Text
                    И все-таки я пытаюсь утверждать ... ,
что минералогия—наука очень
занимательная, что мертвый камень
живет своей собственной жизнью и что
занимается эта наука такими важными
и интересными вопросами, что ей,
пожалуй, могут позавидовать даже
науки о живых существах.
Л, Е, Ферсман, 1959 г.


Г. С. ФРАНТОВ ГЕОЛОГИЯ И ЖИВАЯ ПРИРОДА Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкие включения Ленинград «Недра» Ленинградское отделение 1982
530 Ф83 УДК 55 + 574/578 Франтов Г. С. Ф83 Геология и живая природа (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкие включения).— Л.: Недра, 1982.— 144 с, ил. В книге рассказано о развитии геологических дисциплин, находящихся на стыке с биологическими, о перспективах исследований в этих областях и их дальнейших направлениях. Показаны случаи применения понятий биологии к геологическим объектам. Проведены аналогии и параллели в процессах и явлениях, происходящих как в живых организмах, так и в неживой природе. Описаны выявленные при сравнительном изучении живой и неживой природы закономерности, позволяющие осуществлять техническое моделирование Для широкого круга геологов, геофизиков, минералогов и лиц, интересующихся геологией. 1904040000-349 550 043(01)-82 Рецензенты: д-р геол -минер, наук А. И. Олейников (ВСЕГЕИ), канд. биол. наук В В. Усов (11ИИЭМ АМН СССР) На\чный редактор Э А. Новиков Редактор издательства Л. А. Р е и х е р т Обложка художника Д. М. П л а к с и н а Технический редактор И. Г. Сидорова Корректор Н. Д. Б а р и м о в а И Б № 924 Сдано в набоп 1105 82. Подписано к печати 13.10.82. М-24389. Формат 84x108/32 Бумага типографская «Nb 2. Гарнитура литературная. Печать высокая Усл. печ. л. 7,56. Усл. кр.-отт. 8, 09. Уч.-изд. л. 7,97. Тираж 50 000 экз. Заказ № 191/399. Цена 30 коп. Ордена „Знак Почета" издательство «Недра». Ленинградское отделение. 193171, Ленинград, С-171, ул. Фарфоровская, 12. Ленинградская типография № 2 головное предприятие ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения '«Техническая книга» им. Квгении Соколовой Союзполнграфпрома при Государственном комитете СССР по долам издательств, полиграфии и книжной торговли. 198052, I. Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29. © Издательство «Недра», 1982
ПРЕДИСЛОВИЕ Взгляните на рисунок на обороте обложки. Там показан аэрофотоснимок участка земной поверхности. Петлистые линии чем-то напоминают схему из биологической книги. Если смотреть на Землю из кабины реактивного лайнера, то увиденное тоже наводит на биологические аналогии: леса, овраги, горы, ущелья, извилистые системы рек...— их очертания отдаленно похожи на контуры какой-то биологической системы. Геологические и биологические науки имеют много точек соприкосновения. Примером взаимодействия биологии и геологии являются такие науки, как палеонтология, палеоботаника, палеопалинология. В наше время число контактов между биологическими и геологическими науками может быть существенно увеличено. В новые контакты попадают бионика и биогеофизика. Современные геологические исследования позволяют человеку, с одной стороны, находить месторождения полезных ископаемых, обеспечивая развитие промышленности, с другой — ставят новые актуальные задачи научных исследований. В геологии много различных тайн. Одним из подтверждений сказанному является большое число появляющихся сейчас геологических теорий и гипотез, значительная часть которых носит «биологический» характер. Приведем отдельные примеры. Группа советских ученых-геологов во главе с Д. В. Рундквис- том выявила у рудных жил характеристики, аналогичные эволюционным: усложнение формы и минералогического состава для рудных тел более позднего возраста образования. Кристаллографы установили изменение формы кристалла в зависимости от условий его образования. Имеются сведения о том, что в пределах отдельных кристаллов происходят химические изменения,
напоминающие обменные процессы. Геологи В. И« Драгунов, В. И. Васильев и другие разработали понятие «уровень организации веществ» применитель* но к геологическим объектам. Проф. Д. П. Григорьев сформировал учение о раз-» витии минерала как индивида и как вида, получившее название учения об онтогении и филогении минералов. В учение о минералах включен подход, аналогичный подходу к виду и индивиду в мире растений или животных. Кристаллографы акад. Н. В. Белов и проф. В. И. Лебедев высказали гипотезу, согласно которой в процессе выветривания кристаллических изверженных и метаморфических пород происходит поглощение солнечной энергии, по своей сути аналогичное поглощению солнечной энергии при фотосинтезе растений. В недрах Земли эта энергия высвобождается и участвует в жизни земной коры. В значительной степени расширено представление об электромагнитных явлениях, происходящих в Земле. Обращено внимание на то, что эти процессы в какой-то степени аналогичны изучаемым электрофизиологией. Изучаются электрофизиологические характеристики биотоков с целью выяснения их закономерностей, пригодных для понимания биофизических процессов. Развивается применение бионики в геофизике. Органы живых организмов, рассматриваемые как электромагнитные системы, ультразвуковые радары, сейсмографы и другие устройства, все чаще привлекают внимание ученых. С другой стороны, люди смотрят на неживую природу, учатся у нее, берут ее рецепты, т. е. возникает что-то очень похожее на «геологическую бионику» или «геонику». Гидрогеолог С. М. Григорьев развивает гипотезу, согласно которой циркуляция водных растворов в Земле обеспечивает механизм, в какой-то степени напоминающий обмен веществ. Выходят книги с родственными названиями: например, в биологии — «Биологические часы» [Мир, 1964 г.], в геологии — «Геологические часы» [Недра, 1965 г.]. Несмотря на большое различие явлений в биологии и геологии, книги объединяются общей идеей — изучением ритмических процессов в природе. Появилась необходимость хотя бы кратко проанализировать последние достижения в области геологи* ческих теорий биологического характера, - 4 -*
Вместе с тем биологи всегда активно следят за тем, что делается в геологии. Многие биологи мыслят геологическими псшятиями: делают сравнения биологических процессов с происходящими в кристаллах, изучают окаменелости в горных породах и т. д. В теории происхождения и развития живой природы значительную роль играют найденные в земных слоях остатки древнейших растений и организмов. Это не только скелеты рыб, птиц, пресмыкающихся и млекопитающих. Сегодня изучают как древние споры, так и первозданные одноклеточные организмы. Рассматриваются процессы обмена веществ древних организмов и окружавшие их среды. Но все ли каменные летописи прочли биологи? Можно допустить, что от внимания биологов ускользнули отдельные страницы в развитии геологии, которые могут пробудить интересные мысли. К числу таких достижений геологов в первую очередь следует отнести исследования в области газово-жидких включений — законсервированных в минералах капельках материнской среды, из которой росли кристаллы. Для геологии учение о газово-жидких включениях сейчас считается не менее важным, чем, например, палеонтология. Параллельное изложение биологических и геологических материалов содействует биологам в знакомстве с секретами неживой природы. Да и читатель любой специальности и любого возраста сегодня обязан иметь представление о процессах, в ней происходящих. Ведь все существование человека происходит в пределах одной оболочки Земли, названной нашим великим соотечественником В. И. Вернадским «биосферой». Он был фактически первым естествоиспытателем, который на практике начал планомерно трудиться над обобщением биологических материалов. Впоследствии его идеи получили дальнейшее развитие в трудах А. Е. Ферсмана, А. А. Саукова, А. П. Виноградова, А. В. Сидоренко *. В первую очередь они учитывали успехи химических наук и на этом пути получили очень важные результаты. мЧисло биологических систем и их свойств, с одной стороны, и геологических систем самых разнооб- Сидоренко А В., Сидоренко С. Л. Органическое вещество |у^а^н°-метаморфических породах докембрия» М 2 Наука, »■- 5 —t
разных свойств, с другой — практически безгранично. Эта небольшая книга не может претендовать на то, что в ней будут затронуты все вопросы, связанные с аналогиями между живой и неживой природой. Однако здесь в научно-популярной форме будут изложены основные элементы такого подхода. Мы рассмотрим, почему в геологии появляется так много теорий биологического характера. Возьмем в руки скальпель и микроскоп биологов и увидим, из чего состоят живые ткани. Геологический молоток или буровой станок вместе с лупой и микроскопом позволяет нам понять, как же устроен минерал. В этой книге рассказано про бионику и геонику, уровни организации вещества в живой и неживой природе, клетки и газово-жидкие включения. Автор искренне признателен всем, кто оказал содействие в подготовке книги, помог в экспериментах и обсуждении результатов или дал полезный совет. Он особенно признателен Н. П. Вербицкой за помощь при сборе материалов. Автор использовал материалы совместных работ, выполненных в разное время в содружестве с В. Р. Протасовым, М. Н. Унгерманом и Н. Г. Кос- тюковской, которым приносит свою глубокую благодарность
СЛОЖНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МИРА ПРИРОДЫ Наша Земля представляет собой сложную систему, состоящую из нескольких оболочек-геосфер и ядра. По-видимому, есть и другие планеты, устроенные таким образом. К числу оболочек Земли относятся выделенные по составу вещества: мантия, земная кора (литосфера), гидросфера и атмосфера. Образовались они как следствие общепланетарных процессов. Изменяются типы физико-химических реакций на различных глубинах, образуются разнообразные молекулярные соединения, с которыми происходят различные превращения. Но с увеличением глубины ослабевают процессы, связанные с организацией вещества. В свою очередь оболочки тоже дифференцируются. В работах геологов рассмотрены процессы последовательного усложнения строения Земли при образовании новых геологических структур. Чл.-кор. АН СССР В. В. Белоусов показал, что процесс дифференциации мантийного вещества Земли влияет на все геологические процессы. В поверхностной части Земли — оболочке нашей планеты — активно идут сложные процессы и здесь формируются геологические структуры и рудные месторождения. Месторождения и слагающие их — 7 —
минералы, а в свою очередь атомы и молекулы, такжо подчиняются определенным закономерностям. Учение о строении Земли сформировалось из ре« вультатов, полученных геологами, геофизиками, географами, геохимиками, гидрогеологами, литологами и представителями других геологических специалм ностей. Литосфера — это каменная твердая наружная обсь лочка Земли (земная кора). Она состоит кз разнообразных горных пород — гранита, габбро, известняка, песчаника, доломита, глин и др. В свою очередь' горные породы образованы более простыми телами — минералами, например, кварц и полевой шпат составляют граниты, кальцит — известняк и т. д. Ученые ввели понятие о биосфере как оболочке, в которой находится органический мир и развита жизнь. В. И. Вернадский сформировал основы учения об этой оболочке и выделил как современную живую оболочку, так и «былую» биосферу, образованную остатками древних организмов. Оболочка органического мира пронизывает верхнюю часть литосферы, атмосферу и гидросферу. Разнообразные геологические процессы протекают при непосредст* венном участии организхмов и растений. Именно в биосфере находятся рассматриваемые нами биологи-» ческие, а в литосфере — геологические объекты. В разных областях научных знаний объекты тех или иных исследований различаются прежде всего по степени сложности своей структуры, т. е. по «уровню их организации». В общем случае понятие «уровень организации» характеризует структуру определенной сложности, представляющую собой, с одной стороны, элемент, а с другой — отдельный самостоятельный объект в цепи систем, последовательно усложняющихся по структуре. В каждом отдельном случае в это понятие вкладывается свой уточняющий и конкретный смысл *. Выделение уровней организации происходит как в биологии, так и в геологии. Нужно, конечно, отметить, что уровни являются абстракцией, облегчающей описание сложных объектов. В биологии это понятие начало развиваться раньше, в геологии позже, но в * Изучение уровней организации/Е. А. Баскаков, Л. И. Бо« ровиков, В. И. Васильев, В. И. Драгунов и ДР. — Трудь$ ВСЕГЕИ, Н. С.а 1971, т. 177, с. 116—198, #• 8 *•
обеих науках подход к выяснению организации продиктован наличием природных структур и процессов. Не всегда просто выделить уровни и изучить их свойства по отдельности; и если биологи встречают здесь некоторые сложности, то они есть и в области гео« логии. Уровни организации все время изучаются в живой природе. В биологии одни изучают клетку и популяцию, другие экосистему, что связано с преобладающим у того или иного специалиста объектом исследования. Во всех случаях выделение уровней организации основано на накопленном людьми практическом опыте. Можно выделить биосферу в целом, биоценоз, популяцию, отдельный организм, клетку, органеллу, молекулу, атом. И действительно, в пределах биосферы выявлены биоценозы, в состав которых входят отдельные организмы и растения — все естественные группировки, образующие самоподдерживающуюся систему. Характерной чертой организма является то, что он имеет клеточное строение и т. д, Биосфера — тонкая пленка в объеме всей Зем* ли — хорошо организована как иерархическая система уровней организации вещества, причем на каждом уровне компоненты, которые ее составляют, взаимо* действуют так, что любое биологическое явление подчинено имеющейся иерархии. Сейчас одно явление анализируется многими спе« циалистами. Американский биолог К. Гробстайн приводит пример с зайцем, который ел кустарник и которого схватила рысь *. В обсуждении происшед* шего биологического события принимают участие специалисты разных направлений: эколог, физиолог, цитолог, электронный микроскопист, биохимик, био* физик. Каждый излагает свою частную концепцию, которая связана с определенным уровнем организа* ции вещества. Эколог изучает систему в целом. Он наблюдает в данном случае участок цепи питания экосистемы: с помощью листвы, съеденной зайцем, а затем зайца, в свою очередь переваренного в желудке рыси, солнечная энергия, накопленная зелены* ми растениями, распределилась по всей экосистеме. Электрофизиолог берет электронную установку, прикладывает к телу электроды и изучает электричек ские импульсы, образующиеся в нервной системе* * Гробстайн К, Стратегия жизни. М., Мир, 1968, 144 с,
Именно исследования на уровне нервной системы позволяют изучать поведение животного. Электрофизиолог наблюдает, как от чувствительных нервов идет серия импульсов в тот момент, когда заяц прислушался и повернул голову или рысь пригнулась перед прыжком. Эта серия импульсов и достигает коры головного мозга. На экране осциллографа видно, что появляются сформировавшиеся в коре управляющие импульсы, которые распространяются затем к двигательным мышцам и передают им команду о сокращении, после чего заяц прыгает в сторону. Цитолог, изучающий непосредственно уровень клетки, поясняет, что импульсы следуют по нервным волокнам, которые, в свою очередь, являются отростками клеток. Распространение импульса тесно связано с обменом веществ и энергии в местах соединения отдельных клеток—своеобразных клеточных контактах. Если понять этот механизм, то будут ясны приемы управления нервным импульсом. Биохимик перейдет на другой уровень организации и скажет, что нельзя будет понять, как функционируют клеточные поверхности, равно как и другие части — органеллы клетки, пока не будет ясен их молекулярный состав. Для каждого уровня организации вещества в пределах биосферы характерны какие-то свои способы взаимодействия составляющих данный уровень элементов. Взаимодействие осуществляется путем обмена веществ, посредством соприкосновения поверхностей, электромагнитным полем и т. д. Элементы организмов связаны друг с другом с помощью сложной нервной системы, иными словами, усложнение структуры элементов можно наблюдать с усложнением системы их взаимодействия. Поэтому иерархия структуры элементов обусловлена иерархией системы взаимодействия частей целого — более сложные элементы имеют более сложную систему взаимодействия. Нервная система является настолько сложной системой связей, что с ее помощью возможно осуществлять функциональный контроль элементов. У биологов подчеркивается, что иерархия структуры соответствует иерархии функционального контроля. Но уровни организации известны и в неживой природе. Примерно так же, как и биологи, рассуждают специалисты из различных областей геологии. Предположим, что мы исследуем рудное месторождение. Специалист по тектонике говорит, что знание — 10 -
тектоники позволит точно понять происхождение и время образования рудного тела. К тому же тектонические структурные конструкции контролируют рудные тела. Геоморфолог видит ландшафты, он будет искать связь форм рельефа с тем или иным типом руд. Геофизик-электроразведчик возьмет электроды и электронные приборы и выяснит, как распределяются удельные электрические сопротивления при пропускании через землю электрического тока, а также зафиксирует естественные электрические процессы. Гидрогеолог расскажет все о воде, о водном режиме месторождения и его нарушениях при вскрытии месторождения. Минералог изучит, из чего состоит рудное тело: он увидит отдельные минералы и их взаимоотношения, сможет сделать вывод об условиях минералообразования, о механических воздействиях, которые испытали минералы, после того как выросли. Данные по газово-жидким включениям подскажут состав рудоносных растворов и температурный режим образования минералов. Возникнет необходимость в обобщении сведений. Специалист по электронным вычислительным машинам скажет, что он математическим путем вычислил корреляционные коэффициенты, в которых учтены хмногочисленные показатели, связанные с наличием рудного тела в Земле: изрезанность рельефа, сведения об электрических свойствах, наличие аномалий магнитного поля, данные по содержанию ме* талла в почве, различных элементов в горных породах, гидрогеологическому режиму. Но и в рудном теле идут процессы по своим законам, и мы видим пока лишь частные стороны этих проявлений, не всегда укладывающиеся в наши концепции. Почему? Да потому, что месторождение на всех этапах развития представляет собой сложную систему, имеющую связи с окружающей средой, где действует очень много факторов, причем изменение одного явления влечет за собой изменения других. Мы пока только начинаем представлять этот механизм в целом. В геологических науках понятие «уровень организации» также давно используется, особенно при рассмотрении принципов историзма и цикличности. Геологические системы рассматривались как особые стадии развития нашей планеты. Для земного шара в целом и для каждой геологической системы характерно наличие, подсистем различного уровня, начиная — 11 -
от слоев земной коры и кончая составляющими ее горными породами и минералами. При этом каждый «уровень организации» геологической системы характеризуется определенным составом вещества и соответствующей структурой. Любой геологический объект представляет собой результат наложения обширного ряда элементарных процессов. «Выделить же ее составные компоненты и интегрирующие их закономерности — задача весьма сложная и трудная» *. В наше время геологи исследуют самые различные структурные части планеты — от земных оболочек до минералов и входящих в их состав атомов и ядер, иными словами, они изучают вещество на всех уровнях его организации, что созвучно направлениям работ биологов. И геологи стремятся расположить изучаемые объекты в ряды. При этом отдельные объекты — индивиды группируются в виды, а виды — последовательно в более высокие группы — таксоны. Ряд в геологии выписывается следующим образом: атомы, молекулы, минералы с газово-жидкими включениями, горные породы, формации, оболочки планет, планеты, звездные системы, галактики. По сравнению с биологией здесь неясно, как обстоит дело с функциональным контролем, который должен быть связан с каждой структурой соответствующего уровня организации. Но, тем не менее, в ряду перечислена последовательность геологических «кирпичиков». Начало геологического ряда такое же, как и у ряда живой природы (рис. 1). В геологии имеются объекты, которые содержат серию других объектов на более низком уровне организации, что напоминает последовательный набор матрешек, полых шаров или кубиков, вложенных друг в друга. Теперь все чаще употребляется такой термин, как рудный район. Под рудным районом подразумевается геологически и географически обособленная территория с развитыми в ее пределах группами месторождений близкого состава, образовавшихся в сходных геологических и физико-химических условиях, В свою очередь рудные районы содержат рудные поля. Под рудным полем подразумевается совокупность территориально сближенных рудных месторождений, объединяемых общностью происхождения и единст- * Куражковская Е. А. Принцип историзма в геологии. —i В кн.; Пути познания Земли. М., Наука, 1971, о, 203—210. л mm 12 —
вом геологической структуры. Рудное месторождение— это скопление полезного ископаемого, являющегося рудой какого-либо металла. В пределах рудного района имеются рудные поля, содержащие рудные участки — месторождения. Но если взять рудный участок и детально изучить его, то здесь будет выявлена сеть рудных и нерудных жил, которые будут связаны, как правило, с тектоническими нарушениями. И далее, изучая минерал, мы увидим, что он тоже неоднороден, содержит специфические включения, т. е. здесь мы сталкиваемся с последовательной неоднородностью в свойствах* характерных для каждого уровня организации. Минерал был выделен как самостоятельное целое в по« вседневной практике человека. По данным А. К. Бол* дырева, уже в начале нашей эры было описано около сотни минералов, которые соответствуют минеральным видам, выделяемым наукой сегодня, Это самородные элементы: медь, железо, золото, серебро, янтарь; сульфиды, окислы, карбонаты, сили* каты и др. Мы уже писали о большой важности для людей изучения свойств отдельных минералов. В свою очередь, минерал является составной частью других объектов: горных пород, месторождений, рудных полей и районов, которые также имеют присущие только им свойства. «Минерал — это часть неоргани* ческой природы, природное тело, обладающее кри* сталлическим строением и являющееся естественным продуктом земных физико-химических процессов»,-* написано в статье «Изучение уровней организации» (см. сноску на с. 8)* Все объекты ряда минерал — месторождение -<* рудное поле неоднородны, хотя и могут быть оха« рактеризованы средними параметрами. Неоднород* ности в физических свойствах и различного рода из-* менения свойственны всем геологическим объектам -* и минералу, и рудному полю. Каждый уровень/ организации вещества связан с определенным присущ щим ему структурным порядком, который имеет вме* сте с тем свои включения неоднородностей. Геофизи* ки широко используют физические свойства горные пород. Возьмем такой вид геофизики, как электро-* разведка, изучающая удельное электрическое сопро* тивление различных геологических образований. Ме« тодами электроразведки изучаются самые разнооб-» разные параметры электрических свойств различны^ »- 13 —
~+fOcM\ *- 'РысЬ' Мышцы rt iff 10~ 10'' 10" к- Отдельная мы ища ж- Мышечное волокно 10 10" 10' г5 10 10 -12 /5 к- Синапс к- Поверхностная мембрана, к- Слой молекул к- Молекула, сахара. к- Атом натрия Атомное ядро к- Протон WWW' Рис. 1. Последовательная шкала уменьшающихся размеров до макроскопи Ряд живых объектов приведен
Земля Оболочка Земли Рудный район Континент -Ы Рудное поле Месторождение -Ц/О -Юм Кристалл »ЦЮ- 10*Ш 103КМ 102КМ 10SNt ЧО'см Газово- жидкое включение , ~Ы Неорганическая молекула. 10 -з 10 -Г объектов живой и неживой природы — от микроскопических ческих объектов. в соответствии с К. Гробстайном.
геологических объектов, принадлежащих к различным «уровням организации» — от земного шара в целом до отдельных минералов. Объекты, параметры которых подлежат измерению в методах электроразведки, различаются между собой в первую очередь по размерам, например по площади, а также по значениям электрических свойств, и прежде всего по удельному электрическому сопротивлению. Последний из параметров при этом имеет в своих числовых значениях, как правило, значительный разброс, что затрудняет его использование на практике. Поэтому Характеристику геологических объектов по их удельной электропроводности целесообразно проводить, рспользуя средние значения удельного электрического сопротивления. Они представляют собой, фактически, среднее из числовых значений удельного электрического сопротивления объектов одного уровня Организации. ТАБЛИЦА 1 Последовательный ряд геологических объектов и их характеристики по площадям и средним удельным электрическим сопротивлениям Объект Площадь, км2 Среднее удельное электрическое сопротивление, Ом-м J. Земной шар &. Евразия 0. Рудный регион 4. Рудное поле 8. Месторождение сульфидных руд: а) руды б) вмещающие породы 6. Минералы: а) рудные о) породообразующие 510 • 106 54.106 5.106 60 5 ю-12 0,01 4500 2000 400-4000 0,01-1 1000 * 0,01-1 100-1000 Имеются попытки охарактеризовать удельное электрическое сопротивление земного шара в целом средними значениями; изучаются средние значения удельного электрического сопротивления по образцам для массивов горных пород. В Справочнике * также * Справочник геофизика. Т. 1. Физические свойства горных^ рород и полезных ископаемых. М, Недра, 1976* 527 g« рт 16 -*
широко используется понятие средних значений свойств и наблюденных полей. В табл. 1 приводятся основные геологические объекты в широком диапазоне — от земного шара до минерала, расположенные в виде последовательного ряда, отражающего различные уровни организации. Критерии, по которым в данном случае проведена дифференциация объектов таблицы по уровням организации, ограничиваются площадями и средним удельным электрическим сопротивлением. Числовые значения площадей лервых двух объектов взяты по справочным данным или с учетом наиболее часто встречающихся в геологической практике цифр. Электрические характеристики приводятся в форме среднего значения удельного электрического сопротивления для каждого типа объектов. Первый объект таблицы — земной шар — упрощенная модель слоисто-однородного типа. Верхний слой — хорошо проводящие электричество породы осадочного комплекса, а также воды морей и океанов — располагается над слоем кристаллических пород высокого удельного сопротивления. Далее идет проводящая зона мантии с очень большими значениями электропроводности. Поглощение электромагнитных волн внутри проводящей зоны мантии очень велико, и поэтому модель земного шара, состоящая из идеально проводящего ядра и других слоев конечного удельного сопротивления, является более или менее близкой к действительности. Значение удельного электрического сопротивления земного шара в целом име* ет порядок 0,01 Ом • м. Отметим, что удельное электрическое сопротивление для модели земного шара раз* ными авторами оценивается несколько по-разному* Каждый последующий объект таблицы прежде ©сего представляет собой составную часть объекта предшествующего уровня. Например, континент (Евразия) рассматривается как составная часть земного шара, а в свою очередь подразделение «рудный район» ~~ как часть континента и т. д. Этот принцип сохраняется в таблице повсеместно как в отношении площади, так и по удельному электрическому сопротивлению. Для Евразии среднее значение удельного электрик ческого сопротивления по данным, полученным в разных частях континента, на глубинах порядка первых километров определяется ориентировочно в — 17 —
4500 Ом-м ". За значение удельного электрического сопротивления для рудного региона, как типичного для такого рода объектов, принято среднее для территорий, входящих в состав Читинской области. Для уровня «рудное тело» и «месторождение» также взяты наблюдения на сульфидных месторождениях Забайкалья. Представленный ряд объектов различных уровней организации можно рассматривать как своеобразную диаграмму изменений их характеристик. В частности, с геологической точки зрения конкретно иллюстрируется переход от одного геологического объекта к другому по иерархическому принципу. По данным средних значений отмечается прерывистость в рядах параметров, характеризующих эти объекты. На рис. 1 представлены объекты длиной больше 10~15 см. Что встретится в области длин, меньших 10~15 см? Предполагают, что здесь откроются новые закономерности материального мира. Что там будет: раскрытие природы слабых взаимодействий или установление границы известных нам форм материального мира — еще не известно. Уже сегодня физики с помощью теории заглядывают в мир объектов, составляющих 10~32 см, предполагая, что такие размеры должны иметь предсказанные теоретиками, но пока еще не обнаруженные частицы. В области объектов больших размеров в мире звезд и галактик тоже ведутся непрерывные исследования. Там идут свои организационные процессы. Наличие уровней организации вещества — общее свойство организации вещества в природе. В практической деятельности человек также широко пользуется системами, состоящими из элементов разного уровня организации. Особенно это характерно для систем, собираемых из электротехнических и радиотехнических устройств. Знание отдельных уровней позволяет правильно изучать сложные системы, В природе мы часто видим отдельные элементы системы, изучаем их, но слить все в целое удается не всегда. Поговорим об отдельных элементах уровней. * Франтов Г. С, Костюковская Н. Г. О возможности построения региональных карт среднего удельного сопротивления (на примере Читинской области). — Геология и геофизика, 1972, № 4 (148), с. 115—118.
