение, хотя лиственница выгорела на площадях, в 5
раз превышающих район бедствия в
Китае (на этой территории уместились бы ш т а т ы Вермонт и Нью-Гемпшир, вместе взятые). Э т о т крупнейший зарегистрированный за последние столетия пожар по своим последствиям во много раз превзошел
пожары в Йеллоустоне в 1988г. и в
Миннесоте в 1918 г. Правда имеются
убедительные свидетельства того,
что в 1915 г. в Центральной Сибири
между оз. Байкал и Уралом огонь
уничтожил тайгу на огромной территории, на порядок превышающей
площадь, охваченную амурским пожаром.
П о ж а р , по всей видимости вызванный ударом молнии, вспыхнул на советском берегу. Он был выявлен с пом о щ ь ю космических снимков, однако
к лесникам к югу от границы никаких
сообщений не поступило. В т о т год
необычайно ветренной весне с ветрами 6—9 баллов предшествовало засушливое лето и малоснежная зима.
К т о м у же весной начались очередные
массивные лесозаготовки и большие
территории оказались п о к р ы т ы м и
древесными отходами. П о ж а р сразу
же стал центральной темой китайских средств массовой информации.
Одной из "звезд" китайского телеэкрана стал Черная Борода — неутом и м ы й командир армейского подразделения, отличившегося в борьбе с огнем. Вопреки обычаям и уставу он не
брился во все время тушения пожара.
Возможно ли, как опасаются многие специалисты, вторичное возгорание пострадавшего леса? Удастся ли
вывезти по единственной железнодорожной ветке 10 млн. мертвой древесины до т о г о как она начнет гнить?
Не вырос ли выгоревший на сей раз
лес на месте древнего пожарища?
Вернутся ли животные (среди которых не б ы л о тигров, но зато множество медведей) на прежние места обитания? Какие изменения претерпит
климат окрестных территорий? (В
Пекине, в 1500 км к югу о т места про-
исшествия уже опасаются пыльных
бурь). Все эти вопросы остаются открытыми.
А в т о р книги сам вырос в лесном
краю и потому с большой симпатией
описывает удивительных людей этого таежного уголка: мудрого старого
женщину — мэра, мудрого старого
лесника, водителей грузовиков и лесорубов. По существу это репортаж с
места событий, рассказывающий о
катастрофе, которая никого не м о ж е т
оставить равнодушным. Ведь чистот а воздуха, к о т о р ы м все м ы д ы ш и м ,
зависит и от концентарции в нем углекислого газа.
Франс де Вааль.
СПОСОБЫ
ПРИМИРЕ-
НИЯ У ПРИМАТОВ
PEACEMAKING
AMONG
PRIMATES,
by
Frans de Waal. Harvard University Press,1989 ($ 29.95)
А
ВТОР настоящей книги известен
не только как специалист-при
м а т о л о г , занимающийся изучением
различных видов обезьян в зоопарках
Арнема, Мадисона, Сан-Диего и др.
городов, но и как фотограф, прославившийся своими снимками животных. В самом названии этой интересной и оригинальной р а б о т ы , основанной на непосредственных наблюдениях автора, заключен особый смысл.
Нет сомнений в т о м , что Франс де Вааль поднимает в книге и более важную проблему — поиск путей к достижению мира также между человеческими
представителями
отряда
приматов — например, между натуралистами, по крупицам собирающими материал в естественной среде, и
работниками зоопарков, располагающими с а м ы м и обширными сведениями о целых группах животных, сосуществующих в весьма стесненных условиях; между т в е р д ы м и сторонниками генетического способа передачи
особенностей поведения человека и
теми, кто склоняется к антропологизму; и даже между Н А Т О и Организацией Варшавского Договора.
Никто не вправе утверждать, что
истина целиком лишь на одной стороне, поскольку такой подход часто сводится к "ложной'дихотомии". В судьбе тех 4 видов обезьян, содержащихся
в зоопарке, которых читателю представляет и описывает автор книги, гены в значительной мере играют решающую роль. И все же гены — это еще
не все. Франс де Вааль, голландец по
национальности, напоминает о т о м ,
что отличительной чертой его соотечественников, живущих в Европе в условиях перенаселенности, является
"терпимость" к другим, тогда как
ближайшие их родственники в Юж-
ной Африке руководствуются в этом
вопросе совершенно иными принципами. Франс де Вааль не считает, что
агрессивность — это либо отсутствующий вообще, либо д о м и н а н т н ы й
признак; агрессивность является основной особенностью животных, однако одновременно с ней существуют
и " м о щ н ы е ограничения и уравновешивающие факторы ... призванные
сдерживать развитие агрессивности".
Книга содержит прекрасные снимки обыкновенных и карликовых шимпанзе (именуемых в настоящее время
бонобо), макак резусов и медвежьих
макак; многие сцены, где обезьяны
совершают различные интимные действия, сняты в рентгеновских лучах.
Основные выводы в работе подкрепляются
обширными
данными
наблюдений — только лишь в зоопарке в г. Арнеме автор затратил на
наблюдения за 2 десятками шимпанзе
около 6000 часов. Ч и т а т е л ю не предлагается, однако, внушительных таблиц с зафиксированными и запрограммированными
результатами;
вместо этого, он получает возможность познакомиться с некоторыми
конкретными случаями из жизни этих
животных, подтверждающими данные автора, и даже у с л ы ш а т ь забавные истории из области курьезов статистики.
Как известно, крысы в условиях
скученности истребляют друг друга.
Обезьяны менее остро реагируют на
подобные ситуации. Так, в зоопарке в
г. Арнеме шимпанзе, привыкшие в
летний сезон к просторной вольере,
помещались на зиму в одно отапливаемое помещение, где плотность их
обитания возрастала в 20 раз. При
этом они активно пытались уменьш и т ь свои внутренние трения, гораздо чаще, чем летом приветствуя друг
друга и внимательно друг за другом
ухаживая. Тем не менее, и обезьяны
способны к взаимному уничтожению.
А в т о р описывает случай, когда два
самца, объединившись, убили третьего самца, который незадолго перед
этим оспаривал их давно уже неустойчивый статус главенствующих в стае.
Шимпанзе, в свою очередь, хорошо
знакомы и пути к примирению друг с
другом: они прекрасно обходятся при
этом без цветов, но зато активно обнимаются, целуются и нежно поглаживают друг друга; следует отмет и т ь , что, по статистическим показателям, такого рода сцены происходят
между самцами вдвое чаще, чем между самками.
Много интересного о т м е т и л Франс
де Вааль и при наблюдении за макаками резусами — в т о м числе зафиксировал даже формирование у них своеобразных общественных групп. Ч у т ь
более десятка этих ж и в о т н ы х распределились на 2 такие группы во время созданного в экспериментальных
целях недостатка воды; в каждой из
этих групп установился "гибкий и
естественный" порядок определения
очередности питья, однако все члены
высшей по значению группы имели
преимущество перед членами низшей
группы. П о всем прочим поводам
подобного распределения по группам
среди них не наблюдалось. В отличие
от большинства других приматов,
физическое насилие у макак резусов не
является чем-то исключительным.
Часто, после таких столкновений
происходит и примирение между ними, однако вероятность такого примирения резко снижается в тех случаях, когда самка из высшей группы нападает на самку из низшей группы.
Результаты наблюдений автора за
бонобо и м е ю т довольно неожиданный характер. Э т о т вид обезьян, не
принадлежащий, строго говоря, ни к
карликовым, ни к обыкновенным
шимпанзе (хотя и чрезвычайно напоминает их по внешнему виду), выделяется зоологами и относится ими к
одному роду с более знакомым видом
шимпанзе лишь с 1929 г. Бонобо
встречаются только в центральной части Заира, в лесистой местности к югу
от протекающей т а м большой реки;
передвигаются бонобо преимущественно на четвереньках. В зоопарке в
г. Сан-Диего удалось создать целую
колонию этих обезьян благодаря тому, что первая же появившаяся т а м
самка родила в течение 14 лет 10 детенышей. Бонобо, содержащиеся в неволе, умеют пользоваться различными орудиями, узнают себя в зеркале,
о б л а д а ю т веселым нравом и, как стал о очевидным, прекрасно владеют навыками общественного поведения.
Из всех известных зоологам приматов бонобо в наибольшей степени отличаются сексуальностью. И в естественных условиях, и при содержании в
зоопарках для них характерно периодическое совершение друг с другом
кратковременных половых актов —
между подрастающими детенышами,
между взрослыми самцами, а также
между взрослыми самками. (Полноценное спаривание с извержением семенной жидкости происходит лишь
между взрослыми самцами и самками.) С т о л ь высокая сексуальная активность бонобо объясняется вовсе не
стремлением к развлечению или к
продолжению рода; она выступает в
этом случае в качестве "альтернативы" враждебности: "любовь вместо
войны". Как было отмечено, подобные половые акты чаще всего происходят во время острых конфликтных
ситуаций между партнерами. Таким
образом, "сексуальный путь разрешения конфликтов является ключом к
пониманию общественной организации бонобо".
Бессмысленным б ы л о бы сейчас задаваться вопросом о т о м , с какими из
существующих видов приматов у нас
более всего общего. У всех у них м ы
что-то заимствовали, а они что-то заимствовали у нас. М ы лишь опередили их всех по уровню культурного развития; конфликты вышли у нас за
пределы сферы эмоций, хотя и продол ж а ю т зависеть от нее. Шведский
естествоиспытатель Карл Линней
в ы р а ж а л впоследствии сожаление по
поводу т о г о , что выделил человека в
отдельный род Homo. Сегодня м ы
вполне могли бы образовать третий
вид в т о м же роду, куда входят шимпанзе и бонобо, и называться Pan
sapiens — "Шимпанзе разумный".
И все-таки читатель, узнав из этой
книги о многочисленных особенностях поведения различных видов прим а т о в , поддержит все же принятый
вариант классификации Линнея. Ведь
мы
неизмеримо
отличаемся
от
обезьян — пользуемся огнем, общаемся между собой с п о м о щ ь ю языка,
ведем домашнее хозяйство, сохраняем предметы своей материальной
культуры и ... испытываем определенное отчуждение по отношению к
своим "бедным родственникам из
провинции". Тем не менее, прощение
как возобладание разума и искренности не было изобретено ни иудейской,
ни христианской религией — это т о т
самый способ, к о т о р ы й используется
приматами вот уже 30 млн лет. Сейчас как раз настал т о т момент, когда
нам вновь следует обратиться к нему
и использовать все имеющиеся у нас
возможности для перехода от конфронтации к переговорам, для того,
чтобы вновь, как указывает, завершая свою книгу Франс де Вааль, "в наших собственных интересах приспособиться к новым обстоятельствам".
Г.
Венкатараман.
ПУТЕШЕСТВИЕ
М И Р СВЕТА: Ж И З Н Ь И
В
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
ЧАНДРАСЕКХАРА ВЕНКАТА РАМАНА
J O U R N E Y INTO L I G H T : L I F E AND SCIENCE
OF C.V. RAMAN, by G. Venkataraman.
Indian Academy of Sciences, 1988
($ 45.00)
"Западная наука пришла в И н д и ю
раньше, чем западное образование",
однако долгое время она оставалась
прерогативой европейцев. К 1888 г.
(год рождения Ч.В. Рамана) в Индии
насчитывалось лишь несколько университетов, где одаренные м о л о д ы е
люди индийского происхождения могли получить современное образова-
ние. Молодой человек выдающихся
способностей, о к о т о р о м идет речь в
рецензируемой книге, стал первым
Нобелевским лауреатом из стран
Азии, посвятившим себя независим ы м научным исследованиям, разносторонним и н е у т о м и м ы м поборником которых он оставался всю жизнь.
Раман был блестящим студентом,
обадателем золотых медалей по английскому языку и физике. Он вспоминает, что наибольшее впечатление
из прочитанного произвели на него
учение Будды, труды Эвклида и работ а Гельмгольца, посвященная природе звука. За работу в области физики
Президентский колледж г. Мадраса
присудил Раману степень магистра.
Его научным руководителем был
профессор Р. Льюеллин
Джонс,
предоставивший молодому ученому
полную свободу. "Я могу припом н и т ь лишь одну лекцию, на которой
присутствовал за время двухлетнего
пребывания в коллежде, — она была
посвящена интерферометру ФабриПеро", — вспоминает Раман. За это
время он опубликовал небольшую
статью
о дифракции в журнале
"Philosophfy magazine", к о т о р ы й не
был известен ни одному из его коллег
и к о т о р ы м не располагала университетская библиотека. В ответ на вторую с т а т ь ю , посвященную восприят и ю звуков различной частоты, Раман получил письмо о т самого лорда
Рэлея.
Сердце Рамана принадлежало науке. В этой области деятельности можно было получать награды (и он завоевывал их все), но не работу. Еще не
достигнув двад цатилетнего возраста,
Р а м а н д е р ж и т экзамен для поступления на службу в управление финансов.
"Мне было достаточно одного взгляда на остальных претендентов... чтобы понять, что они не составят мне
конкуренции". Ожидая места, он женился на молодой девушке по имени
Локасундари, очаровавшей его своей
музыкой. Брак несомненно оказался
счастливым. Один из их сыновей
вспоминает, что госпожа Раман часто
говорила в шутку: "Я не уверена, что
Раман женился на мне не по расчету"
(женатые служащие получали надбавку к зарплате), "забывая" т о т факт,
что Раман в свое время отказался от
приданого.
