Tags: журнал домашняя лаборатория
Year: 2009
Text
ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ
НОЯБРЬ 2009
Д ОМАШ НЯЯ
ЛАБОРАТОРИЯ
Научно-прикладной
и образовательный
интернет-журнал
Адрес редакции:
domlab@inbox.com
Статьи для журнала
направлять , указывая в теме
письма «For journal».
Журнал содержит материалы
найденные в Интернет или
написанные для Интернет.
Журнал является полностью
некоммерческим. Никакие
гонорары авторам статей не
выплачиваются и никакие
оплаты за рекламу не
принимаются .
Явные рекламные объявления
не принимаются, но скрытая
реклама, содержащаяся в
статьях, допускается и даже
приветствуется.
Редакция занимается только
оформительской
деятельностью и никакой
ответственности за содержание статей
не несет.
Статьи редактируются, но
орфография статей является
делом их авторов.
При использовании
материалов этого журнала, ссылка
на него не является
обязательной , но желательной.
Никакие претензии за
невольный ущерб авторам,
заимствованных в Интернет
статей и произведений, не
принимаются. Произведенный
ущерб считается
компенсированным рекламой авторов и
их произведений.
По всем спорным вопросам
следует обращаться лично в
соответствующие учреждения провинции
Свободное государство (ЮАР).
При себе иметь, заверенные
местным нотариусом, копии всех
необходимых документов на
африкаанс, в том числе,
свидетельства о рождении, диплома об
образовании, справки с места
жительства, справки о здоровье
и справки об авторских правах
(в 2-х экземплярах).
Ноябрь 2009
СОДЕРЖАНИЕ
История
Краткая история почти всего
3
Ликбез
Человеческий мозг
Происхождение мозга
106
199
Литпортал
Подарки Семилиранды
277
Химичка
Выращивание кристаллов
285
Практика
Пайка для начинающих
305
Электроника
Источник мощных прямоугольных импульсов
света 312
Компьютер
Разберемся с компом
316
Матпрактикум
Сигналы и линейные системы
414
Разное
Обман в науке 481
Кое-что из Заблуждений 4 90
От редакции 589
НА ОБЛОЖКЕ
О механизмах мозга рассказывает профессор-биохимик и
писатель-фантаст Айзек Азимов в статье «Человеческий
мозг».
История
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ПОЧТИ ВСЕГО
Билл Брайсон
Физик Лео Силард как-то сказал своему другу
Хансу Бете, что думает начать вести дневник.
"Публиковать его не собираюсь, буду всего лишь
Записывать факты для сведения Всевышнего".
"Думаешь, Всевышний не знает фактов?" - спросил
Бете. "Да, - ответил Силард, - факты Он знает,
но не знает этой их интерпретации".
Ханс Христиан фон Байер. Укрощение атома.
Введение
Добро пожаловать. И поздравляю. Я счастлив, что вам это удалось. Знаю, что
попасть сюда было нелегко. Вообще-то я полагаю, что это было несколько
труднее , чем вы можете подумать.
Начать с того, что для вашего присутствия здесь сегодня нужно было, чтобы
триллионы непрестанно перемещающихся атомов каким-то замысловатым и
необычайно строго определенным образом собрались вместе, породив вас. Их расположение
настолько индивидуально и специфично, что никогда раньше не возникало, и
будет существовать лишь единожды, в этот раз. В течение многих дальнейших лет
(мы надеемся) эти крошечные частицы будут безропотно участвовать в миллиардах
своевременных совместных действий, необходимых для того, чтобы сохранить вас
невредимым и дать возможность испытать в высшей степени приятное, но обычно
недооцениваемое состояние, известное как жизнь.
Зачем атомам так утруждать себя - небольшая загадка. Быть вами - не такое
уж благодарное занятие на атомном уровне. При всей их преданности и заботе
вашим атомам вообще-то на вас наплевать - в сущности, они даже не знают о
вашем существовании. Даже не догадываются, что они сами находятся здесь. Они
же, в конце концов, безмозглые частицы и сами по себе не наделены жизнью.
(Довольно занятно представить, что если вы приметесь пинцетом расщипывать
себя на части, атом за атомом, то получится куча мелкой атомной пыли, причем ни
одна пылинка никогда не была живой, но все вместе когда-то были вами.) Однако
почему-то на протяжении вашей жизни они будут неукоснительно подчиняться
единственному импульсу: сохранять вас такими, как есть.
А плохая новость заключается в том, что атомы непостоянны и время их
преданности нам быстротечно - поистине быстротечно. Даже долгая человеческая
жизнь достигает всего лишь около 650 тыс. часов. И когда эта скромная веха
вдруг появляется перед глазами или маячит где-то поблизости, ваши атомы по
неизвестным причинам прекращают служить вам, молча демонтируют свои
конструкции и расходятся по другим предметам. А с вами все.
И все же вы можете радоваться, что наше появление на свет вообще случается.
Вообще-то говоря, во Вселенной, насколько мы можем утверждать, такого больше
нет. Это весьма странно, потому что атомы, которые так охотно сбиваются в
кучу, создавая живые существа на Земле, точно такие же, что отказываются делать
это в других местах. Что бы там ни было еще, но на уровне химии жизнь на
удивление обыденная штука: углерод, водород, кислород и азот, немного
кальция, примесь серы, редкие пылинки других самых обычных элементов - ничего
такого, чего нельзя найти в любой простой аптеке, - и это все, что нужно.
Единственная особенность составляющих вас атомов заключается в том, что они
составляют вас. Это, конечно, и есть чудо жизни.
Но независимо от того, порождают атомы жизнь в других уголках Вселенной или
нет, они создают множество других вещей; без них не было бы воды, или
воздуха , или горных пород, не было бы звезд и планет, далеких газовых облаков и
завихряющихся туманностей и любых других вещей, составляющих Вселенную, такую
привычно материальную. Атомы настолько многочисленны и непреложны, что мы
легко упускаем из виду, что вообще-то в их существовании нет необходимости.
Нет закона, требующего, чтобы Вселенная наполнялась малыми частицами материи,
или порождала свет и тяготение, или обладала другими физическими свойствами,
от которых зависит наше существование. Вообще-то нет никакой необходимости в
существовании Вселенной. Долгое время ее не было. Не было атомов, и для них
не было Вселенной, по которой они бы свободно плавали. Не было ничего - нигде
совсем ничего.
Так что, слава богу, что есть атомы. Но то обстоятельство, что у вас есть
атомы и что они охотно собираются именно таким образом, лишь отчасти обгьясня-
ет, как вы тут появились. Для того чтобы оказаться здесь теперь, в XXI веке,
живым и к тому же достаточно сообразительным, чтобы это осознать, вам также
надо было стать результатом необычайной череды биологических везений.
Выживание на Земле - удивительно хитрое дело. Из миллиардов и миллиардов живых
видов, существовавших с начала времен, большинства - как предполагают, 99,99% -
больше здесь нет. Как видите, жизнь на Земле не только коротка, но и пугающе
шатка. В том и состоит курьезность нашего существования, что мы обитаем на
планете, которая очень хорошо поддерживает жизнь, но еще лучше ее истребляет.
Биологический вид сохраняется на Земле в среднем всего лишь около 4 млн.