Часть 1 БИОНИКА, ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА Ведь нам не заказано ни у птиц летать, ни у рыб плавать перенимать, и к чему мы не способны от природы, то делать нашим искусствам. Г. В. Рихман Из наблюдений за живой природой возникла бионика. Современное развитие бионики показывает, что контакты между геологией и биологией можно существенно расширить, включая в область взаимодействия и геофизику. В частности, биофизика как наука, исследующая живую природу, имеет общность с геофизикой — наукой, изучающей неживую природу, в силу того что живая и неживая материя в ряде случаев подвергаются одинаковым внешним воздействиям, а реакции сред на воздействия имеют аналогии. Например, электрофизиология и электрические методы разведки обладают целым рядом общих элементов. Сравнительный анализ геологических и биологических наук может содействовать развитию обеих отраслей знаний. Бионика — это пограничная между биологией и техникой наука о технических системах, которые — 19 -
копируют живые системы. Бионика основана на изу* чении живых систем *. Интеграл, скальпель и паяль* ник — символ симпозиума в Дайтоне, который проходил в 1960 г. под названием «Живые прототип пы искусственных систем — ключ; к новой технике». Само понятие «бионика» (от греческого «бион» ■— элемент жизни) было предложено в 1958 г. По мере своего развития все науки испытывают общую тенденцию: делятся ка самостоятельные специализированные дисциплины,, число которых все время увеличивается. Снецизлюавщя вызвана накоплением знаний в каждой шз отраслей: и отсутствием у человека возможности ©сввшгь» в« целом такое большое количество знаний без их разделения. Однако ученые узкой профессии не всегда понимают друг дру-» га. Часто отсутствуют специалисты, знающие глубоко проблему в целом. Поэтому активные воздействия на природу, как, например, в случае с дихлордифе- нилтрихлорэтаном ~ ДДТ, которые сначала пред* принимались только узкими специалистами, привели к серьезным нежелательным последствиям. Кроме насекомых-вредителей стали погибать птицы, рыбы и другие животные. Профессия геолога в чем-то сходна с профессией врача. И тот и другой на основании ряда наблюдений различными методами должны поставить диагноз: медики — о болезни в теле человека, геологи — о наличии месторождений в непрозрачных недрах Земли. В биологии появилась не* обходимость найти способ, на базе которого можно было бы шире распространить знание связанных между собой вопросов, имеющих общую научную основу. Именно бионика позволила создать такую общую платформу для специалистов многих направлений* В 1959 г. вышел каталог современных научных дисциплин, согласно которому насчитывалось 1150 отраслей науки, причем терминологические барьеры и специфические построения привадили к тому, что даже специалисты по смежным дисциплинам не всегда понимали друг друга. Сейчас мы видим, что обще-* ние физиков, математиков, биологов, врачей, биофизиков при изучении одинаковых живых объектов помогло наладить контакт между ними. Совместное изучение естествоиспытателями разного профиля од- - * Литинецкий И. Б. Бионика (пособие для • учителей). М., Просвещение, 1976. 336 с. Жерарден Л* Бионика, М.г Мир, 1971* 232 с. - - , *• 20 -*
них биологических объектов содействовало разработке общих биологических теорий и углубленному пониманию всей деятельности живых систем. > Сегодня ясно, что форми^ 1.1. Технические модели рованню бионики как живых систем науки содействовала вся предыдущая деятельность человечества. Многие наблюдения над живой природой были проведены в глубокой древности. Так, сотни лет назад арабские врачи, проводя хирургические one-» рации глаз, получили основное представление об их строении, о том, как происходит преломление лучей света при переходе из одной прозрачной среды в другую. Сделанные наблюдения подсказали конструкцию хрустальной линзы, которая позволила увеличить изображение. Сейчас мы отчетливо представляем, что линза помогла позднее создать Р. Гуку прообраз современного микроскопа и Г< Галилею телескоп. Иными словами, арабские врачи, с нашей точки зрения, явились основоположниками наблюдений для создания оптики. Такие примеры есть во всей истории человечества. Очень сложно устроены органы зрения. Объектом исследования являются глаза животных. Наиболее хорошей природной моделью глаза человека оказался глаз ракообразного — лимулуса, который остался без изменений практически с древнейших времен. По сравнению с глазом человека глаз лимулуса имеет в сто тысяч раз меньше светочувствительных клеток— всего одну тысячу (рис. 2). Свет 1 падает на чувствительные клетки. Каждая из них содержит линзу 2, фокусирующую свет. К линзам подходят нервные окончания — дендриты 3. Здесь энергия света переходит в химическую, приводящую к образованию нервного импульса. По нервным волокнам — ак« сонам 5 — появившиеся под влиянием света импульсы попадают в мозг, где подвергаются окончательной обработке. Для изучения электрических характеристик этого явления в зрительный нерв лимулуса вставляли специальные миниатюрные электроды Л и Б, которые позволяли наблюдать импульсы от соседних клеток, В процессе наблюдений узнали, что если свет / попадает на клетку, соединенную с нервным волокном 5, то только в этом волокне появляются нервные импульсы частоты о)ь Если осветить клетку, связанную *- 21 —
Рис. 2. Схема сложного глаза рачка лимулуса [по Жерардену Л. Бионика. М., Мир, 1971 г., с. 107]. / — падающий свет; 2 — линзы; 3 — дендриты светочувствительных клеток; 4—сеть ветвления аксонов; 5 — аксоны зрительных клеток; А, Б— микроэлектроды, введенные в аксоны. с нервным волокном £, то только в ней появится нервный импульс определенной частоты со2. Когда освещаются обе клетки, то и в нервном волокне Л, и в нервном волокне Б регистрируются нервные импульсы, однако они имеют частоту следования импульсов 02 меньшую, чем соь Каждый раз происходит автоматическое согласование работы чувствительных клеток со средним значением раздражителя (в данном случае им является электромагнитная энергия света). Количество энергии света, полученное одной клеткой, изменяет порог чувствительности соседних клеток. В этом процессе взаимодействия участвует сеть мелких нервных волокон, окончания которых влияют на уровень поляризации нейронов. В рассуждениях о бионике мы хотим отметить' моменты, которые будят геологические мысли. Вновь посмотрим на рис. 2. Он отдаленно напоминает геологический разрез над рудным телом. Можно даже сказать почему: во-первых, по форме рудные тела на геологических разрезах часто имеют корни-«нож- ки» — подводящие каналы, затем их основные и расширяющиеся части. Но дело не только в форме. Сами кристаллы, входящие в рудные тела, состоящие из неорганических молекул, имеют сложные физические свойства, среди которых есть и определяющие разно* — 22 —
образные преобразования электромагнитной энергии, в том числе и нелинейные. Возникают вопросы о том, как же ведут себя кристаллы в рудных телах, когда на них падают электромагнитные волны, например свет солнца. Ведь существуют же минералы, для которых характерны фотоэлектрические эффекты. В физике для исследования многих направлений отправные моменты были заложены наблюдениями за биологическими объектами. Особенно наглядно изучение электрических явлений. Так, опытыЛ.Галь- вани привели к тому, что А. Вольта сконструировал батареи — химические источники электрической энергии. Л. Гальвани в 1771 г. начал исследовать электричество в живом организме. Изучая нервную систему лягушки, он заметил, что прикосновение металлического скальпеля к обнаженному седалищному нерву препарированной лягушки ведет к сокращению мышц задних лапок. Он подумал, что причиной сокращения лапки является электрический разряд, который проходит по нерву лягушки, а причиной разряда является атмосферное электричество. Когда была гроза, лапки лягушки вздрагивали. Однако лапки под действием грозовых разрядов вздрагивали слабее, чем при лабораторных опытах, и это навело Л. Гальвани на мысль, что дело совсем не в грозовых разрядах, а в наличии специального вида электричества, которое он называл «животным». После большого числа опытов Л. Гальвани в 1791 г. опубликовал «Трактат о силах электричества при мышечном движении». А. Вольта — специалист по электрическим явлениям, повторяя опыты Л. Гальвани, дал другое объяснение судорогам лапки. А. Вольта пришел к выводу, что причиной судорог является разновидность электричества, которая возникает, когда замыкается цепь, состоящая из двух разнородных металлов и жидкости, находящейся в нервах лягушки. На базе идей Л. Гальвани А. Вольта сделал искусственную батарею, первый в мире источник тока — 20 пар кружочков различных металлов, которые разделены прокладками ткани и бумаги, смоченными соленой водой или растворами щелочи. Между Л. Гальвани и А. Вольта возник научный спор. В нем каждый был по-своему прав. Этот спор, в котором ставились новые опыты и проверялись различные гипотезы, содействовал дальнейшему развитию науки. Так разви- .— 23 —
вались направления исследования электрически* явлений, составившие позднее крупные разделы физи« ки и физиологии. Появилось представление о том, что существует «животное» электричество. М. Фарадей, изучая различные виды электричества, показал, что «животное» электричество, или электричество биоло- гического происхождения, ничем не отличается от других видов электричества по своим действиям, например от получаемого при трении, от термоэлектри* чества, «магнитного» электричества, которое возникает при пересечении замкнутыми проводниками маг-» нитных полей, и гальванического электричества химического происхождения. М. Фарадей лишь не до конца ставил знак равенства между нервными сигналами и электрическими, считая все же, что нервная сила имеет более высокий порядок по сравнению с электрической или магнитной. Создав источники электрического тока — батареи, А. Вольта исследовал действие своих батарей на язык и узнал, что оно приводит к появлению вкуса железного купороса, когда кусочки олова и серебра, соединенные проводом в батарею, прикладывают к языку. Далее был изучен орган зрения. Так было установлено, что органы чувств реагируют на электрические воздействия. Электрическими батареями мы пользуемся и сейчас. А. Вольта называл их искусственными электрическими органами, этим подчеркивая, что именно биологические опыты натолкнули его на мысль о создании источников тока. Итак, А. Вольта пользовался бионическим подходом. Сегодня построение технических систем для получения энергии с помощью аналогий с биологическими системами является одним из направлений исследования в бионике. Изучение и моделирование нейрона, нейронных сетей, нервных центров и принципов организации мозга живого организма с целью изыскания путей их использования в технических устройствах является важным направлением бионических исследований. На основе познания деятельности мозга ученые пытаются построить искусственные нервные клетки. Работам по созданию аналога нейрона посвящено много исследований. Нейрон является преобразователем с двоичным выходом, т. е. с отсутствием или наличием сигнала, Jia нейрон биологического организма может пода* ~ 24 -*
+u +v +v Рис. 3. Нейристор Х. Крейна [по Жерардену Л., 1971 г., с. 77]. ваться возбуждающий или тормозящий импульс. Первый вызывает «срабатывание» нейрона, если количество энергии, накапливаемой нейроном за известный отрезок времени, превысит определенное, называемое пороговым, значение. X. Крейн в 1960 г. построил электромеханическое устройство, которое он называл нейристором. Особенностью нейристоров является способность передавать импульс без затухания. В этом случае передается не сам сигнал, а зона возбуждения, перемещающаяся по линии. За зоной возбуждения распространяется зона пониженной возбудимости, не пропускающая импульсов, идущих сразу же за первым. Сборка первых нейристоров делалась на основе электромеханических реле. Собрать нейристор можно из двух реле: одно из них (А рис. 3) очень быстро реагирует на прохождение тока через катушку, другое (Q) — медленно из-за особенностей конструкции. Соединение двух таких реле как бы моделирует картину явлений, которые происходят в аксоне. Реле с большим быстродействием моделирует действие ионов натрия при проникновении в клетку, реле с медленным действием моделирует обратный процесс — восстановление равновесия под действием ионов калия. Катушки соединяются в виде ячеек по две штуки, |сак показано на рис. 3. В случае состояния покоя р* 26 •»
реле не соединяются с источником тока. Когда в цепи возникает возбуждение, на обмотках реле в ячейке пЛ растет потенциал U. Если потенциал увеличивается настолько, что замыкается реле Р с быстрым действием, то напряжение U прикладывается к концам обмоток реле ячейки пЛ. Однако значение U существенно превышает пороговое напряжение, при котором срабатывает реле Р, и напряжение U попадает в точку Б через сопротивление /?. Тогда в ячейке п увеличивается напряжение и замыкается реле Р, так же как и в случае с ячейкой п-1. Хотя и с замедлением, но начинают действовать реле Q: при замыкании реле Р на концах обмотки реле Q резко возрастает напряжение и реле Q срабатывает, разрывая контакт ячейки с источником тока. Затем оба реле: Р — быстрее, a Q — медленнее — возвращаются в исходное состояние покоя. И если в этот период в цепи появится возбуждение, то ничего не произойдет до тех пор, пока реле Р не вернется в исходное состояние и не сможет обеспечить контакт с источником энергии. Примерно так же и в такой же последовательности происходит процесс передачи электромеханического возбуждения и торможения в аксоне нервной клетки. Нейристоры (технические модели нейронов) используются в качестве ячеек счетно-решающих устройств. Сейчас имеются более портативные нейристоры. Одни из них изготовлены из полупроводников, а другие используют современные достижения электрохимии. Однако и магнитные элементы могут помнить и передавать возбуждение. В геологии — мире неживой материи — есть природные магниты, полупроводники и электрохимические элементы. Какие функции они могут выполнять? Как они могут трансформировать сигналы? Пока этот вопрос изучен недостаточно, и к нему мы будем возвращаться в части 2. Бионика изучает много проблем. Среди них важное место занимает исследование действия электрических, магнитных, акустических и гравитационных полей. Широко изучаются системы поисков и обнаружения, навигации и ориентации. Такие системы могут иметь геологический и геофизический смысл *. * Франтов Г. С. Об использовании биологических наук в геофизике. — Изв. Забайкальск. филиала Геогр. о-ва СССР, 1969, т. V, вып. 6, с. 53—63. — 26 —
Конструкторские бюро годами работают над различными проблемами создания геофизических приборов. Это совсем немного но сравнению со многими тысячами и миллионами лет в процессе эволюции живой природы. Вместе с тем анализ живых систем может дать ответ на целый ряд интересующих геофизическое приборостроение вопросов. В частности, приборостроителей всегда интересует сравнение с лучшими образцами, иллюстрирующими наши возможности. Можно считать, что одним из вариантов таких лучших образцов являются конструкции «приборов», созданных самой природой. Их небольшие габариты, чувствительность и надежность в ряде случаев пре- врсходят известные сегодня характеристики аппаратуры. Во-вторых, биологические объекты могут служить прототипами технических моделей. ■ На живые системы дей- 1.2. Органы чувств ствуют все исследуемые и геофизические приборы в геофизике поля — ма- гнитные, электрические, гравитационные, сейсмические и др. Кроме того, имеются живые системы, создающие электромагнитные поля, акустические поля, реагирующие на действие этих полей; имеются живые системы, реагирующие на запахи. В природе имеются аналоги почти всех устройств, которые используются геофизиками. Поскольку в биологии так или иначе затрагиваются многие проблемы, интересующие геофизиков, целесообразно их рассмотреть. Например, эхолокационные и гидролокационные системы. Наиболее хорошо изучена эхолокационная система летучих мышей. Летучие мыши ртом издают ультразвуковые колебания, главная часть энергии которых лежит в диапазоне от 10 до 150 кГц. Колебания излучаются импульсами сложной формы, с длительностью, измеряемой миллисекундами. Когда импульсы не излучаются, мышь прослушивает отраженные сигналы, что позволяет ей обнаруживать препятствия при полете, а также искать добычу—^.различных насекомых. На расстоянии 215 см летучая мышь реагирует на препятствие из проволоки диаметром 3 мм. На расстоянии 90 см она реагирует на проволоку диаметром 0,18 мм. Следовательно, геофизическая характеристика поиска — отношение расстояния к диаметру искомого объекта в этих экспериментах составляет 700—5000. Эхолокатор летучей ~ 27 -
мыши выдерживает сравнение с такими сложными техническими системами, как радиолокаторы и эхолокаторы (табл. 2). При оценке геофизического эхо- Локатора использовались параметры эхолокатора ЗГЛ. Из таблицы видно, что по эффективности живые системы не уступают техническим системам, ТАБЛИЦА 2 Сравнение эхолокатора живых систем, геофизического эхолокатора и радиолокатора Сравниваемая характеристика Радиолокатор [по 61 Самолет 300 8-Ю6 9-Ю4 104 Эхолокатор Пласт горных пород 50 2-104 105 102 Малая рыжая летучая мышь [по 61 Проволока 1,8-Ю-2 90 0,5 ю-6 Искомый объект Размер объекта, см Дальность обнаружения, см Масса аппаратуры, г Излучаемая мощность, Вт Эхолокационные аппараты летучих мышей могут воспринимать сигналы, отраженные от мелких объектов в условиях большого шумового фона. Изучение эхолокационных аппаратов летучих мышей показало, что они обладают очень высокой помехоустойчивостью. Экспериментаторы отмечают, что летучих мышей не сбить с толку даже при самом громком шуме, который можно было создать — при сильном свисте во всем частотном диапазоне; шум здесь в десятки раз превышает сигнал. Измерительные геофизические системы, работая на наиболее чувствительных диапазонах, дают уверенные результаты при сигнале, лишь в несколько раз превышающем помеху. Излучение летучими мышами энергии упругих колебаний в воздухе могло бы, вероятно, послужить прототипом для создания аналогичных наземных и воздушных эхолокаторов. Во всяком случае, сложная форма сигнала; излучаемого живой эхолокационной системой, показывает, что здесь имеет место аналогия с ультразвуковой локацией (рис. 4), хотя и нет ясности относительно того, на какие параметры вторичного сигнала реагирует летучая мышь. — 28-
Исходный, сигнал Р Эхо от проволока A -Jllllllllllllllllllk W Эхо от стены Е Рис. 4. Схематическое изображение сигнала летучей мышй и его эхо в летном помещении в различных условиях [по 6]. Л—при приближении к проволокам диаметром 0,46 мм, натянутым посреди помещения; С—при приближении к более толстым проволокам, натянутым вблизи стены (обратите внимание на более сильные эхо); D — в лесу, в естественных условиях, в присутствии многих отражающих объектов, при приближении к насекомому (для упрощения частотная модуляция не показана). Известны исследования эхолокационного аппа* рата бутылконосых дельфинов. С целью обнаружения объектов в воде дельфины издают звуковые и ультразвуковые сигналы в диапазоне до 200 кГц. Гидролокационный аппарат дельфина позволяет ему искать рыбу для питания. На расстоянии до 3 км дельфин обнаруживает рыб с вероятностью 98—100%. У медузы хорошо изучена форма тела, что позво-- лило- советским ученым сконструировать чувствительный • прибор, используемый для предсказания шторма. Медуза ощущает неслышимые человеком инфразвуки с частотой около 10 Гц, которые возникают при трении морских волн о воздух. Она имеет своеобразный датчик инфразвука, содержащий стебелек, заканчивающийся колбой с жидкостью, в которой плавают камешки, опирающиеся на окончание нерва. Звуки шторма воспринимает эта колба. Через камешки звуки передаются нервам. В приборе, основанном на органе слуха медузы, есть рупор — резонатор, пропускающий колебания нужных частот, и пъезодатчик, преобразующий колебания в импульсы электрического тока. Далее импульсы усиливаются и измеряются,. т~ 29 ~#
Рис. 5. Схема аппарата — предсказателя шторма [по 2, с. 16]. Прибор позволяет определять наступление шторма за 15 ч (рис. 5). По описаниям известны случаи, когда роль живых сейсмографов играли собаки, кошки, змеи, ящерицы, голуби, а также другие животные. Их тревожное поведение является предвестником землетрясений. Предполагается, что перед землетрясением появляются сейсмические колебания почвы, обусловленные распространением сложных, скорее всего смешанных, так называемых продольных и поперечных колебаний. Эти колебания имеют очень низкую частоту, человеческое ухо их не ощущает, в отличие от органов чувств животных, пресмыкающихся и птиц. Весьма тщательно исследуются особенности некоторых рыб в связи с сейсморазведкой. Так, в 1923 г. за два дня до землетрясения в Токио на одном из мелководных пляжей появилась «усатая треска», которая водится в очень глубоких местах. С тех пор накоплено довольно много фактов, согласно которым некоторые обитатели морских глубин за считанные дни до начала землетрясения поднимаются на поверхность. Считается, что они реагируют на слабые сигналы раздражения. В Японии разводится специальный вид аквариумных рыб, которые начинают выскакивать из воды незадолго до землетрясения. Возможно, что эти исследования могут лечь в основу - ЗЭ -
новых сейсмографов. Известно также, что некоторые насекомые имеют органы, позволяющие им реагировать на очень слабые механические колебания. В частности, ощущают небольшие перемещения — до 4-10-9 см — водяные жуки; пауки чувствуют вибрацию паутины; у змей поверхность кожи играет роль" мембраны, очень чувствительной к колебаниям. Наиболее чувствительные сейсмографы позволяют уверенно регистрировать смещение горных пород до Ю-5 см, т. е. их чувствительность намного ниже. В природе существует большое число запахов. Очень сложный мир запахов у насекомых. Пахучие вещества — сигнализаторы, выделяемые насекомыми, используются ими для связи и оповещения. У живых систем имеются органы, позволяющие делать физико-химический анализ очень небольших концентраций веществ. Некоторые рыбы чувствительны к запахам и способны реагировать на пахучее вещество при концентрации 10~14 г/л. Может быть, поэтому взрослые рыбы возвращаются в тот же самый приток, где они росли. Вероятно, отыскать свою родную протоку рыбе помогает специфический химический состав воды в реке, обусловленный химизмом горных пород, размываемых рекой. Отсюда делается вывод, что рыба обладает способностью чувствовать тонкие запахи, помнить их и анализировать. Известно, что в геологической службе широко используются методы физико-химического анализа проб горных пород и вод с целью выявления различных полезных ископаемых. Одна из наиболее чувствительных спектрозолотоме- трическая съемка позволяет определять наличие золота в горных породах в количестве 10~5 г/кг. Не может ли тщательное изучение методов такого анализа у живых организмов послужить основой для новых геохимических способов разведки? Обонятельные клетки похожи на нервные. Они имеют отросток к поверхности слизистой оболочки, заканчивающийся пузырьком, слегка выступающим на поверхности эпителия. Другой отросток тянется к головному мозгу. Всего к мозгу от обонятельных клеток идет 100 млн. аксонов — нервных отростков. Ученые отмечают, что чувствительная поверхность является датчиком запахов и представляет, по сути, обнаженное вещество самого нерва. Благодаря большим способностям чувствовать запахи собаки после специальной тренировки помогают — 31 —
геологам искать обломки полезных минералов, прикрытые почвой. Живые системы имеют устройства для термолокации. У гремучих змей есть специальный орган, расположенный между глазами и ноздрями, который чувствует изменения температуры на 0,001 °С. Лицевые ямки гремучих змей на связаны непосредственно ни с ушами, ни с глазами, ни с какими-либо другими соседними с ними органами. Они представляют собой небольшие углубления в верхней части. Каждая ямка на некоторой глубине от входного отверстия разделена поперечной мембраной, перегораживающей ее на две камеры — наружную и внутреннюю. Наружная лежит впереди и открывается широким воронкообразным отверстием на коже между глазом и ноздрей. Внутренняя камера, лежащая позади наружной, сообщается с внешней средой узким каналом. Перегородка, разделяющая обе камеры, имеет толщину всего 0,025 мм. Густые переплетения нервных окончаний пронизывают ее во всех направлениях. Ученые Д. Нобл и А. Шмидт установили, что лицевые ямки представляют собой не что иное, как термолокаторы. Эти органы чувств способны улавливать тепловое излучение и определять по его направлению местонахождение любого нагретого тела. Термолокаторы змеи действуют по принципу своеобразного термоэлемента. Тончайшая мембрана, разделяющая две камеры лицевой ямки, подвергается с двух сторон воздействию разных температур. Внутренняя камера сообщается с внешней средой узким каналом, поэтому в ней сохраняется температура окружающего воздуха. Наружная камера широким отверстием -— теплоуловителем — направлена в сторону исследуемого объекта. Тепловое излучение, которое он испускает, нагревает переднюю стенку мембраны. По разности температур на внутренней и наружной поверхности мембраны, одновременно воспринимаемых нервами, у змеи возникает ощущение излучающего тепловую энергию предмета. Вся внешняя информация, так же как и информация от внутренних органов, попадает в мозг через органы чувств. Поскольку в геофизике широко применяются различные измерения температур горных пород с целью поисков рудных тел, устройства типа термолокаторов могут представлять интерес для геофизического приборостроения. «г 32 -*
У живых организмов имеется много других интересных органов чувств: например, улитки и муравьи чувствуют радиоактивное излучение. Природа создала самые различные «датчики», реагирующие на слабые концентрации химических элементов, температурные изменения, механические колебания, электромагнитные поля и направленные инфракрасные излуче* ния, инфра- и ультразвуки. Биологами описаны некоторые органы, назначение которых еще не уста-, новлено. Все чудесные свойства живых «датчиков» обусловлены гибкостью механизмов работы элементарных ячеек-клеток, из которых они состоят. Если такой живой орган отказывает, то в организме может произойти авария. Многие жители Мейпорта (Флорида) в 1977 г. приняли морские ванны в ледяной воде, с тем чтобы помешать большой группе китов выброситься на один из пляжей близ устья р. Сент-Джон. Несмотря на принятые меры, несколько китов так и не удалось спасти. Высказано предположение, что киты-«лоцма- ны», вожаки этой группы, стали жертвой какого-то паразита, проникшего в их ушное отверстие и повлиявшего на работу расположенного в нем природного эхолокатора, в результате чего и произошло нарушение чувств ориентации. Известны и другие аналогичные случаи. Добыча пищи, поиски пути домой, а иногда и возможность существования бывают связаны с живыми приборами, поэтому они должны работать исключительно надежно. В природе имеются и 1.3. Злектрические органы электромагнитные систе- рыб и электроразведка мы обнаружения. В ре-» зультате исследований, проводившихся в СССР и за рубежом, установлено, что некоторые тропические рыбы (мормирус нильский, длиннорыл) обладают органами, имеющими аналогии с устройствами, применяемыми в электроразведке, на* уке геологического профиля, которая позволяет, изучая электромагнитные поля и электрические свойства горных пород, искать месторождения полезных ископаемых. У этих рыб есть природный генератор электромагнитных разрядов, излучающий электромагнитную энергию в воде. Искажения генерируемого электромагнитного поля, вызываемые появлением в воде различного рода препятствий, улавливаются эти-» ми рыбами. Чтобы оценить применимость бионических 2 Тл С. Франтов — 33 -»
принципов в электроразведке, во Всесоюзном научно- I исследовательском институте разведочной геофизики I (ВИРГ) совместно с Институтом экологии и эволю- 1 ционной морфологии животных АН СССР были про- I ведены специальные исследования *. ' Установлено, что электрические органы рыб расположены симметрично по бокам тела. Они состоят | из набора электрических клеток, имеющих форму I пластинок. Лицевая и задняя стороны пластинки об- 1 ладают электрической полярностью. Если лицевая 1 сторона ориентирована в сторону головы рыбы, то 1 во время разряда голова становится заряженной от- 1 рицательно. Электрические клетки-пластинки объеди- 1 няются в ткани и органы. I Всех рыб по наличию у них электрических орга- 1 нов и электрогенераторных тканей делят на три 1 группы. К первой относятся рыбы, имеющие) рлектри- $ ческие органы и создающие сильные электрические | разряды напряжением больше 10 В,— это электриче- 1 ский угорь, электрический скат, электрический сом I и американские звездочеты. Во вторую группу попа- 1 дают слабоэлектрические рыбы, у которых есть элек- ] трические органы, создающие пульсирующие разря- 1 ды напряжением до 0,5 В (известно около 300 видов ] таких рыб, например мормириды и гимонотиды). I Рыбы, у которых нет специализированных электри- | ческих тканей (красноперка, карась, вьюн, окунь и | др.),составляют третью группу. Рассмотрим наиболее 1 подробно отдельные виды слабоэлектрических рыб. I Они имеют систему, представляющую геофизический 1 интерес. 1 Электрические органы таких рыб располагаются I в хвостовом стебле, замещая там некоторые хвосто- i вые мускулы. Это длинные веретенообразные струк- | туры, лежащие параллельно позвоночнику. Вся элек- 1 трическая система состоит из элементарных электри- 1 * Протасов В. Р. Биоэлектрические поля в жизни рыб. М., Изд-во Центр. НИИ информ. и технико-экогн. исследований рыб. хоз-ва Минрыбхоза СССР, 1972. 229 с. Франтов Г. С. Некоторые вопросы электромагнитных методов разведки. — Изв. Забайкальем филиала Геогр. о-ва СССР, 1969, т. 5, вып. 6, с. 97—106. Протасов В. Р., Унгерман М. Я., Франтов Г. С. Об использовании бионических принципов в геоэлектроразведке. — В кн.: Вопросы гидробионики. Материалы совмест. совещ. секции физики и секции гидробиологии и ихтиологии. М., Наука, 1974, с. 35—37,
ческих пластин. Например, нильская щука — гимнар- хус нилотикус (или гимнарх) — имеет восемь электрических органов (по четыре на каждой стороне хвостового стебля). Пластинки располагаются перпендикулярно к позвоночнику по всей длине каждого волокна. Их число в спинном волокне 99, диаметр волокна 4,2 мм, максимальный размер электрической пластинки 1,2 см. Каждая пластинка образуется из 12—20 мышечных клеток. Пластинки всех волокон работают синхронно. В областях хвоста и головы появляются разные заряды, поэтому получаются дву- полярные импульсы. Характерной особенностью электрических органов мормирия является наличие над и под ними удлиненных игольчатых костей. Поэтому при движении рыб орган не изгибается. Пластинки строго перпендикулярны к оси тела. Это обеспечивает постоянную геометрию излучающего диполя и возможность суммировать образующиеся потенциалы. У многих других видов рыб, как, например, у гимнарха, наблюдается тенденция двигаться с выпрямленным телом или той частью тела, на которой находятся электрические органы. Эти особенности строения хорошо объясняются стремлением к сохранению симметрии электрического поля по отношению к продольной оси тела. У рыбы африканского слоника, помещенного между электродами, разряд составляет 7—17 В. Электрические органы заканчиваются клиньями из студенистой массы, возникшей из соединительной ткани. Эта масса представляет собой переход от клеток электрических органов к клеткам остальных тканей. Слабоэлектрические рыбы излучают слабые импульсы электромагнитной энергии. По характеру импульсов-разрядов этих рыб, согласно X. Лиссману, можно разделить на две группы. Разряды первой группы, куда относится и гимнарх, регулярные с относительно большой длительностью импульса (2—10 мс) и частотой изменения амплитуды сигнала в пределах импульса, не зависящей от возбуждения рыбы. Частота следования импульсов — от 60 до 940 в секунду. Разряды второй группы — сложные с меняющейся частотой и амплитудой сигнала в пре« делах импульса меньшей длительности (до 200 мс). Частота следования импульсов возрастает или уменьшается в зависимости от возбуждения рыбы. 2* - 35 —
Рис. 6. Отдельные импульсы излучения гимнарха, снятые при I температуре 28°С. 1 В первой группе наиболее изучен гимнарх, для I излучения которого характерны импульсы длительностью 3 мс с интервалами между ними 2,3 мс I (рис. 6). Импульсы у гимнарха обнаруживаются и вне воды, если поместить рыбу в воздухе и сделать контактное присоединение электродов к коже. Раз- ] ность потенциалов между головой и хвостом рыбы 1 достигает сотых долей вольта. При разряде хвост ' становится заряженным отрицательно относительно \ передних участков тела. В результате около гимнар- \ ха появляется суммарное электрическое поле, экви- j валентное полю диполя, силовые линии которого вытянуты вдоль длинной оси тела рыбы (рис. 7). Поле диполя не симметрично — его силовые линии более вытянуты вперед. Это связано с тем, что электриче- ! ские органы в теле рыбы — элементарные диполи — j оканчиваются на кончике хвоста не в одной точке, j а в длину простираются на разные уровни. Наблю- ; дения X. Лиссмана показали, что частота колебаний в пределах импульса у одной и той же рыбы не ме- j няется ни при раздражении рыбы, ни при изменении | ее физиологического состояния. Изменяется частота ] разрядов только при изменении температуры. Опти-
мальная температура для работы электрических ор-< ганов рыб этой группы 28 °С. Рассмотрим разряды второй группы рыб на примере африканского слоника. Разряды слоника состоят из импульсных посылок, заполненных синусоидальным сигналом, частота посылки импульсов изменяется в зависимости от возбуждения рыбы и внешних факторов: температуры, света, солености, вносимых в воду объектов. Длительность каждого импульса составляет от 200—300 до 1 мс, минимальный интервал между ними при высокой частоте заполнения равен 18 мс. Синусоидальные колебания в импульсах содержат частоты от 300 Гц до 20 кГц с максимумами в области 3 кГц. Энергия отдельного импульса составляет 10~6 Вт. При первой фазе разряда рыба создает электрическое поле, которое по форме напоминает поле электрического диполя, также асимметричного, как и в случае, показанном на рис. 7, и имеющего большую плотность тока в хвостовой части. Были также произведены специальные измерения, электрических параметров рыбы гнатонемуса как своеобразного эквивалента генератора. Зная основные технические характеристики природного генератора, можно сделать его модель, в которой два электрических органа гнатонемуса заменены диполем с двумя шарами. Электрические разряды у рыб, не имеющих электрических органов, впервые были обнаружены в 1955 г, у миноги, затем у угря В. Р. Протасовым и Рис. 7. Электрическое поле гимнарха (по X. Лиссману). а —нормальное положение поля вокруг рыбы (вид сверху); б —изменения в электрическом поле, вызванные посторонним предметом (плохим проводником); а—изменения, вызванные хорошим проводником. - 37 -
Рис. 8. Характеры стики электриче-] ских разрядов живых объектов (по материалам В. Р. Протасова). а —электрические разряды карася; б —спектры частот электрических разрядов окуня. Цдб цо во 20 10 \ - его коллегами. Разряды неэлектрических рыб сложны по структуре. Амплитуда разрядов не превышает обычно 100-—200 мкВ при разносе электродов на длину рыбы. Частоты разряда лежат в области спектра от долей герца до 2 кГц. Разряды неэлектрических рыб представляют собой колебания сложной формы. Длительность разрядов у разных видов рыб зарьирует от 5 до 280 с. Пример такого разряда показан на рис. 8, а. Там же дан пример спектра (рис. 8,6). Для разрядов характерна амплитудная модуляция. Общим для всех исследованных рыб является спектр распределения энергии в разрядах: основная энергия разрядов лежит в области частот от 50 до 800 Гц. В чем- то эти электрические разряды напоминают по форме ультразвуковые колебания аппарата летучей мыши (рис. 4). Особенности излучения живых генераторов электромагнитной энергии интересны и геофизикам. Напряженность электрического поля у большинства рыб составляет 8—15 мкВ/см на расстоянии 5—10 см от рыбы. Экспериментально измеренное активное сопротивление между двумя электродами, - 38 ~ 60 80127202320 508 ШГи, I
расположенными на близком расстоянии от рыбы, равняется 500 Ом. С помощью электродов зарегистрирован разряд 300 мкВ. Таким образом, мощность разрядов составляет 10~и Вт, а сила тока 0,6-10"6 А.. Некоторые из разрядов при прослушивании с помощью устройства, содержащего динамик, напоминают «писки — свисты», а другие «морзянку». v Внешние потенциалы могут генерировать и нервные, и мышечные клетки. Однако комплексы этих клеток обладают малой мощностью генерации, так как работают несинхронно. Возникающие разряды состоят из набора импульсов разной длительности, имеют шумовой характер и в результате характеризуются малой мощностью. В случае полной синхронизации в излучении суммарная энергия внешнего поля резко возрастает. Следовательно, можно представить возникновение больших внешних электрических полей при условии синхронной работы нервно- мышечных тканей у неэлектрических рыб. Исследуя разрядную деятельность неэлектрических рыб и производя параллельный контроль их звучания, В. Р. Протасов обнаружил связь электрических разрядов и звуков. Он доказал, что отдельные электрические разряды часто, но не всегда, сопровождаются звуками. Наиболее часто электрические разряды и звуки у неэлектрических рыб регистрировались при воздействии на рыб ударом палочки, сжатием и т^ д., а также в агрессивно-оборонительных ситуациях, так как появление этих разрядов обусловлено деятельностью нервов и мышц. Звуки рыб возникают в результате работы особых акустических аппаратов, основой которых является сокращение мышц. Записи звуков и электрических разрядов ставриды показали, что частотный состав ее разрядов и звуков различается. Максимум звуковой энергии наблюдается на частоте 2,4 кГц, максимум электрической — на частоте 600—800 Гц. У слабоэлектрических рыб (например, морской звездочет) наблюдается синхронизация в работе акустических и электрических органов. Смысл одновременной генерации разрядов и звуков биологам пока неясен. Синхронизация работы электрических и акустических органов обусловлена деятельностью нервной системы. По-видимому, одновременное функционирование электромагнитных и акустических систем должно повышать надежность локации. Вместе с тем ~ 39 -