Молодая чета обосновалась в Калькутте, куда переехала вскоре после
женитьбы. Как и сейчас, Калькутта
была крупнейшим в стране научным
центром. Совершенно случайно Раман обнаружил заброшенную бездействующую л а б о р а т о р и ю , состоящую
примерно из десяти помещений и построенную 16 лет назад для Научной
ассоциации, которая была создана по
образу и п о д о б и ю Королевского инс т и т у т а в Лондоне. Ассоциация организовала и финансировала цикл прекрасных лекций, однако все надежды
на т о , что удастся найти руководителя научных исследований, не оправдались. Внезапно появившийся как по
мановению волшебной палочки Раман согласился п р о в о д и т ь физические
исследования бесплатно. Его жена
вспоминала их " д в о й н у ю " жизнь в эти
годы: "в 5.30 утра Р а м а н отправлялся
в Ассоциацию. Возвращался в 9.45,
принимал ванну, п р о г л а т ы в а л зав т р а к . . . и спешил в свою контору. В 5
часов вечера, после окончания работ ы , он, не заходя д о м о й , снова направлялся в Ассоциацию. Д о м о й Раман возвращался в 9.30—10 часов вечера. Воскресенье целиком проводил
в Ассоциации". Спустя некоторое
время супруги переехали в д о м , прим ы к а ю щ и й к зданию, где находились
л а б о р а т о р и и Ассоциации. П о просьбе Р а м а н а в стене его к в а р т и р ы б ы л а
прорублена дверь, ведущая п р я м о в
л а б о р а т о р и ю . Вместе с т е м все это
время Р а м а н оставался на государственной службе, считаясь "одним из
лучших р а б о т н и к о в " .
Р а м а н всегда вспоминал о годах,
проведенных в К а л ь к у т т е , как о своем
" з о л о т о м веке". В течение десяти лет
он со своим ассистентом Ашу Бабу
опубликовал 27 р а б о т , г л а в н ы м обр а з о м в области акустики. За это время Р а м а н приобрел д о с т а т о ч н у ю известность, ч т о б ы покинуть государственную службу и занять место
профессора в К а л ь к у т т с к о м университете, правда, с о к л а д о м , вдвое
меньше, чем прежде. Он становится
профессиональным ученым-физиком,
у м е ю щ и м добиваться успеха и отличающимся о р и г и н а л ь н о с т ь ю м ы ш л е ния, что особенно проявилось в области, к о т о р о й он непосредственно занимался, — физике волн.
Р а м а н о т к р ы л эффект комбинационного рассеяния света в конце двадц а т ы х годов и в 1930 г. б ы л удостоен
за это Нобелевской премией. Вскоре
покидает университет, где у него возникли разногласия с другим в ы д а ю щимся физиком-теоретиком Мегнад о м Н . Сахой, а з а т е м и саму Калькутту. К д о с т о и н с т в а м рецензируемой книги следует отнести доходчивое изложение сущности р а б о т Р а м а на, свойств световых и звуковых волн
и самого эффекта Р а м а н а , а т а к ж е более поздних его р а б о т , таких как исследование по дифракции света на
ультразвуковых волнах в жидкости.
На примере жизни т а л а н т л и в о г о
ученого а в т о р показывает, как поток
знаний, берущий начало в одной из
стран, вливается в м о р е мировой науки. Р а м а н не б ы л представителем ан-
глийской к у л ь т у р ы , сколь бы блестящ и м и ни б ы л и его лекции на английском языке и как бы т щ а т е л ь н о ни отд е л ы в а л он свои с т а т ь и в журналах
"Proceedings of Royal Society" и
"Philosophy magazine". Он б ы л типичн ы м ж и т е л е м юга Индии, большая
часть жизни к о т о р о г о протекала в период английского колониального господства. В отличие о т большинства
своих современников Р а м а н практически не интересовался вопросами религии, посвятив себя целиком физике.
Однако он всегда оставался верным
поклонником индийской культуры во
всем ее б о г а т с т в е и м н о г о о б р а з и и и
л ю б и л природу своей с т р а н ы . Ему
случалось о ш и б а т ь с я и он имел муже-
Литий «рассказывает»
о судьбе Вселенной
С
ОГЛАСНО современной космологической
теории,
Вселенная
д о л ж н а б ы т ь плоской: она балансирует между двумя сценариями своего
развития — бесконечным
расширением и периодическим расширением,
с м е н я е м ы м с ж а т и е м . Однако не теория управляет космосом. В недавно
опубликованной в журнале «Physical
Review Letters» с т а т ь е группы исследователей из Йельского университета
приведены последние данные, наводящие на м ы с л ь о т о м , что либо Вселенная д о л ж н а расширяться бесконечно, л и б о значительная часть ее
м а с с ы приходится на д о л ю каких-то
экзотических, до сих пор не обнаруженных частиц.
Н а п р о т я ж е н и и нескольких десятилетий космологи б ы л и почти уверены
в т о м , что легкие и з о т о п ы , такие как
дейтерий, гелий и литий-7, б ы л и синт е з и р о в а н ы в первые м и н у т ы после
Б о л ь ш о г о в з р ы в а . Количество этих
и з о т о п о в , образовавшихся в результ а т е первичного космического нуклеосинтеза, критически зависит от существовавшей в т о т м о м е н т во Вселенной п л о т н о с т и барионов (числа
нейтронов и протонов). Согласно теоретическим исследованиям, для образования н а б л ю д а е м о г о количества
дейтерия и гелия п л о т н о с т ь барионов
д о л ж н а б ы т ь меньше критической,
т . е. т о й п л о т н о с т и , при превышении
к о т о р о й Вселенная из о т к р ы т о й (бесконечно расширяющейся) превращается в замкнутую (у к о т о р о й расширение сменяется сжатием).
В принципе по распространенности
лития-7 м о ж н о определить т а к ж е
ство признавать свои ошибки. С годами, однако, ученый становится все
более з а м к н у т ы м и д а ж е чудаковатым.
Умер Р а м а н в 1970 г. и после кремации б ы л похоронен в саду на т е р р и т о рии созданного и м И н с т и т у т а Р а м а на. Деревцо, посаженное на его могиле, в э т о м году впервые п о к р ы л о с ь
цветами. Ж и з н е н н ы й путь Р а м а н а во
м н о г о м о т р а ж а е т путь, пройденный
его страной. Его Индии ещё предстои т д о с т и г н у т ь экономической и культурной независимости и зрелости, не
изменив своим д р е в н и м т р а д и ц и я м .
Ч и т а я б и о г р а ф и ю Р а м а н а , м ы узнаем
об этих проблемах и противоречиях и
об их преломлении в научной среде.
п л о т н о с т ь барионов, однако по сравнению с более легкими и з о т о п а м и
этого элемента очень м а л о . Э т о т
факт создает с л о ж н о с т и для точного
измерения количества лития-7 во Вселенной; в т о же время при теоретических исследованиях его распространенность оказывается • весьма чувствительной к неопределенностям в известных скоростях протекания ядерных реакций.
Группа из Йельского университета
применила весьма н е о б ы ч н ы й подход: б ы л и исследованы не процессы
нуклеосинтеза, а эволюция звезд.
В 1982 г. Франсуа и Моника Спит обнаружили, что количество л и т и я в сам ы х с т а р ы х звездах нашей Г а л а к т и к и
примерно постоянно. Они высказали
предположение, что
наблюдаемая
концентрация л и т и я совпадает с его
концентрацией после первичного космического нуклеосинтеза.
В качестве первого шага б ы л о использовано несколько наиболее точных на сегодняшний день моделей
звездной эволюции для определения
первоначальной концентрации л и т и я .
Расчеты подтвердили предположение
о т о м , что распространенность л и т и я
в с т а р ы х звездах асимптотически
п р и б л и ж а е т с я к постоянной величине, предполагаемой его первоначальной концентрации.
Затем б ы л и проведены расчеты
процессов
нуклеосинтеза,
чтобы
определить, какой п л о т н о с т и барионов соответствует найденное значение распространенности л и т и я . Использованная при э т о м процедура
т а к ж е б ы л а весьма необычна. Поскольку известно, что получаемая в
расчетах величина распространенности лития чувствительна к изменени-
я м нескольких п а р а м е т р о в , определяю щ и х с к о р о с т и реакций, ученые из
Йельского университета варьировали
эти параметры случайным образом,
используя м е т о д М о н т е - К а р л о . П о
м н е н и ю J1. К р а у с а , о д н о г о из исследователей, полученные результаты
« я в л я ю т с я , в о з м о ж н о , п е р в ы м и результатами расчетов нуклеосинтеза,
которые удовлетворяют статистическим к р и т е р и я м н а д е ж н о с т и » .
Ч т о же б ы л о обнаружено? Полученные
результаты
зависят
от
п р и н и м а е м о г о значения п о с т о я н н о й
Х а б б л а , о п р е д е л я ю щ е й с к о р о с т ь расш и р е н и я Вселенной. Если в ы б р а т ь
принимаемое многими астрономами
значение 50 к м / с / М е г а п а р с е к , т о при
стандартном статистическом отклонении д л я п л о т н о с т и б а р и о н о в верхний и н и ж н и й п р е д е л ы с о с т а в л я ю т соо т в е т с т в е н н о 10 и 2 % к р и т и ч е с к о й
плотности.
П о л у ч е н н ы е ц и ф р ы не н о в ы е , однако они п о д т в е р ж д а ю т в ы с к а з ы в а в ш у ю с я ранее г и п о т е з у о т о м , ч т о о д н и
б а р и о н ы не м о г у т о б е с п е ч и т ь средн ю ю плотность, достаточную для того, ч т о б ы Вселенная б ы л а з а м к н у т о й .
Теоретики, к о т о р ы е у т в е р ж д а ю т , что
Вселенная я в л я е т с я т о ч н о п л о с к о й ,
д о л ж н ы у ч и т ы в а т ь в своих м о д е л я х
небарионное вещество.
ОБЩАЯ ЗАНЯТОСТЬ (ИСКЛЮЧАЯ СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО)
В СФЕРЕ. УСЛУГ
В СФЕРЕ ПРОИЗВОДСТВА
0
1955
1965
Р
куренция по р а з м е р а м з а р а б о т н о й
п л а т ы . За д а н н ы м и о б уровне безработицы скрываются тенденции, котор ы е г л у б о к о и н д и в и д у а л ь н ы д л я разл и ч н ы х групп населения, с ф о р м и р о ванным по демографическим и территориальным признакам. Кроме того,
хотя это и м о ж е т показаться странн ы м , д а н н ы е об уровне б е з р а б о т и ц ы
м а л о ч т о г о в о р я т об уровне ж и з н и населения.
С т а т и с т и ч е с к и й к о н т р о л ь уровня
б е з р а б о т и ц ы — э т о весьма неоднозначная и п о л и т и ч е с к и н а с ы щ е н н а я
сфера д е я т е л ь н о с т и . Т щ а т е л ь н о о т м е ч а е м ы е к а ж д ы й месяц, д а ж е незначительные колебания этого уровня
п р и о б р е т а ю т в с о з н а н и и л ю д е й невер о я т н ы е м а с ш т а б ы . П р и э т о м на фин а н с о в ы х р ы н к а х , р е а г и р у ю щ и х на
м а л е й ш и е п р и з н а к и и н ф л я ц и и , воцар я е т с я н а п р я ж е н н о е о ж и д а н и е , а экон о м и с т ы н а ч и н а ю т м е ж д у с о б о й спор
о т о м , д о какого и м е н н о у р о в н я д о л ж на с н и з и т ь с я б е з р а б о т и ц а , ч т о б ы
м е ж д у р а б о т о д а т е л я м и н а ч а л а с ь кон-
В с п о м н и м , н а п р и м е р , г а з е т н ы е сообщения о т о м , что уровень безработ и ц ы в м а е э т о г о года у п а л на
0,1—5,1% и что численность работаю щ и х по н а й м у (исключая сельское
х о з я й с т в о ) в о з р о с л а на 101 т ы с . чел.,
д о с т и г н у в 108,2 м л н . чел.
Следует о т м е т и т ь , что именно Бюро статистики труда впервые указало
на т о , ч т о н а б л ю д а е м ы е к о л е б а н и я
уровня б е з р а б о т и ц ы с т а л и н о с и т ь характер «шума». Ч т о б ы стать статистически
значимыми,
изменения
уровня б е з р а б о т и ц ы д о л ж н ы с о с т а в л я т ь не менее 0 , 2 % , а и з м е н е н и я численности
занятых — превышать
140 т ы с . р а б о ч и х м е с т . М е ж д у т е м ,
как у к а з ы в а е т Т о м а с Д ж . Плуэс, сотрудник Б ю р о статистики труда, в
своих п о п ы т к а х п р е д с к а з а т ь дальнейшее р а з в и т и е процесса и н ф л я ц и и эксп е р т ы п р и н и м а ю т в расчет л и ш ь т а кие и з м е н е н и я ч и с л е н н о с т и з а н я т ы х ,
к о т о р ы е п р е в ы ш а ю т 250 т ы с . р а б о чих м е с т . К т о м у ж е , п о - п р е ж н е м у
наблюдается
чисто
произвольное
толкование получаемых данных стат и с т и к и . Т а к , из т р е х и з в е с т н ы х эко-
Контроль
уровня безработицы
ОВНО в п о л о в и н е д е в я т о г о у т р а в
п е р в у ю или в т о р у ю п я т н и ц у кажд о г о м е с я ц а Д ж а н е т Л . Н о р в у д , представитель Бюро статистики труда,
о б ъ я в л я е т последние д а н н ы е об уровне б е з р а б о т и ц ы и о ч и с л е н н о с т и занят ы х в с т р а н е . Э т и д а н н ы е с нетерпением о ж и д а ю т и п р о с т ы е г р а ж д а н е , и
бизнесмены, и экономисты, однако
п о л у ч е н н у ю и н ф о р м а ц и ю к а ж д ы й из
них в о с п р и н и м а е т по-своему. К о г о - т о
р а д у е т с о к р а щ е н и е о б щ е г о числа безр а б о т н ы х , а к т о - т о и с п ы т ы в а е т бесп о к о й с т в о , поскольку т а к о е сокращение м о ж е т с л у ж и т ь п р и з н а к о м усиления и н ф л я ц и и в с т р а н е .