лет, так что если вы хотите оставаться здесь миллиарды лет, то должны быть
такими же непостоянными, как составляющие вас атомы. Вы должны быть готовы
менять в себе любые характеристики: облик, размер, цвет, видовую
принадлежность - словом, все - и делать это неоднократно. Конечно, сказать куда легче,
чем сделать, ведь процесс изменений идет наугад. Чтобы из "крошечной капельки
первичного бульона" (как говорится в песенке Гилберта и Салливена1) стать
сообразительным прямоходящим современным человеком, вам потребовалось снова и
снова на протяжении чрезвычайно долгого времени и точно вовремя раз за разом
менять свои черты и особенности.
Так что в разные периоды за последние 3,8 млрд. лет вы сначала терпеть не
могли кислорода, а потом души в нем не чаяли, отращивали плавники и
конечности, щеголяли крыльями, откладывали яйца, мелькали в воздухе раздвоенным
язычком, были гладкими, были пушистыми, жили под землей, жили на деревьях,
были большими, как олень, и маленькими, как мышь, и принимали образ миллионов
других созданий. Малейшее отклонение от любого из этих зигзагов эволюции - и
теперь вы, возможно, слизывали бы водоросли со стен пещеры, или, как морж,
нежились бы где-нибудь на каменистом берегу, или, выдувая воздух из отверстия
в затылке, ныряли бы на шестьдесят футов, чтобы набрать полный рот обитающих
на дне вкусных червей.
Вам повезло не только в том, что с незапамятных времен вы принадлежите бла-
гоприятствуемой эволюционной линии, но вам также в высшей степени - можно
сказать, чудесным образом - повезло с собственной родословной. Задумайтесь
над тем, что за 3,8 млрд. лет, период дольше времени существования земных
гор, рек и океанов, все до одного ваши предки с обеих сторон были достаточно
привлекательны, чтобы найти себе пару, достаточно здоровы, чтобы дать
потомство, и достаточно вознаграждены судьбой и обстоятельствами, чтобы прожить
для этого достаточно долго. Никто из имевших к вам отношение предков не был
раздавлен, проглочен, не утонул, не умер с голоду не завяз в грязи, не был не
ко времени ранен или каким-либо иным образом не отклонился от продиктованного
жизнью влечения передать частичку генетического материала нужному партнеру в
нужный момент, дабы сохранить единственно возможную последовательность
наследуемых сочетаний, которые могли иметь поразительным, хотя и недолговечным
конечным результатом - вас.
Здесь рассказывается о том, как это произошло, - в частности, о том, как мы
совсем из ничего стали чем-то, потом частичка этого чего-то стала нами, а
также о том, что было между этим и после. Разумеется, надо охватить уйму
вещей, потому публикация и называется "Краткая история почти всего ", хотя, по
правде говоря, она далеко не обо всем. Да и не могла быть. Но если повезет,
ближе к концу, может быть, появится ощущение, что обо всем.
Отправным пунктом для меня послужил, каким бы он ни был, школьный учебник
естествознания, который был у меня в четвертом или пятом классе. Книжка была
стандартным учебником 1950 года - потрепанным, нелюбимым, увесистым, но ближе
1 Гилберт и Салливан (W.S. Gilbert, 1836-1911; Arthur Sullivan, 1842-1900) - либреттист и
композитор, которые работали над четырнадцатью комическими операми в период 1871-1896 гг.
к началу там была иллюстрация, которая меня просто очаровала: схема,
изображавшая внутренность Земли, как она выглядела бы, если вырезать большим ножом
и аккуратно вынуть кусок, составляющий примерно четверть целого.
Трудно поверить, что раньше я никогда не видел такой иллюстрации, но,
очевидно, не видел, потому что отчетливо помню, что был поражен. Откровенно
говоря, полагаю, что первоначальный интерес был вызван собственным
воображением. Я представил, как вереницы ничего не подозревавших, мчавшихся на восток
по американским равнинным штатам водителей валятся с края неожиданно
возникшего обрыва высотой 6,5 тыс. км, протянувшегося от середины Америки до
Северного полюса. Но постепенно мое внимание переключилось на научную сторону
рисунка и до меня дошло, что Земля состоит из отдельных слоев, заканчивающихся
в центре раскаленным добела шаром из железа и никеля, таким же горячим, если
верить надписи, как поверхность Солнца. Помню, что с удивлением подумал:
"Откуда они знают?"
В правильности этих сведений я не сомневался ни на минуту - я все еще
склонен доверять мнениям ученых, так же как я доверяю тому, что мне говорят
врачи, водопроводчики и другие обладатели сокровенных, недоступных простым
смертным знаний, - но до меня, хоть убей, не доходило, каким образом
человеческий ум смог дознаться, как выглядит и из чего состоит то, что размещается
в тысячах километров под нами, чего не видел ни один глаз, куда не мог
проникнуть никакой рентгеновский луч. Для меня это было просто чудом. С той поры
я придерживаюсь этого своего представления о науке.
В тот вечер я забрал книгу домой и, забыв об ужине, с нетерпением раскрыл
ее - видно, поэтому мать потрогала мой лоб и спросила, здоров ли я, - и
принялся читать с первой страницы.
Скажу вам, книга оказалась ничуть не захватывающей. Даже не совсем
вразумительной. Прежде всего, она не содержала ответов ни на один из вопросов,
которые возбудил рисунок в нормальном пытливом уме. Как получилось, что в
середине нашей планеты оказалось Солнце, и откуда узнали, насколько там горячо? И
если там внутри все горит, почему земля у нас под ногами не горяча на ощупь?
И почему остальное внутреннее пространство не плавится - а может быть,
плавится? И когда ядро, в конце концов, выгорит, не рухнет ли часть Земли в
пустоту, оставляя огромную дыру на поверхности? И откуда об этом знают! Как все
это выяснили!
Но автор странным образом умалчивал об этих частностях - в общем, умалчивал
обо всем, кроме антиклиналей, синклиналей, аксиальных разломов и прочего в
том же духе. Словно он хотел сохранить в тайне все интересные вещи, сделав их
не постижимыми здравым рассудком. С годами я стал подозревать, что это вовсе
не чья-то личная прихоть. Казалось, среди авторов учебников существовал
широкий таинственный сговор, дабы изложение ими своего предмета, даже на самую
малость, не приблизилось к области интересного, и всегда оставалось не более
чем вроде дальнего телефонного вызова, поступившего от чего-то действительно
увлекательного.
Теперь-то я знаю, что, к счастью, есть множество научных писателей, из-под
пера которых выходят самые доступные, самые захватывающие произведения.
Только на одной букве алфавита их сразу трое: Тимоти Феррис, Ричард Форти, Тим
Флэннери (не говоря уж о ныне покойном божественном Ричарде Фейнмане), - но,
к сожалению, никто из них не написал учебника, которым бы мне довелось
пользоваться. Все мои учебники были написаны мужами (всегда мужами),
придерживавшимися занятного мнения, что все становится ясным, если выражено формулой, и
любопытного заблуждения, что американские дети по достоинству оценят, если
главы будут заканчиваться вопросами, над которыми можно будет поразмышлять в
свободное время. Так что я вырос с убеждением, что наука - в высшей степени
унылая вещь, хотя и подозревал, что так не должно быть. Я не слишком задумы-
вался над всем этим и не предполагал, что могу сам чем-то в этом деле помочь.