Рис. 9. Чувствительные элементы (преобразователи) живых! объектов, I л—разрез участка боковой линии (J —нервное волокно, 2—чешуйки, 3—ка*1 нал для притока воды, 4 — рецепторы боковой линии) (по материалам! В. Р. Протасова); б—строение чувствительного элемента боковой линии — 1 невромаста костистой рыбы (/ — копула, 2—сенсорные волоски, 3 —чувстви* 1 тельные рецепторы, 4-— эпидермис); в—схема строения канала боковой ли- 1 нии (показано в сечении). 1 возможно, что здесь мы имеем дело со сложным ти« ] пом источника: электромагнитным и акустическим,] Кстати, и в неживой природе имеются конструкции, 1 которые свидетельствуют о том же. ] Действие электрических и магнитных сигналов ] объясняется следующим образом. Согласно гипотезе ] X. Лиссмана, органом чувств, воспринимающим электрические сигналы, является боковая линия (рис. 9,а). У большинства костистых рыб орган боковой линии представлен системой подкожных каналов на голове и двумя идущими вдоль туловища симметричными каналами, в полости которых расположено множество чувствующих органов. Кроме того, тело и голова рыб в той или иной степени покрыты свободнолежащими чувствующими органами — так называемым невромастом (рис. 9,6). Полости каналов заполнены слизистым содержимым и обычно сообщаются с наружной средой через поры или канальцы. Только у немногих рыб эти поры закрыты мембранами. Характерной чертой строения невромаста являются бутылкообразные чувствующие клетки (рис. 9,#), погруженные в самый поверхностный слой кожи. Ид каждой клетки наружу выходит чувствительный сен* — 40 —
сорный волосок. Несколько сенсорных волосков обыкновенно заключены в массивную капсулу, заполненную студенистым веществом. Капсула является основным органом, воспринимающим механическое раздражение. У видов, ведущих малоподвижный образ жизни, невромасты разбросаны ло всему телу в виде обособленных образований. Подвижные рыбы имеют невромасты, расположенные в виде линий на голове или туловище. В результате образуется довольно сложная чувствующая система, слагающаяся из чувствующих капсул, которые расположены на поверх* ности кожи и в ее глубине. Сенсорные окончания, располагающиеся в глубине кожи, сообщаются с поверх^ ностью через открытые поры. Особенности строения невромаста послужили ос* новой морфологической структуры для более сложных элементов, именно слуховой капсулы с отолитами у рыб и кортиева органа млекопитающих. Общим в строении отмеченных органов являются желеобразная капсула и чувствующие клетки с сенсорными волосками. К системе органов чувств рыбы, воспринимающих электрические токи, относятся специальные электрорецепторы, расположенные, например, у акул и скатов на голове—ампулы Лоренцини. Гимнарх, используя эти органы, способен улавливать малейшие изменения электрического поля, которые возникают в окружающей его среде (до 0,3 мкА/см2). Кроме того, ряд опытов показал, что гимнарх может различать предметы одной формы, но разной электропроводности. В настоящее время уже не вызывает сомнения, что магнитное поле влияет на жизнедеятельность живых организмов. Многочисленные эксперименты и на* блюдения над животными, человеком и микроорганизмами показали, что колебания напряженности магнитного поля Земли оказывают существенное влияние на развитие практически всех живых существ на Земле. Многолетние наблюдения и результаты сложных биологических экспериментов, подтверждающих этот вывод, были изложены многими авторами во вновь образовавшейся области науки — магнито- биологии (§ 2.2). До настоящего времени окончательно не выяснено, каков механизм магнитного влияния. Одним из наиболее интересных объектов с этой точки зрения являются рыбы. Прежде всего это **. 41 ~*
связано с гипотезами о том, что для многих из них магнитное поле Земли является ориентирующим фактором при миграциях, а также с тем, что они относятся к организмам, у которых обнаружены и уже достаточно хорошо изучены электрорецепторы, или, проще говоря, электроприемники. Следует отметить, что магнитных рецепторов пока не обнаружено ни у одного животного. Более того, многие исследователи (Ю. А. Холодов и др.) пришли к заключению, что рецепция магнитного поля осуществляется либо электрическими рецепторами (например, у рыб), либо непосредственно нервными клетками. Большинство исследователей полагают, что рецепция магнитного поля происходит на клеточном или молекулярном уровне. Многие реакции на магнитное поле оказываются сходными и для микроорганизмов, и для более высокоорганизованных живых существ. Появляются сообщения и о том, что сейчас находят с помощью магнитометров магнитные материалы, например магнитные кристаллы, в головном мозгу дельфина, тканях головы почтовых голубей, брюшине пчел и т. д. Предполагают, что эти магнитные материалы входят в конструкцию органа чувств, позволяющего живым существам ощущать магнетизм. Имеется также гипотеза геофизика И. И. Роки- тянского о том, что рыбы уходят из области сильного действия магнитотеллурического поля. Проводившиеся ранее опыты подготовили почву для попытки ответить на еще один вопрос: на какой параметр магнитного поля реагируют живые существа, каковы пороги их чувствительности и как проявляется эта реакция. Это должно было послужить подготовительным этапом к постановке экспериментов по оценке чувствительности к переменному магнитному полю, широко используемому в практике геофизических работ. Совместными усилиями ВИРГ, лаборатории биофизики АН БССР и Атлантического научно-исследовательского института рыбного хозяйства была разработана методика экспериментов и подготовлена соответствующая измерительная установка. При экспериментах ставились три основные задачи: 1) с достаточной достоверностью доказать наличие или отсутствие реакции рыб на магнитное поле; 2) попытаться найти основной «информационный» — *'42 —
Рис. 10. Чертеж лабиринта (по М. И. Глейзеру). параметр поля; 3) опреде- i - 700 лить реальные чувствительности рыб к магнитному полю. Эксперименты проводились группой исследователей, в которую входили биофизики, биологи, физики, а также специалисты по радиоэлектронике и геофизике, в том числе и автор. В качестве биологического объекта для изучения влияния магнитного поля на живой организм использовали европейского угря. Выбор рыб в возрасте около двух лет связан прежде всего с нерестовыми миграциями, при которых угри пересекают Атлантический океан. Угри встречаются на севере во всех странах Балтийского моря и на юге до Балканского полуострова включительно. Такой большой район обитания трудно объяснить только пассивным переносом океаническими течениями, тем более что направление миграции не всегда соответствует направлению определяющих в этих районах течений. Ориентирующими в данном случае могут быть различные факторы, в частности напряженность электрического и магнитного полей. В предположении, что магнитное поле является одним из основных факторов, определяющих направление движения угря во время миграции, было решено выявить, имеется ли зависимость в направлении перемещения рыб от изменений магнитного поля, а если есть, то какие параметры поля являются основными и какова чувствительность к ним. Для изучения характера движения рыб в лабораторных условиях был использован специальный аквариум- лабиринт. Он состоит из шестиугольников и напоминает соты. Чертеж его изображен на рис. 10. Ребра шестиугольников являются каналами лабиринта. Всего каналов 36 с номерами от 1 до 36. Выхода из лабиринта нет. Плавание рыб в лабиринте можно рассматривать как процесс блуждания по его каналам. Для изучения влияния внешних факторов на процесс такого блуждания необходимо знать распределение вероятностей переходов из одного канала - 43 -
в другой в зависимости от номера шага, начиная с а первого. Шагом при этом назовем движение в одном J канале. Таким образом, необходимо установить | вероятность перехода из одного канала номер п в 1 другой канал номер п+1. При этом учитывалось, I что рыба в канале не разворачивается обратно, так | как каналы узки. | Эксперименты проводились в одном из лаборатор- | ных помещений, исходя из требований обеспечения I максимальной звуко- и светоизоляции и поддержа- I ния постоянной температуры около + 15 °С. Комната 1 была звукоизолирована прокладками из поролона. 1 Из лаборатории были удалены все металлические 1 предметы, способные привести к искажениям изме- I ряемых магнитных полей. В помещении имелось I слабое равномерное освещение бело-голубого цвета 1 с целью имитации освещенности в океане на неболь- I ших глубинах, на которых происходит миграция угря. 1 Аквариум-лабиринт является весьма ответствен- 1 цой частью лабораторной установки. Он не должен 1 быть дополнительным раздражителем, не должен 1 вносить искажений магнитного поля, а его конструк- 1 ция должна обеспечивать удобную и достоверную 1 регистрацию перемещения рыб. Аквариум-лабиринт 1 размещался внутри рамок, создающих электромаг- 1 нитное поле. Устройство представляло собой систему ] излучателей и генераторов, позволяющих скомпенси- | ровать магнитное поле Земли и создать магнитное | поле заданной напряженности и направления. Во | внутреннем объеме установки оно было однородным ] или убывающим в пространстве по известному и за- I данному закону. Излучатели модельной установки ] представляли собой систему из трех пар колец Гельм- 1 гольца, расположенных взаимно перпендикулярно. ] Для компенсации магнитного поля на каждую пару колец подавалось постоянное напряжение от трех регулируемых источников постоянного тока. Измерение в зоне нахождения лабиринта производи- \ лось магнитометром М-17 с погрешностью ±5у. ] Система датчиков располагалась в центре лабиринта i и соединялась кабелем с измерительным блоком , магнитометра. Магнитометр был установлен на столе ; оператора, регулирующего магнитное поле, в 2—3 м от модельной установки. Каждую особь угря помещали в один из отсеков лабиринта^ из которого, открывая дверцу, выпускали •- 44 —
в лабиринт. Оператор регистрировал переходы рыбы в узлах аквариума, записывая в лабораторный журнал номера соответствующих каналов. Как указывалось, каждый переход в лабиринте имеет определенную теоретическую вероятность. Поэтому можно оценить частоты распределения движения рыб по переходам с заданной достоверностью. По отличию экспериментального распределения от теоретического можно судить о действии внешнего раздражителя, в данном случае магнитного поля. Для проведения эксперимента использовались 2000 угрей в возрасте около 2 лет, которые были выловлены в Атлантике в момент их миграции к берегам Европы, доставлены в Ленинград и размещены в аквариумах с водой. Во время движения рыбы в лабиринте напряженность поля постепенно увеличив валась от 0 до 2,5 3. Такая методика должна была обнаружить порог напряженности, начиная с которого рыбы выбирают переходы, соответствующие их первичной ориентации в магнитном поле, если такая ориентация существует. Когда было предположительно установлено, что ориентация угрей в магнитном поле существует, для подтверждения этого эффекта, исключения влияния возможных неоднородностей лабиринта и магнитного поля внутри установки, провели серию подобных экспериментов на шести группах рыб по 20—28 в каждой. Направление вектора магнитного поля менялось по отношению к лабиринту на 60°. Для получения возможности статистической оценки получаемых результатов каждый из таких экспериментов повто* ряли 20 раз, притом на новых рыбах, ранее не за* пускавшихся в лабиринт. В результате было установлено, что магнитное поле является не единственным раздражителем, дей* ствующим на рыбу. Видимо, для ряда рыб и других животных магнитное поле играет роль фактора, связанного лишь' с рефлексом ориентации живых организмов во время их движения и не имеющего отношения к поиску пищи, уходу от опасности и т. п. При наблюдении за перемещением угрей в лаби* ринте на фоне случайного блуждания отмечены осо-< бенности движения, выражающиеся в достоверном предпочтении одного, избегании другого и нормальном появлении вдоль третьего направления, которьщ щш 45 -Ц
определялись по странам света. Угол ориентации пв отношению к меридиану сохраняется для разных групп угрей и не зависит от конструктивных особенностей экспериментальной установки. Ориентация, с одной стороны, исчезает при компенсации магнитного поля Земли, а с другой — пропадает у угрей, предварительно побывавших в поле электромагнита с индукцией около 0,27 Т, использовавшегося в нашем опыте. По-видимому, ориентация является двигательной реакцией угря на естественное магнитное поле Земли. На основании этого можно сделать предположение о наличии у стекловидных угрей определенной системы, способной воспринимать магнитное поле Земли. Из экспериментов также следует, что, используя эту систему, угри могут различать страны света в совершенно изолированном помещении. Более того, через функционирование этой системы, угри, по-видимому, способны различать также характеристику, связанную с географической широтой местности. Исследования влияния постоянного магнитного поля показали, что рыбы (угри) реагируют на изменения параметров этого поля. Характер их движения определяется напряженностью и направлением вектора магнитного поля. Основным информационным параметром магнитного поля для рыб является направление такого вектора. Биологические данные интересны и для геофизического приборостроения. Чувствительность рыб к внешним электромагнитным полям и возможность использования их восприятия для целей локации является одной из наиболее любопытных с точки зрения геофизики особенностей рыб. В связи с тем, что рыбы обитают в хорошо электропроводящей среде (воде), естественно предположить, что они реагируют не только на магнитную, но в первую очередь на электрическую составляющую электромагнитного поля. Как показали эксперименты, такое предположение оказалось обоснованным, так как реакции были примерно одинаковыми в случае задания поля как индукционным способом (с помощью магнитного диполя — рамки с током), так и электрическим способом, например электрическим диполем и двумя электродами. Эксперименты показали также, что характер кривой спектральной чувствительности рыб не меняется под действием шума — электриче- - 46 —
еких помех. По заключению -многих исследователей анализатором воспринимаемых электрических сигналов служит мозжечок и продолговатый мозг, представляющие собой высшие центральные отделы органов боковой линии рыб. Высокая степень развития спектральной чувствительности подтверждается, например, способностью нильской щуки выделить полезные сигналы на фоне весьма сильного шума в том же диапазоне частот. При экспериментах, проведенных В. Р. Протасовым, нильская щука быстро адаптировалась к условиям электрических помех и была способна с неизменной уверенностью электролоцировать находящиеся в воде объекты и реагировать на внешние электромагнитные поля фиксированных частот. Весьма важный факт при исследовании реакции на магнитное поле был замечен В. Р. Протасовым и при анализе результатов многочисленных зарубежных исследований, проводимых на нильском слонике. В результате изучения этих материалов ученый пришел к выводу, что на воздействие внешнего электрического поля рыба реагирует изменением частоты излучаемого собственного электрического поля. Приведенное описание экспериментов позволяет сделать предварительный вывод о том, что у электрических рыб восприятие электромагнитных полей в значительной степени связано с рецепцией индуцированных в воде электрических переменных токов, происходящей с помощью известных электрорецепторов. С целью найти способ обнаружения рыбами подводных объектов и возможности их дифференцирования по физико-химическим свойствам были проведены эксперименты на гимнархе. При этих экспериментах ставились задачи определить следующее: есть ли возможность у гимнарха различать объекты, идентичные геометрически и оптически, но различные по удельной электропроводности; может ли он различать объекты, идентичные геометрически и оптически и одинаковые по электрическому удельному сопротивлению, но с различным химическим составом* Опыты проводились в бассейне на двух рыбах, у которых вырабатывались условные рефлексы. В качестве определяемых предметов использовались фарфоровые цилиндрические сосуды длиной 15 см и объемом 80 см3. Помещая внутрь сосуда диэлектрики или вещества различной удельной электропроводности, - 47 -
Йожно 'было изменять их электрические свойства при неизмененных внешнем виде и электрохимии веских процессах на границе сосуд — вода. Рыба быстро научилась выбирать сосуды с повышенной -удельной электропроводностью (сосуды с -водой) —■ положительный стимул — и игнорировать сосуды $ диэлектрическими свойствами (сосуды с парафином, воздухом и с дистиллированной водой). Когда же удельные электропроводности сосудов с дистиллированной, водой и с обычной водой уравнивались, рыба подходила одинаково и к тем, и к другим. Самый ■малый объект, электрически отличимый гимнархом от воды, представлял собой стеклянную трубочку диаметром 0,2 см. Таким образом было установлено, что обнаружение объектов происходит электромагнитным способом. По поводу механизма «локации» высказывалось несколько гипотез. Наиболее вероятная гипотеза была выдвинута X. Лиссманом. Он предположил, что рыба, генерируя электрические колебания, создает эокруг себя поле, эквивалентное создаваемому электрическим диполем. Термин «локация» ввел для объяснения функций электромагнитных органов рыб тот же исследователь. Это не радиолокация, когда необходимо иметь антенну, соизмеримую с длиной волны, как условие излучения электромагнитной энергии. Фактически у рыб реализуется чувствительность к искажениям распределения поля в ближней к электромагнитным органам зоне. Распределение потенциалов поля вокруг себя они ощущают с помощью системы электрорецепторов. В результате введения посторонних объектов форма его распределения меняется, м эти изменения напряженности регистрируются. По всей вероятности, последняя гипотеза больше соответствует реальному механизму «локации», хотя и не зутожет объяснить его полностью. При рассмотрении механизма «локации» следует обратить внимание на тот факт, что рыбы (неэлектрические тоже) реаги* руют на изменения направления электромагнитного ЙОля. Это подтвердили эксперименты, в' том числе Проводившиеся в ВИРГ, Если рыба сама генерируе? |дектрома_гнитные колебания, кожно ^предположить* что она способна" реагировать и на изменения фазы создаваемого ею внешнего электромагнитного поля, используя в качестве «опорной» фазу генерируемых - 48 -
колебаний. В этом случае при сочетании электрической рецепции по гипотезе X. Лиссмана с фазовой рецепцией биологический объект получает возмож* ность проявить свойства, обнаруженные при описанных выше экспериментах. Многие рыбы, которые не имеют достаточной возможности видеть объекты, обладают способностью в процессе ознакомления с объектом периодически менять частоту в диапазоне от десятков до 400 Гц* Как правило, при «исследовании» мелких и не- электропроводньгх предметов частота выше, чем при исследовании крупных электропроводных объектов* Напряжение, генерируемое при локации, резко отличается от импульсов обороны или нападения. В последнем случае угорь создает серии редких импульсов (по 2—7) большой амплитуды. На основании изложенного можно предположить, что он инстинктивно выбирает «оптимальную» частоту, позволяющую более эффективно «ощущать» исследуемый объект. Таким образом, у биологических объектов можно предполагать различные механизмы локации, в целом соответствующие нашим геофизическим представлениям. Наиболее изученной их частью является характер генерируемых колебаний, который позволяет высказать предположение, что у рыб имеются механизмы, аналогичные имеющимся в применяемых геофизиками методах, основанных на использовании гармонических и импульсных полей. В отдельных случаях наблюдаются, по-видимому, эффекты, аналогичные проявляющимся в потенциальных полях. У рыб не обнаружено специальных органов, реагирующих на магнитные поля. Считается, что восприятие магнитного поля у животных происходит на клеточном уровне.* Можно предположить, что в электропроводной ткани клеток индуцируется электродвижущая сила (эдс), которая воспринимается нервными клетками, в том числе и электрорецепторами. Возбуждение живого «датчика»- происходит при рыскании рыбы, совершающей резкие периодические отклонения от направления своего движения, при этом действуют электрохимические механизмы электрорецепторов, которые в какой-то * Протасов В, Р., Векилов М. И.г Унгерман М, Я, Элементу фюгеофизики, М.а Знание^ 1975. 64 с» *~ 49 <щ
степени могут быть уподоблены хемотронным устрой* ствам (§ 2. 8). В электроразведке широко применяются различи иые дипольные установки. В связи с этим геофизический интерес представляет генераторная дипольная установка гимнархуса. Она имеет вид нескольких электрических диполей, конически сходящихся в сторону хвоста и раструбом обращенных в сторону движения. Эти диполи начинаются в районе хвоста и заканчиваются в средней части туловища. По-видимому, система таких диполей создает направленное излучение электромагнитной энергии в сторону движения. Такого вида размещение диполей не используется в известных геофизических электромагнитных установках. Электромагнитные органы биологической установки излучают сигналы сложной формы. Например, длительность импульса может составлять от 300 до 1 мс; синусоидальные колебания содержат частоты от 300 Гц до 20 кГц, минимальный интервал между импульсами 18 мс. При сравнении частот и продолжительности импульсов биологических органов с используемыми в геофизике обращает на себя внимание их общность. Так, частоты 300 Гц—20 кГц — это основной рабочий диапазон электроразведки для решения поисково- картировочных задач, например в приборах для дипольного электромагнитного профилирования. Импульсы порядка миллисекунд с интервалами в миллисекунды — именно те, что излучает аппаратура по методу переходных процессов. Следует также отметить, что огибающая электромагнитного излучаемого амплитудно-модулированного сигнала является как бы низкочастотным непрерывно действующим излучением работающего органа. По характеру излучения можно предположить, что вторичные поля, излучаемые биологическими электромагнитными органами, в какой-то степени аналогичны вторичным полям, изучаемым в электроразведке. Существенным обстоятельством в характере излучаемых биологических сигналов является динамика. Меняется частота следования импульсов и частота синусоидальных колебаний — все в зависимости от влияния факторов внешней среды. Иными словами, биологические органы периодически меняют характер излучения, добиваясь необходимого оптимума, связанного с внешними условиями. — 50 ~
Приемные диполи расположены с небольшим смещением относительно генераторных. Условно можно считать, что генераторные диполи тяготеют к хвостовой части, а приемные — к передней части туловища. Приемный диполь не один: считая по боковой линии, их два с обеих сторон туловища, они дополнены отдельными скоплениями нервной ткани невромаста. То есть у биологической электромагнитной системы имеется также набор приемных диполей. В пространстве генераторные диполи размещены так, что приблизительно от концов генераторных диполей начинаются приемные. Такого вида установки не известны в геофизике; имеются установки с совмещенными генераторными и приемными диполями или с разнесенными генераторными и приемными рамками. В биологической системе реализуется промежуточный вид установки — с небольшим смещением приемных и генераторных диполей. Дальность действия такой установки составляет, по наблюдениям биологов, несколько метров. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что ультразвуковое излучение летучих мышей также содержит импульсы, выполненные синусоидальными колебаниями (рис. 4). В электромагнитном и звуковом излучении наблюдается одинаковый характер локации, который производится импульсами, выполненными синусоидальными колебаниями. В электромагнитных исследованиях также должно изучаться распределение импульсов, заполненных синусоидальными колебаниями. В геофизических электромагнитных исследованиях изучаются отдельно или импульсные, или синусоидальные колебания. По-видимому, одновременное синусоидально-импульсное излучение позволяет реализовать на практике достоинства как импульсного, так и синусоидального излучения. Действительно, синусоидальное излучение, идущее с перерывом в миллисекунды, воспринимается вольтметром как непрерывная синусоида. Это следует из опытов, проводившихся при излучении двух синусоидальных частот с переключениями; пакет синусоидальных посылок занимал при этом единицы миллисекунд. При работах по аэроэлектроразведке методом длинного заземленного кабеля кабель длиной 20—30 км запитывали током двух частот, с тем чтобы получить детальную информацию о геологическом разрезе. Осуществлялось это подачей в кабель - 51 -
прерывистыми посылками токов то одной, то другой частоты. Сначала включали ток частотой 976 Гц с продолжительностью посылки несколько миллисекунд, затем 244 Гц, тоже на миллисекунды, и т д. При этом два измерительных устройства регистрировали непрерывно и раздельно сигналы двух гармонических частот — 976 и 244 Гц. Вместе с тем наличие перерыва в посылке позволяло принимать вторичные сигналы при отсутствии первичного поля, например переходные процессы. Такая система излучения электромагнитной энергии наиболее универсальна для решения поисково-картировочных задач и выявления различных по электромагнитным свойствам горных пород и руд. Для живых организмов подобная система посылок является наиболее .гибкой при решении задач навигации, поиска пищи, связи и других в изменяющихся по пути движения электромагнитных свойствах окружающей среды. Удельное сопротивление водной среды, в которой приходится работать биологическим электромагнитным органам, с позиции электроразведки очень низкое. Это единицы, десятки, сотни ом, т. е. условия для электроразведки сложные. По-видимому, для успешной работы в таком диапазоне частот необходимы и выбор оптимальных условий работы, и согласование со средой. Имеются указания на то, что выход биологического генератора согласовывается по сопротивлению с сопротивлением окружающей ереды. Обработка полученной информации, управление работой системы, ее подстройка производятся нервной системой. Этот вопрос сегодня изучен недостаточно. Рассмотренная биологическая электромагнитная система, несмотря на небольшие размеры и массу, обладает техническими достоинствами, которые могут найти непосредственное геофизическое применение. В характере излучения и конструкции биологической установки имеется целый ряд привлекающих внимание особенностей: в типе излучения, конструкции диполей, размещении приемных и передающих диполей и т. д. Заслуживает дальнейшего теоретического и практического изучения строение электромагнитной установки биологической системы: расчет распределения поля, уточнение морфологии биологической системы с точки зрения взаимного расположения генераторных и приемных диполей. Перспективным является - 52
изучение спектра и типов колебаний, входящих в состав излучаемого сигнала, а также их изменений. Следует оценить и электромагнитную систему, состоящую из нескольких расположенных по поверхности конуса диполей, излучающих колебания. Оценка должна содержать элемент биологической работы — тщательное изучение геометрии расположения диполей у разных рыб, элемент физико-математического расчета поля, а в случае необходимости и моделирование. Нужно изучить механизм рецепции с точки зрения определения возможности создания датчиков магнитного и электромагнитного поля на бионическом принципе. Одним из возможных вариантов может быть предположительно ядерно-резонансный датчик, объединенный с хемотронным индикатором сигнала. Можно считать доказанным, что бионические принципы удастся реализовать в электроразведке. Пока наиболее удобным объектом для изучения биологических электромагнитных систем являются рыбы, поскольку только у них наблюдаются высокоразвитые поисковые электромагнитные органы, позволяющие проводить технические наблюдения. Но этим направлением не исчерпывается возможность изучения датчиков и излучателей биологических объектов* Например, обращают на себя внимание линейные конструкции из электрических клеток-пластин. Их рассмотрение наводит на мысль, что пластинчатые конструкции боковой линии в какой-то степени аналогичны конструкциям пластинчатых антенн. Сравнительный анализ * обеих конструкций может иметь технический смысл. Целесообразен более детальный анализ и чувствительных к электрическому воздействию клеток. С другой стороны, имеются указания на то, что живые системы реагируют и на постоянные поля, т. е. живые датчики достаточно универсальны. Они реагируют на электрические и на магнитные поля по отдельности, а значит, и на совместное действие полей. Различные соотношения электрических и магнитных полей также должны влиять определенным образом на организмы, а механизмы этой более сложной реакции и, следовательно, бионические модели таких механизмов пока не изучены. Одновременное действие электрического и магнитного полей может лечь в основу новых гипотез о чувстве *-* 53 »*
расстояния и ориентации от источника, поскольку отношение электрического и магнитного поля зависит от пеленга. Здесь же скрываются возможности улучшения качества и дальности связи. Но эти механизмы еще ждут своего активного изучения. Следовательно, анализируя устройство локационных органов чувств живых систем, можно получите полезные технические сведения. Сейчас, когда прошло более двадцати лет официального существования науки бионики, можно сказать, что сделанные прогнозы подтвердились. Бионика стала обычным средством технического моделирования живой природы и позволяет перенести многие из полученных ею результатов изучения живых объектов в мир предметов, создаваемых человеком. Поговорка «Полна чудес 1.4. Что могут рассказать могучая природа» долж- и посоветовать геологам на быть в первую очередь наблюдения за клеткой? отнесена к клетке. Живая клетка выполняет целый ряд функций, для которых она приспособлена: растет, питается и воспроизводит себя, поддерживая жизнь. Это, безусловно, чудо природы. Клетка содержит электролит, имеет мембраны — своеобразные двойные слои, в специализированных клетках протекают электрохимические процессы, распространяются электрические сигналы. Биофизики моделируют процессы, происходящие в клетках, а эти модели интересны геофизикам, изучающим электрохимические явления в горных породах. И у биофизиков, и у геофизиков есть свои мысли, но если обменяться отдельными идеями, то могут появиться новые открытия. Что же думают биологи о клетке? Одни из них говорят о грани между живым и неживым, противопоставляют клетку кристаллам, другие высказывают интересные мысли и гипотезы минералогического характера, основанные на анализе физико-химических закономерностей минералогии. Поучительны и этапы проникновения в тайны клетки: сначала была установлена сетчатая структура живой ткани, а потом изучена отдельная ячейка — клетка. Какие же мысли может пробудить изучение клетки у геолога, минералога или электроразведчика? - 54
Рис. 11. Различные формы клетки. Развитие представлений о клеточном строении растений, с —клетки-пустоты в непрерывном растительном веществе [Гук Р., 1665 г.]; б —стенки клеток или пузырьков построены из переплетенных волокон, образующих ткань 1Грю Н., 1682 г.]; б —каждая клетка имеет собственную оболочку [Линк Г., Мольденхавер И., 1812 г.]; г —образователь клетки — ядро («цитобласт»), исчезающее в процессе клеткообразования [Шлейден М., 1838 г.]. Попробуем подумать об этом на фоне рассказа о клетке, подчеркивая моменты, которые могут представлять интерес в плане взаимного обогащения идеями или возможного технического моделирования. Открытие клетки сделано Робертом Гуком в 1665 г. с помощью оптического прибора— микроскопа. Он сам сконструировал микроскоп и рассматривал в него различные предметы: растения, насекомых, пробку, металлы. Пробку Р. Гук выбрал не случайно: у нее были необычные свойства — она не впитывала воду, была легкой и эластичной. Р. Гук отрезал от пробки пластинку и под объективом увидел ячейки, дольки, показанные на рис. 11 в виде клетчатого узора. Эти ячейки он назвал «клетками». Позднее Р. Гук изучал клетки растений, зарисовал их и опубликовал результаты наблюдений в книге «Микрография». Предисловие к ней было призывом изучать природу. Р. Гук писал: «Взгляните на мир свежими очами!.. Вы познаете, как из мельчайших кристалликов льда слагается восхитительная симметрия снежинки и как световая волна отражается от граней хрустального осколка, а главное, что все в мире — живое и неживое — имеет четкую внутреннюю структуру, ибо Природа работает упорядоченно!..» На кубический дюйм пробки Р. Гук насчитал 127 млн. 720 тыс. клеток. Он высказал мысль: не является ли такая клеточная структура общей для всех растений? В книге доказывалась необходимость проведения исследований с помощью микроскопа. В ней описано всего 54 наблюдения, утверждающие микрографию как способ изучения природных объектов для ботаников, физиков, медиков, геологов. Ни Р. Гук, ни современники не выделили исследования пробки среди других, но потом клетки стали привлекать -г-, 55 -
внимание исследователей. Так было положено начало \Щ цитологии. Если Р. Гук полагал клетки пустотами в | непрерывном растительном веществе, то его кол- f лега — врач Н. Грю взялся за более глубокие иссле- f дования растений с помощью микроскопа. В 1671 г. Щ Н. Грю закончил работу над книгой «Начало анато- «и мии растений». Он считал, что стенки клеток или Щ пузырьков представлены переплетением волокон, '* образующих какое-то подобие текстильной ткани. '? Отсюда и возник научный термин «ткань». Ученый i пришел к выводу, что ткани растений построены из щ однородных пузырьков. II В XVIII в. большое влияние на развитие науки Щ оказали философы-энциклопедисты, которые высказы- щ "вали мысль о единстве, живой природы. Попытки щ найти общее между растительным и животным миром 1 привели к теориям об общности «пузырьков», «зер- щ нышек» и «клеток» и представлениям о том, что щ именно из них, из такой зернистой среды построен ж организм, а это содействовало формированию кле- Щ точной теории. В XIX в. путем исследований под щ микроскопом выяснили, что клетки являются струк- Щ турными образованиями, которые имеют собствен- Я ную оболочку. Обоснование клеточной теории дано Ж М. Шлейденом (1838 г.) и Т. Шванном (1839 г.), ко- 1 торые выяснили, что из клеток, практически одинако- * вых по своему устройству, состоят тела как живот- .:? ных, так и растений. В 70—80-х годах прошлого § столетия был открыт митоз — типичный способ кле-» -| точного деления. Чудеса природы открывались одно :1 за другим. Л Современная клеточная теория исходит из единства частного и целого: с одной стороны, из расчлененности организмов на клетки, а с другой — из целостности организма, основанной на взаимодействии клеток (рис. 11). Чем сложнее организм, тем более проявляется его целостность, которая у животных осуществляется с помощью высокоразвитой нервной системы, а у растений — другими путями: цитоплазматической связью клеток или с помощью межклеточной жидкости. Из клеток, которые являются как бы основной функционирующей структурной единицей, состоят ткани, образующие тела всех животных (рис. 12), Сейчас уже хорошо известно, что клетки разнообразных растений и животных, так же как и клетки - 56 -
ш* \i - V Рис. 12. Фотографии тонкого среза живой ткани Гпо Кендрью Д*« 1968 г.]. Увеличение 1200. Изображен срез через растущий кончик корня кукурузы. разных органов одного и того же растения или животного, чрезвычайно разнообразны по размерам, форме, окраске и внутреннему строению (рис. 13), но все они вместе с тем имеют ряд общих особенностей. В каждой клетке выделяют две основные части — ядро и протоплазму, в которых в свою очередь можно выделить структуры, различающиеся по форме, размерам, внутреннему строению, химическим свойствам и функциям, причем одни из них, называемые органеллами, жизненно необходимы и обнаруживаются во всех клетках. Эти части клетки различимы в оптический микроскоп, в который можно увидеть объекты, имеющие размер 0,2 мкм, а увеличение лучших оптических микроскопов составляет 2000. С помощью оптического микроскопа удалось выявить протоплазму, ядро, оболочку, центроли и комплекс Гольджи. Комплекс Гольджи пластинчатый, в нем вещества концентрируются перед выведение*м из клетки. В клетках животных и некоторых низших растений были обнаружены центриоли — чуть-чуть приметные блестящие органы. В капле крови плавает 5 млн. красных кровяных шариков, каждый из которых является клеткой. В длину они составляют 7—8 мкм. Но бывают большие клетки. Так, у человека специализированные нервные клетки имеют размер до 1,5 м. ~ 57 —
Рис. 13. Клетки различных тканей человека. / — эпителий; 2—кровь {Э — эритроциты, Л—лейкоциты); 3 — хрящ; 4 — кость; 5—собственно соединительная ткань (К — клетки, Б —волокна); 6 — гладкая и 7 —поперечно-полосатая мускулатура; 8 — нервные клетки [по Карузи- ной И. П. Учебник биологии. М., Медицина, 1964, с. 18]. Данные химического анализа говорят, что в основном протоплазма (слизь) содержит 10—20% белков, жиров всего 2—3%. Уже долями процента выражается содержание сахара и нуклеиновых кислот. Остальное — вода, ее 75—86%. И здесь свои функциональные особенности. Вода является основой жизни, поскольку именно в водных растворах протекает большое количество реакций. По одной оценке их до 107, но точное число реакций определить сложно. Протоплазма хорошо проводит электричество — это ионный проводник, удельная электропроводность которого соответствует удельной электропроводности 0,15-молярного раствора поваренной соли. Следует отметить, что и в геологических процессах в во- -58--
де идет большое количество реакций, так как она растворяет почти все вещества, а также является ионным проводником. Структура протоплазмы очень сложна. Эта не« однородная среда находится в постоянном движении, она течет в оболочке клетки, перемещая за собой более мелкие органы клетки. Проф. Д. Бернал говорил о том, что для протоплазмы характерно определенное строение и со строением протоплазмы тесно связаны тайны жизни и что если разрушить этот комочек слизи, то останется безжизненная смесь органических веществ. В сотых долях процента в теле человека содержатся иод, железо, натрий, хлор, магний, ]у?едь, марганец, кобальт. Их обнаружение крайне важно, поскольку показывает, что организм своими корнями крепко привязан к Земле — основному источнику неорганических элементов. Клетки как растений, так и животных в структурном плане окружены оболочкой (рис. 14, а). И хотя клетки растений и животных в общем похожи, но есть и разница в том, что у растений оболочка клеток сложена из клетчатки — высокомолекулярного сахара, а у животных в основном из липидов. Иногда в клетке не удавалось разглядеть какие- либо структуры. Разрешающей способности микроскопа не хватало. Изобретение электронного микроскопа с увеличением 300 тыс. позволило решить и этот вопрос (рис. 14, б). Оказалось, что действительно есть клетки, в которых отсутствуют более мелкие структуры. Это были наиболее простые прокариотические клетки. Сейчас науке стало известно, что есть простые клетки — прокариотические и более сложные— эукариотические. Конечно, самые простые клетки — прокариотические — привлекают всеобщее внимание: именно они стояли на самой низшей ступени эволюции. Оболочка прокариотической клетки построена одной молекулой сложного полимера, не встречающейся в оболочках эукариотических клеток или вирусов, облегает всю клетку и растягивается при росте. Простые прокариотические клетки характерны для части простейших организмов — протистов, представленных бактериями и сине-зелеными водорослями. Значительная часть водорослей, все грибы и простейшие состоят из эукариотических клеток — это высшие протисты.