1975
1985
1988
УРОВЕНЬ БЕЗРАБОТИЦЫ В ГРАЖДАНСКИХ ОТРАСЛЯХ ЭКОНОМИКИ (верхний график) в период, последовавший после 1955 г., поднимался и опускался;
в настоящее время этот уровень составляет чуть более 5%. Согласно анализу
платежных ведомостей
фирм (нижний график), занятость
в сфере
производства увеличилась незначительно (красный), тогда как в сфере услуг
отмечено более существенное увеличение занятости (синий). Данные представлены Бюро статистики труда.
номистов, которых газета «НьюЙ о р к т а й м е » п о п р о с и л а д а т ь оценку
зафиксированных в мае изменений в
области занятости, один предсказывал у с к о р е н н ы й р о с т р а з м е р о в зараб о т н о й п л а т ы , д р у г о й указал на возм о ж н о с т ь с н и ж е н и я т е м п о в р о с т а заработной платы, а по мнению третьего, у р о в е н ь б е з р а б о т и ц ы не п о в л и я е т
в данный период существенным образ о м на р а з м е р ы з а р а б о т н о й п л а т ы .
Скептическое о т н о ш е н и е к д а н н ы м
об уровне б е з р а б о т и ц ы о б у с л о в л е н о
еще и т е м , ч т о д а л е к о не все л и ш е н ные работы считаются «безработным и » . Д л я т о г о , ч т о б ы его р а с с м а т р и в а л и в качестве р а б о ч е й с и л ы , т о т или
и н о й человек д о л ж е н а к т и в н о заним а т ь с я п о и с к а м и р а б о т ы и б ы т ь гот о в ы м п р и с т у п и т ь к ней сразу ж е .
М е ж д у т е м , по о ц е н к а м Б ю р о с т а т и стики труда, в стране имеется около
855 т ы с . « о т ч а я в ш и х с я » п о т е н ц и а л ь н ы х р а б о т н и к о в — тех, к т о у ж е п о т е рял всякую надежду найти работу и
о ф и ц и а л ь н о не в к л ю ч а е т с я в число
б е з р а б о т н ы х . С д р у г о й с т о р о н ы , работающие неполный рабочий день
с ч и т а ю т с я з а н я т ы м и д а ж е в т о м случае, если они п р о д о л ж а ю т и с к а т ь д л я
себя р а б о т у на п о л н ы й р а б о ч и й день.
Д л я части населения о т с у т с т в и е раб о т ы п р е д с т а в л я е т собой несравненно более о с т р у ю п р о б л е м у , чем э т о г о
м о ж н о о ж и д а т ь при общенациональн о м уровне безработицы в 5,1%. Как
и прежде, безработица наибольшая
среди ч е р н о к о ж и х в в о з р а с т е о т 16 д о
19 л е т ; в м а р т е н ы н е ш н е г о г о д а поис-
ками р а б о т ы занимались 32,8% членов этой возрастной группы. (Аналогичный показатель д л я их белых
сверстников составил л и ш ь 11,9%.)
Определенное влияние на уровень безр а б о т и ц ы о к а з ы в а е т и географический ф а к т о р : если в н е к о т о р ы х частях
ш т . Техас д о л я б е з р а б о т н ы х составляет более 18%, т о в ш т . Коннектикут б е з р а б о т н ы х всего л и ш ь 2 % .
И все же, если судить по средним
п о к а з а т е л я м , на п р о т я ж е н и и нескольких последних л е т в с т р а н е н а б л ю д а ется неуклонное сокращение безработ и ц ы и р о с т з а н я т о с т и населения «вопреки всем э т и м н а д о е д л и в ы м утверждениям экономистов о т о м , что
уровень б е з р а б о т и ц ы не с м о ж е т снизиться», — заявила Б а р б а р а Р . Бергманн, представительница Американского университета. Д е л о в т о м , что в
периоды увеличения в обществе д о л и
безработных некоторые экономисты
настаивали на т о м , что существует
так н а з ы в а е м ы й «естественный уровень» б е з р а б о т и ц ы , ниже к о т о р о г о
скрывается опасность безудержного
развития инфляции в американской
экономике. С увеличением среди рабочей силы женщин, представителей
национальных м е н ь ш и н с т в и несовершеннолетних, э к о н о м и с т ы
начали
предсказывать
повышение
этого
естественного
уровня
безработицы.
Однако, как замечает Лоуренс
X. С а м м е р с из Гарвардского Универс и т е т а , все рассуждения экономистов
на э т о т счет оказывались всего л и ш ь
запоздалой п о п ы т к о й объяснить уже
происшедший р о с т б е з р а б о т и ц ы —
«стала н а б л ю д а т ь с я т р е в о ж н а я тенденция к т о м у , что естественный р о с т
численности б е з р а б о т н ы х попросту
следует за р е а л ь н ы м р о с т о м » . Так,
б е з р а б о т и ц а среди женщин находится
уже сегодня примерно на т о м ж е уровне, что и среди мужчин.
Б о л ь ш е всего новых рабочих мест,
указывает Бергманн, — б ы л о создано
в сфере услуг, что является благоприя т н о й тенденцией. П о м н е н и ю Д ж о н а т а н а С. Л е о н а р д а из Калифорнийского университета в Беркли, сфера
обслуживания вообще лучше приспособлена к смене циклов деловой акт и в н о с т и , чем сфера т о в а р н о г о производства, ведь «даже если р а с т е т
б е з р а б о т и ц а , л ю д и все равно идут в
банк или в парикмахерскую». П р и
спаде производства, напоминает он,
одни рабочие места могут оказаться
менее с т а б и л ь н ы м и , чем другие.
Создание д о п о л н и т е л ь н ы х рабочих
мест в С Ш А не с о п р о в о ж д а л о с ь рост о м реальной з а р а б о т н о й п л а т ы .
С 1973 г. р а з м е р ы средней реальной
з а р а б о т н о й п л а т ы (т. е. з а р п л а т а с
учетом инфляции) остались без изме-
нений. Следует, однако, у ч и т ы в а т ь ,
что в пределах средней з а р а б о т н о й
п л а т ы п р о и з о ш л о сокращение реальной з а р а б о т н о й п л а т ы работников, не и м е ю щ и х среднего образования, и ее увеличение у р а б о т н и к о в с
в ы с ш и м образованием, — указывает
С а р • А. Л е в и т а н из Университета
Д ж о р д ж а Вашингтона.
Барри Б л ю с т о у н из Массачусетского университета в Б о с т о н е считает,
что
в
сфере
услуг
подобная дифференциация в размерах
з а р а б о т н о й п л а т ы происходит б ы с т рее, чем в сфере т о в а р н о г о производства: «Вспомните о специалистах,
р а б о т а ю щ и х в небоскребах Н ь ю Й о р к а днем, и о тех, к т о приходит
у б и р а т ь в этих помещениях ночью».
В 1987 г., замечает он, з а р п л а т а специалистов с в ы с ш и м образованием в
3,52 раза п р е в ы ш а л а з а р п л а т у тех,
кто не имел свидетельства об окончании среднего учебного заведения. (В
сфере т о в а р н о г о п р о и з в о д с т в а окончившие высшее учебное заведение зар а б а т ы в а л и л и ш ь в 2,42 раза больше,
чем те, кому не удалось окончить
с р е д н ю ю школу.) С учетом существования иностранной конкуренции, основанной на низкооплачиваемом труде, добавляет к э т о м у Л . X. С а м м е р с ,
перспективы американских рабочих
без среднего образования м о г у т еще
более ухудшиться.
Итак, что же это? Ухудшение положения или переход к более нормальному состоянию? В конце концов, в настоящее время большее число молодых
людей, чем раньше поступают в высшие учебные заведения и получают более высокооплачиваемую работу, заявляется Марвин X. Костерс, представитель Американского института предпринимательства. Э т о мнение подтверждается данными, которые приводит Б. Блюстоун: число работников с
вышим образованием возросло в США
с 10,3% о т общего числа работающих в
1963 г. до 19,5% в 1987 г.; если в 1963 г.
незаконченное среднее
образование
имели 45% работников, т о в 1987 г. их
число сократилось до 18%.
Как м ы видим, в С Ш А в т о й или
иной мере происходит деление работ а ю щ и х на две группы. В одну из них
входят работники с в ы с ш и м образованием, чьи заработки постоянно раст у т ; другая группа представлена раб о т н и к а м и с незаконченным средним
образованием, о б щ а я численность кот о р ы х в американской экономике неуклонно сокращается. Н а вопрос о
т о м , насколько еще м о г у т увеличиться различия между э т и м и двумя группами, к а ж д ы й отвечает по-своему.
Вряд ли п о м о г у т о т в е т и т ь на э т о т вопрос и официальные д а н н ы е об уровне б е з р а б о т и ц ы в стране.
Атака на правительство
Т
ЯЖЕЛО находиться в Вашингтоне
в летнее время; погода д а в и т на
всех, и конгресс устраивает себе каникулы. Однако н ы н е ш н и м л е т о м м ы ,
похоже, стали свидетелями некоторых неожиданностей. П р о м ы ш л е н ные компании в борьбе с иностранными конкурентами все настойчивее
ищут финансовой и законодательной
поддержки со с т о р о н ы правительства. В свою очередь правительство, заж а т о е в тисках финансовых ограниченней, п ы т а е т с я в ы р а б о т а т ь р а з у м н ы е
решения.
П р о е к т , ставший своего р о д а проб н ы м камнем, — э т о телевидение высокого разрешения (ТВР). П о м н е н и ю
сторонников развития э т о г о новшества, среди к о т о р ы х руководители таких компаний, как AT&T, Motorola и
Zenith, Т В Р — нечто большее, чем
улучшенное изображение на экране
электронно-лучевой трубки. Они утв е р ж д а ю т , что дисплеи высокого разрешения с ы г р а ю т в а ж н у ю р о л ь в будущих к о м п ь ю т е р а х . К т о м у же производство телевизоров в ы с о к о г о разрешения потребует в б о л ь ш о м количестве микросхем п а м я т и и э т о позвол и т с о з д а т ь емкий р ы н о к д л я американских производителей. В общем,
с ч и т а ю т представители п р о м ы ш л е н ных кругов, успех в о б л а с т и р а з в и т и я
отечественного Т В Р помог б ы оживить американские
прогрессивные
технологии.
Н о не все определяется о д н и м желанием. Руководители ф и р м утверждаю т , что создание новой о т р а с л и связано с б о л ь ш и м и з а т р а т а м и и сами
справиться с этой задачей они не в силах. Б р а т ь заем для с т р о и т е л ь с т в а
предприятий с л и ш к о м д о р о г о , а ожид а е м ы е п р и б ы л и о т Т В Р м а л ы , по
крайней мере для первых десяти л е т .
В р е з у л ь т а т е компании, заинтересованные в развитии Т В Р , под покровит е л ь с т в о м Американской ассоциации
электроники (ААЭ) объединились для
атаки на п р а в и т е л ь с т в о .
Проект
предложений,
который
А А Э в начале мая передал конгрессу,
во м н о г о м б ы л схож с предложениями других отраслей правительству.
В соответствии с э т и м прцектом
п р о м ы ш л е н н ы е компании обеспечат
найм людей и разработку технологии, а правительство д о л ж н о помочь
с финансированием и з а й м а м и под
низкий
процент — более
1 млрд.
д о л л . в течение первых пяти л е т . Потребуется т а к ж е внести изменения в
антисоветские законы, ч т о б ы юридически з а щ и т и т ь п р о м ы ш л е н н ы е консорциумы о т жестких ограничений.
И администрация, и конгресс создали специальные группы по п о д г о т о в -
»
ке правительственных решений относительно проблем ТВР. Планировалось, что к 1 июля министерство торговли разработает план действий для
правительства. Однако, по-видимому, не следует ожидать, что на финансирование Т В Р будут выделены значительные средства. Как считает конгрессмен от ш т . Виргиния Ф. Ваучер,
правительственная
«помощь
промышленности» либо в виде прямого
финансирования, либо в виде налоговых льгот вряд ли реальна в нашу
«эпоху финансовых трудностей». По
его мнению, в качестве первого шага
более вероятными будут поправки к
антитрестовским законам. Конгресс
уже рассматривает по крайней мере
пять законопроектов, в которых
предусмотрены различные меры по
ограничению действия антитрестовских законов. Принятия одной из таких поправок Ваучер добивается совместно с конгрессменом от Калифорнии Д . Эдвардсом.