Так продолжалось довольно долгое время.
Потом, много позднее - думаю, около 4 или 5 лет тому назад, - во время
долгого полета через Атлантику, когда я бездумно глядел в иллюминатор на залитый
лунным светом океан, меня вдруг - и это было довольно неприятно - осенило,
что не знаю простых вещей о единственной планете, на которой собираюсь
прожить всю жизнь. Например, я не имел представления о том, почему океаны
соленые , а Великие озера нет. Ни малейшего представления. Я не знал, становятся
ли океаны со временем солонее или нет, и стоит ли мне вообще проявлять
беспокойство по этому поводу. (Весьма рад вам сообщить, что до конца 1970-х годов
ученые тоже не знали ответов на эти вопросы. Просто предпочитали не говорить
об этом во всеуслышанье.)
Соленость океана, разумеется, представляла лишь крошечную частицу моего
невежества . Я не знал, что такое протон и что такое протеин, не мог отличить
кварк от квазара, не понимал, как геологи могли, взглянув на слои породы в
каньоне, определить ее возраст - вообще ничего не знал. Мною исподволь
овладело необычное желание немного разобраться в этих вопросах и, прежде всего,
понять, как удалось до всего этого докопаться. Как ученые все это вычисляют,
определяют, расшифровывают - это оставалось для меня поражающей воображение
Загадкой. Откуда они знают, сколько весит Земля или сколько лет горным
породам, и что вообще находится там, глубоко в центре? Откуда знают, как и когда
начиналась Вселенная и как она тогда выглядела? Откуда знают, что происходит
внутри атома? И, коль на то пошло - а по здравом размышлении это, возможно,
самое главное, - как получается, что ученые, которые, как часто кажется,
знают почти все, не могут предсказать землетрясение или даже сказать, стоит ли
брать с собой зонтик, отправляясь в среду на бега?
Так что я решил посвятить часть своей жизни - как оказалось, 3 года -
чтению книг и журналов и поиску ангельски терпеливых специалистов, готовых
отвечать на уйму необычайно глупых вопросов. Я хотел выяснить, действительно ли
нельзя понять и по достоинству оценить - подивиться, даже насладиться
чудесами и достижениями науки на уровне, не слишком изобилующем техническими
подробностями и не требующем глубоких знаний, но и не совсем на поверхностном.
Таковы были мой замысел и моя надежда, и для этого была задумана настоящая
публикация. Во всяком случае, нам придется освоить значительный объем
сведений в значительно более короткий срок, чем отпущенные нам 650 тыс. часов, так
что начнем.
I. ЗАТЕРЯННЫЕ В КОСМОСЕ
«Все они в одной плоскости. Все вращаются в
одном направлении... Понимаете, это
совершенно . Это великолепно. Это почти
сверхъестественно» .
Астроном Джеффри Мэрси о Солнечной системе.
1. КАК СОЗДАТЬ ВСЕЛЕННУЮ
Как бы вы ни старались, вы никогда не сможете постичь, насколько мал,
насколько пространственно ничтожен протон. Он просто крайне мал.
Протон - безмерно малая часть атома, который и сам-то представляет собой
нечто весьма несущественных размеров. Протоны настолько малы, что крошечная
точка над буквой "i" содержит их около 50 ООО ООО ООО ООО ООО штук, что
Значительно больше числа секунд, составляющих полмиллиона лет. Так что протоны
исключительно микроскопичны, если не сказать сильнее.
Теперь представьте, что вам удалось (хотя, конечно, у вас это не получится)
сжать один из протонов до одной миллиардной его обычного размера, так, чтобы
рядом с ним обычный протон казался громадным. Упакуйте в это крошечное-
крошечное пространство примерно столовую ложку вещества. Отлично. Вы готовы
положить начало Вселенной.
Я, разумеется, полагаю, что вы желаете создать инфляционную Вселенную. Если
вместо нее вы предпочитаете создать более старомодную Вселенную стандартного
Большого Взрыва, то вам понадобятся дополнительные материалы. В сущности, вам
нужно будет собрать все, что есть в мире, - все до последней пылинки и
частицы материи отсюда и до края мироздания, - и втиснуть все это в область столь
бесконечно малую, что она вообще не имеет размеров. Это называется
сингулярностью .
В обоих случаях готовьтесь к действительно большому взрыву. Наблюдать это
зрелище вы, очевидно, пожелаете из какого-нибудь безопасного места. К
сожалению , отойти некуда, потому что за пределами сингулярности нет никакого где.
Начав расширяться, Вселенная не будет заполнять окружающую пустоту.
Единственное пространство, которое существует, - это то, которое создает она сама
по мере расширения.
Очень естественно, но неправильно представлять себе сингулярность чем-то
вроде беременной точки, висящей в темной безграничной пустоте. Но нет никакой
пустоты, нет темноты. У сингулярности нет никакого "вокруг". Нет
пространства , которое можно было бы занять, нет никакого места, где бы она находилась.
Мы даже не можем задать вопрос, сколько времени она там находится - то ли она
только что внезапно возникла, как удачная мысль, то ли была там вечно,
спокойно выжидая подходящего момента. Времени не существует. У нее нет прошлого,
из которого предстоит выйти.
И вот так, из ничего, начинается наша Вселенная.
Одним ослепительным импульсом, в триумфальное мгновение, столь
стремительно, что не выразить словами, сингулярность расширяется и обретает космические
масштабы, занимая не поддающееся воображению пространство. Первая секунда
жизни (секунда, которой многие космологи посвящают жизнь, изучая все более
короткие ее мгновения) производит на свет тяготение и другие силы, которые
правят в физике. Менее чем за минуту Вселенная достигает в поперечнике
миллиона миллиардов километров и продолжает стремительно расти. В этот момент
очень жарко, 10 млрд. градусов, этого достаточно, чтобы протекали ядерные
реакции, которые порождают самые легкие элементы - главным образом водород и
гелий с крошечной добавкой лития (примерно один атом на 100 млн.). За 3
минуты формируется 98% всей материи, которая существует сейчас или будет когда-
либо существовать. Мы получили Вселенную. Место с удивительными и
вдохновляющими перспективами, к тому же очень красивое. И все сделано за время, которое
уходит на приготовление сэндвича.
Когда это случилось - вопрос дискуссионный. Космологи давно спорят,
произошло ли сотворение мира 10 млрд. лет назад, вдвое раньше, или же где-то
между этими моментами. Общее мнение, похоже, склоняется к величине 13,7 млрд.
лет, но, как мы увидим дальше, такие вещи до обидного трудно измерить. По
существу, все, что можно сказать, это то, что в какой-то неопределенной точке в
очень далеком прошлом по неизвестным причинам имел место момент, обозначаемый
в науке как t = 0. С него все и началось. Конечно, мы еще очень многого не
знаем и часто думаем, будто знаем то, чего на самом деле не знаем, или долгое
время так думали. Даже сама идея Большого Взрыва возникла совсем недавно. Она
подробно обсуждается с 1920-х годов, когда бельгийский аббат и ученый Жорж
Леметр впервые предложил ее в качестве рабочей гипотезы, но по-настоящему
активно она не применялась в космологии до середины 1960-х годов, когда двое
молодых радиоастрономов случайно сделали удивительное открытие.