Рис. 14. Строение клетки. а—под световым микроскопом [по Карузиной И. П., 1964, с. 21]. (Л—схема типичной животной» клетки, Б — схема типичной растительной клетки); б—под электронным микроскопом: / — комплекс Гольджи; 2 — вакуоли; 8—хлоропласты; 4—клеточный центр; 5—цитоплазма; 6 — ядро; 7—ядрышко; 8— ядерная оболочка; 9 — митохондрии; /0-—клеточная оболочка; 11 — цен- триоли; 12—эндоплазматическая сеть. — 60 -
Рис. 15. Схема первой эукариотической клетки (по Л. Саган), i —структура ТИпа 9 + 2; 2—ядерный хроматин; 3—митохондрии. Эукариотические клетки, согласно гипотезе, обра* зовались из прокариотических клеток разных типов, положивших начало симбиозу. Это самый древний, по предположению, случай симбиоза (рис. 15). И снова сошлемся на проф. Д. Бернала: «В те* чение колоссального периода существования нашей планеты — Земли, несомненно, должны были создаться такие условия, при которых могло бы осуществиться сочетание ранее разрозненных свойств в характерную для живых организмов комбинацию. Найти эти условия — значит объяснить происхождение жизни». Биологи ищут эти условия, создавая разнообразные гипотезы. Геология позволяет вьь нести на обсуждение еще одну гипотезу. Но пока посмотрим, что же известно про клетку? Электронный микроскоп позволил заглянуть в глубь ядра. Одно из чудес природы состоит в сосредоточении в ядрах живых клеток генетической информации: в ядерных органеллах — хромосомах — размещены носители наследственных признаков. Справедливости ради, здесь нужно отметить Н. К. Кольцова, который первым в конце 20-х — начале 30-х годов высказал идею о наличии «наследственных молекул» — хромосом. Однако он считал, что носителями наследственной информации являются молекулы белка, которые вытянуты в цепочку и состоят из звеньев, представляющих собой цепочки аминокислот. В 1953 г. генетики Ф. Крик и Д. Уотсон подтвердили идею Н. К. Кольцова. Они расшифровали структуру «наследственных молекул» — ими оказалась дезоксири- бонуклеиновая кислота (ДНК). Но суть дела от этого не изменилась. Нуклеиновые кислоты, состоящие из углерода, кислорода, водорода, азота и фосфора, были выделены в прошлом столетии из клеточных ядер. Позднее нуклеиновые кислоты были получены — 61 -
из протоплазмы. Молекула нуклеиновой кислоты имеет очень высокую относительную молекулярную массу, ее можно расщепить на части, получившие название нуклеотидов. Примерно так же молекула белка состоит из аминокислот. Особенностью ДНК является возможность ее деления на две части. Ошибка в выборе «наследственной молекулы» была связана с отсутствием электронного микроскопа. В период между делениями клеток ДНК не заметна. В период деления клетки ДНК видна хорошо. Но и сейчас идут последовательные уточнения, обсуждае- ется вопрос о том, двойная ли спираль ДНК: появляются мнения о том, что это две незакрученные нити, что еще больше упрощает дело. Высказал это мнение тот же Ф. Крик. Есть соображения и у представителей геологических наук — кристаллографов о том, что ДНК — это не лента и не нить, а своеобразная структура, активно участвующая в воспроизведении белка. Хромосомы — элементы ядра и, следовательно, клетки, органеллы ядра — это органы, которые управляют развитием организма с помощью особых веществ, включенных в тело хромосомы. Одной из первых вблизи Алис-Спрингс (Австралия) была обнаружена ископаемая зеленая водоросль, существовавшая 1 млрд. лет назад, относящаяся к числу древнейших организмов, имеющих ядро, о котором мы знаем. Сейчас число находок со следами древней жизни увеличивается, расширяя наши представления о существовании жизни. В область рассмотрения включаются и горные породы докембрия со следами «живого» углеродистого вещества [Сидоренко А. В., Сидоренко С. А., 1975 г.]. В хромосоме с помощью ДНК хранится генетическая информация о строении белков, свойственных организму определенного вида. Другое важнейшее свойство ДНК — способность к самовоспроизведению — обеспечивает как стабильность наследственной информации, так и ее непрерывность — передачу следующим поколениям. Оболочка ядра, отделяющая его содержимое от протоплазмы, состоит из двух мембран, пронизанных порами,—специализированных участков для транспорта некоторых соединений из ядра в протоплазму и обратно. Многие процессы происходят в протоплазме клетки при участии мембран эндоплазматической сети — основной синтезирующей системы клетки.
Рис. 16. Схематическое изображение трех различных типов митохондрий в срезе [по 10]. Слева —трубчатый, в середине—содержащий кристы, справа — часто встречающийся у растений переходный тип. С помощью электронного микроскопа человек рассмотрел и другие органеллы клетки. Так, были выявлены митохондрии — поперечно-полосатые тельца, которых в каждой клетке насчитывается от десятков до нескольких тысяч и которые обеспечивают клетку энергией (рис. 16). Энергетика клетки во многом зависит от работы митохондрий. Внешняя мембрана митохондрии отделяет ее от протоплазмы, на внутренней происходят основные энергетические превращения веществ, в результате которых образуется соединение, богатое энергией,— аденозинтрифосфатная кислота (АТФ), универсальный переносчик энергии в клетке. Митохондрии содержат ДНК и способны к самовоспроизведению, но автономность митохондрий относительна, их воспроизведение и деятельность зависят от ядра. Продолжительность жизни митохондрий ограничена несколькими сутками. Обладая собственной генетической системой, митохондрии образуются только из митохондрий. Описано размножение митохондрий путем поперечного деления, а также почкования, при котором образуются так называемые промитохонд- рии — зачатки митохондрий. От такого кусочка — зачатка вырастает затем зрелая митохондрия. За счет энергии АТФ в клетке осуществляются различные синтезы, перенос и выделение веществ, механическая работа, регуляция процессов и т. д. Энергия передается другим органеллам клетки, которые, — 63 —
получив энергию, работают. Митохондрии действуют очень эффективно: 50% энергии, полученной от окисленного топлива, тратится на полезные функции. Мембраны митохондрии являются плохими проводниками электрического тока: они образованы электро-» изолирующими липидами. Поверхность плазматической мембраны растительной клетки покрыта, как правило, твердой внешней оболочкой, состоящей главным образом из полисахаридов: целлюлозы и некриновых веществ, Оболочки снабжены порами, через которые с помощью выростов протоплазмы соседние клетки связаны друг с другом.-Оболочки клетки определяют механические свойства растения. Дифференцированные растительные клетки имеют несколько вакуолей или одну центральную вакуоль. Содержимое вакуолей — раствор различных солей, углеводов, органических кислот, алкалоидов, аминокислот, белков, а также запас воды. В плазме растительной клетки имеются специальные органеллы —■ пластиды: лейкопласты (в них часто откладывается крахмал), хлоропласта (содержат в основном хлорофилл и осуществляют фотосинтез) и хромопласты. Пластиды, как и митохондрии, способны к самовоспроизведению. Не следует думать, что электронный микроскоп решил все вопросы строения клетки. В устройстве клетки еще остаются свои секреты. К их числу относятся центриоли. Только недавно узнали, что центри- оли функционируют как своеобразные часы клетки* В 1961 г. был открыт тимус — орган, вырабатывающий лимфоциты. Рассмотренные ранее опыты с рыбами показали, что явление нервной проводимости связано с электрической активностью и проявляется путем циркуляции электрических импульсов в нервных тканях. Сами нервные ткани состоят из клеток, называемых нейронами. Один нейрон содержит тело клетки (рис. 17), представленное ее расширенной частью, содержащей ядро и отростки: дендриты, являющиеся входами, по которым к телу клетки подходят импульсы раздражения, и аксоны, служащие для передачи импульса от £ела клетки к периферии. Когда смотришь на очертания дендритов и аксонов, то невольно вспоминаются контуры какой-нибудь структурно-тектонической карты: в их конфигурации есть что-то общее. Нейрон имеет размер 0,1 мм, у дендрита длина от — 64 -*
Рис. 17. Схема строения нейрона. i—тело клетки; 5—клеточное ядро; 3—дендриты; 4— голый участок аксона; 5—миелиновая оболочка; 6—ядро неврилеммы; 7—часть аксона вырезана; $—перехват Ранвье; 9 — аксон; 10—синапсы. долей миллиметра до десятков сантиметров при диаметре окола 0,01 м. Число дендритов может достигать десятков или сотен. Аксоны достигают длины от долей миллиметра до 1,5 м (при передаче сигнала от спинного мозга в ногу или руку). Отростки состоят из протоплазмы и в свою очередь покрыты миеличовой оболочкой. Переход возбуждения по нервным волокнам от одной нервной клетки 3 Г. С. Франтов — 65 —
К1 другой осуществляется с помощью синапсов. Внешне они похожи на кнопки, употребляемые в застежках. Синапсы передают возбуждение в одном направлении: от конца аксона одного нейрона к дендриту другого, т. е. играют как бы роль своеобразного фильтра в цепи. Аксон и дендрит в синапсе не соприкасаются — между тем и другим есть промежуток. На рис. 17 изображены такие предсинапсовые нейроны, обозначенные буквой Л, и послесинапсовые нейроны — Б, Синапсов может быть от одного до нескольких сотен, особенно много их в мозгу — до тысяч. Это специфические мембраны клетки. Рассмотренные электрические органы рыб также содержат специализированные клетки, так называемые «электрические», которые происходят из мы- шечноподобных, нервных или железистых (от слова железа) клеток, появившихся в процессе эволюции. Сама электрическая клетка сильно уплощена, поэтому ее именуют электрической пластинкой. Каждая пластинка состоит из трех слоев: верхнего, содержащего ядро и имеющего волокнистую структуру, среднего ~ сетчатого и нижнего. Каждая пластина одета оболочкой. Форма электрических клеток сильно варьирует от цилиндрической до дисковидной. Электрические клетки электрического угря напоминают тонкие пластинки (толщиной 10 мкм) при длине 10 мм. Несмотря на разное происхождение, форму и размеры, для пластинок всех рыб характерным признаком является большая площадь поверхности и малая толщина. Управление электрическими пластинками осуществляется с одной лицевой стороны, куда подходит множество нервных окончаний. С этой стороны находится мембрана клетки. Она управляет распределением ионов. С другой стороны к электрической пластинке подходят кровеносные сосуды В электрических пластинках происходит то же, что в обычных нервных или мышечных клетках. Асимметричное расположение положительных и отрицательных ионов К+, Na+, Cl~ образует снаружи и внутри клетки характерный двойной слой, перепад потенциала на котором составляет 80 мВ при 20 °С. Под воздействием возбуждения, сопровождающегося образованием холинэстеразы, проницаемость мембраны электрической пластинки ме- - 66 -
яяется, что влечет за собой перераспределение ионоз внутри и снаружи мембраны и сопровождается характерным потенциалом действия, протекающим в течение нескольких миллисекунд и достигающим по амплитуде 115—150 мВ. Генерация электрического тока в электрических пластинах происходит за счет перераспределения ионов, находящихся по обе стороны от мембраны. Разность потенциалов в пластинке возникает на границе между студенистой массой ячейки и поверхностным слоем пластинки, в котором разветвляются нервные окончания. У пресноводных слабоэлектрических рыб мембраны возбуждаются и под действием электрических импульсов, тогда как у морских — только под действием химических агентов. Биофизик В. Р. Протасов считает, что генерируемые разными клетками импульсы различаются по величине и форме в связи с разной поверхностью клеток и разным характером их возбуждения. Расскажем об оболочках мембраны и их функциях. От внеклеточной среды клетка отделена оболочкой — плазматической мембраной, через которую происходит поступление ионов и молекул в клетку и выделение их из клетки. Клетки и органеллы имеют свои мембраны. Эти биологические структуры выполняют очень важные функции: накопление энергии, обеспечение проницаемости пищевых веществ и продуктов обмена, участие в процессах воспроизводства белков и х. д. Пока строение ч функции мембраны разгаданы не до конца. Считается, что мембраны также развивались в процессе эволюции. Различия мембран разных органелл определяются свойствами образующих их белков и липидов. Эндоплазматическая сеть — ветвистая система каналов и полостей, которые имеют размер до 500А и более, пронизывающая цитоплазму и отделенная от нее мембранами толщиной 75А. К некоторым мембранам эндоплазматической сети прикреплены рибосомы. Здесь происходит синтез белка. В каналах эндоплазматической сети могут временно накапливаться продукты жизнедеятельности. Вспомним между прочим, ветвистые системы неживой природы (рис. 1) — в них копятся руды, протекают ру- Дообразующие растворы, через них выходят газы in глубин недр, 3* **67-
рис. 18. Модель жидкомозаичной структуры мембраны [по Брес* леру С. Е., 1977 г.] и ее схема. Молекулы липидов образуют двойные слои —основу мембраны. Полярные группы липидов показаны в виде кружочков, белки —в виде островков, частично пронизывающих мембрану насквозь. Первые модели биологических мембран схематически изображались как двухслойные белково-липид- ные образования, показанные на рис. 18. Этот рисунок, как и ряд других биологических, приведен здесь для того, чтобы геологи попробовали, анализируя геометрию просмотренных ими минералогических форм, установить определенные аналогии, создать свои модели и гипотезы: ведь в геологических электрохимических процессах двойные слои играют активную, на сегодня не до конца выясненную роль. Биологические мембраны играют большую роль в процессах, происходящих в жизни клетки, включая и электромагнитные процессы. Клеточные оболочки состоят из липидов, имеющих свойства электрических изоляторов. Толщина отдельных мембран составляет 50—100А, и на каждой из них образуется -разность потенциалов до 0,1 В, а это создает внутримембран- ные поля до 100 тыс. В/см. Мембранный потенциал образуется из-за избирательной электропроводности мембран для различных ионов. Электрическое поле внутри мембраны имеет большое значение и создает потоки необходимых веществ из клетки в наружную среду и наоборот. Строение и функции мембран сегодня довольно хорошо изучены, делаются лабораторные модели мембран. Одна из моделей показана на рис 18. Это сложные структурные образования» — 68 -
что-то вроде гор из липидов и белков, но на молекулярном уровне. Здесь представлена модель, где мембрана состоит из агрегатов белков, которые участвуют в сложных процессах, могут диссоциироваться и вновь собираться в агрегаты. Техническую модель делают на основе гидрофобной пластинки из полиэтилена, нанося на нее под водой слой из смеси липидов. В липид можно добавить ионофоры, которые переносят ионы через неводную среду, делая в это время липидную пленку проводящей. При изучении электрических свойств мембраны наблюдается скячкообразное изменение электропроводности с изменением прилагаемой разности потенциалов. Для отдельных ионофоров ток при уменьшении напряжения не падает, а возрастает. Здесь нет ничего похожего на закон Ома. Рассмотрим вопрос о влиянии магнитного поля на биологические молекулы. Сами биологические молекулы немагнитны и даже диамагнитны. Секрет состоит в том, что часть органических соединений из числа известных образуют жидкие кристаллы при определенных температурах, к их числу относятся липиды. При образовании жидкого кристалла молекулы составляются в домены — упорядоченные области. При действии магнитного поля домены должны будут перестраиваться так, чтобы длинная ось молекул совпала с направлением магнитного поля. И здесь в ориентационных эффектах возможно его действие. Так, магнитные поля 100—1000 Э влияют на фотопроводимость, люминесценцию и фотохимические реакции, в которых участвуют парамагнитные молекулы, например кислород. В поле напряженностью 10 тыс. Э, как показали исследования биофизиков Р. Шанье и А. Халазонитиса, ориентируются палочки из глаза лягушки, взвешенные в физиологическом растворе. Один из возможных механизмов действия магнитного поля на клетку уже был рассмотрен. Молекулы белка имеют электрические заряды. В поле постоянного тока происходит их перемещение. В действии полей кроется отгадка направленного, векторного распределения мембранных структур Ориентационные явления в липидной мембране существенны для понимания действия электрического и магнитного полей на биологические структуры. Но здесь возникает вопрос: а если будут действовать два поля сразу, электрическое и магнитное,— так — 69 —
часто бывает в природе,— какая будет реакция? Ориентационные явления в электрических полях также ведут к перестройке структур мембраны. Тут мембраны выступают важным фактором структуры, реагирующей на действие поля. Мембраны изучаются в бионике и как прообразы технических моделей полупроницаемых пленок. Они могут быть в перспективе и моделями новых датчиков поля. Как же синтезируется (кристаллизуется) белок? Если на воспроизведение белка смотреть глазами кристаллографа, то можно обратить внимание, что здесь идет процесс, похожий на кристаллизацию на имеющейся затравке. Кстати, идеи кристаллизации белка высказывались и биологами. Н. К. Кольцов в 1927 г. говорил: «Теперь мы можем прибавить еще один новый тезис: каждая белковая молекула возникает в природе из белковой молекулы путем кристаллизации вокруг нее из находящихся в растворе аминокислот и других белковых обломков; „каждая молекула — от молекулы". Ничего специфически жизненного здесь нет, так как ориентация процесса кристаллизации перенасыщенных растворов в определенном направлении путем затравки кристалликами определенной формы — есть явление, хорошо известное кристаллографам. Так та или иная модификация кристаллической серы возникает из пересыщенного раствора в зависимости от того, какого рода кристаллик серы брошен в раствор в виде затравки». Итак, для синтеза белка нужно сырье — это аминокислоты. Они попадают в клетки животных из переваренной пищи (растительные клетки вырабатывают их сами). Нужна энергия — здесь используется энергия солнца. Разрыв молекул АТФ дает необходимую энергию. Нужен аналог затравки для кристаллизации — он есть в виде РНК и аналога кристаллизатора, его можно представить частично в виде рибосомной структуры — полирибосомы. Сам по себе нуклеотид содержит азотистые соединения (пуринового или пиримидинового основания), углеводный остаток — сахар (рибозу или дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. При помощи последнего нуклеотиды соединяются между собой в цепочку. В одной и той же молекуле нуклеиновой кислоты нуклеотиды могут отличаться друг от друга своим азотистым основанием. Располагаясь - 70 —
в нуклеиновых кислотах в разной последовательности, нуклеотиды как бы служат особым кодом, который записывает биохимическую информацию, предопределяющую последующий синтез специфических белков, определяющих в свою очередь характерные биохимические и биологические свойства каждого организма. Различают два вида нуклеиновых кислот: дезо- ксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие углеводный остаток дезоксирибозы, и рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие остаток рибозы. ДНК содержатся в основном в клеточном ядре и составляют значительную часть его сухой массы* РНК, по-видимому, образуются в ядре, но содержатся и в протоплазме. Две нити ДНК соединены в одну спирально закрученную молекулу. В случае деления клетки все ее хромосомы и заключенные в них молекулы ДНК удваиваются. При этом каждая новая клетка получает копию с ДНК и с хромосом родительской клетки. Спираль ДНК раскручивается, связи между азотистыми соединениями — перекладинами, соединяющими две половины молекулы,—■ разрываются и, по образному выражению писателя- биолога И. И. Акимушкина, обе составляющие ее цепочки расходятся, как половинки расстегнутого замка типа «молния». Далее половинки ДНК начинают «вытаскивать» из имеющегося, как говорят кристаллографы, кристаллизационного раствора (з нашем случае азотистых оснований) молекулы, необходимые для постройки второй половинки замка- «молнии». То есть сначала происходит деление ДНК, обусловленное ничем иным, как физико-химическими свойствами, а затем происходит фактически регенерация, восстановление до первоначального вида двойной спирали. Поэтому вновь образовавшаяся клетка получает полный набор наследственной информации, тождественный набору информации, имевшемуся в материнской клетке. Копирование при синтезе белков происходит так же, как при воспроизведении, регенерации ДНК. В этом случае половинки ДНК восстанавливают рядом с собой РНК, но ДНК существенно длиннее РНК. Поэтому вдоль одной ДНК образуется сразу большое число молекул РНК. Получив копию со своей родоначальницы ДНК, молекулы РНК попадают в раствор. Впоследствии они «руководят» сбор- — 71 —
тРНК Рис. 19. Схема, поясняющая синтез белка на полирибосоме. кой (кристаллизацией?) белков. Здесь наблюдаются как бы элементы сложного многоступенчатого процесса кристаллизации. Фактически в ядре на ДНК формируется лишь так называемая информационная РНК (мРНК), являющаяся промежуточной формой. Она поступает в протоплазму и прикрепляется к рибосоме, а затем к ней прикрепляются молекулы транспортных РНК (тРНК), каждая из которых несет свою аминокислоту — составную часть белка. В результате аминокислоты автоматически выстраиваются в том порядке, который продиктован последовательностью оснований в РНК-посреднике. Теперь аминокислоты соединяются, и цепочка из них готова. Рибосомы, всегда участвующие в синтезе белка, связаны в группы, причем все они прикреплены к одной цепи информационной РНК. Эта комплексная структура названа полирибосомой, она как раз и является производителем белка. Если мы отделим полирибосомы от свободных, не объединенных в группы рибосом, то обнаружим, что синтез белка идет в полирибосомах. Одна молекула информационной РНК участвует одновременно в синтезе нескольких молекул белка. Рибосома прикрепляется к информационной РНК с одного конца и «прокатывается» вдоль-по цепи до другого конца. Достигнув дальнего конца, она «соскакивает» с цепи, и в этот миг в раствор добавляется вновь синтезированная молекула белка. Этот момент показан на схеме (рис. 19). То есть здесь произошла как бы своеобразная кристаллизация белка: информационная РНК сыграла роль затравки, - 72 -
транспортные РНК подготовили материал, а полирибосомы сыграли роль кристаллизаторов, в которые попали подготовленные материалы — аминокислоты и где все объединилось в белок. Рибосому иногда называют автоматом по синтезу белка, но в равной степени к ней подходит и термин кристаллизатор белка. Когда все ДНК произведут подобных себе, клетка делится, при этом в ход идет микромеханизм, приводимый в движение энергией, аккумулированной клеткой в процессе жизнедеятельности. Биологи говорят примерно так: структура ДНК напоминает матрицы и с этих матриц производится печать. Но это лишь аналогия. В таком же плане может происходить и естественный процесс кристаллизации. «Затравка кристалла» — небольшой кусочек кристалла, опущенный в соответствующий раствор, способствует началу кристаллизации. Из сродствен- ного затравке раствора «высасываются» необходимые «частички» будущего кристалла. Может быть, «кристаллизация» — термин более подходящий и единообразный. Ведь ДНК находится в клетке, как в кристаллизаторе, затравка в сродственной среде. Правда, в биологической среде все происходит существенно сложнее: затравка используется многократно. Так возможно представить процесс кристаллизации белка. Здесь последовательно «снимаются копии затравок» — центров для кристаллизационных процессов. Биологи часто пользуются и термином «синтез», который имеет химическое происхождение и означает целенаправленное получение из более простых веществ более сложных. Своеобразным синтезом является также и процесс образования кристаллов — тел, атомы и молекулы которых воспроизводят упорядоченную структуру. ^ Следует поговорить о таком 7"! важном свойстве клеток, как 1.5. Электрические возбудимость. В электриче- СВОЙСТВЭ КЛеТКИу ск°м отношении клетки ведут ВОЗбудиМОСТЬ И её МОДелИ себя подобно электролитам или; смесям электролитов. Воппос ———— Q ВОзбудимости как клеток, так и тканей является предметом изучения электрофизиологии. Клетки и ткани возбуждаются в результате раздражения, природа которого может быть любой: электрической, термической, химической, механической — или носить другой характер. Энергия раздражения должна превысить некоторый определенный порог. Только после этого наступает раздражение. В опытах раздражителем может быть электрический ток. Величина электрической энергии раздражения Е определяется как произведение напряжения — 73 — \
к о С sr а и к S ° Л м я *-' О) <У ** Ф О 2S s <ч *е !? о и д к •>РкЕкта'5н 2?ьль«лл«2£дОи S * ° о 3.« p в и о e- «J ' - - - • — t-- cwko afga к Я £ и \o K ft* Я О rj >.« d dd Г Ь ^ ^ 3? ф 1 ! , 1 » 6 QnHawuduvtf \ 3 1 *- 74 -
U и тока / длительностью /, или Е = UU. Наиболее часто раздражение производят импульсом, имеющим прямоугольную форму. Импульс напряжения («толчок напряжения») можно определить, вычислив площадь по кривой, где напряжение представлено' в виде графика в зависимости от времени (рис. 20, а), который называется графиком напряжение — время: Usfa — _/,) = UsM. Толчок напряжения соответственно вызывает в возбудимой системе толчок тока, который является площадью /А/. Полученная от прямоугольного импульса энергия раздражения будет равЪа UsIM. Полагая, что падение напряжения Us на биологической си* стеме одинаково, для характеристики раздражения достаточно знать произведение IAt. Энергию порогового раздражения в электрофизиологии характеризуют значением тока. Для того чтобы пользоваться такой характеристикой, необходимо знать зависимость порогового значения от времени действия тока. В электрофизиологии такую зависимость называют кривой ток — длительность. Она показана на рис. 20, б и очень похожа на геофизическую переходную характеристику. Существует минимальный ток, называемый реобазой, ниже которого импульс тока, какой бы длинный он ни был, уже не может вызвать возбуждения. Под хронаксией понимают ту наименьшую длительность, которую должен иметь импульс удвоенного по сравнению с реобазой тока, чтобы вызвать возбуждение. На самом деле этот график существенно сложнее. Он строится в логарифмическом масштабе и имеет ряд максимумов и минимумов. И все они связаны со сложными закономерностями живой ткани. Биологи изучают графики сила тока — длительность или кинетический закон порогового раздражения нерва, определяемый зависимостью между пороговой силой и длительностью электрического раздражения. Эту зависимость исследуют на самых различных уровнях организации вещества. В результате была показана универсальная закономерность для живых возбудимых систем, которая наблюдается и при создании импульсного электромагнитного поля над рудными телами. Биофизик У. Ш. Ахмеров обобщил полученные результаты и показал их применимость для технических- устройств. Можно сделать и следующий шаг, используя геофизические кривые сила тока — длительность. Мы полагаем, что кривая сила тока — длительность — это общеприродная закономерность, свойственная миру живой и неживой природы. С этой точки зрения кривые сила тока — длительность из мира неживой природы требуют более внимательного изучения, основанного на углубленном представлении о неживом веществе — о минералах и горных породах. Существенно и то, что для энергии раздражения клетки справедливым является закон суммирования раздражений. Воздействие на тело нейрона определяется суммой воздействий от всех входов и сигналами, действовавшими* до этого. Срабатывание нейрона происходит, если воздействие превысит пороговое значение. Тогда на выход нейрона поступает стандартный сигнал. Это означает, что он обладает свойством временного и пространственного суммирования. Последовательным или временным суммированием именуют такое возбуждение нейрона, когда раздражения, меньшие пороговых, следуют через достаточно короткие промежутки времени. Пространственное суммирование состоит в одновременном подведении к двум или нескольким - 76 -*
синапсам отдельных раздражений, более слабых, чем пороговые значения. В сумме они могут вызвать возбуждение нейрона. Интересно, что сразу же после воздействия возбуждающего импульса пороговый уровень нейрона резко возрастает до бесконечности. Значит, никакой вновь приходящий сигнал не заставит его «срабатывать». Такое состояние сохраняется обычно в течение нескольких миллисекунд. Затем пороговый уровень снижается. Если приложить два электрода к наружной поверхности клетки, например к оболочке осевого цилиндра нервного волокна, то под катодом возникнет возбуждение. В теоретическом отношении здесь вводят факторы, способствующие и противодействующие возбуждению. Эти факторы носят на практике электрохимический характер, связанный с закономерностями распределения катионов и анионов. Если подвести к клетке раздражение, превышающее пороговое, то в возбужденном участке клеточной поверхности возникает изменение состояния, захватывающее часть клеточной поверхности и угасающее с увеличением расстояния от места раздражения. На рис. 20, в, заштрихованы участки, обозначающие возбужденную зону, отрицательную по знаку относительно соседних участков. Биофизики постоянно используют в своих работах модели, основанные на аналогиях. * Так, отмечено, что между взрывчатой смесью газов, куском железа в азотной кислоте, с одной стороны, и живым нервом, находящимся в состоянии покоя, с другой — существует аналогия, проявляющаяся в том, что обе системы устойчивы по отношению к слабым кратковременным возмущениям. Но когда возмущение превышает определенное пороговое значение, происходит процесс, называемый в случае взрывчатой смеси воспламенением, в случае куска железа — активированием, в случае нерва — возбуждением. Процесс не ограничивается местом приложения возмущения, а распространяется, вообще говоря, на всю систему. На модели нерва ток входит в проволоку, а в натуре ток выходит из нерва. На модели потенциал считается относительно нормального водородного электрода, для нерва берется разность потенциалов между наружной и внутренней частями нерва. Потенциал покоя на модели составляет + 1,0 В, для_ нерва +0,6 В, потенциал действия для модели равен +0,3 В, для нерва —0,035 В, раздражающий толчок тока на модели составляет 2-10~4, для нерва 2-Ю-8 А-с/см2, плотность тока реобазы на модели 5-10~3, для нерва 3,5 X X Ю-5 А/см2. Все элементы процесса имеют свои четкие физические характеристики. Модель возбуждения может изучаться при зажигании неоновой лампы с параллельно включенным конденсатором. Система из нескольких таких ячеек с неоновыми лампами моделирует процесс возбуждения. Одна из таких систем, содержащая электротехнические детали, — нейристор X. Крей- на — нами была рассмотрена ранее. Схема, по которой производилось изучение возбуждения вдоль железной проволоки, показана на рис. 20, г. На практике изучение электрического процесса в нервном волокне также, производится с помощью электродов и измерительных приборов. Наиболее часто экспериментаторы изучают очень толстое нервное волокно кальмара. В нервное волокно * Байер В. Биофизика. Введение в физический анализ свойств и функций живых систем. М.э ИЛ, 1962. 431 с. - 76 -