Другие попытки федеральных вед о м с т в содействовать техническому
прогрессу также наталкиваются на
б ю д ж е т н ы е ограничения. В конце
прошлого года конгресс проголосовал за реорганизацию национального
б ю р о стандартов (НБС) в новое
агентство — Национальный
институт
стандартов
и
технологии
(НИСТ), который призван оказывать
всестороннюю поддержку научнотехническому прогрессу. Однако бюдж е т н ы е ассигнования, предусмотренные для Н И С Т на 1990 год, сокращены на несколько миллионов долларов
по сравнению с тем, что б ы л о выделено в п р о ш л о м году Н Б С . « Н И С Т в настоящее время испытывает недостаток средств», — заявил Р. С. Д р ю ,
бывший президент И н с т и т у т а инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Более того, на начало июня
Белый д о м еще не незначил ни заместителя государственного секретаря
по технологии, ни директора Н И С Т .
Управление перспективных научно-исследовательских разработок министерства
обороны
попыталось
материально помочь проведению работ в области гражданской технологии: оно выделило 30 млн. долл. на
исследования, связанные с развитием
ТВР, и еще в июне заключило первые
пять контрактов с п р о м ы ш л е н н ы м и
фирмами. Еще 15 млн. долл это
управление выделило на исследования в области сверхпроводимости и
100 млн. долл. — научному консорциуму S E M A T E C H , осуществляемому исследования в области полупроводниковой техники. Н о военный
б ю д ж е т также подвергся сокращению, поэтому теперь военные без особого энтузиазма относятся к финан-
сированию проектов, которые, по
мнению многих специалистов, являются сугубо гражданскими.
Сенатор от ш т . Огайо Д ж . Гленн
надеется решить эту проблему, представив законопроект о создании
гражданского эквивалента упомянут о м у военному управлению, которое
будет называться Управление перспективных научно-исследовательских
разработок для гражданских целей.
Высказанное в п р о ш л о м году предложение Гленна о преобразовании министерства торговли в министерство
промышленности б ы л о встречено
скептически; вместо этого конгресс
принял более умеренное предложение, о создании Н И С Т . Сейчас Гленн
надеется убедить конгресс, что менее
масштабное управление, располагающее большим б ю д ж е т о м , наряду с
Н И С Т , м о г л о бы эффективно финансировать гражданские технические исследования. Х о т я Д р ю поддерживает
предложение Гленна, он опасается,
что оно не встретит понимания. П о
его мнению, слишком немногие конгрессмены видят связь между конкурентоспособностью и финансированием работ по созданию новых технологий.
Тем временем руководители некот о р ы х промышленных компаний поняли, что п о м о щ ь со стороны правительства будет недостаточной для того, чтобы обеспечить конкурентоспособность своей продукции. Н а одном
из рабочих совещаний в Национальной академии наук Г. Мур, президент
корпорации Intel, ссылаясь на прошлое в американской полупроводниковой промышленности, сказал, что
«каждый из нас принимает наиболее
выгодные решения и, очевидно, обеспечивающие успех собственной компании на сравнительно короткое время, хотя м ы и считаем, что ориентируемся на длительную перспективу».
Если даже такие решения и помогли
нашим компаниям, добавил Мур, они
нанесли ущерб общему состоянию
американской промышленности.
Как нарушилась
зеркальная симметрия
биосферы
Б
ОЛЕЕ ста лет назад Луи Пастер
обнаружил, что микроорганизмы
очень хорошо различают «правые»
(D) и «левые» (L) стереоизомеры питательного субстрата. Следовательно, заключил он,
микроорганизм ы о б л а д а ю т зеркальной диссиммет© Аветисов В.А., Гольданский В.И.,
1989 г.
рией. Э т о м у о т к р ы т и ю Л . Пастер
придавал большое значение, считая,
что обнаружил демаркационную линию между живой и неживой природой. П о з ж е стало ясно, что диссимметрия живых организмов обусловлена гомохиральностью ключевых биополимерных структур: нуклеиновые
кислоты содержат только D-изомеры
Сахаров, ферменты построены только
из L-изомеров аминокислот. Гомохиральность, или, как еще говорят, хиральная чистота, является отличит е л ь н ы м свойством всего живого на
Земле.
Д о недавнего времени считалось,
что хиральная чистота, так же как и
универсальный
генетический
код,
есть результат биологической эволюции: в результате конкуренции между
п р и м и т и в н ы м и самореплицирующимися структурами побеждали хирально чистые — в одних ареалах одного
знака хиральности, в других ареалах
противоположного. Н о тогда возникли бы «правая» и «левая» хирально
чистые ветви эволюции, а реально существует лишь одна из них. П о э т о м у
гипотеза эволюционного происхождения хиральной чистоты требует дополнительного предположения: начальное состояние органической сред ы б ы л о хоть немного, но асимметричным. Следовательно одна из
зеркально-антиподных ветвей эволюции имела некоторое исходное преимущество и благодаря ему победила
другую.
Э т а концепция возникновения хиральной чистоты предполагается в
« т е п л о м » сценарии происхождения
жизни, предложенном А. И . Опарин ы м и Д ж . Холдейном и развивающ е м идею Ч а р л з а Дарвина о возникновении жизни на Земле в «маленьком, теплом и соленом водоеме».
Аналогичное предположение о возникновении гомохиральности неявно
заключено и в космических сценариях
происхождения жизни, восходящих к
идее «панспермии» Сванте Аррениуса. Э т а же проблема присутствует в
сценарии «холодной
предыстории
жизни», физико-химические основы
которого р а з р а б о т а н ы В. И . Гольданским из И н с т и т у т а химической
физики А Н С С С Р им. Н . Н . Семенова в Москве 1см., например, в журнале
«Nature» т . 279, с. 109, 1979). Дискутировался лишь вопрос о т о м , что же
послужило источником асимметрии
на ранней Земле и в космическом пространстве. В попытках найти источник фактора преимущества для победы «левой» жизни проявилось немало
научного остроумия и оригинальности; так, на эту роль предлагались оптически активные минеральные катал и з а т о р ы и циркулярно поляризован-
ный свет, поляризованное синхрот р о н н о е излучение о т нейтронных
звезд и влияние нарушенной четности
одного из четырех ф у н д а м е н т а л ь н ы х
взаимодействий, а именно слабого
взаимодействия. Основное же, априорное предположение о т о м , что
свойство саморепликации м о ж е т эволюционно возникнуть в рацемической
или слабоасимметричной среде, не
подвергалось сомнению.
Однако в последнее десятилетие,
наряду с эволюционной гипотезой,
с т а л развиваться
альтернативный
подход, согласно к о т о р о м у хиральная ч и с т о т а биосферы обусловлена
с п о н т а н н ы м нарушением зеркальной
с и м м е т р и и органической среды на добиологической, химической стадии
эволюции,
а
гомохиральность
б и о п о л и м е р о в — э т о п а м я т ь о состоянии среды, в к о т о р о й 3,8—4,0 м л р д .
л е т назад з а р о ж д а л а с ь ж и з н ь на Земле. Теоретические основы э т о г о подхода б ы л и з а л о ж е н ы в р а б о т а х советского ученого JL Л . М о р о з о в а . Впоследствии их развил В. И . Гольданский с сотрудниками.
Идеология
спонтанного нарушения с и м м е т р и и
ш и р о к о используется в физике для
объяснения фазовых переходов, ведущих, например, к возникновению ферр о м а г н и т н о г о или сверхтекучего состояния вещества. П о х о ж и е явления
м о г у т в о з н и к а т ь и в химических системах, далеких о т термодинамического равновесия. В таких системах
рацемическое стационарное состояние м о ж е т оказаться неустойчивым и
т о г д а система скачком переходит в
одно из двух хирально чистых состояний. Ситуация н а п о м и н а е т поведение
к а р а н д а ш а , стоящего вертикально на
слегка в и б р и р у ю щ е м столе: он падает
л и б о вправо, либо влево. П р и множестве и с п ы т а н и й число « п р а в ы х » и
«левых» исходов одинаково; в среднем с и м м е т р и я , конечно, сохраняется, но в единичном эксперименте (как
и в случае возникновения ж и з н и на
Земле) и м е е т м е с т о полное нарушение
симметрии.
И т а к , два подхода, две, казалось
б ы , равноправные гипотезы возникновения хиральной ч и с т о т ы биосфер ы . Существует ли ключ к разрешен и ю этой д и л е м м ы ? Оказалось, его
м о ж н о найти, решая другую проблему: связана ли в о з м о ж н о с т ь возникновения саморепликации — одной из
наиболее в а ж н ы х и характерных биологических функций — с хиральной
ч и с т о т о й среды. В 1985 г. группа американских и голландских исследователей под руководством Л . Оргеля из
И н с т и т у т а Солка (США)
продем о н с т р и р о в а л а , что в рацемической
смеси нуклеотидов процесс построения реплики сильно подавлен д а ж е в
т о м случае, если м а т р и ч н о е абиогенное копирование происходит на гомохиральной полинуклеотидной цепи.
Однако в хирально чистой среде э т о т
процесс идет успешно. Анализ экспер и м е н т о в и моделирование, в ы п о л ненные В. И . Гольданским и его сотрудниками с привлечением д а н н ы х о
структуре молекул и кинетике их
превращений, привели к заключению,
что для сохранения к о м п л е м е н т а р н о сти при м а т р и ч н о й саморепликации
полинуклеотидных цепей хиральная
ч и с т о т а среды является необходим ы м условием. С л е д о в а т е л ь н о , возникновению саморепликации д о л ж н о
б ы л о п р е д ш е с т в о в а т ь полное нарушение зеркальной с и м м е т р и и органической среды.
Таким о б р а з о м , объяснение механ и з м а нарушения зеркальной с и м м е т рии биоорганического м и р а непременно д о л ж н о у ч и т ы в а т ь по крайней
мере два о б с т о я т е л ь с т в а . Во-первых,
хиральная ч и с т о т а биосферы целиком
обусловлена
физико-химическими
процессами, п р о т е к а в ш и м и в добиологическую эпоху, а не в ходе биологической эволюции. Во-вторых, эти
процессы не т о л ь к о привели к полному нарушению зеркальной симметрии, но и обеспечили устойчивость такого состояния на этапе формирования протобиологических структур .и
функций. Д а н н ы е условия удовлетвор я ю т с я т о л ь к о в рамках концепции
спонтанного нарушения зеркальной
с и м м е т р и и , самопроизвольной дерацемизации предбиологической среды.
В э т о м случае хиральная ч и с т о т а появляется не вследствие действия
какого-либо ф а к т о р а преимущества,
а в силу неравновесности физикохимических процессов — например, в
т а к о м гигантском химическом реакт о р е , каким б ы л а п е р в о б ы т н а я Земля. П р и т о м если в ходе дерацемизации внешние асимметрические воздействия о т с у т с т в у ю т , т о появление
определенного «знака» хиральности
среды, например, наличие именно левых а м и н о к и с л о т и именно правых Сахаров, есть исключительно дело случая. Если же ф а к т о р преимущества
влияет на процесс ф о р м и р о в а н и я
а с и м м е т р и и в ходе спонтанного нарушения с и м м е т р и и , т о д а ж е в единичн о м эксперименте он м о ж е т предопределить появление с о о т в е т с т в у ю щего знака хиральности, подобно тому как н е б о л ь ш о й наклон с т о л а мож е т предопределить падение карандаша л и ш ь в одну сторону.
А случаен ли знак хиральности биосферы? Э т о т вопрос стал особенно
а к т у а л ь н ы м после т о г о , как С. Мэзон
и Д ж . Т р а н т е р (Великобритания) показали, что нарушенная четность слабых взаимодействий создает преиму-
щество именно д л я левых аминокисл о т и п р а в ы х Сахаров. Возникла дискуссия: м о г ли т а к о й ф а к т о р преимущества предопределить знак хиральн о с т и биосферы в процессе дерацемизации предбиологической среды? Относительная разница констант скоростей химических превращений зеркальных антиподов, обусловленная
с л а б ы м взаимодействием, составляет
всего 1 0 " 1 7 . Н о , по мнению Д . Кандепуди и Л . Нельсона из Техасского
университета (США), д а ж е с т о л ь малая разница м о г л а оказаться достаточной, ч т о б ы предопределить знак
хиральности в органических ареалах
м а с ш т а б а озера Мичиган, если химический состав такой системы медленно менялся за времена порядка
100 т ы с . л е т . Однако более т щ а т е л ь н ы й анализ, проведенный двумя группами исследователей — группой
В. И . Гольданского из И н с т и т у т а химической физики им. Н. Е. Семенова, а
также Я . Б. Зельдовичем и А. С. Мих а й л о в ы м из Московского государственного университета им. М. В. Л о моносова, показал, что д а ж е в ареалах планетарного м а с ш т а б а и за времена существования Вселенной такой
ф а к т о р преимущества не мог и г р а т ь
существенной роли. П о х о ж е , что выбор «знак» хиральности биосферы
Земли — э т о все-таки дело случая.
Тонкие, прочные,
прозрачные
К
ОМПАНИЯ General Electric на
протяжении многих л е т р а б о т а ла с а л м а з а м и , а недавно научный советник General Motors призвал специалистов ф и р м ы заняться т о н к и м и
алмазными
пленками.