Их звали Арно Пензиас и Роберт Вильсон2. В 1965 году они пытались
использовать большую коммуникационную антенну, в Холмделе, штат Нью-Джерси,
принадлежавшую Лабораториям Белла, но работу затруднял непрерывный фоновый шум -
постоянное шипение, делавшее невозможным проведение экспериментов. Шум был
постоянный и однородный. Он приходил из любой точки неба, день и ночь, в любое
время года. Целый год молодые астрономы делали все возможное, чтобы найти
источник шума и устранить его. Они протестировали каждую электрическую цепь.
Они перебрали аппаратуру, проверили контуры, перекрутили провода, зачистили
контакты. Они забрались на тарелку антенны и заклеили лентой каждый шов,
каждую заклепку. Они вернулись туда с метлами и жесткими щетками и тщательно
вычистили, как писали позднее в научной статье, "белое диэлектрическое
вещество", которое в обиходе называют птичьим пометом. Ничто не помогало.
Им было невдомек, что всего в 50 км от них, в Принстонском университете,
группа ученых во главе с Робертом Дикке билась над тем, как найти ту самую
вещь, от которой они так усердно старались избавиться. Принстонские
исследователи разрабатывали идею, выдвинутую в 1940-х годах астрофизиком Георгием
Гамовым, уроженцем России: что если заглянуть достаточно глубоко в космос, то
можно обнаружить некое фоновое космическое излучение, оставшееся от Большого
Взрыва. Гамов рассчитал, что к моменту, когда это излучение пересечет
космические просторы и достигнет Земли, оно будет представлять собой микроволны3.
Немного позднее он даже предложил инструмент, который мог бы их
зарегистрировать: антенну компании "Белл" в Холмделе. К сожалению, ни Пензиас, ни
Вильсон, ни кто-либо из членов принстонской группы не читал эту статью Гамова.
Шум, который слышали Пензиас и Вильсон, конечно же, был шумом, который
теоретически предсказал Гамов. Они обнаружили край Вселенной, или, по крайней
мере, ее видимой части, на расстоянии более 100 миллиардов триллионов
километров. Они "видели" первые фотоны4 - древнейший свет Вселенной, - хотя время
и расстояние превратило их, как и предсказывал Гамов, в микроволны. В книге
"Расширяющаяся Вселенная" Алан Гут приводит аналогию, помогающую представить
это открытие в перспективе. Если считать, что вы всматриваетесь в глубины
Вселенной, глядя вниз с сотого этажа Эмпайр-Стейт билдинг (где сотый этаж
соответствует нашему времени, а уровень улицы - моменту Большого Взрыва), то во
время открытия Вильсона и Пензиаса самые отдаленные галактики были обнаружены
в районе шестидесятых этажей, а самые далекие объекты - квазары - где-то в
районе двадцатых. Открытие Пензиаса и Вильсона довело наше знакомство с
видимой Вселенной до высоты в полдюйма от пола цокольного этажа.
Все еще не зная о причине шума, Вильсон с Пензиасом позвонили в Принстон
Дикке и описали ему свою проблему, надеясь, что он подскажет решение. Дикке
сразу понял, что обнаружили эти двое молодых людей. "Да, ребята, нас обошли",
- сказал он своим коллегам, вешая трубку.
Конечно, космология Большого Взрыва, а точнее, расширяющейся Вселенной развивалась и до
середины 1960-х родов. Александр Фридман в 1922 г. нашел решения уравнений Эйнштейна, из
которых следовало, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Эдвин Хаббл в 1929 г.
независимо обнаружил разбегание галактик. Георгий Гамов в 1946 г. понял, что расширяющаяся
Вселенная в прошлом должна была быть горячей. Но только после открытия Пензиаса и Вильсона
космология Большого Взрыва получила всеобщее признание среди космологов.
з
Микроволновое излучение Занимает в электромагнитном спектре промежуточное положение между
инфракрасным и радиодиапазонами. Микроволны широко применяются для приготовления пищи в
микроволновых печах.
4 Фотоны были во Вселенной и раньше, но они не могли пробиться через горячее и плотное
вещество , постоянно поглощались и переизлучались вновь. Только когда Вселенная достаточно
остыла , фотоны смогли миллиарды лет свободно лететь в пространстве, пока не были пойманы Земными
детекторами.
Вскоре Astrophysical Journal5 опубликовал две статьи: одну Пензиаса и
Вильсона, описывавшую их опыт с регистрацией шипения, другую - группы Дикке,
объяснявшую его природу. Хотя Пензиас и Вильсон не искали фоновое космическое
излучение, не знали, что это такое, когда обнаружили его, а в своей статье не
объяснили его природу, в 1978 году они получили Нобелевскую премию в области
физики. Принстонским исследователям досталось лишь сочувствие. Согласно
Деннису Овербаю6, автору книги "Одинокие сердца в космосе", ни Пензиас, ни
Вильсон полностью не понимали значения того, что открыли, пока не прочли об этом
в "Нью-Йорк тайме". Между прочим, помехи от космического фонового излучения -
это то, что все мы знаем по опыту. Настройте свой телевизор на любой канал,
где нет трансляции, и около одного процента прыгающих электростатических
помех, которые вы наблюдаете на экране, будут связаны с этими древними следами
Большого Взрыва. В следующий раз, когда вы будете жаловаться, что на экране
ничего нет, вспомните, что вы всегда имеете возможность наблюдать рождение
Вселенной.
Хотя все называют это Большим Взрывом, многие книги предостерегают нас от
того, чтобы представлять его как взрыв в обычном смысле. Это скорее было
внезапное значительное расширение колоссальных масштабов. Так что же его
вызвало?
Одна из точек зрения состоит в том, что сингулярность была реликтом более
ранней сколлапсировавшей Вселенной, что наша Вселенная - всего лишь одна из
вечного круговорота вселенных, расширяющихся и сжимающихся, подобно
пневматической камере кислородного аппарата. Другие объясняют Большой Взрыв так
называемым "ложным вакуумом", "скалярным полем" или "вакуумной энергией" - неким
свойством или сущностью, которая каким-то образом привнесла определенную
неустойчивость в имевшее место небытие. Кажется, что получить нечто из ничего
невозможно, но факт состоит в том, что когда-то не было ничего, а теперь
налицо Вселенная, и это служит очевидным доказательством подобной возможности.
Быть может, наша Вселенная - всего лишь часть множества более крупных
вселенных, располагающихся в разных измерениях, и Большие Взрывы происходят
постоянно и повсюду. Или, возможно, пространство и время имели до Большого Взрыва
совершенно иные формы, слишком чуждые нашему пониманию, и что Большой Взрыв -
это своего рода переходный этап, когда Вселенная из непостижимой для нас
формы переходит в форму, которую мы почти можем понять. "Все это очень близко к
религиозным вопросам", - говорил в 2001 году корреспонденту "Нью-Йорк тайме"
космолог Андрей Линде7.
Теория Большого Взрыва - не о самом взрыве, а о том, что произошло после
взрыва. Причем в основном вскоре после взрыва. Произведя уйму расчетов и
тщательных наблюдений на ускорителях элементарных частиц, ученые считают, что
могут заглянуть во время спустя всего 10~43 секунды с момента творения, когда
Вселенная была еще настолько мала, что разглядеть ее можно было только в
микроскоп. Мы не должны падать в обморок от каждого встречающегося нам
необычного числа, но, пожалуй, время от времени стоит ухватиться за одно из них, хотя
бы для того, чтобы напомнить об их непостижимых и потрясающих значениях. Так,
10~43 - это 0,0000000000000000000000000000000000000000001, или одна десяти
миллионно триллионно триллионно триллионная секунды.