диаметром 600 мкм вводят четыре серебряные проволочки, через две из них ток пропускают, а через две другие измеряют. Омическое сопротивление покоящегося нерва кальмара равно 1000 Ом/см2, а его емкость 1 мк Ф/см2. В возбужденной области нерва омическое сопротивление равно 50 Ом/см2, а емкость тоже 1 мкФ/см2. В неживой природе' электрические свойства влажных, пропитанных электролитом минералов измеряют в од» ном из вариантов по той же схеме четырех проволочек-электро- дов. Толщина двойного слоя электрохимической природы на про* питанном электролитом—влагой минерале составляет 0,01 —1 мкм,- поверхностное сопротивление — единицы Омм2, емкость—1— 10 мкФ/см2 По-видимому, минералы можно использовать для построения моделей, на которых изучаются электрохимические процессы. Известно, что биологические объекты устроены сложнее дологических. Здесь только обращено внимание на то обстоятельство, что электрические свойства горных пород в значительной степени определяются свойствами электролитов. С точки зрения электропроводности уместно отметить, что «сухие», вынутые из электролита как белки, так и нуклеиновые кислоты имеют очень высокое удельное сопротивление. Но и обезвоженные, лишенные электролита горные породы также имеют высокое удельное сопротивление (если в них нет добавок электропроводных минералов, например сульфидов или графита). Биологами Д. Н. Насоновым и В. Я. Александровым была выдвинута теория происхождения биоэлектрических потенциалов. Согласно этой теории в поврежденной или возбужденной области протоплазмы образуются электролиты, которые при соприкосновении с покоящейся областью протоплазмы обусловливают появление пограничного фазового потенциала. Для появления биоэлектрического потенциала необходим расход энергии, которая образуется за счет обмена веществ. В мякотных нервах миелин образует изоляцию, которая на сравнительно больших расстояниях (через несколько миллиметров) прерывается так называемыми перехватами Ранвье шириной несколько микрометров. Таким образом, практически ток может выходить только в перехватах. Они соответствуют электродам модели. Мы уже видели модель, в которой неустойчивый элемент имитирует неоновая лампочка. Каждая неоновая лампочка соответствует одному перехвату Ранвье. Зажигание одной лампочки вызывает через емкостную связь зажигание последней. Батареи служат для подачи «раздражения». Изложенное здесь важно для понимания геофизического процесса электрохимических активных горных пород и руд. Не распространяются ли такие волны в природных условиях? Кажется, нет противопоказаний для того, чтобы сродственные волны образовывались и в неживой природе. Однажды автор принес в лабораторию, исследующую электрохимические нервные процессы, образец — кусочек минерала и попросил изучить электрохимические характеристики минерала. Предварительные результаты показали, что на приборах, которые фиксируют электрохимические процессы, в принципе могут изучаться электрохимические свойства влажных образцов минералов. Так и все изложенное должно заставить задуматься геологов и геофизиков о возможностях открытия нового на стыке биологических и геологических знаний. — 77 —
ч Большинство видой бак-» 1.6. Бактерии, вирусы терий представлено одно* И кристаллы клеточными формами, fl Бактериальные клетки з длину от долей до 10 мкм. Среди бактерий по форме различают палочковидные — бациллы, шаровидные — кокки и спиральные —вибрионы. Бациллы имеют вид отдельных палочек или длинных цепочек, состоящих из связанных между собой палочек. Про* стейшие первичные формы дают ряд комбинаций, [Такие же случаи известны и в мире неживой природы: удлиненные формы, шарообразные и спиральные, типичны для нее. Бактериальная клетка Заключена в плотную жесткую оболочку, которая состоит из структурных единиц диаметром 50— 1140 нм, расположенных в виде правильных шести* угольников или прямоугольников. В ряде случаев сама клетка облегается снаружи слизистой капсулой^ являющейся дополнительным защитным слоем. В протоплазме бактериальных клеток нахо-^ дятся рибосомы, гранулы гликогена, белков и жиров, но отсутствуют митохондрии и эндоплазматическая сеть. Здесь нет четко выраженного ядра, а ДНК располагается в так называемой ядерной зоне, дричем палочковидные бациллы имеют даже по два и более ядра на одну клетку. Размножение бактерий происходит обычно бесполым путем деления клеток на две. Отдельные виды бактерий могут делиться очень быстро — за 20—30 мин. При неблагоприятных условиях многие бактерии ререходят в состояние покоя. Отдельные виды [(в форме спор) переносят весьма жесткие условия засухи, жары или холода. При образовании спор клетка ссыхается, но как только условия становятся благоприятными для роста, спора поглощает воду, разрушает внутреннюю оболочку и превращается в бактериальную клетку. Например, бациллы сибирской язвы сохраняют жизнеспособность после 30- летнего пребывания в виде спор. Процессы обмена веществ у бактерий регулируются множеством ферментов. Лишь небольшое количество бактерий авто- трофны, т. е. синтезируют необходимые для них органические соединения из простых минеральных веществ окружающей среды. Большинство бактерий относится к сапрофитам и добывает себе пищу из доертвых тел растений и животных или из органичен — 78 -*
Рис. 21. Вирусы под электронным микроскопом. в —вирус табачной мозаики при увеличении 30 тыс. [по Воинову И. Н., Солоухину В. 3. Вирусы, птицы, люди. Минск, Вышейшая школа, 1977, с. 28]{ б-крнсталлы вирусов полиомиелита (/) и табачной мозаики (2) [там же, с. 33]. ских веществ, синтезируемых животными и растем ниями, либо паразитами внутри или на поверхности растительных и животных организмов. Различают аэробные бактерии, которые используют в процессе дыхания атмосферный кислород, и анаэробные, растущие в отсутствие свободного кислорода. Вирусы были открыты в 1892 г. нашим соотечественником ботаником Д. И. Ивановским. Но в оптический микроскоп их нельзя было рассмотреть* Вирусы можно наблюдать только в электронный микроскоп (рис. 21, а). Это, вероятно, самые малень-: кие существа на нашей планете — их размеры находятся в диапазоне от нескольких до сотен нанометр ров. Наиболее простые вирусы имеют сердцевину — нуклеиновую кислоту, окруженную белковой оболочкой. Нуклеиновая кислота обусловливает специ-' фичность вируса, а белковая оболочка служит для защиты нуклеиновой кислоты. Вирусы и бактериофаги трудно отнести к растениям или к животным. У вируса нет своих, имею-' щихся даже у бактерий, систем и реакций обмена' веществ. Он неспособен размножаться без помощи живой клетки. Вирусы имеют различные размеры и форму. Вирусы фактически являются крупными частицами нуклеопротеидов (сложные белки, представляющие собой соединения нуклеиновых кислот с простыми белками; важнейшая часть клеточных ядер), которые проникают в определенные, специфи- — 79 -
mi
' F Рис. 22* Формы фагов (по материалам биологов)* с—структура фага Тл. Вверху—электронна. >.,ч. . >4>oroi рафия бактерио фага Т«, увеличение 370 тыс. Внизу—схема строения фаговой частицы и отдельных ее <деталей» (/ — головка, 2— шейка и воротничок, 3—стержень, 4 — оболочка, 5—концевая пластинка, 6—хвостовые нити, 7—клеточная оболочка); б—группа фагов (некоторые из них засняты до, а другие после освобождения пружинки хвоста). ческие для них животные, растительные или бактериальные клетки и «размножаются», образуя многочисленные новые вирусные частицы. Вне клетки хозяина вирусы инертны; некоторые из них были разложены на составные части, напоминающие кристаллы (рис. 21,6). В 1955 г. У. Стэнли изолировал и кристаллизовал вирус табачной мозаики, а в 1956 г. ему удалось разделить вирус на основные компоненты — белок и нуклеиновую кислоту и затем воссоединить их с образованием активного вируса. Трудности, возникающие при решений вопроса о том, являются ли эти формы живыми или неживыми, обусловлены также отсутствием четкого определения жизни. Вирусы могут размножаться только в среде, создаваемой живыми клетками. Но вирусные частицы не размножаются обычным путем. Проникая в клетку хозяина, вызывают глубокие изменения в обмене веществ этой клетки, что приводит к образованию новых вирусных частиц. При экспериментах вирусы выращивают в оплодотворенном курином яйце или в клетках, растущих в культуре тканей. Вирусы разных типов поражают лишь специфические для них части организма, так как могут размножаться только в определенных клетках. Заражение клетки одной вирусной частицей препятствует заражению ее другим вирусом. Они во - 81 -
многом отличаются от клеток своей правильной формой (рис. 21,а). Правильные формы вирусов — фагов, их «пружинки» на хвостах — «шприцах» показаны на рис. 22. На фотографии показан фаг Т4 — вирус, который может заразить бактерию. Как это происходит? Вирус закрепляется на оболочке бактерии и через оболочку протягивает свою тонкую ниточку ДНК. Ниточка ДНК, попав внутрь бактерии, удваивается, й вокруг нее, как около затравки кристалла, собирается из питательного раствора — протоплазмы бактерии — белковая оболочка. Готов новый вирус. До 300—400 фагов может появиться внутри бактерии за 30 мин. В процессе построения нового фага ученые нашли в ДНК группы генов, которые являются центрами, ответственными за синтез (кристаллизацию?) определенной группы белков: одни — за оболочку, другие — за хвостик. Так из частей — блоков, более или менее крупных, собирается вирус. А как строится кристалл из блоков — кластеров, знают кристаллографы. В свою очередь, частицы-вирусы соединяются вместе и принимают вид кристаллов. Так, для вируса табачной мозаики палочковидные частицы вируса соединяются в кристаллы шестигранной формы. Генетикам удалось сконструировать микроб с заранее заданными свойствами, который будет с жадностью пожирать разлитую на поверхности воды нефть и тем самым активно бороться с загрязнением. Геология тоже связана с миром бактерий, причем самым тесным образом. В результате микробиологических исследований рыхлых аллювиально-делю- виальных образований редкометалльных месторождений было установлено, что образование широких ареалов рассеяния металлов, мигрирующих в коре выветривания, главным образом в форме солевых растворов, также согласуется с широким распространением в этих отложениях тионовых бактерий, что свидетельствует об участии этих микроорганизмов в образовании растворимых форм металлов.* Роль биогенного фактора в осадочном рудообразовании очень велика. Обитающие в земной коре (в частности, в подземных водах) микроорганизмы участвуют * Крамаренко Л. Е. Бактериальные биоценозы в подземных водах месторождений некоторых полезных ископаемых и их геологическое значение. — Микробиологияа 1962г с, XXXIf вып. 4t с. 694—701, — 82
в окислительных и восстановительных процессах, связанных с преобразованиями рудного вещества. В результате исследований состава микрофлоры редкометалльных молибденовых месторождений Казахстана было установлено, что подземные воды, руды и породы этих месторождений заселены тионо- выми бактериями (палочковидные бактерии, развивающиеся при окислении восстановительных соединений серы). Кроме того, в них обнаружены суль- фатовосстанавливающие бактерии, главным образом в подземных водах,— анаэробные микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Стадия рудообразующего процесса, связанная с окислением сульфидных минералов, заключенных в породах, протекает при высоком окислительно-восстановительном потенциале, когда активно развиваются тионовые бактерии, стимулирующие образование и вынос окисных водорастворимых форм металлов. Тионовые бактерии, участвующие в указанном процессе,— это автотрофы, питающиеся химическими, в данном случае неорганическими, соединениями. Для их развития не нужно органического вещества, так как эти бактерии способны строить свое тело из углерода углекислоты за счет энергии окисления различных минеральных соединений серы, к числу которых относятся сероводород и сульфиды. Ныне установлено, что для каждого металла в природе имеется бактерия, способная его «поедать». Бактерии, «поедающие» металлы, по-видимому, стоят еще на один шаг ближе к неживой природе, чем бактерии, питающиеся органическими веществами. Вопрос о происхождении вирусов сложен. Идет дискуссия о том, какими были древние формы вирусов, находящиеся на грани между живым и неживым, и насколько они соответствуют современным вирусам. Другая точка зрения состоит в том, что вирусы имеют как бы вторичное происхождение, развиваясь из патологически измененных частей клеток как животных, так и растений. К этому вопросу мы вернемся при рассмотрении изменений, происходящих с газо- во-жидкими включениями в кристаллах. Вместе с тем в биологических книгах иногда мелькают догадки: не есть ли вирус некая переработанная форма клетки? В последнее время удалось проследить отдельные связи вируса с клеткой. В ряде случаев, изучая нормальные клетки птиц и — 83 —
млекопитающих, которые культивировались в лабораторных условиях, ученые наблюдали появление в них вирусных частиц. В лабораторных условиях вирусы были получены из нормальных клеток кур, фазанов, мышей, крыс, хомяков, морских свинок, кошек, свиней, павианов. А можно ли выделить вирус из каждой клетки? Отдельными экспериментами было показано, что можно. Отсюда следовал вывод о потенциальной возможности образования вируса из каждой клетки. Из опытов следует, что гены, которые кодируют образование частей вируса, являются частью нормального клеточного генома. Что касается белка, из которого состоит чехол вируса, то скорее всего это просто оболочка — нормальный белок, из которого строятся обычные мембраны нормальных клеток. Сам вирус в таком случае является переносчиком генетической информации между клетками организма и между организмами разных видов. Действительно, вирус содержит часть генетической информации нормальной клетки, которая дает возможность воспроизводить нормальный белок. Такой подход позволяет ускорить эволюцию. Представьте, что с помощью вируса происходит умножение числа копий генов и перемещение генетического материала в'самой хромосоме или между хромосомами. У биологов вошел в обиход новый тезис: «Вирус — родное дитя клетки». Тут с точки зрения геологии, а именно минералогии, появляются соображения о причинах появления таких форм, как вирусы. Немного опережая разъяснения, скажем, что и в минералах можно увидеть правильные формы, связанные с минимумом энергии. Когда одного из основоположников современной отечественной биологии — Н. К. Кольцова спрашивали: вирус — живой или неживой, он отвечал: «Это как вам будет угодно». Он считал, что непроходимой грани между живым и неживым нет. ——————————— Хотя мы и не знаем точно, 1.7. Предположение о том, как образовалась клетка, как это было: образование но ясно, что «бульон», клетки из „бульона" из которого произошла и минеральный мир жизнь, тесно связан с ми- —^—________ нералами, горными породами и геологическими процессами. Сейчас имеется ряд представлений, облегчающих это понимание. Ко- - 84 -
нечно, в первую очередь должен был существовать раствор. В нем были все компоненты, из которых произошла клетка. Иными словами, должно было быть что- то вроде кристаллизационного раствора. Поскольку все это происходило самопроизвольно, то должна была быть и вода. Ведь клетка на 90% состоит из воды. С образованием гидросферы — водного раствора органических и неорганических соединений — наступает стадия формирования биогеосферы. По со-* временным представлениям сама вода обладает ква« зикристаллической (почти кристаллической) структурой, что в значительной мере определяет свойства и структуру растворенных в ней молекул, в том числе и биологически важных. Предполагается, что пролог космической эры человечества начался в море — приблизительно 3 млрд. лет назад на мелководьях древнего океана в теплой и хорошо прогретой солнцем воде. Там неживая материя перешагнула таинственный рубеж: зародилась жизнь* Это одна из гипотез. Неспециалисты считают, что извержение вулкана является фантастическим зрелищем. Но помимо этого вулканы — своеобразные источники разнообразного минерального сырья. Действительно, вулкан за одно извержение выбрасывает тысячи тонн органических веществ со всеми компонентами, необходимыми для жизни. В нашей стране такие вулканы есть' на Дальнем Востоке. Аналогичные подводные вулканы существовали и в глубокой древности. Химики считают, что углерод насыщал воду. Там образовывались все - более сложные соединения углерода — своеобразный бульон. Создавались предпосылки для возникновения жизни — определенного порядка, определенной системы из неупорядоченной питательной среды. Вода — растворитель. Она к моменту образования жизни накопила в себе простейшие химические соединения, содержащие фосфор, азот, углерод, кальций. Нельзя забывать, что в этом процессе участвовали и геофизические поля. Какие? Те же, что действуют на живую клетку и сейчас — электрические, магнитные, гравитационные и др. Они воздействуют и на все геологические процессы, включая образование кристаллов. Что могло послужить толчком для начала процесса формирования клетки? Возникновение и 85 -
кристаллизация ее частей? Безусловно1 что это были физико-химические причины. Магнитное поле, свет, гравитация, механические колебания — все могло действовать в момент зарождения жизни. Молния — электрические разряды — также содействовали образованию живого на Земле. Установлено, что гидравлический удар способствует полимеризации молекул, а живое состоит и из полимерных цепей. В те далекие времена землетрясения были чаще и сильнее. Они вызывали сотрясения дна океана, приводившие к образованию гидравлических ударов, и вместе с ними развивались очень сильные давления в воде. Сверхдавления разлагали соединения, а затем составляли из них полимерные нити, из которых создавались позднее аминокислоты. Могло влиять и тепло. На образование простейших органических соединений оказывают действие физические поля как закономерная часть геологических процессов в земной коре и атмосфере. Из аминокислот, растворенных в первобытном океане, сначала образовались сгустки белка. Они сделали первый шаг на пути жизненного прогресса — стали обмениваться веществами с окружающей средой. Разрываясь, начали размножаться, постепенно приобрели и другие жизненно важные качества. Вытянутым сгусткам — «белковым палкам» удалось сохранить в первородном хаосе свою индивидуальность, так как они приобрели удивительные свойства — наследственность. Переход к настоящим клеткам потребовал обязательного возникновения индивидуальных фазово- обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей средой, используя ее вещества и энергию, и на этой основе способных расти и подвергаться естественному отбору. Как можно подойти экспериментально к изучению этой стадии эволюции? Акад. А. И. Опарин отмечал, что в условиях современной биосферы можно непосредственно наблюдать только начальное образование таких систем *. Их эволюция, обычно очень кратковременная в присутствии уничтожающих микробов, усложнена современными условиями. На сегодня наиболее близкой к обособленной * Опарин Л. И. Материя -> жизнь -> интеллект. М.г Наука, 1977. 208 с, — 86 —
системе клеток биологической моделью являются коацерватные капли. Коацерватные капли были получены в 30-х годах Буненберг де-Ионгом из смеси водных растворов желатины и гуммиарабика. В условиях обычных температур из раствора выделяются капли, содержащие молекулы обоих веществ. Эти капли А. И. Опарин рассматривал как модели открытых систем — далеких предков клеток и широко использовал в своих построениях. В их числе есть образования из белков, нуклеиновых кислот, полигликозидов, фосфатидов, хлорофилла и др. В процессе коацервации в капле происходит концентрация полимеров, в десятки и сотни раз превышающая концентрацию в растворе. В капле могут быть «вакуоли», где концентрация сильно снижена. Известны случаи, когда наблюдается структурированность отдельных участков в пределах капли. Что же такое коацерват? Не есть ли это специфический кристалл из полимеров? Со своими газово- жидкими включениями? Одной из важных особенностей систем коацерват- ных капель является способность избирательно поглощать вещества из внешней среды, что особенно хорошо видно, если добавить к внешней среде красители. В этом случае можно увидеть, что краска концентрируется в капле, а раствор обесцвечивается. При лабораторных исследованиях высокомолекулярных органических полимеров наблюдается помутнение растворов, связанное с выделением обособляющихся сгустков вещества. Это позволило создать предшественников таких фазовообособленных систем. Биологом Р. Гольдейкром проведены наблюдения над образованием на поверхности природных водоемов небольших обособленных пузырьков, которые находятся в белково-липоидной оболочке (рис. 23, а). Пузырьки с водой появляются при сморщивании ветром пленки, которая находится на поверхности воды,— это уже простая система, которая может взаимодействовать с внешней средой. Наряду с теперь уже ставшими классическими исследованиями А. И. Опарина позднее (в 60-х годах) были начаты работы по изучению искусственно образующихся из аминокислот протеиноподобных полимеров — протобелков, которые являются своеобразными моделями образовавшихся в отдаленные от нас — 87 —
a Липоид * Вода Протеин Вода Воздух •=s^>Boda Воздух, w *' 1вМ№ .) ' <* :ЛЛ *- % ■? -/ # ■v **' ! Рис.23. Образование пузырьков Гольдейкра (а) [по Опарину А. И., 1977 г., с. 124] и микросфер (б) [по Фоксу С, 1978 г.]. /-4—последовательные стадии. времена предков современных белков («прабелков»). Для объяснения причин возникновения жизни была высказана идея самосборки. Самосборка обеспечивается за счет групп в молекулах, обладающих высокой реакционной способностью. Но самосборка происходит и при процессе кристаллизации. Согласно данным американского биолога С. Фокса, ориентировочно 1 г протеиноида дает 1010 микросфер, содержащих в каждой 1010 протеиноподобных молекул. Интересными биохимическими свойствами обладают белковые системы, полученные пр-и растворении в горячей воде смеси аминокислот. В растворе С. Фокс обнаружил сферы диаметром 2—7 мкм. Нужно отме- - 88 -
тить, что уже белковоподобные микросферы, как показали снимки, сделанные с помощью электронного микроскопа, имеют вполне различимую много- слойность на ограничивающих их поверхностях (рис. 23, б). Здесь можно усмотреть прообразы будущих мембран. Белковые микросферы соединяются между собой разнообразным сложным образом. Теория происхождения жизни в наших земных условиях свидетельствует, что жизнь возникла на основе углеводородных соединений, из которых сформировались элементы для строительства живого,— белки и нуклеиновые кислоты. Эти процессы происходили в «бульоне», где самопроизвольно произошла сборка (кристаллизация?) простейших органических веществ и полимеров (полипептидов и полинуклеоти- дов). Из этих составных частей формировались открытые (предбиологические) системы — коацерваты, которые посредством отбора по скорости роста и размножению преобразовывались впоследствии так или иначе в простейшие клетки — обособленные системы. Сегодня известно, что кровь содержит столько же минеральных веществ, сколько их есть в морской воде. Предполагают, что это также свидетельство далекого от нас процесса зарождения жизни в морской лагуне. Стройный набор взаимосвязанных структур — ядра, мембраны, митохондрии, вакуоли, трубочки и другие части, расположенные в одной оболочке,— вот что такое клетка сегодня. Известно основное положение биологии: «все живое происходит только от живого». А в общем плане можно сказать — подобное происходит от подобного. В чем состоит способность организма к воспроизведению? В простейшем случае клетка делится пополам, причем каждая половина вырастает в дочернюю клетку, воспроизводящую до мельчайших подробностей строение материнской клетки. Акад. А. И. Опарин еще в 1924 г. приводил такой пример: «Возьмем кристалл какого-либо вещества, хотя бы квасцов, расколем его на две, половинки и бросим эти последние в перенасыщенный раствор того же вещества. И вот оказывается, что брошенные в раствор половинки кристалла сравнительно быстро восполнят за счет частичек, ранее свободно плававших в растворе, недостающие у них грани, углы и ребра». Свойство воспроизведения — регенерация - 89 -
Рис. 24. Небольшой организм, живший 2 млрд. лет назад в Гренландии [по 9]. 4 Запечатлен в камне в момент воспроизводства делением. * % Присуща не только организмам, но и всем без | исключения природным телам, обладающим опреде- I ленной структурой. Встает вопрос: мы раскололи I кристалл насильственно, а деление клетки осущест- | вляется самопроизвольно? Однако деление клетки f также происходит под влиянием физических сил, та- § ких как поверхностное натяжение или капиллярность. | После деления образуются две клетки, идентичные | исходной по генетическим свойствам и с обновлен- 1 ным составом ядра и протоплазмы. Процессы само- ь воспроизведения хромосом, их деления, образования | двух ядер и деления протоплазмы составляют в со- * вокупности митотический цикл клетки. Сам процесс ] деления заснят на пленки и фотографии, подробно J изложен в учебниках по биологии, и в частности в | прекрасной научно-популярной книге И. И. Акимуш- | кина «Занимательная биология». \ Как сейчас установлено, процесс деления практически «вечен». Так, на рис. 24 показан небольшой организм, существовавший 2 млрд. лет назад в Гренландии, который «увековечен» в камне в момент 4 воспроизводства делением. Мы знаем, что деление имеет свою физическую основу. И чудес здесь нет. Возьмём пример из области физики. В 1939 г. только что открытый процесс деления атомных ядер был объяснен в работах ; Н. Бора, Дж. Уиллора и Я- И. Френкеля с помощью н модели классической заряженной капли. В ней действовали кулоновские силы, разрывающие каплю, и - силы поверхностного натяжения, препятствующие : — 90 — Ц J
разрыву. Взаимодействие сил приводило кг тому, что капля распадалась на две части. Оказывается, что ее могут вполне ощутимо «трясти» электрические силы. Так, Г. В. Остроумовым в 1960-х годах был сделан опыт, когда на каплю воды действовали электрическим полем. Капля начинала раскачиваться в стороны от положения равновесия. При этом форма ее напоминала восьмерку. Но восьмерка — это та форма, к которой клетка подходит при делении. Интересно, что отдельные высокодифференциро* ванные клетки совсем не делятся. В первую очередь' это клетки крови. Они существуют некоторое время, затем разрушаются, а кроветворные органы производят новые. Химические реакции в протоплазме осуществляются при помощи особых агентов, которые принадлежат к веществам — ускорителям реакции. Таким катализатором, в частности, является вода. Отметим, что в геологических процессах катализатор — тоже вода. Человек наблюдал и использовал многие превращения, происходящие в живых организмах и взятых из них материалах. Это свертывание крови, дозревание и разложение мясных, рыбных и растительных продуктов. В начале XIX в. в биологических объектах были обнаружены активные вещества, вызывающие подобные превращения. Они получили название ферментов. Первые выделенные в 30-х годах нашего века опять в виде искусственных кристаллов чистые ферменты оказались белками, и все полученные потом (сейчас их известно около двух тысяч) также являются особым видом белков. Химические реакции происходят в присутствии ферментов без высоких температур и давлений в миллионы и миллиарды раз ^быстрее. Жизнедеятельность организма, обмен веществ» представляет собой, как было отмечено, совокупность бесчисленных химических реакций, которые идут в клетках строго упорядоченно. Своеобразными организаторами порядка являются ферменты. Отсюда ясно, какую важную роль играют они в обмене веществ. Ферменты — это белковые биологические катализаторы, синтезируемые (кристаллизуемые?) живыми клетками и регулирующие скорость и специфичность тысяч химических реакций, протекающих в протоплазме. Различные ферменты работают в «сотрудник честве» друг с другом; при этом продукт одной — 91 —
ферментативной реакции служит основой для последующей. Внутренность клетки представляется в виде завода с множеством различных сборочных и разбо- рочных конвейеров, действующих одновременно. Любой такой «конвейер» состоит из ряда ферментов, каждый из которых осуществляет одну стадию процесса. Каждый фермент находится под контролем особого гена. Вместе с тем наличие ферментов, как и обмена веществ,— особенность не только живой природы. Акад. А. И. Опарин приводил пример с губчатой платиной, помещенной в водный раствор перекиси водорода. Она имеет много пор и, как следствие, большую поверхность. Перекись водорода поглощается платиной, образуя на поверхности гидрат перекиси платины, который очень быстро разлагается на платину, воду и кислород. Сама перекись водорода — устойчивое соединение. Платина позволяет ускорить ее разложение. Небольшой кусочек платины при этом сохраняется целиком, его снова можно будет бросать в перекись водорода и разлагать ее. А. И. Опарин подчеркивал, что в рассмотренном примере изложена идея схемы обмена веществ, поскольку уже здесь имеется поглощение вещества из окружающей среды, его усвоение, разложение и происходящее впоследствии удаление продуктов распада. Кусочек платины ведет себя аналогично, например, бактерии, которая находится в растворе с питательной средой. Бактерия поглощает раствор, усваивает его и разлагает, выделяя продукты распада. Отмечается, что в обоих. случаях наблюдается не только внешнее совпадение процесса, но и тождественность его механизма; обмен веществ производится с помощью ферментов, если говорить на биологическом языке. Заканчивая, отметим, что в «правильных», на взгляд биолога, кристаллах обнаружены разнообразные дефекты, среди которых часто встречаются га- зово-жидкие включения — небольшие полости с электролитом, кристалликами и газовыми пузырьками. С точки зрения уровней организации вещества по своему структурному положению они отдаленно напоминают своеобразные «клеточки» в мире неживой природы. Геологи считают, что газово-жидкие включения — своеобразное чудо неживой природы. О нем будет рассказано дальше.