Производственные- отделения компании Martin
Marietta т а к ж е п р е д л о ж и л и своей администрации начать п р о г р а м м у исследований в о б л а с т и тонких алмазных пленок.
Преимущественно в Я п о н и и , а в последнее время и в С Ш А , компании сор е в н у е т с я друг с другом в технологии в ы р а щ и в а н и я тонких а л м а з н ы х
пленок, перед к о т о р ы м и о т к р ы в а ю т ся перспективы с а м ы х р а з н о о б р а з н ы х
применений — например, в качестве
п о к р ы т и я поверхности инструментов
или подшипников, устойчивого к тепловому воздействию и коррозии, для
изготовления повышенной прочности
окон, теплоотводящих материалов в
электронных приборах и, наконец,
быстродействующих
электронных
компонентов. «В ближайшей перспективе алмазные м а т е р и а л ы могут приобрести более важное значение, чем
высокотемпературные
сверхпроводники», — заявил У. Банхольцер, один
из руководителей Научно-техническо-
ГОТОВИТСЯ К ПЕЧАТИ
переводной журнал
ТИИЭР, т. 77 № 6
(июнь 1989)
АЛМАЗНЫЕ КРИСТАЛЛЫ (справа) толщиной 10 мкм образуют тонкие «пленки», выращиваемые в лабораторных условиях. Одна из технологий получения таких пленок (слева) основана на разогревании газовой смеси метана и водорода раскаленной вольфрамовой нитью;
возбужденные атомы углерода осаждаются на никелевую подложку. Фотографии предоставлены Научной лабораторией военно-морского флота.
го ц е н т р а компании General Electric
Почему? Чистый алмаз обладает
целым р я д о м ценных свойств. Благод а р я очень б о л ь ш о м у числу с и л ь н ы х
связей м е ж д у а т о м а м и у г л е р о д а , из"
которых состоит алмаз, это самый
т в е р д ы й из всех и з в е с т н ы х м а т е р и а лов. При комнатных температурах
а л м а з п р о в о д и т т е п л о в п я т ь р а з лучше меди и обладает почти таким же
к о э ф ф и ц и е н т о м т р е н и я , как т е ф л о н .
Более т о г о , он практически прозрачен
в ш и р о к о м д и а п а з о н е с п е к т р а (от
у л ь т р а ф и о л е т о в о г о д о д а л ь н е г о инф р а к р а с н о г о ) , х о р о ш о п р о в о д и т звук
и устойчив к воздействию большинств а химических в е щ е с т в .
Однако твердость алмаза затрудняет его о б р а б о т к у , ч т о в к а к о й - т о м е р е
п р е п я т с т в у е т его п р и м е н е н и ю в пром ы ш л е н н о с т и . В 50-е г о д ы General
Electric и д р у г и е к о м п а н и и н а ч а л и
производить искусственные алмазы,
подвергая графит воздействию высокой т е м п е р а т у р ы и д а в л е н и я ; получаю щ и й с я в р е з у л ь т а т е м а т е р и а л наиболее ш и р о к о п р и м е н я е т с я в качестве
абразивов и в режущих инструментах.
В 70-е г о д ы советские у ч е н ы е о д н и м и
из п е р в ы х н а ч а л и в ы р а щ и в а т ь т о н к и е
а л м а з н ы е пленки п о д н и з к и м давлен и е м и не н а а л м а з н ы х п о д л о ж к а х
(см. В. V. D e r j a g u i n , D . В. Fedoseev.
T h e Synthesis of D i a m o n d at L o w Pressure, «Scientific A m e r i c a n » , N o v e m b e r ,
1975). В С Ш А и н т е р е с к а л м а з н ы м
п л е н к а м в о з р о с в 80-е г о д ы , п о с л е т о го как в Я п о н и и н а ч а л а с ь энергичная
п р о г р а м м а исследований в этой области. В н а с т о я щ е е в р е м я для получения
а л м а з н о й пленки п р и м е н я ю т с я различные м е т о д ы осаждения.
Как говорит Д ж . Е. Батлер, химик
Научной лаборатории военно-морского ф л о т а , о б ы ч н о с м е с ь м е т а н а и
в о д о р о д а п р е в р а щ а ю т в п л а з м у , на-
пример путем разогревания
газа
н и т ь ю накаливания, микроволновым
и з л у ч е н и е м или д а ж е к и с л о р о д н о а ц е т и л е н о в о й г о р е л к о й н а д кремниевой или никелевой п о д л о ж к о й . С о д е р ж а щ и й с я в газе у г л е р о д конденсируется на относительно холодной подложке; наиболее активные ф о р м ы
у г л е р о д а (такие как г р а ф и т ) соединяются с атомами водорода и удаляются, в р е з у л ь т а т е о с т а ю т с я т о л ь к о кристаллы алмаза.
И все ж е , как у к а з ы в а е т Т . А . П е р р и , с п е ц и а л и с т из и с с л е д о в а т е л ь с к о г о
ц е н т р а к о м п а н и и General M o t o r s , м ы
п о к а еще п л о х о п о н и м а е м процесс
роста алмазов. П о п ы т к и ускорить
о с а ж д е н и е ч а с т о п р и в о д я т к появлению в кристалле дефектов и нежелательных примесей. Х о т я компании
н е о х о т н о н а з ы в а ю т величину скорос т и о с а ж д е н и я , б о л ь ш и н с т в о специалистов считают, что 1 мкм/ч — это
типичный показатель; в упомянутой
научной л а б о р а т о р и и п о л у ч а ю т в ы сококачественные, чистые кристаллы
при с к о р о с т и 50 м к м / ч , а в Т о к и й с к о м
т е х н о л о г и ч е с к о м и н с т и т у т е , судя по
сообщениям,
добились
скорости
930 м к м / ч .
И с с л е д о в а т е л и и щ у т т а к ж е способы понизить температуру подложки с
900 д о 100 или 200 °С; при т а к и х т е м п е р а т у р а х а л м а з н у ю пленку м о ж н о
наносить, например, на пластмассу.
П о к р ы т у ю алмазом пластмассу можн о п р и м е н я т ь д л я р а з л и ч н ы х целей — о т о ч к о в ы х с т е к о л д о сверхп р о ч н ы х окон с а м о л е т а .
Т е м не менее н и к т о еще не в ы р а с т и л а л м а з н ы й к р и с т а л л , к о т о р ы й нашел бы самое широкое применение в
электронной промышленности: тонкую пленку из м о н о к р и с т а л л а а л м а з а ,
н е с к о л ь к о с а н т и м е т р о в в поперечнике, н а н е с е н н у ю н а н е а л м а з н у ю п о д -
Малый тематический выпуск
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
В выпуск включены четыре статьи, посвященные
современным подходам к оптимизации
диспетчерской работы на электростанциях. 7 авт. л.
Кроме того, в номере публикуются обзорные статьи:
РАЗВИТИЕ ЭЛЕТРОТЕХНИКИ И
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЖУРНАЛ PROCEEDINGS OF THE IRE:
1913—1937. Дж. Бриттен
3.3 авт. л., лит. 133 назв.
О ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММ. Д.
Гезеловитц
Статья носит обзорный характер и рассчитана на разработчиков радиоэлектронной аппаратуры, не являющихся специалистами в области биологии и
медицины. 3 авт. л., лит. 87 назв.
НЕЛИНЕЙНАЯ УПРУГАЯ ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МОРСКОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ. Ф. Ассу, Б. Шалиндар,
Ф. Коллино
Описывается модель акустоупругой среды для интерпретации сейсмических данных, полученных на шельфе. 2.3 авт. л.,
лит. 27 назв.
Цена номера 3 р. 30 к.
Читатели Москвы и Подмосковья
могут оформить предварительный
заказ в Московском Доме книги
(пр. Калинина, 26, секция «Мир») и
магазине № 19 «Мир» (Ленинградский пр., 78). Иногородним читателям заказы следует направлять на
открытках по адресу: 129820, ГСП,
Москва, И-110, 1-й Рижский пер., 2,
издательство
«Мир»,
редакция
ТИИЭР.Заказы принимаются до
25 ноября 1989 г.
«Вояджер-2» приближается к последней на его пути планете
Солнечной системы
ГОТОВИТСЯ К ПЕЧАТИ
переводной журнал
ТИИЭР, т. 77, № 7
(июль 1989)
Малый тематический выпуск
АКИМ увидел в конце апреля
Т
1989 г. сине-зеленый диск Нептуна
оптический «глаз» космического аппарата «Вояджер-2», который передал
его закодированное в цифровой форме
изображение на Землю. В тот момент
он находился еше на расстоянии
109 млн. км от планеты. По мнению
Э. Стойна, научного консультанта проекта «Вояджер», полученное изображение подтвердило высказывавшееся ранее предположение о наличии у планеты активной атмосферы, динамика которой обусловлена внутренним источником тепловой энергии. Видимое на
левом снимке темное пятно, впервые
обнаруженное в январе, может, как считает Стоун, представлять собой полупостояннос образование в атмосфере
л о ж к у . П о с к о л ь к у а л м а з о б л а д а е т хорошей теплопроводностью и является х о р о ш и м п о л у п р о в о д н и к о м , м и к р о с х е м ы из а л м а з а б ы л и б ы ч р е з в ы чайно б ы с т р о д е й с т в у ю щ и м и .
«На
электронике можно будет сделать
большие деньги», — предсказывает
Р . Месье, в о з г л а в л я ю щ и й п р о г р а м м у
исследований, финансируемую
совместно Университетом ш т . Пенсильвания и п р о м ы ш л е н н ы м и компан и я м и . О д н а к о п о т р е б у е т с я е щ е не
менее д е с я т и л е т , п р е ж д е ч е м т а к и е
устройства будут созданы.
П о э т о м у американские компании
пока д е л а ю т а к ц е н т на ф у н д а м е н т а л ь н ы х и с с л е д о в а н и я х . Х о т я П е р р и счит а е т , ч т о General M o t o r s и ее д о ч е р н я я
ф и р м а Hughes A i r c r a f t , в о з м о ж н о , в
конечном итоге применят алмазную
пленку в качестве т в е р д ы х п о к р ы т и й
и оптических у с т р о й с т в , п р о г р а м м а
исследований, п р о в о д и м ы х в н а с т о я щее в р е м я в General M o t o r s , сосредоточена
на
изучении
химических
с в о й с т в а л м а з а . П е р в ы м применением т о н к и х а л м а з н ы х пленок в к о м п а нии General Electric, как з а я в и л Б а н хольцер, по-видимому, будут абразив ы , « п о с к о л ь к у э т о о т н о с и т с я к сфере
нашей д е я т е л ь н о с т и » ; а п о к а н а у ч н ы е
сотрудники этой компании п ы т а ю т с я
п о н я т ь п р и ч и н ы , л е ж а щ и е в основе
Нептуна; возможно, это антициклонический шторм, аналогичный знаменитому красному пятну на Юпитере. Правый снимок был сделан через 5 ч после
левого; за это время планета повернулась вокруг своей оси на 100°, и в поле
зрения камеры попало светлое пятно,
расположенное вблизи Южного полюса. Стоун предполагает, что это может
быть грозовая туча; похожее более яркое белое пятно исчезло некоторое время спустя после того, как появилось.
Сине-зеленый цвет планеты может
быть различим с Земли и обусловлен
присутствием в атмосфере планеты метана. Во время максимального сближения «Вояджера» с Нептуном в августе
можно будет получить более детальные
изображения.
ценных свойств алмазных материал о в . Р а б о т а в к о м п а н и и M a r t i n Marietta н а х о д и т с я еще в « з а р о д ы ш е » , как
г о в о р и т Р . С . Винцер, о д и н из руков о д и т е л е й ф и р м ы ; п о его м н е н и ю , через несколько лет э т о т з а р о д ы ш мож е т в ы р а с т и в более к р у п н у ю п р о г р а м м у , «в з а в и с и м о с т и о т т о г о , нас к о л ь к о р е з у л ь т а т ы э т о й р а б о т ы будут
соответствовать
дальнейшим
планам компании Martin Marietta».
Т е м в р е м е н е м а л м а з н ы е пленки у ж е
с т а л и п о я в л я т ь с я в н е к о т о р ы х изделиях ограниченного спроса. К о м п а ния Simitomo Electric п о с т а в л я е т п о
крайней м е р е д в у м я п о н с к и м ф и р м а м ,
производящим музыкальную стереоа п п а р а т у р у , а л м а з н ы е пленки д л я
д и н а м и к о в - у с и л и т е л е й в ы с о к о й час т о т ы . Crystallume, н е д а в н о о б р а з о в а н н а я к о м п а н и я со ш т а б - к в а р т и р о й в
М е н л о - П а р к ( ш т . К а л и ф о р н и я ) , прод а е т а л м а з н ы е о к о ш к и д л я научной
а п п а р а т у р ы . Т а к и е о к о ш к и пропускаю т м я г к о е р е н т г е н о в с к о е излучение и
обеспечивают надежную герметизацию в камерах, содержащих с ж а т ы е
г а з ы . « Х о т я С Ш А п о к а не о т с т а ю т о т
Японии
в
том,
что
касается
науки, — г о в о р и т Б а т л е р , — н о м ы
не п о с п е в а е м за я п о н ц а м и в р е а л и з а ции д а н н о г о н о в ш е с т в а в технических
устройствах».