5 Astrophysical Journal ("Астрофизический журнал") - ведущий мировой журнал для публикаций по
астрономии и астрофизике.
Деннис Овербай (Dennis Overbye) - научный журналист и писатель, Заместитель научного
редактора "Нью-Йорк тайме", был редактором и автором научно-популярных журналов Discovers Sky &
Telescope.
Андреи Дмитриевич Линде (р. 1948) - астрофизик, профессор физики в Стэнфордском
университете, США. Закончил МГУ, Защитил диссертацию в ФИАНе (1975). Известен вкладом в разработку
инфляционной модели Вселенной. В 2002 г. награжден медалью Дирака.
Большая часть того, что мы знаем, или считаем, что знаем, о первых моментах
Вселенной, вытекает из концепции, получившей название инфляционной теории,
которая впервые была предложена на обсуждение в 1979 году специалистом по
элементарным частицам младшим научным сотрудником Стэнфордского университета
Аланом Гутом, ныне работающим в Массачусетском технологическом институте. Ему
было тогда тридцать два года, и, по собственному признанию, он никогда раньше
ничем подобным всерьез не занимался. Возможно, он никогда бы и не выдвинул
свою замечательную теорию, если бы случайно не попал на лекцию о Большом
Взрыве, прочитанную никем иным, как Робертом Дикке. Лекция пробудила у Гута
интерес к космологии, в особенности к вопросу о рождении Вселенной.
В итоге появилась инфляционная теория, согласно которой Вселенная
претерпела внезапное поражающее воображение расширение. Она раздувалась - фактически
убегая от самой себя, удваиваясь в размерах каждые 10~34 секунды. Весь эпизод,
возможно, продолжался не более 10~30 секунды - это одна миллионно миллионно
миллионно милионно миллионная доля секунды, - но он превратил Вселенную,
которая уместилась бы в вашей руке, в нечто по крайней мере в 10 ООО ООО ООО
ООО ООО ООО ООО ООО раз большее. Теория инфляции объясняет появление во
Вселенной ряби и завихрений, которые сделали наш мир таким, как мы его знаем.
Без них не возникло бы сгустков материи, а значит и звезд, и были бы только
газ и вечная тьма.
Согласно теории Гута, За одну десятимиллионно триллионно триллионно трилли-
онную секунды возникла гравитация. Еще через один смехотворно короткий период
времени к ней присоединился электромагнетизм, а также сильное и слабое
ядерные взаимодействия - основные игрушки физиков. Мгновением позже к ним
добавились скопления элементарных частиц - игрушки этих игрушек. Совершенно из
ничего вдруг возникли тучи фотонов, протонов, электронов, нейтронов и множество
других частиц в количестве где-то от 1079 до 1089 каждого вида. Примерно так
это описывает общепринятая теория Большого Взрыва.
Представить себе такие огромные числа, конечно, нельзя. Достаточно просто
знать, что в одно шумное мгновение нас одарили такой огромной Вселенной - не
меньше сотни миллиардов световых лет в поперечнике, согласно теории, хотя,
возможно, и намного больших размеров, вплоть до бесконечности - и эта
Вселенная идеально приспособлена для создания звезд, галактик и других сложных
систем.
Что удивительно, с нашей точки зрения, так это то, как удачно все это
обернулось для нас. Если бы Вселенная оказалась немного иной - если бы гравитация
была чуть сильнее или слабее, если бы расширение протекало чуть медленнее или
быстрее, - тогда, возможно, не было бы устойчивых элементов, из которых мы с
вами состоим, и земли, по которой мы ходим. Окажись гравитация немного
сильнее, и Вселенная обрушилась бы внутрь себя, как плохо поставленная палатка,
не достигнув надлежащих размеров, плотности и состава. Но будь гравитация
слабее, не возникло бы конденсаций материи, и Вселенная навсегда осталась бы
унылой рассеянной пустотой.
В этом одна из причин того, почему некоторые специалисты считают, что может
быть множество других Больших Взрывов - возможно, триллионы и триллионы, -
разбросанных по громаде вечности, а мы существуем именно в этой конкретной
Вселенной потому, что можем существовать только здесь8. Как однажды заметил
Эдвард Трайон9 из Колумбийского университета: "В ответ на вопрос, почему это
произошло, я предлагаю скромное соображение, что наша Вселенная - просто одна
Эта идея известна под названием антропного принципа.
9 Эдвард Трайон (Edward Р. Тгуоп) - профессор физики в Хантеровском колледже, специалист по
теории кварков, общей теории относительности и космологии. В 1973 г. выдвинул идею, что
Вселенная является крупномасштабной флуктуацией энергии вакуума.
из таких, которые время от времени появляются". Гут к этому добавляет: "Хотя
рождение Вселенной может быть крайне маловероятным, Трайон подчеркивал, что
никто не считал неудавшихся попыток".
Британский Королевский астроном Мартин Рис считает, что существует
множество, возможно, бесконечное число вселенных - все с разными свойствами в
различных сочетаниях, и что мы просто живем в одной из них, где вещи сочетаются
таким образом, который позволяет нам существовать. Он проводит аналогию с
очень большим магазином одежды: "Если там широкий ассортимент, вас не удивит,
что вы найдете подходящий костюм. Если существует множество вселенных, каждая
из которых управляется своим набором параметров, то среди них будет хотя бы
одна, в которой реализовался особый набор параметров, подходящий для жизни.
Мы находимся в такой Вселенной".
Рис утверждает, что имеется 6 величин, которые в основных чертах определяют
свойства нашей Вселенной, и, если любое из этих значений хотя бы немного
изменилось, дела пошли бы совсем не так, как теперь. Например, для
существования Вселенной в том виде, как она есть, требуется, чтобы водород превращался
в гелий строго определенным и весьма неторопливым способом - а именно, чтобы
при этом семь тысячных долей массы переходили в энергию. Слегка снизьте это
значение - скажем, с 0,007 до 0,006, - и превращения не произойдет: Вселенная
будет содержать только водород и ничего больше. Слегка повысьте его - до
0,008 - и реакции пошли бы так бурно, что водород уже давно закончился бы. В
обоих случаях малейшее изменение значений - и той Вселенной, какую мы знаем и
какая нам нужна, просто не было бы.
Следует сказать, что пока все идет как надо. Но в долгосрочной перспективе
гравитация может оказаться немного сильнее, чем надо; однажды она, возможно,
остановит расширение Вселенной и заставит ее сжиматься, пока снова не втиснет
ее в сингулярность, чтобы, возможно, начать весь процесс заново. С другой
стороны, гравитация может оказаться слишком слабой, и в этом случае Вселенная
будет расширяться вечно, пока все не окажется настолько далеко друг от друга,
что не останется никакой возможности для взаимодействия материи, и Вселенная
станет очень просторным, но инертным и безжизненным местом. Третья
возможность состоит в том, что гравитация окажется идеально настроенной - у
космологов для этого есть термин "критическая плотность", в этом случае тяготение
удержит Вселенную как раз в нужных размерах, чтобы дать возможность
сложившемуся порядку вещей продолжаться вечно10. Космологи в светлые моменты иногда
называют это тонкой подстройкой параметров - имея в виду, что все, дескать,
правильно. (Для сведения: эти 3 возможные вселенные известны соответственно
как закрытая, открытая и плоская.)