Часть 2 У ИСТОКОВ ГЕОНИКИ ...Стремление научно описать все минералы вскрыло перед нами новые области физических знаний. Тысячелетия назад янтарь вскрыл область электричества, магнитный железняк — область магнетизма, кальцит, исландский шпат в XVII в. — область поляризации лучей света и его двупреломления, барит, болонский шпат — тогда же — область фосфоресценции света. В. И. Вернадский Человек с древнейших времен использует наблюдения над неживой природой. Огонь, без которого немыслим быт человека, сначала зажигался молнией в лесу, а потом переносился наблюдательным умельцем в костер — небольшую техническую или, как говорим мы сегодня, техногенную модель лесного пожара. Таким примерам нет числа. Мы упомянули об огне. А магнитные явления, радиоактивность, электричество? Разве первые шаги этих могущественных областей физики, теперь развивающихся самостоятельно, не были оценены при изучении природы? Наблюдение процессов, происходящих в неживой природе, давало и может дать основу для создания новых технологических процессов и новых приборов, а также для объяснения тех или иных явлений. 93 -
5 своей сРактической деятельности человек активно познавал их закономерности. Они используются для решения различных технических задач. Эту область знаний созвучно с бионикой можно назвать геоникой. Посмотрим, как же на практике пользуются наблюдениями за неживой природой и как они проводятся. ■ Кристаллы кварца — гор* 2.1. Как человек ного хрусталя научились научился делать выращивать в лаборато- искусственный кварц? рии только после того, ц как изучили процесс образования кварца в неживой природе. Горный хрусталь— чудесный камень (рис. 25). Им очень широко пользуются для самых различных целей. Хороший Проводник тепла, он обладает особыми электрическими свойствами, незаменим в производстве красивых вещей обихода, различных точных оптических приборов. Имеет значение его большая твердость, высокая тугоплавкость и замечательная чистота. Горный хрусталь применяется для изготовления разнообразных радиотехнических устройств. Все упорнее человек стремится заменить природу своей лабораторией. Но получить искусственный горный хрусталь долгое время никак не удавалось. Тем не менее у тех, кто внимательно изучал природу, созревали мысли выра* стить его кристаллы. И здесь был использован опыт изучения газово-жидких включений. В начале 1900-х годов Г. Специа исследовал кварц, его водные и углекислые включения. Он считал, что включения в кварце характеризуют древние материнские первичные растворы, из которых кристаллизовался кварц и его разновидность — горный хрусталь. Для кристаллизующих растворов в качестве основных компонентов он выбрал поваренную соль в количестве 12,7% и силикат натрия — 1,99%, которые типичны для жидких включений кварца. Был сделан важный вывод о том, что кварц образуется в углекисло-водном растворе при охлаждении. Повторяя проведенные опыты, пришли к выводу о возможности промышленного синтеза кварца. Полученные искусственно кристаллы кварца были прозрачные, но очень небольшие, не больше полутора сантиметров в длину. Однако акад. А. Е. Ферсман уже тогда писал: «Я уверен, что через несколько лет на государственных заводах в закрытых сосудах с перегретыми растворами, при больших давлениях будут расти про- - 94
Рис. 25. Кристалл и условия его роста. а—двойник кварца (по Д. П. Григорьеву); б —разрез кварцевоносного пегматита (по Е. Я. Киевленко). /—гранит, 2—аплитовая оторочка*. 3—графический пегматит; i—пегматоидная зона; 5—микроклин; 6 — кварцевое ядро; 7—полость с кристаллами кварца.
зрачные камни горного хрусталя. На смену горнякам придут химики!» Предположения А. Е. Ферсмана сбылись: в настоящее время в СССР выращивают большие кристаллы горного хрусталя в промышленных масштабах. На смену горнякам действительно пришли специалисты в области кристаллохимии, которые стали еще более глубоко изучать природные кристаллы кварца, стараясь понять их строение, особенности и условия образования, для того чтобы воспроизвести I эти кристаллы в лабораториях. Кристаллохимики читали в каменных «летописях» природные рецепты. Чтобы решать проблему искусственного получения кварца, необходимо было провести специальные экс- '] периментальные исследования по изучению геохимических процессов формирования кристаллов. Наблю- ; дения в природе показали: для образования пегмати- | товых хрусталеносных месторождений требуются j прежде всего такие условия, которые приводили бы | вначале к созданию относительно мощных кварцевых | тел, затем к возникновению в них свободных про- 1 странств — полостей и, в конце концов, обеспечивали \ бы возможность зарождения и роста в этих полостях 5 кристаллов. Реализация этих условий на всех стади- 1 ях образования хрусталеносных месторождений опре- | деляется прежде всего содержанием и формой на- I хождения кремнезема в растворах, его перемещением I и особенностями кристаллизации. Выяснению этих 1 вопросов были посвящены исследования кристалло- | химика В. С. Балицкого, проведенные с помощью | геологических, аналитических и термодинамических I методов исследования. Они позволили понять, что за- | рождение и рост кристаллов кварца происходит в 1 основном на имеющихся во вмещающих породах | «затравках» первичного кварца. Размеры кристаллов, | растущих на затравках, определяются площадью | затравки, скоростью роста кристаллов в данном | направлении и законом геометрического отбора. На- §1 пример, в хрусталеносных пегматитах в случае образо- || вания гнезда с кристаллами кварца в зоне, где раз- || виты полевые шпаты и есть первичные кристаллы | кварца — затравки; в дальнейшем на затравках вы- I растают другие большие кристаллы. Считают, что 1 когда первичный кварц — затравка обнажается в по- | лости гнезда гранями ромбэдра, то это положение I является наиболее благоприятным для роста. Полу- 1
ченные в процессе полевых наблюдений данные о связи размеров кристаллов кварца в хрусталеносных пегматитах с размерами первичного кристалла-затравки и с тем, на какой грани первичного кварца растут кристаллы, были подтверждены в дальнейшем при экспериментах. При этом удалось выяснить характер растворения кварца и горных пород, вмещающих хрусталеносные пегматиты, возможность выращивания кристаллов кварца, а также их особенности в за- висимости.от условий роста. Для того чтобы образовывались хрусталеносные месторождения, необходимы растворы с большим содержанием кремнезема. Такие растворы создавались в условиях высоких температуры и давления, а если температура была невысокая,— то при периодически изменяющейся кислотности и щелочности среды. В случае слабокислых растворов при наличии в растворе фтора в виде фторсодержащих ионов резко повышается растворимость кварца из-за образования кремнефторидных комплексов. В этом случае фтор как бы играет роль катализатора. Физико-химические условия, влияя на ход кристаллизации, с одной стороны, с другой — оставляют своими влияниями следы в теле кристалла. Внимательные наблюдения за неживой природой: изучение жил, вмещающих пород, полостей, затравочных кристаллов и газово-жидких включений, познание этих природных миниатюрных автоклавов —- позволили искусственно воссоздать процесс выращивания кварца в лабораторных условиях. Ныне созданы большие автоклавы, продукция которых после одной загрузки сырьем составляет столько, сколько можно получить из кварцевой жилы в естественных, природных условиях. Предвидение А. Е. Ферсмана полностью оправдалось. Естественные магниты — 2.2. Поучительная это кусочки минерала история магнетита магнетита, окиси железа, 1 содержащие 31% железа и 69% кислорода. Имеется много версий о названии магнита. Отвлекаясь от преданий, можно сказать, что, конечно, была гора с большим количеством магнетита, что-то вроде нашей отечественной горы Магнитной на Урале, и люди заметили способность магнетита притягивать предметы из железа. Так человек выделил минерал магнетит среди других, поместив 4 Г. С. Франтов — 97 -
его в круг своих интересов. Результаты наблюдений в течение всей истории человечества использовались' в практической деятельности человека. Первое свойство, которое установили, — притяжение. Далее, по-' видимому, на небольших кусочках, скользящих по гладкой поверхности, выявили способность ориентирования магнетита по отношению к странам света* Эта особенность положила начало прибору под названием компас. Первые компасы были сделаны 3000 лет тому назад. Их описания находят в летописях. Понятие магнитного поля как пространства, в ко-* тором проявляется действие магнитных сил, сформуй лировалось позднее, но также из наблюдений. Одним из первых, кто обобщил эти факты, был У. Гиль* берт *. Он осуществил большое число опытов, в ре-: зультате которых получил основные научные сведе-' ния по магнетизму. Люди, познав свойства магнетита, стали делать различные приборы, изготавливать искусственные магниты и магнитопроницаемые мате* риалы. Начатое в древности настойчивое изучение магне* тита и его особых свойств продолжается. Сейчас активно развиваются направления, связанные с ш> следованием биологического действия магнитов. На* чало этим направлениям было положено также дав* но: целебные свойства лекарств, в которых есть толченый магнит, были известны с древности. В 1754 г. французский аббат Ленобль изготовил магниты и лечил ими нервные болезни. Считалось, что магнитные силы непосредственно действуют на нервы, как и на железо. Производились самые различные опыты; одни из них давали положительные результаты, другие — отрицательные. Однако как научное направление магнитобиология сформировалась значительно позже, фактически в наши дни, когда появились надежная измерительная техника и необходимый теоретический уровень знаний. В процессе магнитобиологических исследований накопились1 наблюдения, убеждающие в том, что магниты, заделанные в гипсовые повязки, наложенные при переломах, ускоряют срастание костей. Но магниты в по-* * Гильберт В. О магните, магнитных телах и о большом маг* ните — Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов. М., Изд-во АН СССР, 1956. 411 о. - 98 -
вязках закреплять на теле не совсем удобно, и тут появились усовершенствованные модели: магнитофо- ры, разработанные в Ленинграде. Внешне они представляют собой тонкий кусок резины," в которую впрессовывают магнитный жесткий порошок. Магнитофор прикладывают к любому участку тела пациента, т. е. магнитофор — своеобразная, приспособленная для прикладывания к телу человека модель1 магнита. Магнитофор в переводе с греческого означает «магнит несущий». В отличие от двухполюсного магнита он может иметь практически неограниченное число пар полюсов, что дает возможность действовать магнитным полем на любой объект как живой, так и неживой природы. Если семена овощных и зерновых культур перемещать на конвейере, лента которого сделана из магнитофора, то урожайность в определенных условиях повышается. А такое недавно установленное свойство, как «магнитная память Земли»? Здесь тоже помогли наблюдения над железом. Во многих горных породах есть железо. И это железо играет роль элемента, запоминающего магнитное поле. Археологи использу* ют магнитную память керамики, основанную на со* держании в глине железа*. Изучая подобные образцы как элементы магнитной памяти, люди узнают, какое магнитное поле было в прошлом. Необходимо подчеркнуть, что природное железо взаимодействует с магнитным полем Земли. В результате взаимодействия железо, входящее в состав природных образований, изменяет свои свойства. В металле как бы записываются значения этого поля примерно так же, как на магнитной ленте магнитофона. Нужно только уметь прочесть и такую природную запись остаточной намагниченности. Все физико-химические процессы в минералах находят в их структуре и свойствах то или иное отражение. Открытие остаточной намагниченности произошло в средневековье случайно на искусственной модели — железной поковке, но в равной степени его можно было сделать, наблюдая за неживой природой, и перенести эти наблюдения для моделирования в лабораторию. *—- * * Франтов Г. С, ПинЯевич Л. Л. Геофизика в археологии* Л., Недра, 1966. 212 с, 4* ф* 99 —
Магнит помог и в изучении строения атома. Парамагнитный эффект, парамагнитные вещества с группой ферромагнитных веществ, у которых парамагнитный эффект выражен особенно сильно, диамагнитный эффект, ядерный магнитный резонанс — этот пере- j чень важных для людей открытий, сделанных при изучении свойств магнетита и изготовленных из него магнитов, можно было бы продолжить. Более того, свойства магнетита позволят узнать много новых явлений, которые мы пока не знаем или о которых еще только догадываемся. Нашу жизнь j нельзя представить без магнита, магнитных полей, | магнитных устройств и магнитных материалов. 1 Возьмем другой мине- 1 2.3. О полезных рал — янтарь. Наблюде- 1 свойствах янтаря ния за ним привели к от- 1 крытию электричества* I Одна из легенд рассказывает, что древний философ 1 Фалес Милетский наблюдал за тем, как его дочь пря- 1 ла и скручивала шерстяные нитки на янтарном вере- I тене. Он заметил, что отдельные шерстинки притяги- I ваются к янтарю. Безусловно, янтарь обладал свой* 1 ством, вызывающим различного рода размышления: |] он притягивал пылинки и кусочки папируса. И раз- || личные названия янтаря отражали это свойство. По- | этому называли его электроном, что означает «при- g тягивающий к себе». Отсюда пошло и позднейшее | название явления — «электричество», а также изуче- Ц ние и создание технических моделей вещества, похо- * жего на янтарь. J В геологической литературе янтарем называют \ самые различные зерна и желваки ископаемых смол, \ в основном желтого цвета, прозрачных и полупроз- I рачных, горючих и способных электризоваться. I Янтарь и его основные свойства, как видим, люди I знали с глубокой древности. Еще тогда Платон обра- I тил внимание, что свойство янтаря притягивать^] предметы похоже на свойство магнетита и говорил I об их одинаковом происхождении. Плиний Старший I полагал, что янтарь образуется из жидкой смолы || хвойных деревьев. Под действием времени, темпера- *| турных изменений и морской воды смола затверде- :| вает. Плиний приводил сведения об известных ему I свойствах янтаря, свидетельствующих о его расти-1| тельном происхождении: горит пламенем с копотью ^1 примерно так же, как горит смола. *| - юо — Ц
С тех древних времен люди приписывали янтарю чудодейственные свойства. С этим связаны самые разнообразные легенды и поверья. В старинных книгах можно найти рецепты лекарств из янтаря (здесь уместно вспомнить магнит, из него тоже делались лекарства). Есть рекомендации: потереть янтарь тканью и затем вытаскивать мелкие инородные тела из глаза. В старину в богатых домах на шею кормилицы надевали янтарное ожерелье. Считалось, что янтарь не пропустит ничего дурного от кормилицы "к ребенку. Ребенок, оберегаемый янтарем, должен вырасти здоровым и сильным. Благотворное воздействие иногда может оказывать слабая электризация янтаря, действующая на кожу, кроме того, в капиллярах кусочка янтаря могут быть абсорбированные из морской воды целебные элементы, например иод. В 1551 г. появляется монография, написанная А. Аурифабером,' в которой были обобщены все известные к тому времени сведения о янтаре. Книга на уровне знаний своего времени ставит вопрос о всестороннем изучении этого минерала. А. Аурифа- бер считал, чем больше янтарь разогревается при трении о кожу, тем сильнее притягивает не только древесные стружки, но даже железные, серебряные и золотые опилки. Одной из ранних научных работ, изучающих свойства янтаря, была книга У. Гильберта: «Электрические тела — те, которые притягивают таким же образом, как янтарь». Он, в частности, приводил важные сведения о том, что притяжение электричества и магнетизма имеет разную природу. У. Гильберт был первым, кто разделил эти явления на два класса. С той поры они изучаются раздельно. Но через какое-то время электричество и магнетизм снова соединятся на новой основе. Кроме того, У. Гильберт выделил ряд минералов, которые ведут себя подобно янтарю: гагат — разновидность каменного угля, сера, кварц и его разновидности, мышьяк. Развитие электротехники и радиотехники привлекает внимание к изучению электрических свойств янтаря. С 1920-х годов появляются работы по изучению таких электрических свойств янтаря, как диэлектрическая постоянная, фактор диэлектрических потерь, поверхностное и удельное сопротивление — 101 —
Й ряда других, причем эти свойства янтаря изучались? в условиях изменяющихся температуры, влажности, в гамма- и рентгеновском излучении. Исследование минералогических свойств янтаря заложило основу для формирования такой науки, как минералогия ископаемых смол. Очень важны здесь работы М. В. Ломоносова, который, составляя каталог коллекции Минерального кабинета Академии наук в 1741 г., изучил янтарь. М. В. Ломоносов высказался за растительное происхождение янтаря, подкрепляя гипотезу данными о его физических и химических свойствах, отмечая близость плотностей смолы и янтаря. Как и алмаз, в древности янтарь был в основном сырьем для изготовления различных ювелирных и художественных изделий. Но по мере познания его свойств янтарь стал чаще применяться в науке и технике. Янтарь превращается в ценное сырье. Прессованный янтарь находит применение в качестве электро-» изоляторов. Прозрачный прессованный янтарь, как и магнит, обладает определенным биологическим дей« ствием. Янтарь может тормозить разрушение кровяных телец — эритроцитов, препятствует свертыванию крови. Из янтаря можно изготовлять сосуды для консервирования крови, а также инструменты и приборы, используемые при ее переливании. Биологическим действием обладает также янтарная кислота и ее соли. В медицине из них изготавливают такие препараты, как кортизонацетат, антисептик иодоль, витамин D3 и др. Советские ученые открыли возможность применения янтарной кислоты в качестве биологического стимулятора роста растений. Работами Н. А. Дроздова было установлено, что опрыскивание определенными дозами раствора янтарной кислоты семян растений оказывает на них положительное влияние. И в наше время выходят обобщающие работы по янтарю. К ним относится книга С. С. Савкевич *, История янтаря в какой-то степени «симметрична» летописи магнетита. Так же как и в случае магне* тита, в свойствах янтаря нет ничего чудодействен* * Савкевич С. С. Янтарь, Л., Недра, 1970. 192 Cs - 102 -
ного: ведь все живое и неживое на Земле подверженно действию электрических зарядов и электрических полей, с которыми связан и янтарь. Много или мало мы знаем сейчас о янтаре? Подумайте сами. Но ясно, что далеко не все. И здесь все время выясняются новые особенности. И. В. Гете говорил, что в мире минералов самым прекрасным является самое простое. Янтарь и магнетит — эти простые компоненты природы и очень заметные представители минералов — в результате исследований дали начало раз^ личным наукам. История их изучения и свойства в чем-то похожи друг на друга. Ведь про магнетит тоже можно сказать, что он замечательный камень1 древности, прошедший через все века и народы до наших дней и в большей степени известный как сырье для железа и разнообразных технических применен ний. Однако история их изучения насчитывает более 2000 лет. Существует еще одна важная форма энергии—* электромагнитная, к которой относятся видимые и невидимые излучения: инфракрасное, ультрафиолетов вое, рентгеновское и гамма. Они обладают как элект* рическими, так и магнитными свойствами. Таким образом, все « окружающем мире — от элементарных частиц вещества до космического пространства — имеет электромагнитные свойства. И установить это помогли янтарь и магнетит. Мы хорошо знаем, они обладают электрическими и магнитными свойствами*; А может ли быть объединение этих свойств? Есть1 ли в природе минерал, обладающий сразу особенно-' стями янтаря и магнетита? Наверное, есть. У него будут интересные свойства притяжения и отталкивав ния, а также своеобразные биологические возможности. Но пока еще об этом мы только начинаем' задумываться. В конце концов такой минеральный гибрид можно сделать искусственно. Свойства ржи и пшеницы объединяются в гибриде тритикале. Он будет оптимально сочетать достоинства обоих злаков* Гибрид янтаря и магнетита должен, сочетая до* стоинства обоих минералов, иметь также и свои новые особенности, которые могут существенно уточнить наши представления о притяжении и оттал* кивании заряженных тел, а также об их взаимодей^ ствии. В данном случае кусочек гибрида стане» сразу обладать и электрическим зарядом, и магнит-* ной массой. Они проявятся в различных ^еочетанияя — ШЗ —
ц взаимодействиях, открывая новые закономерности теории поля. Наверное, если бы мы больше думали о планомерном изучении физических свойств минералов, этими возможностями уже давно бы пользовались. Их действие могло бы быть эффективным и универсальным. Нужно отметить, что кристаллографами уже выявлены кристаллы, в которых одновременно проявляются и электрические, и магнитные свойства, но область их применения остается пока недостаточно изученной. С нашей точки зрения, она будет находиться в одновременном электрическом и магнитном действии. Алмаз. Кто не восхищал- 2.4. Люди изучают ся этим камнем? Его уни- и воссоздают алмаз кальные свойства и то об- стоятельство, что он редко встречается в природе, поставили вопрос о создании технических моделей — искусственных алмазов. Именно знание состава и природных свойств алмаза позволило сформулировать требования для изготовления искусственных алмазов. Слово «алмаз» происходит от греческого «адамас», означающего «непреодолимый». Такое название он получил, видно, за свою наибольшую твердость, а также устойчивость при физических и химических воздействиях. Сейчас мы знаем, что бесцветные разновидности алмаза содержат только чистый углерод.. Незначительные примеси окислов магния, кальция, железа, алюминия, кремния и других веществ придают алмазу окраску и непрозрачность. Бесцветный алмаз широко применяется в ювелирном деле. Истории, связанные с драгоценными алмазами, приведены в книгах А. Е. Ферсмана, например, в его «Очерках по истории камня» [Т. I. M.t Изд-во АН СССР, 1954]. Для создания искусственного алмаза в первую очередь было необходимо выяснить, из чего состоит алмаз. Здесь нужно вспомнить труды Исаака Ньютона, который изучал способности различных сред преломлять свет. В книге «Оптика», изданной в 1704 г., он сообщал, что преломляющая способность оливкового масла равна 12 607, льняного масла — 12 819, янтаря—13 654, алмаза — 14 556. «По преломляющей способности алмаза Ньютон, таким образом, угадал углеродную природу алмаза»г—отмечал - 104 -
С: И. Вавилов в комментариях к русскому изданию этой книги И. Ньютона, вышедшей в 30-х годах нашего столетия. Это предвидение привело к установлению того, что алмаз содержит углерод. Известны различные свойства алмаза. Абсолютная твердость алмаза в 150 раз больше твердости корунда и в 1 000 раз — кварца. Алмаз обладает очень высокой теплопроводностью, при комнатной температуре превосходящей теплопроводность меди. Высокая твердость позволила использовать его в камне- обрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности. И хотя алмаз изучают уже давно, тем не менее выясняют все новые свойства этого удивительного минерала. Он до последнего времени считался практически идеальным изолятором электричества. На алмазе в 1923 г. были проведены опыты, устанавливающие законы внутреннего фотоэффекта. В алмазе имеются носители зарядов — электроны и дырки, которые обладают большой подвижностью и в электрическом поле дают ощутимый электрический ток. В 1945 г. было предложено с помощью алмаза регистрировать ядерные излучения. Английский физик Дж. Кастерс в 1952 г. на образцах из африканских месторождений с помощью специальной измерительной аппаратуры обнаружил алмазы с полупроводниковыми свойствами, что обусловлено наличием минеральных примесей. Такие алмазы имеют голубую окраску и встречаются довольно редко. Процесс изучения состава алмаза, начатый И. Ньютоном, продолжается и в наши дни. И нет никакой уверенности в том, что он закончен. Кристаллы германия и кремния, на которых основана полупроводниковая электроника, также имеют алмазоподобные структуры. По-видимому, это навело акад. Б. М. Вула на мысль, что алмаз в чем-то превзойдет германий и кремний, как и всякий идеальный образец превосходит менее стойкие подобия. Привлекала своей простотой атомная решетка алмаза — надежный каркас для создания полупроводников, а также возможность применения искусственных алмазов. В наше время за рубежом и в СССР промышленность изготовляет алмазы. Они могут быть полупроводниками и можно включить их в электрическую цепь. Искусственный кристалл, преобразовывая электрические сигналы, может работать ~ 105 —
как электронно-вычислительное или радиотехническое I устройство. 1 Кроме того, алмаз очень жаростойкий, более f! теплопроводный по сравнению с металлом, легко -|< теряет тепло. Самой природой он приспособлен к §1 громадным концентрациям энергии. Тут опять возни- У кает вопрос: выполняет ли он, используя свои физи- ц ческие свойства, какие-нибудь нагрузки в природных ц условиях, будучи расположенным в месторождении ч и включенным, например, в естественные электрические цепи? Однако в этом отношении у нас почти 4\ что нет наблюдений за естественными объектами* I Изучив на природных объектах полупроводниковые I эффекты, физики шли дальше, продолжив исследо« I вания на специальных химически чистых минералы J ных массах и совершенствуя технику наблюдений* I Часто физики считают природные минералы загряз- :| ненными примесями, снижающими качество различи :| ных эффектов полупроводниковых приборов. Вместе ;| с тем более широкое изучение современными физи* Л ческими способами минералов в природе позволило I бы выявить их новые свойства и поставить на службу I людям пока неизвестные природные патенты. А если ! I бы до наших дней не сохранился голубой алмаз? I Сейчас уже созданы устройства, позволяющие I выращивать искусственные изумруды, гранаты, опа- I лы и другие камни. И эти искусственные минералы fl получены по рецептам, взятым у природы. 11 Вспомним, как была от-* I 2.5. Немного об открытии крыта радиоактивность; 4 I радиоактивности В 1896 г. Анри Беккерель' \\ и кристаллов- заметил, что соли урана f I полупроводников обладают свойством за- || свечивать фотопластинку, \\ обернутую в черную бумагу. На фотопластинке || регистрировалось загадочное излучение. Но проис- II хождение излучения оставалось неизвестным и его 11 нужно было выяснить. Это загадочное излучение ' I привлекло внимание Марии Склодовской-Кюри. 41 Она установила, что интенсивность излучения \ I пропорциональна количеству урана в образцах и Л выяснила свойства излучения, которое отличалось от 'I известных своей большой стабильностью: на него не ' I действует ни освещенность, ни температура. Надо I искать излучение в других элементах. И здесь появ- I ляется новая находка — такое же излучение свой* I — 106 — I J
ственно и для тория. Излучение получает свое название «радиоактивность».* М. Склодовская-Кюри не ограничилась рассмотрением солей и окислов. Посоветовавшись с Пьером Кюри, взяла в Парижском институте физики коллег цию минералов и решила изучить различные образцы с помощью электроскопа для выявления возможной радиоактивности, т. е. выяснить способности минералов ионизировать воздух, превращая его в проводник электричества и разряжая электроскоп. Она просмотрела все минералы и выбрала наиболее радиоактивные. Целеустремленный подход оправдал себя. И вот появляется научное сообщение П. и М. Кюри: «Некоторые минералы, содержащие в себе уран и торий (уранинит, хальколит, уранит), очень активны с точки зрения испускания лучей Беккере- ля. В предшествующей работе один из нас обнаружил, что их активность даже больше, чем урана и тория, и высказал мнение, .что вызван этот эффект действием другого очень активного вещества, содержащегося в малых количествах в этих минералах...> **, Проведенные исследования заложили основу для открытия полония и радия. Так при изучении минералов было установлено явление радиоактивности. Для нашего изложения существенно, что исследование этого явления позволило создать мощную область физики, а позднее модели радиоактивных процессов и искусственные радиоактивные элементы. А теперь о других чудесных свойствах минералов. Нынче бурно развивается физика полупроводников и трудно представить радиотехническое устройство без полупроводниковых элементов. Для их изготовления применяются специальные материалы. Это сейчас. Но первые открытия, конечно, были сделаны непосредственно на природных соединениях — мине^ ралах. Термоэдс и другие полупроводниковые свойства естественных сульфидов изучаются физиками со второй половины XIX в. Исследовали различные минералы и нашли, что колчеданы и окислы хорошо проводят электричество. Было установлено, что электропроводность существенным образом зависит от температуры. Вместе с тем К. Ф. Браун, изучая * Кюри Е. Мария Кюри. М., Атомиздат, 1968. 147 с, ** Кюри П., Кюри М. Доклады Французской академии наук. J8 июля 1898 года (на фр. яз.). — 107 ~
псиломелан (минерал, содержащий окиси калия, бария и марганца, а также воду), обнаружил разную электропроводность в прямо противоположных направлениях. Он наблюдал эффект выпрямления тока в полупроводниках. В 1904—1914 гг. А. Ф, Иоффе, А. А. Горев, А. А. Шапошников и В. К. Рентген активно изучали электронную проводимость кристаллов.* А. А. Шапошников в 1910 г. установил, что электропроводность кварца при напряженности электрического поля до 4000 В/см отклоняется от закона Ома. Одним из первых полупроводников, примененных в детекторном приемнике, был природный кристалл галенита. Помещенный в стеклянный баллончик, он подключался к детекторному приемнику. При настройке приемника находилась грань кристалла, которая обеспечивала наиболее эффективный прием радиосигнала. Этот предложенный О. В. Лосевым способ сыграл большую роль в развитии радиотехники. О. В. Лосев в- 1922 г. обнаружил у отдельных кристаллических проводников способность генерировать колебания высокой частоты и построил на основе этого явления приемники-кристадины. В 1925—1927 гг. открыл и изучил свечение кристалла карборунда, а также сделал другие открытия, в - частности установил сложные преобразования электромагнитных колебаний кристаллами. Теперь ежегодно публикуются тысячи работ по теории и экспериментальному исследованию полупроводников, изучаются явления электропроводности, фотопроводности и фотоэлектродвижущих сил, термоэффект, выпрямительные свойства, люминесценция, влияние на них магнитного поля, температуры и агрегатного состояния, вторичная эмиссия, электрический пробой, усиление высокочастотных токов и другие явления. Для реализации тех или иных свойств в технике изготавливаются специальные материалы. Но у истоков современных полупроводников стоит то, что было сделано природой и впервые изучено на естественных образцах горных пород и руд. Сегодня геофизики изучают свойства минералов, которые обладают естественной влажностью. В таких системах есть разнообразные двойные слои, пленки, * Иоффе Л. Ф. Физика полупроводников. М. — Л., Изд-во АН СССР, 1957. 491 с. - 108 -
капилляры, идут сложные электрохимические процессы. Не исключено, что эти исследования дадут но-" вые модели. Успехи биологов в изучении живых тканей будут содействовать этому процессу. Сегодня биологи жалеют о том, что исчезла морская корова: говорят, что она могла бы стать помощником человека. Если исчезнут неизученные минералы, то вместе с ними могут уйти неизвестные излучения, эффекты, свойства. Вопросы изучения и мо- 2.6. Молнии делирования неживой и электричество в Земле природы не ограничи- , i ваются изучением только минералов и процессов, которые активно проходят в них или развиваются с их помощью. Познаются также разнообразные природные физико-химические процессы, включая электрические и магнитные явления. Полученные результаты активно используются в практической деятельности человека. Вспомним, как выяснилась природа молнии, как создавали модель, поясняющую суть образования молнии, которая имеет значение в геофизических исследованиях. В середине XVIII в. Б.Франклин, М.В.Ломоносов, Г. В. Рихман и другие ученые заложили основы проведения научного эксперимента и анализа атмос- ферно-электрических явлений, а потом использовали результаты исследований для создания средств защиты от молнии. После большого числа работ, выполненных на протяжении XVIII—XIX вв. в области атмосферного электричества метеорологами и геофизиками, наступил новый этап в исследованиях молнии, знаменующийся глубоким проникновением в познание природы атмосферного электричества. Это было связано с поистине героическими наблюдениями за неживой природой. Американский ученый — физик, писатель и политический деятель — Бенджамен Франклин первым показал, что молния, причудливыми зигзагами пересекающая небо, есть не что иное как электрический разряд. Такое открытие осуществлено в период с 1747 по 1753 г.* Для доказательства электрической природы мол* нии Б.Франклину нужно было извлечь электричество * Франклин Б. Опыты и наблюдения над электричеством. Пер. с англ. М., Изд-во АН СССР, 1956. 271 с. - 109 -