БОЛЬШИЕ ЗАДАЧИ И СУПЕР-ЭВМ
В выпуск включено пять обзорных статей, освещающих особенности решения больших задач на супер-ЭВМ в энергетике,
авиационно-космической
технике, молекулярной биологии,
спутниковых
исследованиях
Земли и астрономических объектов. 12 авт. л.
Кроме того, в номере публикуются обзорные статьи:
ВРЕМЯ-ЧАСТОТНЫЕ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ. Л. Коэн
Обзорно-методическая
статья
по проблеме адекватного представления зависимости спектра
сигнала от времени с помощью
обобщенных функций (распределений). 7 авт. л., лит. 213 назв.
СУБКОМПАКТНЫЕ АТОМНЫЕ
ЧАСЫ НА ВОДОРОДНОМ МАЗЕРЕ. X. Ванг
Приводится обзор последних
достижений и перспектив. 1.8
авт. л., лит. 41 назв.
МИЛЛИМЕТРОВАЯ И СУБМИЛЛИМЕТРОВАЯ
РАДИОАСТРОНОМИЯ. Дж. Пейн
Описывается конструкция радиотелескопов новейшего поколения. 4 авт. л., лит. 109 назв.
Цена номера 3 р. 30 к.
Читатели Москвы и Подмосковья
могут оформить предварительный
заказ в Московском Доме книги
(пр. Калинина, 26, секция «Мир») и
магазине № 19 «Мир» (Ленинградский пр., 78). Иногородним читателям заказы следует направлять на
открытках по адресу: 129820, ГСП,
Москва, И-110, 1-й Рижский пер., 2,
издательство
«Мир»,
редакция
ТИИЭР.Заказы принимаются до
25 декабря 1989 г.
Снова о холодном
термоядерном синтезе
П
ОСЛЕ трех бурных
месяцев
а ж и о т а ж а вокруг х о л о д н о г о терм о я д е р н о г о синтеза с т р а с т и , похоже,
начинают стихать. С о т н и ученых во
всем м и р е потерпели неудачу в своих
попытках
подтвердить
достоверн о с т ь поразившего всех заявления,
сделанного в м а р т е М. Ф л е й ш м а н о м
и
Б. Понсом
в
Университете
ш т . Ю т ы , в к о т о р о м они сообщили о
выделении тепла в р е з у л ь т а т е реакции ядерного синтеза при к о м н а т н о й
температуре; если б ы э т о б ы л о действительно так, т о о т к р ы в а е т с я путь к
получению неисчерпаемого источника энергии, чистого в экологическом
отношении. Ф л е й ш м а н и Понс пропускали электрический т о к через тяжел у ю воду с использованием к а т о д а из
палладия. П о их мнению, выделение
тепла в а п п а р а т е происходит в рез у л ь т а т е синтеза а т о м о в т я ж е л о г о
и з о т о п а в о д о р о д а , к о т о р ы е «затягивались» в палладий электрическим током. Д а ж е если н е к о т о р ы е ученые и
заявили, что и м удалось н а б л ю д а т ь
необъяснимое выделение тепла, эффект оказался весьма « п р и з р а ч н ы м » и
не б ы л о найдено н а д е ж н ы х доказат е л ь с т в т о г о , что он обусловлен ядерн ы м синтезом.
Если т е п л о действительно выделял о с ь в р е з у л ь т а т е реакции ядерного
синтеза, т о д о л ж н ы б ы л и о б р а з о в ы ваться т а к ж е п р о д у к т ы реакции в виде гелия и т р и т и я (сверхтяжелый изот о п водорода). К р о м е т о г о , д о л ж н о
происходить испускание нейтронов,
с о п р о в о ж д а ю щ е е с я гамма-излучением. Н и в о д н о м эксперименте эти явления не б ы л и о б н а р у ж е н ы , х о т я известный своим скептическим о т н о ш е нием к в о з м о ж н о с т и х о л о д н о г о ядерного синтеза Н . Л ь ю и с из К а л и ф о р нийского технологического институт а сообщил о наблюдении и м химических процессов, к о т о р ы е м о г л и ввести в заблуждение с л и ш к о м доверчивых экспериментаторов. « Н и одна
группа не зарегистрировала всех тех
явлений, о к о т о р ы х упоминалось в сообщении из Ю т ы » , — з а к л ю ч а е т
Льюис.
Среди н е к о т о р ы х ученых, продолж а ю щ и х н а б л ю д а т ь в своих экспериментах
аномальное
тепловыделение, — Р . Хаггинс и его коллеги из
С т а н ф о р д с к о г о университета и несколько независимых групп из Техасского университета А&М. П о м н е н и ю
Хаггинса, р е з у л ь т а т ы его эксперим е н т о в у к а з ы в а ю т на т о , что другие
исследователи «напрасно т е р я ю т время», поскольку и с п о л ь з у ю т с л и ш к о м
с л а б ы й т о к . Он еще не проводил поиск н е й т р о н о в или других продуктов
синтеза.
« М ы пока не исключили все тривиальные химические процессы, к о т о р ы ми м о ж е т б ы т ь вызвано выделение
тепла, однако действуем в э т о м направлении» — говорит А. Эпплбай из
Техасского университета А&М, в
о п ы т а х к о т о р о г о по микрокалорим е т р и и т а к ж е б ы л обнаружен избыток тепла. Однако поиски гелия не дали никаких р е з у л ь т а т о в . Н е к о т о р ы е
л а б о р а т о р и и п о д т в е р д и л и наличие
и з б ы т к а т р и т и я в т я ж е л о й воде, впервые обнаруженного в экспериментах,
проведенных К . Вулфом ( т а к ж е из
Техасского университета А&М), котор ы й сообщил об обнаружении слабого испускания нейтронов. Вулф полагает, что необходимо м н о г о к р а т н о
переплавить палладиевый электрод,
ч т о б ы у д а л и т ь из него все следы
о б ы ч н о г о в о д о р о д а , к о т о р ы й , считает он, « о т р а в л я е т систему». « М ы совершенно уверены в т о м , ч т о обнаружили т р и т и й , — заявляет Вулф. —
Единственное, что нам непонятно, — откуда он т а м взялся».
Б о л ь ш и н с т в о ученых предполагаю т , что появление т р и т и я связано с
наличием примесей. Сейчас д а ж е
Ф л е й ш м а н и П о н с не н а с т а и в а ю т на
обнаружении н е й т р о н о в и гелия-4 в их
экспериментах, а именно э т о они счит а л и в а ж н ы м свидетельством протекания реакции ядерного синтеза.
Р . П е т р а с с о и его коллеги из Массачусетского технологического и н с т и т у т а
подвергли сильной критике д а н н ы е
Ф л е й ш м а н а и П о н с а по измерению
гамма-излучения, к о т о р ы е , как они
у т в е р ж д а л и , свидетельствовали об
испускании нейтронов именно с энергией,
соответствующей
ядерному
синтезу.
Петрассо
считает,
что
«гамма-сигнал» имеет п а р а з и т н у ю
природу и совсем другую энергию.
К р и т и к а в адрес Ф л е й ш м а н а и Понса
усилилась после т о г о , как ЛосАламосская национальная л а б о р а т о рия объявила в и ю н е о т о м , ч т о планировавшаяся п р о г р а м м а совместных р а б о т с У н и в е р с и т е т о м ш т . Ю т ы
отменена из-за о т к а з а последнего
участвовать в ней.
Н е с м о т р я на в о з р а с т а ю щ и й скепт и ц и з м в о т н о ш е н и и холодного терм о я д е р н о г о синтеза как источника
энергии, б л а г о ж е л а т е л ь н ы й интерес
в ы з в а л о заявление С. Д ж о н с а из Университета Б р а й а м а Я н г а об обнаружении в а н а л о г и ч н о м эксперименте
значительно более слабого процесса
синтеза. « М о ж н о почти с уверенн о с т ь ю сказать, что и з б ы т о к тепла в
эксперименте Ф л е й ш м а н а и Понса
объясняется
не реакцией
синтеза», — говорит Д ж о н с . В т о же время, он считает, ч т о слабая реакция,
при к о т о р о й не происходит скольконибудь значительного выделения тепла, но возникает п о т о к нейтронов,
вполне м о ж е т происходить при низкой т е м п е р а т у р е . Мнение Д ж о н с а
подтверждают результаты
работ,
в ы п о л н е н н ы х Г . М е н л о в о м и его коллегами в Л о с - А л а м о с е и Б о л о н с к о м
университете в И т а л и и . Менлов и
Д ж о н с п о л а г а ю т , что в ходе проведенного в Л о с - А л а м о с е эксперимент а , целью к о т о р о г о б ы л о повторение
о п ы т а Ф л е й ш м а н а и Понса, они набл ю д а л и значительное выделение нейтронов.
Согласно у т в е р ж д е н и ю Менлова,
он зарегистрировал как одиночные
н е й т р о н ы , т а к и « в ы б р о с ы » сотен
нейтронов, аналогичные н а б л ю д а в ш и м с я ранее Ф. Скарамуцци в Ц е н т р е
энергетических исследований (Фраскати, И т а л и я ) . В его о п ы т а х т я ж е л ы й в о д о р о д нагнетался под давлением в т и т а н о в ы е «лезвия»; при э т о м
возникали колебания т е м п е р а т у р ы .
Однако не все ученые с о г л а ш а ю т с я
д а ж е с в о з м о ж н о с т ь ю существования
слабой реакции. В частности, М. Гей
из Йельского университета с о о б щ а е т ,
что в проведенных и м экспериментах
не б ы л обнаружен д а ж е с л а б ы й п о т о к
нейтронов.
Почетный
президент
Университета Райса Н . Хаккерман и
Д ж . Шриффер из Калифорнийского
университета в С а н т а - Б а р б а р е , котор ы е возглавляли финансировавшуюся
п р а в и т е л ь с т в о м конференцию по хол о д н о м у т е р м о я д е р н о м у синтезу в
Санта-Фе, п о л а г а ю т в е р о я т н о с т ь наличия слабой реакции синтеза, о которой сообщил Д ж о н с , «умеренной».
Шриффер — Нобелевский
лауреат,
г л а в н ы й государственный советник
по в о п р о с а м физики — с о г л а ш а е т с я с
Х а к к е р м а н о м в т о м , что доказат е л ь с т в а а н о м а л ь н о г о выделения тепл а я в л я ю т с я «еще более сомнительн ы м и » . Хаккерман замечает, что т е
исследователи, к о т о р ы е объявляли о
наблюдении подобного эффекта, не
всегда м о г л и п о т о м п о в т о р и т ь свой
эксперимент. М е ж д у т е м комиссия
советников по энергетическим исслед о в а н и я м о б р а з о в а л а подкомиссию
по х о л о д н о м у ядерному синтезу, кот о р а я начала посещение л а б о р а т о рий. Н а выяснение э т о г о вопроса м о гут уйти многие месяцы.
Использование
эмбриональных тканей человека
в научных исследованиях:
«за» и «против»
РОБЕРТ Д Ж . ЛЕВИН
АУЧНЫЕ исследования, в кот о р ы х использовались эмбриональные ткани человека, привели к созданию вакцины п р о т и в полиомиелита, к открытию важных
ф у н д а м е н т а л ь н ы х фактов в о б л а с т и
биологии раковых клеток, к разработке более совершенных м е т о д о в лечения ряда серьезных п а т о л о г и й беременности и развития плода. Вполне
вероятно, что путем пересадки эмб р и о н а л ь н ы х клеток удастся улучш а т ь состояние людей, с т р а д а ю щ и х
т а к и м и р а з р у ш и т е л ь н ы м и заболеваниями, как паркинсонизм и ювенильн ы й диабет. У ж е это краткое перечисление д е м о н с т р и р у е т о г р о м н о е значение исследований с использованием
тканей человеческого плода. Собственно, на сегодняшний день эти исследования полезны «по определен и ю » , поскольку з а к о н о д а т е л ь с т в о
С Ш А допускает б р а т ь ткани плода человека т о л ь к о т о г д а , когда конкретная польза не м о ж е т б ы т ь д о с т и г н у т а
и н ы м путем.
Д р у г и м и словами, противники под о б н ы х исследований т р е б у ю т , чтобы о б щ е с т в о о т к а з а л о с ь о т всяких
п р и з ы в о в к пользе, д о с т и г а е м о й таким путем. Многие из них о б л а д а ю т
з н а ч и т е л ь н ы м и у с т о й ч и в ы м политическим влиянием и неизменно добиваю т с я своего. Те, к т о б о л ь ш е всех выступал последнее время, преследуют
цель з а п р е т и т ь а б о р т ы при о т с у т с т вии медицинских показаний и как
средство к э т о м у т р е б у ю т объявить
вне закона все исследования, в котор ы х т а к или иначе используются ткани человеческого плода.
За последние 15 л е т в конгрессе
С Ш А и различных государственных
ведомствах б ы л о принято м н о ж е с т в о
з а к о н о д а т е л ь н ы х актов, и м е ю щ и х
целью з а п р е т и т ь такие исследования.
И в ряде случаев вводился м о р а т о р и й
на расходование
государственных
Н
средств для осуществления научноисследовательских р а б о т , предполагающих использование тканей человеческого плода.