А теперь вопрос, который в какой-то момент возникал у каждого из нас: что
будет, если добраться до края Вселенной и, так сказать, высунуть голову за
занавес? Где окажется голова, если она больше не будет во Вселенной? Что мы
увидим за ее пределами? Ответ неутешительный: вы никогда не доберетесь до
края Вселенной. И не потому даже, что добираться туда слишком долго - хотя
это, конечно, так, - а потому, что если бы вы двигались все дальше и дальше
по прямой линии, упрямо и бесконечно долго, то все равно никогда не достигли
бы внешней границы. Вместо этого вы вернулись бы туда, откуда отправились
(тут вы, по-видимому, упали бы духом и отказались от этой затеи). Объясняется
это тем, что Вселенная изгибается особым образом, который невозможно как
следует представить, в соответствии с теорией относительности Эйнштейна (о ней
В случае критической плотности Вселенная тоже будет бесконечно расширяться и, в конце
концов , опустеет. Но это будет происходить медленнее, чем в модели со слабой гравитацией.
Статической модели Вселенной, которая бы перестала расширяться и не стала бы сжиматься,
космология Большого Взрыва не предлагает.
мы в свое время поговорим). А пока достаточно знать, что мы вовсе не плаваем
в каком-то огромном раздувающемся пузыре. Пространство изогнуто таким
образом, что остается безграничным, но конечным11. Строго говоря, неправильно
даже утверждать, что пространство расширяется, потому что, как отмечает лауреат
Нобелевской премии физик Стивен Вайнберг12, "солнечные системы и галактики не
расширяются, и само пространство не расширяется". Галактики скорее
разбегаются. Все это, похоже, бросает вызов интуиции. Или, как однажды замечательно
отметил известный биолог Дж. B.C. Холдейн13: "Вселенная не только более
необычна, чем мы предполагаем; она необычнее, чем мы можем предположить".
Для объяснения кривизны пространства обычно приводится следующая аналогия -
попробовать представить жителя вселенной плоских поверхностей, который
никогда не видел шара, и попал на Землю. Сколько бы он ни брел по поверхности
планеты, он так и не обнаружил бы края. В конце концов, он вернулся бы к тому
месту, откуда начал путь, окончательно сбитым с толку. Так вот, в отношении
космоса мы оказываемся в таком же положении, как и наш озадаченный флэтла-
дец14, только нас приводит в смущение большее число измерений.
Также, какие существует места, где можно найти край Вселенной, нет и
центра , где можно встать и сказать: "Вот отсюда все началось. Вот самый центр
всего сущего". Мы все в центре всего этого. Хотя, в действительности, мы не
знаем этого наверняка; не можем доказать математически. Ученые просто исходят
из того, что мы не можем быть центром Вселенной - вы только вообразите себе,
что бы это означало, - и потому явления должны быть одинаковыми для всех
наблюдателей во всех местах. И все же точно мы этого не знаем.
Для нас Вселенная простирается на расстояние, которое покрыл свет за
миллиарды лет со времени ее образования. Эта видимая Вселенная - Вселенная,
которую мы знаем и о которой можем говорить, - имеет в поперечнике порядка
миллиона миллионов миллионов миллионов (1 ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО =
1024) километров. Но согласно большинству теорий, Вселенная в целом - метав-
селенная , как ее иногда называют - еще намного просторнее. Рис считает, что
число световых лет в обхвате этой большей, незримой Вселенной выражалось бы
не "десятью нулями, даже не сотней нулей, а миллионами". Словом, пространство
намного больше, чем вы можете представить, не утруждая себя попытками достичь
чего-то еще более потустороннего.
Долгое время теория Большого Взрыва имела один бросающийся в глаза пробел,
беспокоивший множество людей, а именно, она не могла объяснить, как здесь
оказались мы. Хотя 98% существующей материи создано Большим Взрывом, эта
материя состояла исключительно из легких газов: гелия, водорода и лития, о чем
мы уже упоминали. Ни одной частицы тяжелых элементов, так необходимых для
нашего существования - углерода, азота, кислорода и всех остальных, - не
возникло из газового котла творения. Однако - и в этом состоит затруднение, -
чтобы выковать эти тяжелые элементы, требуется тепло и энергия, сравнимые с
самим Большим Взрывом.
Конечность означает, что объем Вселенной можно выразить неким пусть и очень большим, но
конечным числом. Конечной Вселенная будет только в случае Закрытой модели. В открытой и
плоской моделях объем Вселенной бесконечен. В обоих случаях у Вселенной нет края или границы.
Стивен Вайнберг (Steven Weinberg, p. 1933) - американский физик, лауреат Нобелевской премии
1979 г. За разработку теории электрослабого взаимодействия, объясняющего с единых позиций
электромагнетизм и слабые ядерные силы. Автор ряда научно-популярных книг, среди которых
самая известная "Первые три минуты", посвященная рождению Вселенной, была переведена на
русский язык (М., 1981).
Дж. Б. С. Холдейн (J.B.S. Haldane, 1892-1964) - британский генетики эволюционный биолог,
см. гл. 16.
14 Здесь имеется в виду классическая книга "Флэтландия" Эдвина Эббота, в которой описываются
существа, живущие в воображаемом плоском мире.
Но был всего лишь один Большой Взрыв, и он не произвел эти элементы. Тогда
откуда же они взялись? Интересно, что человеком, нашедшим ответ на этот
вопрос, был космолог, который от души презирал теорию Большого Взрыва и само
это название придумал в насмешку над ней.
Вскоре мы поговорим о нем подробнее, но, прежде чем мы вернемся к вопросу о
том, как мы здесь оказались, хорошо бы несколько минут поразмыслить над тем,
где в точности находится это "здесь".
2. ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ
В СОЛНЕЧНУЮ СИСТЕМУ
В наши дни астрономы могут делать самые поразительные вещи. Если бы кто-
нибудь чиркнул на Луне спичкой, они могли бы разглядеть эту вспышку. По самым
незначительным пульсациям отдаленных звезд они могут сделать выводы о
размерах , свойствах и даже о потенциальной обитаемости планет, слишком далеких,
чтобы их разглядеть, - настолько далеких, что понадобилось бы полмиллиона
лет, чтобы попасть туда на межпланетном корабле. Своими радиотелескопами они
могут улавливать излучения настолько слабые, что общее количество энергии,
полученной из-за пределов Солнечной системы, с тех пор как начались
радионаблюдения (в 1951 году) на всех инструментах, взятых вместе, составляет, по
словам Карла Сагана15, "меньше, чем энергия одной упавшей на землю снежинки".
Словом, во Вселенной происходит не так уж много такого, что астрономы не
могли бы при желании обнаружить. Тем более удивительно, что до 1978 года
никто не замечал, что у Плутона есть спутник. Летом того года молодой астроном
Джеймс Кристи из обсерватории военно-морских сил США во Флэгстаффе, штат
Аризона, просматривая фотографические изображения Плутона, вдруг заметил там
что-то еще - что-то размазанное, неясное, но определенно иное, чем сам
Плутон. Посоветовавшись с коллегой, Робертом Харрингтоном, он пришел к выводу,
что это спутник. И не какой-нибудь спутник. Относительно своей планеты он был
самым большим спутником в Солнечной системе.