из атмосферы. Он это сделал с помощью воздушного змея. Во время дождя змей и веревка намокают, в силу чего становятся проводниками электричества. По мокрой веревке электричество стекает на землю. Получаемым электричеством можно зарядить лейденскую банку или зажечь спирт, а также сделать любые опыты с электричеством. Вот что записывал сам Б. Франклин по поводу аналогий между электричеством, полученным, например, при натирании стеклянного шара и из грозы. «Электрическая жидкость имеет с молнией следующее сходство. 1) Дает свет. 2) Тот же цвет света. 3) Ломаное направление. 4) Быстрота движения. 5) Проводится металлами. 6) Создает треск или шум при взрыве. 7) Встречается в воде или во льду. 8) Разрывает предметы, через которые проходит. 9) Убивает животных. 10) Плавит материалы, 11) Зажигает легко воспламеняющиеся вещества* 12) Серный запах. Электрическая жидкость притягивается остриями...» Так аналогии между лабораторным опытом и природным явлением сначала помогли классифицировать природное явление. Конечно, и здесь были у Б, Франклина предшественники, в первую очередь' те, кто изучал минерал янтарь. Интересно, что ряд соображений относится к аналогиям между электрической искрой янтаря и молнией. На стыке XVII и XVIII вв. англичанин д-р Уолл высказал предположение, что потрескивание при натирании янтаря имеет ту же природу, что и молния с громом. Но все же это была лишь наводящая мысль. После выяснения электрической природы молнии Б. Франклин изобрел громоотвод в виде металлического стержня, облегчающего путь электричества в землю из облака и предохраняющего от попадания молнии непосредственно в здание. Так был создан прибор геонического типа «молниепро- вод», основанный на наблюдениях за неживой природой. Отдельные опыты проводились с риском для жизни. Но Б. Франклину везло. Здесь нельзя также не сказать об исследованиях М. В. Ломоносова и Г» В. Рихмана, которые также были направлены на создание моделей природных процессов. Г, В. Рихман погиб от молнии, проводя наблюдения в период грозы. Трагическая гибель ученого и Сегодня Ьлужит великим примером служений й&^Кё. ** ПО -*
М. В. Ломоносов разработал теорию атмосфер* ного электричества, осуществляя наблюдения за грозовыми явлениями. Независимо от французского физика Л. Г. Лемонье им была обнаружена электри* ческая активность в атмосфере, когда молния и гром отсутствовали. М. В. Ломоносовым установлены восходящие и нисходящие потоки воздуха, которые электризуются от трения при перемещении относи-» тельно друг друга. Так наблюдения за неживой природой приводят к построению моделей, ведущих к совершенствованию теорий или созданию новых геофизических приборов. В наши дни проводятся углубленные исследова* ния грозовых явлений и на их основе, с одной сторож ны, разрабатываются методы борьбы с молнией^ а с другой — пополняются сведения о законах элек? трических явлений. Б. Франклин изучал поведение молнии с помощью игрушки — летающего змея. Се* годня геофизические обсерватории снаряжают авиационные экспедиции в грозовые облака. Само? леты, на борту которых установлено большое число приборов для наблюдения за электрическими явлениями, подлетают к грозовым облакам, ученые изуча? ют молнии, разрабатывают способы защиты летатель^ ных аппаратов. Этот самоотверженный труд исследо| вателей прекрасно описан в книге Д. Гранина «Иду н^ грозу». В Энергетическом институте им. Г. М. Кржижа? новского проводятся работы по изучению механизма образования молний, которые используются при проектировании линий электропередач. Существующая сейчас теория электромагнитного поля во многом построена на источниках типа маг* нитного диполя и электрического диполя, в основе которой лежит изучение магнита и янтаря, тока* протекающего в витке провода и в молнии. Свой£ ства этих источников сформулированы и описань! сейчас в виде изящных математических формуЛ| следующих из уравнения Д. Максвелла. Как научно представить себе грозу? Она можея быть по теории представлена в виде вертикальной* электрического диполя и реже — наклонного. По* смотрите на рис. 26. Длинные светлые линии на фото* графии молнии — это и есть вертикальные электричек ские диполи. Вертикальный электрический диполь возникает при обратном разряде земля — облако^ -J-И -г-,,
Рис. 26. Гроза в городе — фотографии молний при большой выдержке: видны самые разнообразные их пути — вертикальные и горизонтальные. а горизонтальный и наклонный — при разряде облако — облако. Число разрядов составляет многиг десятки в секунду. Значительная часть молний не выходит за пределы одного грозового облака. Часть молний сверкает от облака к облаку и лишь третья или четвертая молния ударяет из облаков в землю с продолжительностью удара в доли секунды. При таком большом числе разрядов источник в равной степени может быть представлен и магнитным диполем, который в общем случае изображается в виде витка с током, т. е. набор отдельных наклонных и горизонтальных линий образует кольцо. Эта модель была предложена автором книги вместе с Н. И. Калашниковым и В. И. Гор- диенко * на основании анализа результатов многочисленных наблюдений за естественными электромагнитными полями. Ее особенность состоит в том, что в разные моменты источники могут иметь разный тип и у них могут быть три режима работы. Один — когда оба источника, электрический и магнитный, развиты одинаково сильно, второй — когда вертикальный электрический диполь преобладает над магнитным и третий — когда наиболее сильно действует магнитный диполь. Таким образом, комбинированный источник (назовем его электромагнитным) является наиболее универсальным. Его можно использовать в самых различных технических устройствах: геофизических, радионавигационных, гидрофизических и др. * Франтов Г. С, Калашников Н. И., Гордиенко В. И. Сферические электромагнитные поля и их свойства. Львов, Изд-во Львов, ун-та, 1979. 112 с. — 112 -
На изучений электромагнитного поля гроз основан один из геофизических методов. Наблюдениями отмечено, что молнии часто попадают в месторождения электропроводных руд. Определяя частоту попадания молний в тот или иной район, можно было бы сделать предположение о том, что здесь находится рудное тело. А на практике используют само электромагнитное поле гроз с целью поисков месторождений полезных ископаемых. « Наблюдатель применяет прибор, антенны которого настроены на прием сигналов, зависящих от электрических и магнитных характеристик гроз. Наличие рудного тела искажает электромагнитное поле. В нем появляются аномальные отклонения. И еще одна загадка молнии. У Аристотеля (IV в. до н. э.) имеются упоминания о разновидности грозового разряда — шаровой молнии. Систематическое изучение этого явления продолжается с 1838 г. Был опубликован обзор наблюдавшихся в природе свойств молнии, составленный членом Парижской академии наук Д. Араго. Хотя с той поры прошло довольно много времени, но до сих пор нет теории шаровой молнии. Книги и статьи, в которых собраны наблюдения за шаровыми молниями, специальные модельные эксперименты пока не помогли в этом. Предложено более 150 моделей шаровой молнии. При экспериментах наблюдались долгоживущиг плазменные образования, однако нет уверенности, что была получена действительно шаровая молния. Основная сложность состоит в том, что пока достоверно не изучены ее свойства. Шаровая молния очень редко наблюдается в природе, поэтому даже не все ученые, ведущие исследования этой- молнии, видели ее своими глазами. Из результатов наблюдений удалось составить общее описание шаровой молнии. Ее размеры в среднем 10—30 см, иногда до 2 см, продолжительность существования измеряется единицами минут. Скорость перемещения молнии в среднем 2 м/с, но имеются и случаи, когда скорость составляла до 0,5 км/с. Нередко молнии исчезают незаметно, подчас бывают случаи, когда они взрываются. Установлено, что шаровые молнии являются источником, который излучает магнитное поле, поле радиоволн и звуковые колебания. Излучение молнии пульсирует. По-видимому, шаровая молния дает ультрафиолето- 5 Г. С. Франтов - 113 -
вое излучение. Вопрос об ионизирующем излучении рентгеновского характера не решен окончательно. Тем не менее известен случай, когда была зарегистрирована мощность дозы 1 Р/мин. Сильные поражен ния находившихся вблизи шаровой молнии можно объяснить лучевым воздействием. Молния может иметь грушевидную, веретенообразную, тороидальную или сферическую форму. Цвет чаще всего желто-красный. К числу не вполне доказанных свойств шаровой молнии относится ее способность проникать1 внутрь замкнутых объемов, например самолетов. Мы считаем? что такая молния — явление сложного типа, в котором одновременно проявляется комплекс разнообразных излучений. Теория таких сложных излучателей должна отличаться от представлений об отдельных самостоятельных излучателях. По нашему мнению, она может быть более точно представлена в виде сложного источника поля — одновре* менно работающих электрического и магнитного ди* полей. Указанное явление настолько сложное, что его можно изучить%только по природным данным. Но и это сегодня пока трудно осуществить. Проблема исследования шаровой молнии требует комплексного усилия ученых — физиков, включая радиофизиков, специалистов по атмосферному электричеству, химиков, метеорологов и геофизиков. Природные токи текут и в Земле. Одним из первых исследователей, наблюдавших электрические токи в Земле, был английский ученый Р. В. Фокс. В 1830 г* он сделал сообщение Лондонскому королевскому обществу, в котором изложил результаты своих наблюдений на медных рудниках Корнуолла, доказывающих существование электрического поля нашей планеты. Р. В. Фокс собирал цепь, состоящую из электродов, проводов и измерительного прибора. В качестве электродов он брал медные пластинки и прибивал их к рудной жиле медными гвоздями или прижимал с помощью подпорок. Электроды^ присоединялись к прибору медной проволокой. В приборе использовалась магнитная стрелка, которая размещалась внутри соленоида, содержащего 25 витков медной проволоки. Соленоид соединялся с электродами. Они располагались на поверхности жил с медной рудой и нерудных стенок выработки. Расстояние между электродами изменяли от единиц до сотен метров. На основании полученных результатов было зафик- — 114 —
Рис. 27. Схема электрических токов около рудного тела (по А. С. Семенову). сировано наличие токов в Земле. Р. В. Фокс считал, что эти токи обусловлены электрическим полем, существующим так же, как магнитное поле Земли. Рудные жилы считались проводниками токов, возникающих в электрическом поле. В работе Р. В. Фокса сделана общая оценка электрического сопротивления сульфид* ных минералов и окислов, а также отмечена возмож* ность применения предложенного метода в геологии для определения степени обогащения рудой исследуе-* мрго участка. Ныне естественное электрическое поле широко изучается с целью поисков рудных тел. В СССР большую роль в создании и развитии таких методов электроразведки сыграл один из основоположников отечественной геофизики А. А. Петровский и его ученик профессор А. С. Семенов. Коллективным трудом ученых удалось понять физику процесса. С чем же связано электрическое поле над рудным телом? Оказывается, рудное тело и окружающая его среда создают своеобразный гальванический элемент. Образование элемента тесно связано с водами-, циркулирующими около рудного тела. Просачиваясь сверху вниз, взаимодействуя с окружающими породами и рудами, воды изменяют свой состав, что приводит к соответствующим электрическим изменениям. Подземные воды, растворяя соли руд и вмещающих пород, становятся ионными проводниками. На границе ионного проводника и электропроводного рудного тела появляется разность потенциалов. Она приводит к возникновению зарядов на поверхности рудного тела. Распределение электрических зарядов показано на рис. 27. Обычно верхняя часть ионной среды на границе с проводником заряжается отрицательно, а нижняя — положительно- Так образуется природный гальванический элемент, 5* - 115-
который был обнаружен в недрах Земли. Изучение идущих в нем процессов позволяет сделать техническую модель природного источника тока в виде своеобразной батарейки. Фактически это тот же .элемент, который сделал А. Вольта. Так что если бы не было биологического открытия Л. Гальвани, то со временем аналогичное по значению открытие сделал бы Р. В. Фокс. Знание работы природных «батареек» позволяет выяснить принцип их действия и в других случаях, включая^ биологические. Например, у трубочистов в складки кожи попадает сажа, которая смачивается потом сальных желез. Сажа является электронным проводником, окружающий воздух содержит кислород, а пот, предположим, имеет слабо щелочную реакцию. Взаимодействие электропроводной сажи с кислородом воздуха и выделениями пота приводит к появлению на поверхности кожи микроэлемента. Электрический ток такого микроэлемента проходит через тело. В природных условиях наблюдаются аномалии так называемого естественного электрического поля над месторождениями антрацитов, сажистых, углистых и графитизированных горных пород. Естественные электрические поля возникают, когда перечисленные горные породы, обладающие высокой удельной электропроводностью, попадают в созданные действием природных сил окислительно-восстановительные условия: кислород воздуха сверху (или воды, богатые кислородом) и воды, имеющие щелочную реакцию, в глубоких частях месторождения. Напряженность естественных электрических полей над гра- фитизированными или углистыми горными породами может достигать десятков и сотен милливольт. По результатам измерений, выполненных автором, напряженность в десятки милливольт могут иметь естественные электрические поля, возникающие на границе электропроводной сажи и биологической среды. Л. Гальвани, А. Вольта, Р. В. Фокс в своих работах затронули большой круг явлений, который еще долго будет истчником знаний. ■ «Какой физиолог поду- 2.7. Еще одно чудо мал бы пренебречь все- природы — газово-жидкие ми бесценными открыти- включения ями, сделанными в его ——————————— науке при помощи микроскопа, только потому, что предметы малы... Должны - 116
ли мы, представители физической геологии, поддерживать то, что только несовершенные методы исследования применимы к нашей науке. Против такого мнения я несомненно протестую, и я утверждаю, что не имеется обязательной связи между размером предмета и ценностью факта и что хотя предметы, мною описанные, малы, заключения, которые нужно вывести из них,— велики» — писал минералог Г. Сор- би в 1858 г. Посмотрите на рис. 28. Одно изображение по форме чем-то напоминает амебообразные организмы, а другое, пожалуй,— правильную форму вируса. Но здесь представлены не биологические объекты, а фотографии из мира неживой природы. Рис. 28, а — это сделанный под микроскопом снимок минерала касситерита, служащего рудой для получения олова. На рис. 29 показаны не разнообразные виды клеток, а структурные элементы стекла. Р. Гук не рассматривал минералы в своей «Микрографии», но другие ученые положили срезы горных пород на предметный столик микроскопа и увидели неведомый до этого минеральный мир. В природе происходит закономерное образование кристаллических решеток индивидуальных минералов, и такой подход к кристаллу как к объекту образцового порядка долгое время был основным. Однако наряду с упорядоченным размещением атомов и молекул в строгие пространственные решетки в период кристаллизации одновременно идет и другой процесс — образование разнообразных дефектов кристаллической решетки. Правда, часто употребляемое слово дефект вряд ли отражает истину, здесь происходят изменения, с которыми связан рост кристалла. Процесс кристаллизации, происходивший в непрерывном взаимодействии атомов минералообразу- ющей среды и поверхности каждого растущего кристалла, очень тонко регулируется изменениями физико-химических параметров среды. Так, в реальных структурах минералов почти всегда обнаруживаются дефекты роста — вакуоли, в которых консервируются мельчайшие порции кристаллообразующих расплавов и растворов, называемых газово-жидкими включениями. Только изучая вместе геологическую обстановку, среду, в которой происходило минералообразование, - 117 -
Рис. 28. Включения НгО в минералах (по У. М. Литтлу). а—в касситерите (Конго). Температура наполнения 353±33°С. Увеличение 750; б—в апатите (Боливия). Температура наполнения 352±2°С. Увеличе* ние 750. Рис. 29. Метаморфизованные включения стекла [по К. Д. Хру* щеву]. - 118 -
и сами минералы, можно понять весь процесс* Минералогия долгое время не учитывала перечисленные выше факторы в отличие от биологии, в которой предпринимались большие усилия для изучения условий среды возникновения и роста биологических объектов. В минералогии в различных генетических теориях минералообразующая среда, как правило, только подразумевалась. Сейчас и в этой геологической науке развивается направление, изучающее минералы в родстве с расплавами, газовыми флюидами и жидкими растворами, именно они несли энергию и вещество для рудообразования. Палеонтология, исследуя окаменелые остатки древнего живого мира, сохранившиеся в древних геологических слоях, сплошь и рядом имеет дело с указанием на среду, в которой развивались организмы. Эти указания зафиксированы в различных особенностях строения органов, четко свидетельствующих о водной или воздушной среде зарождения живого и его существования. Для минералов нет такой четкой связи. Так, минералы, кристаллизовавшиеся из жидких растворов, и минералы, кристаллизовавшиеся из газовой смеси, не имеют каких-либо внешних существенных различий. Минералы и сложенные из них горные породы, как правило, более устойчивы по отношению к внешним воздействиям, чем организмы, которые очень остро реагируют на изменения внешней среды. Но и минералы не остаются безразличными к этим воздействиям. Притом время существования живых и неживых объектов весьма различно. Живые частицы природы существуют мгновения, дни, годы, десятилетия и века. Неживые минералы и горные породы — миллионы и миллиарды лет. Вы видели, как тает кусок сахара в стакане с чаем? Он растворяется как бы по зигзагообразной поверхности. Кристалл сахара при росте также имеет неровную поверхность, что связано с неоднородностью по составу (содержанию сахара) раствора, из которого происходит кристаллизация. Аналогично протекает процесс в природе: из растворов идет кристаллизация минералов. При кристаллизации раствора поверхность минерала растет неровно. * Григорьев Д Я. Онтогения минералов. Львов, Изд-во Львов, ун-та, 1961.284 с. Смит Ф. Г, Геологическая термометрия по включениям в минералах. Щ ЙЛ, 1956. 166 с, - 119 -
Рис. 30. Идеализированный вид под микроскопом трехфазных (водно-углекислых) флюидных включений [по Смиту Ф, Г. Физическая геохимия. М., Недра, 1968, с. 433]. а-— обычное вертикальное положение; б—горизонтальное положение микроскопа; 1 — газовый пузырек; 2—жидкая С02; 5—водный раствор. Иногда неровности закупориваются и в этом случае они остаются заполненными маточным раствором. Схематический вид газово-жидкого водно-углекислого включения под микроскопом показан на рис. 30, а сложная природная конструкция — на рис. 31. Все мутные кристаллы имеют различного рода включения. Чем большим увеличением мы пользуемся, тем больше газово-жидких включений можно обнаружить. В мутном молочном кварце, по мнению Г. Сорби, находится их до 5 -6 млн. на 1 мм\ Можно отметить, что Р. Гук насчитывал около миллиона клеток на 1 мм3. Правда, Г. Сорби тоже должен был считать включения на объем: ведь они трехмерны. И если первые исследователи клетки трактовали ее как жидкость и пузырек газа, то и газово-жидкое включение сейчас изображается как жидкость и пузырек газа (рис. 30). Мы сами постоянно сталкиваемся с газово-жидкими включениями. Так, молочный цвет жильного кварца объясняется обилием вторичных жидких включений в сложной системе трещин. Поскольку в 1 мм3 насчитываются миллионы газово-жидких включений, они должны влиять на физико-химические свойства кристалла, на все процессы, связанные с кристаллом. Среднеазиатский ученый XI в. Абу Рейхан аль- Бируни одним из первых обратил внимание на га- зово-жидкие включения. Он писал в трактате по минералогии: «Все прозрачные минералы образуются из жидкости, которая каменеет, на что указывает - 120 -
Ув.320 Ув.220 У в.280 **Д| • . . • I • ft*тг~"*••••*•« • •. • *. : * —> J ',: • ' •. • 8 kJ V » - •• * J \ -г О о 9 * Рис. 31. а —многофазовые включения в кварцах Памира и первые в СССР опреде- ления;минералов-«узников» (1948-1949 гг.) [по Ермакову Н. А. Геохимические системы включений в минералах. М., Недра, 1972, с. 2671*. / — маточный раствор; 2—газовый пузырек; 3 — галит; 4—карбонат; 5—сильвин; б-кристалл, содержащий газово-жидкие включения [по Ф. Г. Смиту]. - 121 —
наличие инородных включений, вроде пузырьков воздуха и капель воды». Однако прошло довольно много времени, прежде чем накопились факты, позволившие оформиться учению о газово-жидких включениях. Ж- Б. А. Дюма в 1830 г. растворял в воде поваренную соль. Соль потрескивала и наблюдалось выделение горючего газа. Само потрескивание Ж. Б. А. Дюма объяснил вскрытием микроскопических пор при растворении. Интересно, что подобный выделявшемуся при растворении газ был обнаружен в действующих рудниках, где добывалась соль, т. е. когда-то при образовании соли газ был законсервирован в ее порах. Идея о том, что газово-жидкие включения несут информацию о физико-химических условиях, существовавших в период образования кристалла, привела к разработке специальных методов определения температур и давлений, господствовавших в период кристаллизации. Первым такие методы предложил Г. Сорби, ученый, живший в прошлом столетии и считающийся сейчас основоположником современного научного направления, изучающего газово-жидкие включения. Г. Сорби в 1857 г. сформулировал принципы, на основании которых газово-жидкие включения можно применять для определения условий кристаллизации. Он установил, что кристаллы, содер- | жащие только водные включения, образовались из ? водных растворов. Кроме того, Г. Сорби в 1858 г. обоб- ; щил все сделанные до него работы и дал описание | работ других ученых. Г. Сорби сам провел ряд экс- * периментов по выращиванию кристаллов, причем во ;* время роста образовывались газово-жидкие включе- j, ния. Он выращивал кристаллы растворимых солей f при температуре 100 °С, а изучал эти кристаллы при f комнатной температуре. Ученый выяснил, что когда | кристалл А рос в растворе, насыщенном также ком- j понентом Б, жидкие включения «тела» кристалла А I содержали кристаллики Б. Кроме того, в А были об- *~ наружены твердые включения, а также комбинации ■« твердых и жидких включений. В случае, когда во ;. время кристаллизации были пузырьки воздуха, они ж захватывались кристаллом вместе с жидкостью * и давали газово-жидкие включения. Вспомним, что при «конструировании» клетки дол- : го выясняли, как же мог попасть в клетку газовый ~ 122 —
■-.•■■' " -'С v '■:;,, V ■ ■■; * '■■■■■ .-,■:.: Рис. 32. Коллоидные включения в корках халцедонов гнездового заполнения месторождений исландского шпата Западной Сибири. Включение водного раствора, обособившегося из окружающего сферического участка силикагеля, справа оконтуренного гидроокислами железа (темное). В центре газовый пузырек сжатия жидкости включения, стенки вакуоли несут специфически чешуйчатый узор наподобие граней. Увеличение 220. пузырек (рис. 23,а), и придумывали очень сложные объяснения. Естественный процесс кристаллизации позволяет высказать гипотезу, облегчающую подход к этому вопросу. Г. Сорби выявил много интересных закономерностей. Он нашел, что при ускорении роста кристалла увеличивается число жидких включений — оно обратно пропорционально скорости роста (при постоянной скорости роста кристалла); форма жидких включений зависит от симметрии самого кристалла; число включений разных размеров зависит от температуры. Эти закономерности, в ряде случаев облеченные в формулы, играют важную роль в теории газово-жидких включений. На рис. 31,6 показано сложное зонально-секто* риальное строение кристалла. Видно, что кристалл буквально «нафаршировано» газово-жидкими включениями. Одни из них — первичные, расположены параллельно плоскостям роста, другие — по трещинкам кристалла — появились от внедрения различных растворов, после того как кристалл вырос. Кристалл, содержащий включения материнской среды, будем в дальнейшем называть минералом-«хозяином». Коллоидные включения (рис. 32) внешне отдаленно похожи на следы окаменевших древних клеток (рис. 24). На раннем этапе исследования минералов внимание ученых привлекли включения разнообразных по составу минеральных обломков, как бы «засоряющих» — 123 —
природные кристаллы любого происхождения. Но | сегодня считается, что наибольшую генетическую 1 информацию можно получить из газово-жидких ма- > теринских геохимических сред. Название «газово- | жидкое включение» не точно отражает суть вопроса, | так как часто включения могут содержать и кристал- Л лики затвердевших расплавов, уже существующих в I материнском растворе. Акад. В. И. Вернадский пи- I сал в 1938 г.: «В общей форме значение этих водных | растворов не осознано минералогами и геологами». Добавим, что, может быть, и биологам здесь есть над чем подумать, сравнивая газово-жидкое включение и клетку, их схожие формы и размеры. Сегодня изучение газово-жидких включений — бурно развивающаяся отрасль науки, в которой трудятся многие ученые: Н. П. Ермаков, Д. П. Григорьев, А. И. Захарченко, А. Г. Жабин, Н. И. Хитаров, | Г. Дейша, Ф. Г. Смит и многие другие. - * Наш великий геолог и соотечественник А. П. Карпинский в 1880 г. применил термин «включение». Он отмечал, что наибольший интерес для изучения представляют включения жидкостей в минералах и горных породах, как сохраняющие часть среды, в которой происходило образование минералов. Этот термин сохранился и до наших дней. Сегодня Н. П. Ермаков дает следующее определе- I ние газово-жидкого включения в своей книге о вклю- I чениях в минералах: «Под включением вообще следует Ц понимать всякий участок, в процессе кристаллизации I герметически изолированный в теле минерала и имею-1 щий с ним фазовую границу. Включение представляет! или стороннее, или материнское вещество. Последнее § является представительной пробой или образцом по-1 движной системы минералообразующей среды, допу- I екающей после консервации в вакуоли кристалла свое | возрождение до исходного состояния при нагревании | включающего эндогенного минерала до термодина- | мического уровня его былой кристаллизации». | Г. Дейша использует для обозначения включений f термин «лакуна», означающий в биологии промежу- | ток в живом теле, заполненный лимфатической жид- | костью. Лакуны кристаллизации, в понимании Г. Дейши, — пропуски (полости) в теле минералов, где оказались законсервированными капли маточных растворов или расплавов. Включения являются ) эталонами герметизированных" минералообразующих , — 124 —
сред. Они сохранились до наших дней в виде целостных образцов фазовообособленных - физико-химических систем, допускающих свое возрождение при искусственном изменении температуры; однако бывают случаи изменения состава включений, поэтому существуют приемы контроля первичности включений. Как же сейчас происходит на практике определение условий, при которых происходила кристаллизация? При комнатной температуре большинство включений в минерале состоит из газового пузырька и солевого жидкого раствора (рис. 30). Но при нагревании жидкая фаза расширяется и в конце концов газовый пузырек исчезает. Этот момент может быть зафиксирован под микроскопом. Температуру растрескивания газово-жидкого включения можно зафиксировать с помощью специального устройства, содержащего термопару и микрофон. Регистрируют температуру нагревания образца и шум от растрескивающихся включений, считая, что температура в период наибольшего числа растрескиваний является той, при которой наиболее широко происходило когда-то образование включений минералов. Пузырьки газа во включениях могут быть «минералогическими ватерпасами» (рис. 33). Здесь двухфазовое газово-жидкое включение образовалось следующим образом. Пузырек газа всплывал к потолку природного резервуара,"в котором происходила кристаллизация, и оказался в узкой части поры. Далее при охлаждении пузырек увеличивался, он уже не мог выйти через узкую горловину и оказывался «пленником» суженной части поры. Пузырек терял свою подвижность при поворотах кристалла, поэтому он является указателем потолка природного резервуара или показывает на измененное залегание под влиянием тектонических процессов. В области изучения газово-жидких включений основные исследования выполнены пока оптической техникой. Обычные размеры этих включений от сотых до тысячных долей миллиметра. Даже в маленьких включениях размером 0,0003 X 0,001 мм с помощью микроскопа можно разглядеть газовый пузырек. При увеличении 1800 различается множество субмикроскопических включений в виде мельчайших точек. С помощью электронного микроскопа, как и в случае клетки, возможности исследований расширяются. Методом!, — 125 —
j^HC. 33. Двухфазовое жидкое включение — ватерпас в кристалле флюорита. Увеличение 60 [по Ермакову Н. П., 1972, с. 231]. аналогичным тому, что применяется и в биологических Л исследованиях, были обнаружены следы субмикрос- копических вакуолей, размеры которых составляют | 2 • 10~5 мм. Если смотреть на газово-жидкое вклю- > чение внимательно, то в каждой вакуоли в свою оче- ^ редь можно увидеть сложные структуры. Внутри ра- * створов и расплавов в вакуолях наблюдают десятки *\ твердых фаз, которые выделились уже после герме- ] 1 тизации газово-жидких включений и поэтому полу- 1 чили название минералов-«узников», или «дочерних •« минералов». Их очень трудно изучать из-за неболь- ^ ших размеров, однако диагностика этих минералов дает важные сведения об их генетике *. * Отметим, что здесь идет речь о генетике как науке, изучающей происхождение минералов, о минералогической генетике. Выше речь шла о биологической генетике. Слово генетика дословно означает происхождение, рождение. ^ ь- 126 —
Мннералы-«узники» кристаллизовались из мате* ринских растворов при снижении термодинамических характеристик до обычной температуры, которая существует на поверхности Земли. Такие «узники» на« ходятся в подвижном равновесии с окружающей их внутри вакуоли материнской средой. Поэтому их изучение позволяет познать состав древних геохимиче-* ских растворов, из которых произошли и сами мине* ралы. Кристаллики в газово-жидких включениях наблюдались давно. Д. Брюстер отмечал перемещения ми- нералов-«узников» в жидких включениях топазов и кварцев и высказал предположение, что кристаллики были углекислым кальцием. Этот результат относит-1 ся к 1849 г. Г. Сорби заметил кристаллики во включениях метасоматических кварцев и определил их как галит, сильвин и селенит. В авгитах, выделенных из базальтов, он отмечал три типа микрокристалликов и газовых пузырьков. Первые в СССР определения микрокристалликов были проведены в 1947—1950 гг. во Львовском университете. Образцы брались из кварцев Памира и топазов Волыни. Исследования усложнялись тем, что и микрокристаллики в свою очередь содержат свои собственные газово-жидкие включения. Эти многофазовые включения показаны на рис. 31. Удалось' изучить микрокристаллики различных минералов- «узников». Интересно, что они повторяют форму кристалл а-«хозяина». Например, микрокристаллик» кварца кристаллизуется на стенках вакуолей, захватывая свои ультрамикрогазовые включения, имеет оптическую ориентировку кварца-«хозяина», объем кварца составляет до 60—80% вакуолей и кристаллы-узники» даже проявляют свой зонарный рост. Биотит в качестве минерала-«узника» образует чешуйки до 0,04 мм в поперечнике, альбит кристаллизуется в виде таблитчатых кристаллов размером до 0,07 мм и т. д. Уже изучены многие минералы-«узни-> ки», и эти исследования развиваются по мере совер-' шенствования техники изучения микрокристалликоз. Чему они могут быть аналогичны с точки зрения уровней организации вещества? Вероятно, как объекты, на-< ходящиеся внутри ячеек, клеточным органеллам. Современная форма вакуолей уже не является первичной. Она формируется в результате становления равновесия между кристаллом-«хозяином» и — 127 -
включением материнского 1 раствора. Необходимо отме- 1 тить, что формы включений | с резкими рваными углами | и большой поверхностью не ^ являются устойчивыми. Сие- | тема вакуоль — раствор х стремится преобразовать | свою форму так, чтобы стать | устойчивой и обладать наи- Д меньшей поверхностной \ \ энергией. Внутри системы 11 идет процесс переноса веще- I! ства с выступов на углубле- $1 ния, в результате чего фор- | ма поверхности включения | Рис. 34. Кристалл, содержа- сначала приближается к | щий отрицательные формы шарообразной. Так что { включений (по Ф. Г. Смиту). нельзя считать, ЧТО В кри- f сталлах не идет никаких 5 процессов. При дальнейшем ходе процесса поверх- | ность включения приобретает правильную кристал- & лическую форму. Получается природный объект, } обладающий минимальной энергией и называемый % отрицательным кристаллом (рис. 34). Когда мы i\ смотрели на газово-жидкое включение, у нас / могла возникнуть мысль о том, что оно внешне по- I хоже на клетку. А при взгляде на правильную форму | отрицательного кристаллика невольно вспоминаются | I правильные формы вирусов. Вспомним, что говори- | лось о вирусах. У них практически остановились | I процессы обмена, они приобрели стабильные | I устойчивые формы, обладающие минимальной энер- § I гией. Нарушиться эти формы могут тогда, когда || вирус попадает в клетку — среду, где начнется про- % I цесс, который по стилю нашего изложения можно ин- % I терпретировать как своеобразную биологическую \ I кристаллизацию подобных вирусу конструкций. При- ; I чем затравкой в данном случае будет сам вирус. | I Организм и составляющие его клетки находятся в % I процессе динамического равновесия, но можно пред-1 I положить, что клетки, имеющие неправильные фор- -Г I мы, стремятся к созданию системы с минимальной # I поверхностной энергией, и вирус в какой-то степени : I содействует в этом клетке, разрушая ее, изменяя * I имеющееся состояние. I - 128 — I