П е р в ы й м о р а т о р и й б ы л введен Нац и о н а л ь н ы м а к т о м о научных исследованиях, п р и н я т ы м в 1974 г. Он запрещал все исследования, в к о т о р ы х
используется
живой
человеческий
плод до или после у м ы ш л е н н о г о
а б о р т а , если т о л ь к о данное исследование не совершается с целью обеспечить жизнеспособность э т о г о плода.
А к т о т 1974 г. предусматривал создание национальной комиссии, в обязанности к о т о р о й входила в ы р а б о т к а
рекомендаций о т н о с и т е л ь н о введения
моратория.
После т щ а т е л ь н о г о изучения соотв е т с т в у ю щ и х медицинских, научных,
юридических и этических аспектов
п р о б л е м ы комиссия п р и ш л а к выводу, что м о р а т о р и й нужен, и его утвердили. Дальнейшие
рекомендации,
д а н н ы е комиссией, з а л о ж и л и основу
нынешних федеральных правил, защ и щ а ю щ и х человеческий плод как
объект исследований. Э т и правила
обеспечивают п р о д у м а н н у ю с т р о г у ю
з а щ и т у живого плода, но относительно клеток и тканей м е р т в о г о п л о д а гов о р и т с я т о л ь к о , ч т о их использование
д о л ж н о подчиняться з а к о н о д а т е л ь с т ву, действующему в д а н н о м ш т а т е
или районе.
Последний государственный м о р а т о р и й , объявленный в м а е 1988 г. пом о щ н и к о м секретаря президента по
вопросам
здравоохранения,
был
спровоцирован
предложением
исп о л ь з о в а т ь ф о н д ы государственной
с л у ж б ы здравоохранения на исследования по и м п л а н т а ц и и человеческих
э м б р и о н а л ь н ы х клеток м о з г а для лечения паркинсонизма. М о р а т о р и й запрещает государственное финансирование научных исследований, в котор ы х для пересадки тканей в лечебных
целях используется п л о д человека, полученный п у т е м у м ы ш л е н н о г о аборт а . Вновь б ы л создан консультативн ы й орган, ч т о б ы изучить вопрос и
д а т ь рекомендации. Он представил
д о к л а д консультативному к о м и т е т у ,
к о т о р ы й существует при директоре
Н а ц и о н а л ь н ы х и н с т и т у т о в здоровья,
и э т о т к о м и т е т единодушно проголосовал за прекращение запрета. В канцелярию м и н и с т р а здравоохранения и
социального обеспечения доклад ком и т е т а поступил в январе этого года,
но о т в е т а на него до сих пор не получено, так что м о р а т о р и й остается в
силе.
Следует о т м е т и т ь , что э т о т м о р а т о р и й касается использования клеток
и тканей т о л ь к о м е р т в о г о плода.
Комиссия, р а б о т а в ш а я в 1974 г., сочла т а к о й вариант о т н о с и т е л ь н о прие м л е м ы м и главную тревогу в ы з ы в а л о не э т о , а в е р о я т н о с т ь т о г о , что живому плоду м о ж е т б ы т ь причинен
вред ради научных интересов. Х о т я
м о р а л ь н ы й аспект совершения аборт а всегда фигурировал в обсуждениях
этической д о п у с т и м о с т и научных исследований с использованием тканей
человеческого плода, для тех, кто возр а ж а л п р о т и в т р а н с п л а н т а ц и и эмбриональных тканей, единственной пробл е м о й , похоже, б ы л именно вопрос о
ж и в о м плоде.
Нападки на исследования, в котор ы х используются э м б р и о н а л ь н ы е
ткани, частично о с н о в ы в а ю т с я на
л о ж н о м убеждении, ч т о врачи спос о б с т в у ю т а б о р т а м , ч т о б ы получить
м а т е р и а л для исследований. Ученые
ж е п р е д с т а ю т как их сообщники, деят е л ь н о с т ь к о т о р ы х создает впечатление, будто «индустрия а б о р т о в » —
дело законное. Исследовательская раб о т а т а к ж е объявляется противоречащей этическим н о р м а м , поскольку
сам объект а б о р т а — будущий ребенок — не м о ж е т д а т ь сознательного
согласия на него и никто, по-видимому, не м о ж е т п р е т е н д о в а т ь на т о ,
ч т о б ы б ы т ь его д о в е р е н н ы м л и ц о м ;
м а т ь же, р е ш и в ш а я п р е р в а т ь ж и з н ь
своего еще не родившегося ребенка,
вряд ли способна б л ю с т и его интересы. Спрашивается: если р а з р е ш и т ь
подвергать исследованиям неродившихся детей, неспособных в ы р а з и т ь
свое отношение к этому, т о к т о будет
следующей ж е р т в о й ? Умственно отс т а л ы е ? Социально н е ж е л а т е л ь н ы е
элементы?
В качестве аргумента п р о т и в исследований приводится и т о соображение, что женщина, к о т о р а я по мор а л ь н ы м причинам колеблется дел а т ь а б о р т , м о ж е т склониться в его
пользу, если ее убедят в целесообразности этой операции, скажем, когда
в р е з у л ь т а т е больной паркинсониз-
м о м получит помощь. Хуже того,
женщина м о ж е т пойти на т о , ч т о б ы
забеременеть с целью произвести материал для исследований, и, допустим, продать плод или предоставить
его больному родственнику для лечения (например, от диабета).
И т а к , я привел неполный перечень
возражений против исследований, в
которых используются эмбриональные ткани человека, ч т о б ы уравновесить перечисленные вначале в ы г о д ы .
Рассмотрев и т о и другое, я пришел к
убеждению, что такие научные изыскания нужно п р о д о л ж а т ь и федер а л ь н ы м властям следует их поддерживать. Однако исследователи, помоему, д о л ж н ы прислушиваться к
тревогам противников их р а б о т ы и
соответственно реагировать. Собственно, большая часть этих тревог
уже нашла выражение в федеральных
правилах, регулирующих исследования с использованием плода человека.
П о м и м о прочего, существующие правила запрещают создание финансовых или иных сомнительных мотивов
и требуют изолировать решение женщины совершать аборт от ее намерения помочь исследованиям. Все предложения о проведении исследовательских работ, в которых будут использоваться ткани плода человека, должны тщательно рассматриваться в
междисциплинарных комитетах, кот о р ы е д а ю т одобрение таким работ а м . Правила обеспечивают достаточные препятствия для злоупотреблений, а также для эксплуатации
умственно о т с т а л ы х и других беззащитных лиц.
Одна из проблем, которые невозм о ж н о решить никакими правилами, — это моральная оценка аборта.
Пожалуй, природа противоречия в
данном случае такова, что оно вообще вряд ли разрешимо. Но вовсе нет
необходимости оправдывать умышленные а б о р т ы , ч т о б ы д а т ь зеленую
улицу исследованиям, использующим
эмбриональные
ткани
человека.
А б о р т ни сейчас и никогда в будущем
не станет средством достижения научных целей. Множество женщин реш а ю т с я и будут решаться на аборт
независимо от каких бы т о ни было
исследований. Вопрос в т о м , как поступать с абортусами. М о ж н о сжигать их, как это делают с не имеющим
индивидуальности м а т е р и а л о м , остающимся в результате хирургических
операций. А м о ж н о использовать их в
качестве доноров тканей для исследований или для пересадки б о л ь н ы м в
соответствии с положениями Всеобщего закона об анатомических трансплантатах. Без сомнения, второй вариант более уязвим для всяческих претензий на гуманное отношение к
мертвому плоду.
библиография
ИСПЫТАНИЯХ ХИМИЧЕСКИХ
ПРЕПАРАТОВ НА
ТОКСИЧНОСТЬ:
ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА
ЖИВОТНЫХ И ИХ
АЛЬТЕРНАТИВА
IN-VITRO METHODS M A Y OFFER ALTERNATIVES TO A N I M A L T E S T I N G .
Ron
Michael B.A. Oldstone in Concepts in
Viral Pathogenesis,
edited by Abner
Louis Notkins and Michael B.A. Oldstone, Springer-Verlag, 1984.
CYTOIMMUNOTHERAPY
FOR
PERSIS-
TENT VIRUS INFECTION REVEALS A U N I QUE C L E A R A N C E P A T T E R N FROM THE C E NTRAL N E R V O U S SYSTEM. M i c h a e l
B.A.
Dagani in Chemical and
Engineering
News, Voi. 62, No. 46, pages 25—28;
November 12, 1984.
Oldstone et al., in Nature, Vol. 321,
No. 6067, pages239—243; May 15,1986.
A C R I T I C A L EVALUATION OF A L T E R -
CTIONS. M.B. McChesney and M.B.A.
Oldstone
in Annual
Review
of
Immunology,
Vol. 5, pages 279—304;
1987.
NATIVES
TO
ACUTE
OCULAR
IRRITA-
TION TESTING. John M. Frazier, Shayne
C. Gad, Alan M. Goldberg and James P.
McCulley. Mary Ann Liebert, Inc.,
1987.
PHARMACOKINETICS IN RISK ASSESSMENT: DRINKING W A T E R AND H E A L T H ,
Vol. 8, National Research Council.
National Academy Press, 1987.
PREDICTION
OF
CHEMICAL
CARCINOGENICITY IN R O D E N T S FROM IN
VITRO
GENETIC
TOXICITY
ASSAYS.
Raymond W. Tennant et. al. in Science,
Vol. 236, No. 4804, pages 933-941; May
22, 1987.
F O U R T H INTERNATIONAL
VIRUSES P E R T U R B LYMPHOCYTE FUN-
VIRAL
PERSISTENCE.
Michael
B.A.
Oldstone in Cell, Vol. 56, No.
pages 517—520; February 24, 1989.
LYMPHOCYTIC
4,
CHORIOMENINGITIS
V I R U S SELECTIVELY A L T E R S DIFFERENTIATION B U T N O T H O U S E K E E P I N G FUNC-
TIONS. Linda S. Klavinskis and Michael
B.A. Oldstone in Virology, Vol. 168,
No. 2, pages 232—235; 1989.
СПАРИВАНИЕ
У ДРЕВЕСНЫХ СВЕРЧКОВ
WORKSHOP
by
T H E E V O L U T I O N OF INSECT M A T I N G
M. Balls and L.J. King inXenobiotica:
The Fate of Foreign Compounds in Biological Systems, Vol. 18, No. 6, June,
SYSTEMS. Randy Thornhill and John
Alcock. Harvard University Press, 1983.
1988.
XUAL C O M P E T I T I O N IN A DIVERSE G R O U P
ON IN V I T R O TOXICOLOGY.
Edited
O R T H O P T E R A N M A T I N G SYSTEMS: SE-
ГРАНДИОЗНАЯ СВЕРХНОВАЯ
1987 Г О Д А
OF INSECTS. Edited by Darryl T. Gwynne
and Glenn K. Morris. Westview Press,
1983.
THE
ENSURE COMPLETE
MALE
PHYSICS
OF
SUPERNOVA
EXP-
LOSIONS. S.E. Woosley and Thomas A.
Weaver inAnnual Review of Astronomy
and Astrophysics,
Vol. 24, pages
205—253; 1986.
SUPERNOVA 1987A! S.E. Woosley and
M.M. Phillips in Science, Vol. 240, No.
4853, pages 750—759; May 6, 1988.
SUPERNOVA 1 9 8 7 A IN THE L A R G E M A GELLANIC
CLOUD.
M.
Kafatos
and
A. Michalitsianos. Cambridge University Press, 1988.
THE
SUPERNOVA
STORY.
Laurence
A. Marschall. Plenum Press, 1988.
SUPERNOVA 1987A. W. David Arnett,
John N. Bahcall, Robert P. Kirshner and
Stanford E. Woosley \n Annual Review
of
Astronomy
and
Astrophysics,
Vol. 27, pages 629—700; 1989.
ИМШЕНИК
B.C.,
НАДЕЖИН
Д.К.
Сверхновая 1987А в Б о л ь ш о м Магеллановом Облаке; теория и наблюдения.— Успехи физических наук, 1988,
т . 156, вып. 4, с. 561.
КАК ВИРУСЫ ВЛИЯЮТ НА
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КЛЕТОК
VIRUS C A N ALTER
CELL
WITHOUT CAUSING C E L L
FUNCTION
PATHOLOGY.
CRICKETS F E E D F E M A L E S
SPERM
TO
TRANSFER.
Scott K. Sakaluk in Science, Vol. 223,
No. 4636, pages 609—610; February 10,
1984.
THE
CONTRIBUTION
MATING
AND
OF
SUMPTION TO THE L I F E T I M E
CTIVE
SUCCESS
CRICKETS
MULTIPLE
SPERMATOPHORE
OF
(GRYLLUS
CON-
REPRODU-
FEMALE
FIELD
BIMACULATUS).
L.W. Simmons in Ecological
Entomology, Vol. 13, No. 1, pages 57—69;
February, 1988.
COURTSHIP
BENEFITS
FEEDING
THE
IN
KATYDIDS
MATING
MALE'S
OFFSPRING. Darryl T. Gwynne in
Behavioral Ecology and
Sociobiology,
Vol. 23, No. 6, pages 373—377; 1988.
МЕТАМОРФОЗА
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
DISTRIBUTED
INTERPRETATION:
A
M O D E L AND E X P E R I M E N T . V i c t o r R . L e s -
ser and Lee D. Erman in IEEE Transactions on Computers,
Vol. C-29, No.