В действительности, это был своего рода удар по статусу Плутона как
планеты, статусу, который никогда не был особенно твердым. Поскольку место,
занимаемое спутником, и место, занимаемое Плутоном, раньше считалось одним целым,
теперь это означало, что Плутон намного меньше, чем полагали прежде, - даже
меньше Меркурия. Мало того, в Солнечной системе 7 спутников, включая нашу
Луну, превосходят Плутон по размеру.
Естественно, возникает вопрос, почему в нашей собственной Солнечной системе
так долго не могли найти этот спутник. Ответ связан отчасти с тем, куда
астрономы нацеливают свои инструменты, отчасти с тем, для каких целей они
сконструированы, а отчасти с особенностями самого Плутона. Но главное - это куда
направлены инструменты. По словам астронома Кларка Чапмана16: "Большинство
людей думает, что астрономы приходят по ночам в обсерватории и разглядывают
небо. Это не так. Почти все имеющиеся в мире телескопы предназначены вгляды-
15 Карл Эдуард Саган (Carl Edward Sagan, 1934-1996) - американский астроном, астробиолог и
выдающийся популяризатор науки, автор нескольких десятков книг, среди них "Космос" (русский
перевод изд. "Амфора", СПб. , 2004) , по которой телекомпанией PBS был снят одноименный
научно-популярный сериал. Благодаря его усилиям были начаты научные исследования по поиску жизни
и разума во Вселенной. В частности, он был учредителем Планетарного общества, которое
осуществляет программу SETI.
Кларк Чапман (Clark Chapman) - американский планетолог, специалист по астероидам и ударным
кратерам в Солнечной системе. Автор ряда научно-популярных книг, в числе которых
"Космические катастрофы", и большого количества научно-популярных статей. Член комитета ООН по
астероидной опасности и рабочей группы Международного астрономического союза по сближающимся с
Землей астероидам.
ваться в крошечные участки неба, чтобы увидеть вдали квазар, или охотиться за
черными дырами, или подробно рассмотреть отдаленную галактику. Единственная
существующая сеть телескопов, сканирующих небо, сконструирована и построена
военными"17.
Мы избалованы рисунками художников и представляем себе четкость и
разрешение снимков такими, каких на самом деле в астрономии нет. Плутон на снимке
Кристи тусклый и размытый, как клочок космической ваты, а его спутник совсем
не похож на романтически подсвеченный, резко очерченный шар, какой вы увидели
бы на рисунке в National Geographic, скорее это еле заметный невнятный намек
на еще одно мутное пятнышко. Оно было до того неотчетливым, что понадобилось
еще семь лет, чтобы хоть кто-то снова нашел спутник и тем самым независимо
подтвердил его существование.
Занятно, что Кристи сделал свое открытие во Флэгстаффе, ибо именно здесь в
1930 году был впервые обнаружен сам Плутон. Это значительное для астрономии
событие в значительной мере является заслугой астронома Персиваля Лоуэлла.
Лоуэлл, происходивший из одной из старейших и богатейших бостонских семей
(той самой, о которой поется в известной песенке, что Бостон - это родина
бобов и чудаков, где Лоуэллы разговаривают только с Кэботами, а Кэботы только с
Богом), финансировал создание знаменитой обсерватории, носящей его имя, но
самую неизгладимую память о себе он оставил благодаря гипотезе о том, что
Марс покрыт каналами, построенными трудолюбивыми марсианами, с целью
переброски воды из районов полюсов к засушливым, но плодородным землям ближе к
экватору18 .
Второе твердое убеждение Лоуэлла состояло в том, что где-то за Нептуном
должна существовать еще неоткрытая девятая планета, окрещенная планетой X. В
своем убеждении Лоуэлл исходил из неправильностей, которые он обнаружил в
орбитах Урана и Нептуна, и посвятил последние годы жизни попыткам отыскать
газовый гигант, который, как он был уверен, там находился. К несчастью, в 1916
году Лоуэлл скоропостижно скончался, отчасти из-за подорвавших его здоровье
упорных поисков. Поиски прервались, а наследники Лоуэлла перессорились из-за
его имущества. Однако в 1929 году, отчасти для того, чтобы отвлечь внимание
от эпопеи с марсианскими каналами - к тому времени она уже серьезно пятнала
репутацию, - правление Лоуэлловской обсерватории решило возобновить поиски и
наняло для этого молодого канзасца Клайда Томбо.
Томбо формально не имел астрономического образования, но отличался
старательностью и сметливостью, и после года терпеливых поисков ему, наконец,
удалось обнаружить Плутон - еле видимую светлую точку среди сверкающих россыпей
звезд. Это была удивительная находка, тем более поразительная, что
представления Лоуэлла о занептуновой планете оказались полностью ошибочными. Томбо
сразу увидел, что новая планета совсем не похожа на огромный газовый шар, о
котором говорил Лоуэлл, - но все оговорки о природе новой планеты, которые
высказывал сам Томбо или кто-то другой, тут же отметались прочь в
сенсационной горячке, сопровождавшей любую важную новость в тот легко поддающийся
возбуждению век. Это была первая открытая американцем планета, и никто не хотел
думать о том, что вообще-то это всего лишь далекая от нас ледышка. Ее назвали
На самом деле многие обсерватории работают над составлением так называемых обзоров неба в
разных диапазонах излучения. Обычно для этого строится специальный телескоп, который
систематически, квадрат За квадратом, снимает все доступное наблюдениям небо. Но такие обзоры
обычно Занимают много месяцев, а иногда и лет. Только в последнее время стали строить сети
широкоугольных автоматических телескопов, которые смогут осматривать все ночное небо За
несколько суток.
18 Лоуэлл сам активно вел наблюдения в обсерватории. Хотя каналы на Марсе "обнаружил" не он, а
итальянский астроном Джованни Скиапарелли, именно Лоуэлл прочно увязал их с фантастическими
марсианами. Впоследствии, однако, не удалось обнаружить не только марсиан, но и каналы.
Плутоном, отчасти, по крайней мере, потому, что первые две буквы составляли
монограмму из инициалов Лоуэлла. Лоуэлла повсюду посмертно прославляли как
величайшего гения, а Томбо был почти забыт, о нем помнили только в среде
астрономов, изучающих планеты, которые глубоко его уважают.
Некоторые астрономы по-прежнему считают, что где-то там, возможно,
существует и планета X - настоящая громадина, возможно, в десять раз больше
Юпитера, но она так далека от нас, что пока остается невидимой. (Она получала бы
так мало солнечного света, что ей было бы почти нечего отражать) . Есть
мнение, что она может оказаться не обычной планетой, вроде Юпитера и Сатурна, -
для этого она находится слишком далеко, поговаривают о величинах около 7
трлн. км, - а скорее подобна недоделанному Солнцу. Большинство звездных
систем в космосе являются двойными (состоящими из двух звезд), и это делает наше
одинокое Солнце немного странным.