Считается, что на процесс обмена и, следовательно, на форму вакуоли большое влияние оказывают термодинамические условия, среди которых темп и размер снижения температуры к нормальным условиям являются определяющими. Нельзя не учитывать и действие электрического, гравитационного и магнитного полей. Они существенно влияют на перенос. Изменения температуры приводят к тому, что при ее повышении активизируются физико-химические процессы и происходит растворение стенок вакуоли, а при понижении температуры — кристаллизация вещества на стенках вакуоли. Но это только основная идея. На самом деле процесс сложнее. При рассмотрении гипотез образования клетки было отмечено влияние температуры и других физических полей. Вместе с тем на процессы образования газово-жидких включений воздействуют и все другие физические поля, существующие в природе. Так, после создания системы включений происходит сложное самостоятельное существование каждого включе- - ния. В итоге получаются отрицательные кристаллы — получившие правильную огранку вакуоли, достигшие полного равновесия по отношению к кристаллу-«хозяину», и это равновесие связано с тем, что форма поверхности обладает наименьшей энергией. Форма отрицательного кристалла в целом также отвечает форме минерала-«хозяина». Отклонения состоят в притуплении или округлении ребра или вершины. Иногда могут возникать полуограненные включения в условиях временного «голодания» растущих кристаллов. Изучение процессов и явлений минерального мира позволило составить представление о коде генетической информации микровключений, содержащих растворы и расплавы в статическом состоянии. Сведения о происходивших глубинных процессах можно получить путем исследования порций минералообра- зующих растворов из включений. Чтобы понять, где сейчас нужно искать месторождения, важно знать, какие условия были в глубокой геологической «древности» и представить, как и где осуществлялся процесс рудообразования. Для этого, например, был сделан тщательный анализ газово-жидких включений стадии, во время которой образовался уран. Результаты исследований Н. П. Ла- верова и его коллег показали, что рудообразующие — 129 ~
растворы содержали свободную углекислоту, сульфат ты и хлориды, что в них присутствовали сероводород, фтор, уран, свинец, молибден, цинк, серебро и желе* зо. Эти данные вместе с другими геологическими све- дениями позволили дать палеогеологическую рекон- струкцию месторождений урана. Из растворов газово-жидких включений растут кристаллы, «нафаршированные» газово-жидкими включениями другого поколения. Интересно, что при росте кристалла наблюдается транспортировка гото* вых блоков кристаллов на место роста. Это кластеры — упорядоченные блоки кристалла. «Так же, как живая клетка заключает главные тайны животного и растительного царства, можно сказать, что включение составляет элементарную сущность минерального царства. Роль этой уменьшенной модели заключается в демонстрации того, что кристаллические минералы должны рассматриваться в соотношении с подвижными средами, которые их породили. Представляется исключительно важным сконцентрировать на эти объекты такие же мощные средства исследования, какими пользуется современная^ цитология» [Дейша Г., 1960 г.]. Идут ли ре« акции и превращения в газово-жидких включениях? Это пока остается вопросом, хотя теперь мы знаем про газово-жидкое включение намного больше, чем во времена Р. Гука знали про клетку. Сейчас газово- жидкие включения стали объектом наблюдений в опытах по выращиванию кристаллов на борту космических станций. Клетку открыли в 1665 г., но клеточная теория была создана только в 1839 г. Есть ли что-то похожее на «клеточную» теорию в геологии, т. е. есть ли теория, учитывающая не одно газово-жидкое включение, а то, что мы имеем структуру, аналогичную в какой-то степени клеточной ткани, иными словами, геологическую ткань из газово-жидких включений? Пока нет, но такая обобщенная теория, учитывающая физику и химию взаимодействия газово-жидких включений в минералах, должна появиться. Изучение газово-жидких включений имеет боль-? шое прикладное значение при геолого-генетическом изучении месторождений полезных ископаемых, поисках скрытых рудных тел и оценке качества природного кристаллического сырья. Характерные типы и виды включений разных минералов используются — 130 ~
для установления стадий в процессе рудообразова- ния, для термометрического районирования рудных полей и оценки темпа охлаждения интрузивов. Что касается использования газово-жидких включений для выращивания кристаллов и синтеза новых материалов, то об этом уже говорилось. Изучение структуры и состава газово-жидких включений — это очень важная задача. Дальше, безусловно, появится необходимость исследовать функциональные особенности неживых «тканей» природы. Об этом убедительно свидетельствуют исследования в области электрохимии, в первую очередь хе- мотроники. Итак, в кристалле — кристаллик, в нем — еще более маленький кристаллик и т. д. Кристаллики взаимосвязаны между собой. Что же убеждает в наличии реакций в газово-жидких включениях? Прежде всего хемотроника. | Это относительно новая 0 й область науки. Своим гл. ... и хемотроника созданием она обязана ■' химии и электронике и возникла на стыке этих двух наук. Специалисты по хемотронике изучают и конструируют различного рода электрохимические преобразователи, которые предназначены для использования в качестве отдельных блоков в приборостроении. В хемотронных элементах электрические заряды переносятся ионами в жидкостях, в электронике электрические заряды переносятся в вакууме радиоламп и в твердых телах — полупроводниках. Среди хемотронных элементов есть устройства типа диодов, триодов, тетродов, интегральных ячеек — накопителей слабых сигналов, усилители электрических сигналов, управляемые сопротивления. Есть и хемотронные преобразователи для измерения неэлектрических величин — датчики давления и расходомеры, виброметры и акселерометры. По сравнению с полупроводниковыми приборами одно из основных преимуществ хемотронных элементов состоит в том, что они потребляют в 100—1000 раз меньший ток. А это очень важно. Токи, создаваемые в хемотронных элементах, во многом напоминают токи природного происхождения, которые текут в Земле, Хемотронные приборы могут выполнять несколько функций, одновременно связанных с реакцией, переработкой и хранением информации, +- 131 -*
Рис. 35. Устройство хемотроннух элементов [по Лапидесу Л. М., 1968 г.]. ' а—электрохимический диод в стеклянном исполнении, диаметр ампулы 6,5 мм, длина 25 мм; б—схема интегратора дискретного действия; в —безмембранный акселерометр с газовым пузырьком. передаваемой электрическими сигналами. Интересно, что радиофизики отмечают аналогии между созданными руками человека приборами — хемотронами и биологическими, системами: «Как известно, в живых организмах различные логические операции, процессы запоминания, системы ориентации и другие функциональные преобразования происходят в жидкостях, как и у хемотронов. Следовательно, можно предположить, что хемотронные элементы при их дальнейшем усовершенствовании станут основой квазибиологических систем, моделирующих процессы, происходящие в живых организмах. Таким образом, вероятно, хемо- тронику можно будет в дальнейшем рассматривать как один из разделов бионики»,— пишет Л. М. Ла- пидес [1968 г.]. А может быть, и геоники? Рассмотрим, как работает электрохимический диод или интегратор. Диод-выпрямитель изготовлен в виде небольшой пластмассовой или стеклянной ампулы, которая заполнена электролитом (рис. 35, а). Внутри ампулы размещаются точечный катод и сетчатый анод, стеклянная ампула заполнена электролитом. Если катод будет иметь небольшую поверх- - 132 -
ность, а анод большую, то число перенесенных ионов будет зависеть от поверхности как катода, так и анода. Через систему в случае точечного катода будут проходить слабые токи; если катодом будет электрод с большой поверхностью, то через систему будут проходить большие токи, т. е. такая система обладает свойством выпрямления. Рассмотрим принцип работы другого важного элемента — электрохимического интегратора. Электрохимическая ячейка может применяться для целей длительного интегрирования и запоминания информации в течение длительного времени. Интегратор содержит ампулу из стекла или пластмассы 3 (рис. 35, б) и электроды 1 и 4. Ампула заполнена электролитом 2. На один из электродов наносится при изготовлении интегратора известное количество вещества. Этот электрод называется накопительным. В процессе работы через интегратор пропускают ток. И тогда с одного электрода на другой переносится вещество. Падение напряжения на интеграторе при переносе вещества не превышает 100 мВ. Когда все вещество будет перенесено на катод, напряжение на ячейке резко возрастет, что явится сигналом о завершении процесса переноса вещества. Известно, какое количество электричества должно пройти через электролит интегратора, чтобы перенести все вещество, и эти сведения позволяют определить, какое количество электричества проходит через интегратор. После завершения переноса вещества с анода на катод можно изменить полярность' электрода, и процесс повторится еще раз, при этом перенос вещества будет происходить в обратном направлении. Зная число переключений интегратора, можно определить общее количество электричества, которое перенесено через интегратор. Часто у интегратора электроды изготовлены из серебра, а электролитом служит раствор хлористого натрия — широко известного в природе соединения. Такой интегратор называется хлорсеребряным. Мощность, потребляемая интегратором, измеряется микроваттами. Он может работать с высокой точностью (±1—5%) в диапазоне температур от —55 до +75 °С. Сами интегрируемые токи могут колебаться по силе от 0,01 мкА до 1 А. Изменение скорости движения электролита у электродов электролитической ячейки из* меняет силу тока в ячейке. ~ 133 -
В хемотронике это явление используется для создания датчиков акустических, вибрационных, сейсмических и других сигналов. Очень много хемотронных преобразователей измеряет неэлектрические величины, такие как давление, частоту колебаний, расход жидкости, скорость вибраций и т. д. В акселерометре, если ускорение отсутствует, электролит неподвижен и в цепи установится очень небольшой ток. В случае появления ускорения по оси чувствительности акселерометра слева направо электролит будет перемещаться из правой камеры в левую. При этом увеличится сила тока в цепи акселерометра. Остановимся еще на безмембранном акселерометре. Электролитическая чувствительная ячейка содержит газовый пузырек. Сопротивление между электродами акселерометра будет зависеть от рабочей поверхности электрода, а она, в свою очередь, будет связана с расположением газового пузырька. Обратите внимание на влияние газового пузырька. При изменении его положения изменяется площадь рабочей поверхности электродов: у одного площадь будет увеличиваться, у другого — уменьшаться. Это обстоятельство используется в работе акселерометра. Прибор ориентируется относительно поля земного тяготения. Электролитическая ячейка включена в электрическую измерительную" схему моста. Весь' мост отрегулирован так, что стрелка измерительного прибора стоит на нуле; в этом случае газовый пузырек занимает фиксированное положение, показанное на рис. 35, в. Если появится ускорение в направлении оси чувствительности, газовый пузырек изменит свое положение и в диагонали измерительного моста возникнет напряжение, которое будет пропорционально ускорению. Посмотрите, как просто и эффективно все устроено: ячейка, электролит, электроды с небольшими конструктивными изменениями выполняют самые разнообразные функции. Однако во всех случаях наблюдается изменение течения электролита, положения газового пузырька и связанных с этим ионных процессов. Такие конструкции могут реагировать на многие физические параметры, что связано с закономерностями электрохимических реакций. В неживой природе среди газово-жидких включений — растворов электролита, запечатанных в ячейки,— могут найтись элементы, сходные с элек- 134
трохимическими преобразователями. На основании аналогий можно высказать предположение о том, что в газово-жидких включениях идут сложные электрохимические процессы. В поддержку этого мнения свидетельствует то обстоятельство, что в Земле текут теллурические токи, которые могут влиять на газово- жидкие включения непосредственно. Расскажем про опыт, проделанный автором * с электрохимическим интегратором. Опыт проводился в одном из районов Сибири-, где в Земле текут теллурические токи. Нужно было зафиксировать среднее значение протекающего тока. Для этого брали хемотронную интегрирующую ячейку и включали ее в цепь из электрических проводов и заземлений. Длина линии из изолированного провода составляла несколько километров. Ток попадал из земли в электроды, из электродов в провода. В разрыве провода включена электрохимическая ячейка. Попадая в электрохимическую интегральную ячейку, ток накапливался в ней. Это была искусственная ячейка. А природная? Может ли она копить электричество? Противопоказаний этому нет. Эффект выпрямления электрического тока установлен в руде. Таким эффектом геофизики пользуются при поисках месторождений сульфидных руд: от источника пропускают через землю ток, а на ее поверхности наблюдают распределение потенциалов. Если есть изменение потенциалов при изменении направления пропускания тока, значит здесь находится рудное тело. Именно оно управляет формой токовых сигналов и, как следствие, формой потенциала. Такие опыты -проводились на Алтае и дали положительные результаты. Мы привели эти примеры, чтобы на созданных руками человека лабораторных моделях показать пути к открытиям явлений, которые могут происходить в природных элементах, содержащих минералы- • электроды, электролиты и газовые пузырьки. А ведь речь шла об одном из элементов — газово-жидком включении. В кристалле (рис. 31) таких элементов много. Если он находится в природных условиях, то через кристалл протекают токи и возможны те или * Авторское свидетельство № 191005 «Способ геоэлектроразведки». — Изобретения, пром. образцы, товар, знаки, 1967, № з, с. 59. - 135 -
иные процессы. В газово-жидких включениях есть1 электролит и там должны идти электрические реакции. Изучение электрохимических процессов в газово-жидких включениях может подсказать новые патенты природы, которые будут использоваться в хемотронике. Когда мы говорим про клетку, то считаем, что она чувствует все воздействия. Вот что пишет И. И. Гунар: * «Потенциалы и токи возбуждения возникают при действии на ткани любых физических и химических факторов. Раздражителями являются такие естественные факторы, как сила тяжести, свет, биотоки, стекло, вода, кислород, углекислота, растворы солей и питательных веществ, гормоны и т. д. Их физиологическое действие начинается прежде всего с возбуждения соответствующих клеток и тканей. Раздражающее действие оказывают и все искусственные факторы, которые тем или иным образом могут влиять на возбудимые структуры и обмен веществ клеток и тканей: механические (удар, укол, порез, продольны^ поперечные и касательные напряжения и т. п.), физические (все виды радиации, электрический ток, магнитное поле, центробежные силы, осмотические силы и т. д.) и химические (кислоты, щелочи, соли, окислители, восстановители, лекарства, яды и т. д.)». Для нас существенным является то обстоятельство, что на ткани организма должны действовать все имеющиеся физические естественные или искусственные поля. Электрохимические реакции, происходящие в биологических системах, чувствительны ко многим параметрам и подчеркивают те из них, которые существенны для жизнедеятельности организма и о которых было упомянуто выше. Подобному воздействию подвергается и газовый пузырек в капле жидкости в кристалле. Он имеет как бы свою смысловую нагрузку в работе системы оболочка — электролит — газовый пузырек. Геологи использовали его как ватерпас, учитывая действие поля силы тяжести. Геофизики ставят вопрос о действии электрических сил, и здесь появляются новые нагрузки для пузырька. Если взять образец, положить его под микроскоп, около образца проложить * Гунар И. #., Синюхин Л. М. Электрофизиологическая характеристика раздражимости растений. 1. — Изв. Тимирязевск. с.-х. акад., Биология, 1959, № 4 (29), с. 7—22. 136 —
провод, концы которого подключить к батарейке, и включить ток, то пузырек начнет дрожать. Он «оживает». А если мы пропускаем ток через землю? Впро- * чем, там текут и естественные электрические токи. Действуют и другие -физические поля. Все изложенное облегчит понимание происходящих процессов с единых позиций и позволит нам активнее познавать окружающий нас мир. Вот еще один пример на стыке живого и неживого. Кристаллы в живых клетках — может ли такое быть? Оказывается, да. Раньше мы говорили о мире бактерий, -питающихся только минералами; кости, камни в клетках — это другая область, своеобразная биологическая минералогия. Известны кристаллы в клетках растений и простейших животных — амеб. В том числе кристаллы — «камни» — в печени, в почках, мочевом пузыре. Здесь клетка играет роль небольшого кристаллизатора для получения маленького кристалла. Такие кристаллы появляются вследствие физико-химических причин и являются или продуктами обмена веществ, или результатом отклонения в жизни клеток от нормальных условий и могут использоваться в процессе роста. Проведенный сравнительный анализ показывает, что фактически свойства живой материи не являются совершенно специфическими и почти везде можно найти аналоги в мире неживой природы процессам, которые происходят и в живой природе. Возникновение клетки — явление не исключительное. т Она по своей сути производная нашей матери-Земли. Устроена и организована клетка очень сложно. Акад. А. И.. Опарин писал в 1924 г.: «Особенность, специфичность живых организмов состоит только в том, что в них сплелись, сочетались в крайне сложную комбинацию многочисленные свойства и признаки, по отдельности присущие различным неживым неорганическим телам. Жизнь характеризуется не какими-либо определенными свойствами, а особенной, - специфической комбинацией этих свойств». Ранее мы приводили соображения ученых о необходимости поиска путей подхода к созданию фазо- вообособленных систем как важного фактора для выяснения путей образования клетки. Аналогии с миром неживой природы позволяют высказать рабочую гипотезу о механизме появления фазовообособ- ленных систем типа «клетки». При работе с высоко- — 137 —
молекулярными органическими полимерами в лабораториях наблюдают помутнение растворов, которое обусловлено выделением сгустков вещества — фазо- вообособленных систем. Здесь возможны аналогии с газово-жидкими включениями. Вспомним, что в кварце помутнение, создающее молочный цвет, связано с наличием газово-жидких включений — мельчайших пузырьков, являющихся фазовообособленными системами. Что же можно сказать о происхождении клетки при сравнении с образованием газово-жидкого включения? Наличие в клетке органелл и вакуолей говорит о ее сложном происхождении в различных термодинамических условиях на последовательных этапах ее образования. Клетка внешне очень похожа на газово-жидкое включение, содержащее внутри себя вакуоли и кристаллики. Все это позволяет высказать предположение о происхождении клетки как образования типа газово-жидкого включения, появившегося при кристаллизации органических кристаллов. Предположив, что органеллы могут образоваться (кристаллизоваться?) и до, и после обособления вакуоли, получим, что органеллы могут иметь свои клетки — свои включения кристаллизации, но частично могут находиться и в первичном растворе до кристаллизации клетки. Первичный «бульон» должен быть достаточно сложным и иметь все необходимые составные компоненты для процесса биологической «кристаллизации» клетки, и она должна происходить при определенных условиях, которые приблизительно' можно расшифровать таким же путем, как и в случае, газово-жидкого включения. Изложенная гипотеза ~не противоречит биологическим суждениям. Но она, конечно, как и другие гипотезы, остается пока только научным предположением, требующим дополнительных подтверждений. Приведенные примеры показали, что сам процесс получения знаний при наблюдениях за неживой природой аналогичен тому, что осуществляют в бионике: сначала проводят наблюдения над природными объектами, затем моделируют изученное в технике, ищут аналогии, создают теории. Минералы в природе могут выполнять те или иные функции, обусловленные их физическими свойствами. Мы не ставили своей задачей рассмотреть все случаи. Можно, например, рассказать про-слюду, про исландский шпат — 138 -»
и другие минералы. Происходящая научно-техническая революция требует, чтобы человек быстро, глубже и шире изучал новые физико-химические закономерности. Притом здесь сама природа, ее активное исследование выступают на одно из первых мест. Люди взяли рецепт 'изготовления искусственных кристаллов кварца у природы. Кто же они? Горняки, кристаллохимики? Или по аналогии с бионикой геоники? Проводя наблюдения за живой природой, обобщая полученные результаты и перенося их в практику, мы можем создавать новые теории, искусственные кристаллы и оригинальные приборы. Интеграл, скальпель и паяльник — это символ бионики. Интеграл, геологический молоток (или буровой станок) и паяльник можно предложить как символ геоники. В неживой природе, в ее конструкциях — минералах, горных породах, рудах и месторождениях — заложены все известные и неизвестные еще нам физические свойства. И, чтобы их познать, требуется настойчиво изучать минералы, руды и месторождения не только как сырье для горнодобывающей промышленности, но и как физико-химические системы, существующие в природе. «...В далекой тысячелетней истории минералогии понимание ее содержания изменилось до неузнаваемости... и это содержание подвижно, оно меняется, углубляется, движется с ходом времени.» [Вернадский В. И., 1928 г.]. Эти слова глубоко справедливы и сегодня. Содержание минералогии углубляется постоянно. Две области знаний: бионика и зарождающаяся геоника — могут объединиться в будущем в биогео- нику, которая должна изучать процессы и системы в живой и неживой природе с целью технического моделирования, объяснения природного единства материального мира. Неживая природа, как и живая, тоже щедра на технические рецепты, патенты и открытия. Поэтому геологические и геофизические науки могут дать при таком комплексном подходе новый стимул для развития многих фундаментальных и. прикладных отраслей знания.
ВСЕ ЭТО—ЭЛЕМЕНТЫ ЕДИНОГО В книге собраны наблюдения за живой и неживой природой. Такие шаги должны периодически делаться, углубляя общее единое представление об окружающем нас мире живой и неживой природы, знакомя всех с ее универсальными механизмами. Неживая природа создавалась миллиарды лет. Она продолжает жить своей жизнью. В ней идут свои сложные процессы, нарушение которых может отрицательно сказаться на всей биогеосфере. Уникальные творения Земли —скалы, горы, месторождения — должны служить только для пользы человека, для удовлетворения его материальных и духовных потребностей — сейчас и в будущем. В геологии все время увеличиваются объемы работ. Очень много средств тратится на биологию. Геология, геофизика и биология всегда помогали друг другу в своем развитии. Следует отметить также, что биологи часто мыслят геологическими или минералогическими образами, а геологи — биологическими. На разных этапах работы такой ход мысли помогает и тем, и другим. В. И. Вернадский писал, что в песчинке или капле, как в микрокосме, отражается общий состав космоса. Примеры газово-жидких включений убеждают — 140 — 1 J
в глубокой справедливости высказанного положения и, более того, в необходимости постоянного углубления этого представления. Все, что сказал В. И. Вернадский о песчинке или капле, конечно, в равной степени относится и к клетке. В 1917 г. М. фон Лауэ с помощью рентгеновской дифракции открыл решетчатое строение кристалла. С помощью рентгеноструктурного анализа кристаллическая структура была обнаружена у воды и других объектов, раньше считавшихся некристаллическими. К числу таких объектов относятся и органические соединения. При изучении волокнистых белков долгое время не удавалось получить никаких результатов. В 1951 г. Л. Полинг на основании изучения аминокислотных остатков, которые, как мы уже отмечали, участвуют в образовании волокнистых белков, предложил схему их строения, получившую название спиральной структуры, которая строится за счет сближения аминокислотных остатков одной и той же цепи при последовательных поворотах спирали. Спиральная структура позднее была обнаружена в оболочке белка вируса табачной мозаики, а также в конструкции нуклеиновых кислот. Д. Бернал отмечает, что спиральное расположение регулярно в одном измерении — вдоль спирали. Далее используются законы кристаллографии, по которым происходит объединение белков-спиралей в боковом направлении. Иными словами, рентгеновская дифракция позволила установить, что в органических веществах имеется порядок и они являются как бы частично кристаллическими телами, и тем самым появилась возможность включить их в область рассмотрения обобщенной кристаллографии наряду с кристаллами из мира неживой природы. Свойства твердых органических веществ обусловлены упорядоченной или кристаллической структурой. И еще раз вернемся к вирусу, живущему в клетке бактерии и пожирающему ее, так называемому бактериофагу, или просто фагу, глядя на него с точки зрения обобщенной кристаллографии. Его смешанные структуры состоят из молекул различных видов. Из одного вида молекул строятся подструктуры, которые затем соединяются в более сложные. Так, фаг с индексом Т2 содержит не меньше пяти белковых молекул, каждый вид которых образует сложные и правильные подструктуры. К их числу — 141 —
относятся хорошо заметные головка, хвост, сократимая оболочка хвоста, хвостовые нити и гексагональная пластинка (не считая нитей ДНК). Д. Бернал называет этот принцип расположения «синизоме- рией», под которой подразумевает способность частиц разнообразных форм, объединяясь, образовывать сложные структуры, считая такое объединение высшей ступенью обобщенной кристаллографии. Отсюда видно, что мысли Д. Бернала направлены на расширение понятия кристаллографии. Он размышлял по поводу уровней организации атомных масштабов, дефектов кристаллов и капель жидкости. Фактически он высказался за «внедрение» в понимание процесса образования органических тел понятия «блочной» кристаллизации, изученной в мире неорганической природы. Мы все чаще напоминаем, что нужно экономить' металл. Здесь важно, чтобы каждый понимал, что металл — уникальное создание недр. Следует всемерно укреплять и развивать чувство бережливости при пользовании горным сырьем, какое воспитывается к хлебу и другим продуктам питания. И хлеб, и руда — продукты Земли. Природа требует, чтобы мы экономно расходовали накопленные ею за миллионы лет закристаллизовавшиеся «горные соки». Прекрасное в живописи, музыке, скульптуре, литературе, кино, в музейных собраниях составляет одно целое с Природой — живой и неживой. Такое единство будет содействовать воспитанию в человеке любви к Природе, формировать разумного пользователя природными богатствами и прививать стремление учиться у нее. Интересно отметить, что С. И. Вавилов (по воспоминаниям известных советских физиков В. И. Векс- лера и А. Л. Минца) всегда считал, что физики должны ставить такие эксперименты в первую очередь с простыми приборами, которые позволяют тем не менее получать фундаментальные результаты* Вместе с тем в послевоенный период физики стали создавать сложные и дорогие установки — синхро-j трон, синхроциклотрон и др. С. И. Вавилов активно! развивал индустриальную основу физики, но всегда шутя напоминал, что физики должны еще думать й| экспериментировать на простых установках. Суще* ствует проект «всемирной машины» — ускорителя] элементарных частиц будущего поколения, Это один — 142 —
путь познания природы сегодня. Есть и другие пути* Один из них — простой и доступный — состоит в непосредственном наблюдении за природой. Им пользуются с древних времен. Как и во времена биологических экспедиций Н. И. Вавилова, так и сейчас для изучения тайн неживой природы требуются ненарушенные деятельностью человека природные объекты. Утверждение Верховным Советом СССР Основ законодательства Союза ССР и союзных республик о недрах 9 июля 1975 г. ставит перед геологами и геофизиками новые задачи. Более точные оценки запасов, консервация месторождений, изучение геологических процессов и другие вопросы, затронутые законом, требуют проведения работ на полигонах и в заповедниках. Изложенное показывает необходимость создавать геолого-геофизические полигоны и заповедники на типичных месторождениях, используя ненужные промышленности участки в основных рудных регионах страны, таких как Кольский полуостров, Урал, Алтай, Северо-Восток, Приморье, Украина и Средняя Азия. От М. В. Ломоносова и супругов П. и М. Кюри до наших дней блестящие открытия делались при изучении коллекций минералов. Значимость таких работ будет возрастать с ходом времени, и нужно очень серьезно думать о представительных коллекциях горных пород, особенно сегодня, когда многие минералы активно используются промышленностью. Ограниченность объема книги не позволяет нам остановиться на ряде других интереснейших и увлекательнейших проблем, но мы надеемся сделать это в дальнейшем. Сколько систем окружает нас в неживой природе! Все в движении, как хорошо заведенный механизм. Одни «шестеренки» задевают за другие и крутят третьи, электромагнитные сигналы преобразуются в иные или управляют разнообразными процессами. Эта работа будет содействовать более тесному взаимодействию геологии и биологии, и геоника бу-< дет важным элементом развивающегося процесса. Автор надеется также, что книга будет содействовать развитию понимания сложностей устройства и функционирования неживой природы, большей любви к ней и тем самым, можно сказать, повышению геологического сознания.
Перечень рекомендуемых книг 1. Лкимушкин И. И. Занимательная биология. М, Молодая гвардия, 1972. 364 с. 2. Лсташенков П. Т. Что такое бионика. М., Воениздат, 1963. 87 с. 3. Бернал Д. Возникновение жизни. М., Мир, 1969. 392 с. 4. Бетехтин А. Г. Kvpc минералогии. М., Госгеолтехиздат, 1950. 957 с. 5. Вилли К. Л., Детье В. Дж. Биология. М., Мир, 1974. 822 с. 6. Гриффин Д. Эхо в жизни людей и животных. М., Физмат- гиз, 1961. 108 с. 7. Ермаков Н. Я., Долгов Ю. А. Термобарогеохимия. Методы исследования и перспективы использования включений минер а лообразующих сред. М., Недра, 1979. 271 с. 8. Кащев Вл. Приключения великих уравнений. М., Знание, 1971. 320 с. 9. Кэлдер Н. Беспокойная земля. М.,.Мир, 1975. 214 с. 10. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функции клетки. М., Мир, 1972. 957 с. 11. Новиков Э. А. Планета загадок. Л., Недра, 1980. 144 с. 12. Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М., Наука, 1968. 173 с. 13. Федынский В. В. Разведочная геофизика. Изд. 2-е. М., Недра, 1967. 672 с. 14. Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. М., Изд-во АН СССР, 1959. 399 с. 15. Холодов Ю. А. Реакция нервной системы на электромагнитные поля. М., Наука, 1975. 210 с,
Оглавление Предисловие 3 Сложная организация мира природы 7 Часть 1. БИОНИКА, ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА .... 19 1.1. Технические модели живых систем 21 1.2. Органы чувств и геофизические приборы .... 27 1.3. Электрические органы рыб и электроразведка . . 33 1.4. Что могут рассказать и посоветовать геологам наблюдения за клеткой? 54 1.5. Электрические свойства клетки, возбудимость и ее модели 73 1.6. Бактерии, вирусы и кристаллы 78 1.7. Предположение о том, как это было: образование клетки из «бульона» и минеральный мир .... 84 Часть 2. У ИСТОКОВ ГЕОНИКИ 93 2.1. Как человек научился делать искусственный кварц? 94 2.2. Поучительная история магнетита 97 2.3. О полезных свойствах янтаря 100 2.4. Люди изучают и воссоздают алмаз 104 2.5. Немного об открытии радиоактивности и кристаллов-полупроводников 106 2.6. Молнии и электричество в Земле 109 2.7. Еще одно чудо природы — газово-жидкие включения 116 2.8. ... и хемотроника 131 Все это — элементы единого 140 Перечень рекомендуемых книг > . 144