12, pages 1144—1163; December, 1980.
CONNECTIONIST
EXPERT
SYSTEMS.
Stephen I. Gallant in
Communications
of the ACM,
Vol. 31, No. 2, pages
152—169; February, 1988.
G E T T I N G THE J O B D O N E . D a v i d
Ge-
lernter in Byte, Vol. 13, No. 12, pages
301—308; November, 1988.
L I N D A IN C O N T E X T . N i c h o l a s C a r r i e r o
and David Gelernter 'mCommunications
of the ACM,
Vol. 32, No. 4,
pages 444—458; April, 1989.
RUTHERFORD,
BOLTWOOD, A N D THE
A G E OF THE E A R T H : T H E O R I G I N
RADIOACTIVE
DATING
TECHNIQUES.
Lawrence Badash in Proceedings of the
American Philosophical
Society,
Vol.
112, No. 3, pages 157—169; June 1968.
L O R D KELVIN AND THE A G E OF THE
EARTH. Joe D. Burchfield. Science History Publications, 1975.
МЫШЦЫ СРЕДНЕГО УХА
O N THE N E U R O N A L ORGANIZATION OF
THE A C O U S T I C M I D D L E E A R R E F L E X : A
PHYSIOLOGICAL AND A N A T O M I C A L STU-
DY. Erik Borg in Brain
Research,
Vol. 49, No. 1, pages 101—123; January
15, 1973.
P E R I P H E R A L C O N T R O L OF A C O U S T I C
SIGNALS IN THE A U D I T O R Y SYSTEM OF
E C H O L O C A T I N G BATS. N o b u o S u g a a n d
Philip H.-S. Jen in Journal of Experimental
Biology,
Vol. 62, No. 2,
pages 277—311; April, 1975.
T H E A V I A N STAPEDIUS M U S C L E : INFLUENCE ON A U D I T O R Y SENSITIVITY AND
S O U N D TRANSMISSION. S . A . C o u n t e r
and E. Borg in Acta
Oto-Laryngologica,
Vol. 94, No. 3—4, pages 267—274; 1982.
T H E O R I E S OF THE M I D D L E - E A R M U S -
CLE FUNCTION. Erik Borg, S. Allen
Counter and Giinter Rosier in The
Acoustic Reflex: Principles and Clinical
Applications.
Edited by Shlomo Silman
Academic Press, 1984.
НАУКА ВОКРУГ
TRAFFIC
DED
FLOW
ROADS.
ON
M.J.
LONG
CROW-
Lighthill
and
G.B. Whitham in Proceedings of the
Royal Society of London,
Series A:
Mathematical
and Physical
Sciences,
Vol. 229, No. 1178, pages 317—345;
May 10, 1955.
ЗАНИМАТЕЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
CELLULAR
AUTOMATA
MACHINES.
Tommaso Toffoli and Norman Margolus. The MIT Press, 1988.
CYCLIC C E L L U L A R A U T O M A T A IN T w o
DIMENSIONS. Robert Fisch,
Janko
Gravner and David Griffeath. Ted E.
Harris Festschrift. Birkhauser, in press.
ПИСЬМЕННОСТЬ МАЙЯ
MAYA HIEROGLYPHIC WRITING:
AN
INTRODUCTION. J. Eric S. Thompson.
University of Oklahoma Press, 1971.
DECIPHERING
THE
MAYA
SCRIPT.
ЖЕСТКОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕРХНОВОЙ
1987 А
Гребенев С. А., Сюняев Р. А. ОЖИДА-
David Humiston Kelley. University of
Texas Press, 1976.
ЕМОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ И З Л У Ч Е Н И Е ОТ
E M B L E M AND STATE IN THE CLASSIC
ДОМ М О Н Т Е - К А Р Л О . — П и с ь м а в А с -
MAYA
LOWLANDS:
APPROACH
TO
AN
EPIGRAPHIC
TERRITORIAL
ORGANI-
ZATION. Joyce Marcus. Dumberton
Oaks, 1976.
THE MAYA, fourth edition. Michael
D. Сое, Thames and Hudson, 1987.
M A Y A ICONORGAPHY. E d i t e d b y E l i -
zabeth P. Benson and Gillett G. Griffin.
Princeton University Press, 1988.
СВЕРХНОВОЙ
1987А.
РАСЧЕТЫ
Ефремов
В. В.
НИЯ
и др.
ОБНАРУЖЕНИЕ
РЕНТГЕНОВСКОГО
СВЕРХНОВОЙ
ТЕЛЬНЫЕ
ИЗЛУЧЕ-
1 9 8 7 А . -ПРЕДВАРИ-
РЕЗУЛЬТАТЫ
МОДУЛЯ
Uni-
КВАНТ. — Письма в Астрономический
журнал, 1987, т . 13, с. 1027—1041.
Сюняев Р. А., Ефремов В. В., Кани-
versity of California Press/British Museum, 1989.
КА ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУ-
MAYA GLYPHS. S. D . H o u s t o n .
о в с к и й А . С . и д р . У В Е Л И Ч Е Н И Е ПОТО-
К н о р о з о в Ю . В . « С О О Б Щ Е Н И Е О ДЕ-
ЧЕНИЯ ОТ СВЕРХНОВОЙ 1 9 8 7 А п о ДАН-
ЛАХ в ЮКАТАНЕ» Д И Е Г О Д Е Л А Н Д Ы КАК
НЫМ ПРИБОРОВ Г Е К С Е и « П У Л Ь С А Р X -
ИСТОРИКО-ЭТНОГРАФИЧЕСКИЙ
ИСТОЧ-
1» ОБСЕРВАТОРИИ Р Е Н Т Г Е Н НА МОДУ-
НИК. В книге Д . де Ланда. Сообщение
о делах в Юкатане. М.-Л., 1955.
ЛЕ КВАНТ. — Письма в Астрономический журнал, 1988, т . 14, с. 579—590.
Сюняев Р. А., Каниовский А., Ефре-
К н о р о з о в Ю . В . П И С Ь М Е Н Н О С Т Ь ИНДЕЙЦЕВ М А Й Я , — М . - Л . ,
мов
1963.
К н о р о з о в Ю . В. ИЕРОГЛИФИЧЕСКИЕ
РУКОПИСИ М А Й Я , — Л . ,
В. В.
ЖЕСТКОГО
и
др.
ПАДЕНИЕ
ПОТОКА
РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧЕ-
Н И Я СВЕРХНОВОЙ 1 9 8 7 А . Д А Н Н Ы Е МО-
1975.
ДУЛЯ КВАНТ. — П и с ь м а в А с т р о н о м и -
ческий журнал, 1989, т . 15, с. 291—300.
S u n a y e v R . A., Kaniovsky A. S., Ef-
ДОЛГИЕ ДЕБАТЫ
О ВОЗРАСТЕ З Е М Л И
r e m o v V . V . e t a l . DISCOVERY OF H A R D
GENESIS
AND
GEOLOGY.
Charles
Coulston Gillispie. Harper, 1951.
X-RAY
EMISSION
FROM
РАШИД
АЛИЕВИЧ
СЮНЯЕВ
(«Жесткое рентгеновское излучение
Сверхновой 1987А») — заведующий
Отделом астрофизики высоких энергий Института космических исследований А Н С С С Р . Окончил в 1966 г.
Московский физико-технический институт. Член-корр. А Н С С С Р , вицепрезидент Международной организации по освоению космического пространства
(КОСПАР),
президент
Комиссии астрофизики высоких энергий Международного астрономического союза. Основные р а б о т ы — в
области теоретической астрофизики
и наблюдательной космологии. Широко известны р а б о т ы Р. А. Сюняева
по теории дисковой аккреции, взаимодействию вещества и излучения в
ранней Вселенной,
интерпретации
данных
наблюдений
нейтронных
звезд и черных д ы р в двойных звездных системах. Р. А. Сюняев — научный руководитель Международной
орбитальной обсерватории Р Е Н Т Г Е Н , успешно работающей уже более
двух лет на модуле К В А Н Т комплекса космической станции М И Р .
МЕТО-
трономический журнал, 1987, т . 13,
с. 945—963.
Сюняев Р. А., Каниовский А. С.,
ЖЕСТКОГО
Robert J. Levine "Essay. Fetal research: the underlying issue" ( Р О Б Е Р Т
Д Ж . Л Е В И Н «Эссе. Использование
тканей плода человека для научных
исследований: за и против») — профессор, председатель реаензионного
совета в Медицинской школе Йельского университета.
НАС
O N KINEMATIC W A V E S : I I . A T H E O R Y
OF
( начало см. на с.5 )
OF
SUPERNOVA
1987A. Nature, 1987, V. 330, p. 227.
В МИРЕ
НАУКИ
П о д п и с а н о в печать 2 0 . 0 9 . 8 9 .
П о оригинал-макету. Ф о р м а т 60 х 90 У».
Г а р н и т у р ы т а й м е , гелиос.
О ф с е т н а я печать.
О б ъ е м 6 , 5 0 б у м . л.
Б у м а г а офсетная № 1 .
Усл.-печ. л. 13,0.
У ч . - и з д . л. 16,91.
Усл. к р . - о т т . 54,50.
И з д . № 2 5 / 6 7 8 8 . Заказ 812.
Т и р а ж 2 7 1 0 0 экз. Ц е н а 2 р.
Издательство «Мир»
Госкомиздата СССР
129820, Г С П , Москва, И - 1 1 0 ,
1-й Р и ж с к и й п е р . , 2 .
Набрано в Межиздательском
ф о т о н а б о р н о м центре
издательства «Мир»
Типография В / О « В н е ш т о р г и з д а т »
Госкомиздата СССР
127576, Москва, Илимская, 7
Книги издательства
К. Боуден
ФИЗИЧЕСКАЯ ОКЕАНОГРАФИЯ
ПРИБРЕЖНЫХ ВОД
Перевод с английского
нига известного английского океанолога
Н
н а п и с а н а на о с н о в е л е к ц и й , п р о ч и т а н н ы х
им в Л и в е р п у л ь с к о м у н и в е р с и т е т е (Велико\ ^ б р и т а н и я ) , и п о с в я щ е н а с п е ц и а л ь н о динам и к е ш е л ь ф о в ы х вод — предмету, к о т о р о м у в
о б ы ч н ы х к у р с а х о к е а н о л о г и и у д е л я е т с я мало
в н и м а н и я . М е ж д у тем, именно ш е л ь ф о в ы е в о д ы стали в
п о с л е д н и е д е с я т и л е т и я объе к т о м у с и л е н н о г о хозяйственн о г о о с в о е н и я , в том числе разв е д к и и д о б ы ч и н е ф т и и газа.
Начиная с определения
п р и б р е ж н ы х вод и о ц е н к и их
з н а ч е н и я для человечества,
автор п о с л е д о в а т е л ь н о опис ы в а е т о с о б е н н о с т и поведения вод вблизи берегов: приливно-отливные и нагонные
течения, п о в е р х н о с т н ы е волны, перемешивание, температурно-солевой р е ж и м , обмен
с г л у б и н н ы м и водами. Достои н с т в а к н и г и — ч е т к и й и ясн ы й я з ы к , большое число
ф а к т и ч е с к и х с в е д е н и й , табл и ц и карт, связь с п р а к т и ч е скими потребностями
использования шельфовых
вод и дна.
{
I /
.А?
Содержание: Приливы и
п р и л и в н ы е т е ч е н и я . Поверхн о с т н ы е волны. Течения и наг о н ы , в ы з ы в а е м ы е ветром.
П р и б р е ж н ы й апвеллинг. Потоки, вызываемые
р а з н о с т ь ю п л о т н о с т е й , и р а с п р е д е л е н и е солености. Распределение т е м п е р а т у р ы и с е з о н н ы й терм о к л и н . П р о ц е с с ы обмена и перемешивания вод.
Взаимодействие между прибрежной и океанской
циркуляцией.
Для ш и р о к о г о к р у г а с п е ц и а л и с т о в , и н т е р е с ы
которых связаны с исследованиями и эксплуатац и е й п р и б р е ж н ы х вод. М о ж е т с л у ж и т ь у ч е б н ы м
пособием.
1988, 20 л. Цена 3 р. 30 к.
Эту книгу вы можете выписать наложенным платежом,
отправив заказ по адресу:
191040 Ленинград, Пушкинская ул., 2,магазин «Техническая книга»
В след
УПРАВЛЕНИЕ ПЛАНЕТОЙ ЗЕМЛЯ
МЕНЯЮЩАЯСЯ АТМОСФЕРА
МЕНЯЮЩИЙСЯ
КЛИМАТ
УГРОЗА ВОДНЫМ РЕСУРСАМ
РАЗНООБРАЗИЕ Ж И В О Й ПРИРОДЫ ПОД УГРОЗОЙ
РОСТ НАРОДОНАСЕЛЕНИЯ
СТРАТЕГИИ РАЗВИТИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
СТРАТЕГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
СТРАТЕГИИ ПРОМЫШЛЕННОГО
ПУТИ ДОСТИЖЕНИЯ
ПРОИЗВОДСТВА
СБАЛАНСИРОВАННОГО
ЭКОНОМИЧЕСКОГО
РАЗВИТИЯ
НА ПУТИ К СБАЛАНСИРОВАННОМУ
ISSN 0208—0621. В мире науки. 1989. № 10. 1—104.
МИРУ