Что касается самого Плутона, то никто точно не знает, каковы его размеры19,
из чего он состоит, какая у него атмосфера и что он вообще собой
представляет . Многие астрономы считают, что это вовсе не планета, а всего лишь самый
крупный объект, найденный до сих пор в зоне космических обломков, известной
как пояс Койпера20. На самом деле пояс Койпера был теоретически предсказан в
1930 году астрономом Ф.С. Леонардом, однако он носит имя работавшего в
Америке голландца Джерарда Койпера, который развил эту идею. Пояс Койпера служит
источником так называемых короткопериодических комет - тех, которые
появляются сравнительно регулярно. Самая известная среди них - комета Галлея. Ведущие
более уединенный образ жизни долгопериодические кометы (среди них недавние
гостьи кометы Хейла-Боппа и Хиякутаке) появляются из намного более далекого
облака Оорта, о котором разговор еще впереди.
Несомненно, Плутон ведет себя не совсем так, как другие планеты. Он не
только маленький и тусклый, но также настолько непостоянен в своих движениях,
что никто точно не скажет, где Плутон будет находиться через столетие21.
Тогда как орбиты других планет находятся более или менее в одной плоскости,
орбита Плутона наклонена на 17 градусов подобно щегольски сдвинутой набекрень
шляпе. Его орбита настолько необычна, что на каждом обороте своего одинокого
кружения вокруг Солнца он заметное время находится к нам ближе, чем Нептун.
Большую часть 1980-х и 1990-х годов именно Нептун был самой отдаленной
планетой Солнечной системы. Только 11 февраля 1999 года Плутон вернулся во внешний
ряд, где проведет теперь 228 лет.
Так что даже если Плутон действительно планета, то определенно весьма
странная. Совсем крошечная: ее масса составляет всего четверть процента массы
Земли. Если положить Плутон на территорию Соединенных Штатов, то он не займет
и половины площади сорока восьми южных штатов. Одно это является крайней
аномалией ; значит, наша планетная система состоит из четырех внутренних твердых
планет, четырех внешних газовых гигантов и крошечного одинокого ледяного
шарика . Однако есть все основания полагать, что в той части пространства мы
скоро начнем находить другие, еще более крупные ледяные шары. И тогда у нас
возникнут проблемы. После того как Кристи обнаружил спутник Плутона,
астрономы стали активнее разглядывать этот сектор космоса, и к началу декабря 2002
Размеры Плутона на сегодня определены довольно точно. Его диаметр составляет 2306 +/- 20
км.
В 2005 году группа астрономов под руководством Майкла Брауна обнаружила в поясе Койпера
объект, получивший предварительное обозначение 2003 UB 313, который превосходит по размерам
Плутон. Это открытие еще более обострило вопрос о планетном статусе Плутона и в итоге после
длительных споров привело к лишению его статуса планеты. Это произошло 24 августа 2006 г.
21 Орбита Плутона хорошо определена, и для астрономов не составляет труда рассчитать его
движение на тысячи лет в прошлое и в будущее.
года нашли еще более 600 транснептуновых объектов, или плутино , как их еще
называют. Один из них, названный Варуной, почти такого же размера, как
спутник Плутона. Теперь астрономы считают, что число таких объектов может
составлять миллиарды. Трудность в том, что многие из них крайне темные. Как
правило, их альбедо, то есть отражающая способность, составляет всего 4%, примерно
как у куска древесного угля. К тому же эти куски угля находятся от нас на
расстоянии более 6 млрд. км.
А как, в сущности, это далеко? Да почти не поддается воображению. Видите
ли, пространство просто громадно, если не сказать чудовищно. Чтобы осознать
это, да и просто ради развлечения, представьте, что мы собираемся совершить
путешествие на ракетном корабле. Мы полетим не очень далеко - всего лишь до
края нашей Солнечной системы, - просто чтобы определиться, насколько велик
космос и какую малую его часть занимаем мы.
Теперь плохая новость: боюсь, что к ужину мы домой не вернемся. Даже при
скорости света (300 ООО км/ сек), чтобы попасть на Плутон, потребовалось бы 7
часов23. Но мы, конечно, не можем путешествовать с такой скоростью. Придется
лететь со скоростью межпланетного корабля, а это гораздо медленнее. Самая
высокая скорость, достигнутая пока созданными человеком предметами, это
скорость космических аппаратов "Вояджер-1" и "Вояджер-2", которые сейчас улетают
от нас со скоростью 56 ООО км/час24.
Основанием для запуска "Вояджеров" именно в те сроки (август и сентябрь
1977 года) послужило то, что Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун выстроились тогда
так, как бывает только раз в 175 лет. Это позволило обоим "Вояджерам"
использовать технику гравитационных маневров, когда аппарат поочередно перелетает
от одного газового гиганта к другому, будто подстегиваемый космическим
кнутом . Но даже при этом им потребовалось девять лет, чтобы достичь Урана, и
двенадцать, чтобы пересечь орбиту Плутона. А хорошая новость заключается в
том, что если мы подождем до января 2006 года (когда предварительно намечен
Запуск к Плутону аппарата НАСА "Новые Горизонты"), то сможем воспользоваться
благоприятным расположением Юпитера плюс определенными успехами в области
техники и попадем туда где-то за 10 лет25 - хотя, боюсь, возвращаться домой
придется значительно дольше. Короче, в любом случае путешествие выйдет
довольно долгим.
Итак, первое, что вы, вероятно, уяснили, так это то, что космос весьма
удачно назван (одно из значений английского "space" - пустое место. - Прим.
перев.) и ужасно беден событиями. Наша Солнечная система, пожалуй, самое
оживленное место на триллионы миль вокруг, однако все, что мы видим в ней -
Солнце, планеты со спутниками, миллиард или около того кувыркающихся камней
пояса астероидов, кометы и разные другие плавающие обломки, - занимает менее
одной триллионной части имеющегося пространства. Вы также легко поймете, что
ни на одной из встречавшихся вам карт Солнечной системы масштаб даже
отдаленно не соответствует реальному. На большинстве школьных схем планеты
изображены рядом, вплотную одна к другой - на многих иллюстрациях планеты-гиганты
даже отбрасывают друг на друга тени, - но это неизбежный обман, дабы поместить
их все на одном листе бумаги. В действительности Нептун расположен не чуть
Название "плутино" не прижилось. В настоящее время Международный астрономический союз
рекомендовал использовать термины "карликовая планета" для объектов сферической формы,
недотягивающих до статуса планеты, и "малое тело Солнечной системы" для всех остальных объектов.
23 В Зависимости от положения Плутона на орбите свет идет до него от 4 до 7 часов. Сейчас этот
путь Занимает около 4,5 часа.
"Вояджер-1" движется относительно Солнца со скоростью более 61,6 тыс. км/ч (17,1 км/с).
Скорость "Вояджера-2" на 5 тыс.км/ч (1,4 км/с) меньше.
25 Зонд "Новые Горизонты" был успешно Запущен 19 января 2006 года. Он достигнет Юпитера в
феврале 2007 года, а Плутона - летом 2015 года.
позади, а далеко позади Юпитера - в пять раз дальше, чем сам Юпитер от нас,
так далеко, что получает лишь 3% солнечного света, получаемого Юпитером.
Расстояния эти таковы, что на практике невозможно изобразить Солнечную
систему с соблюдением масштаба.
Даже если сделать в учебнике большую раскладывающуюся вклейку или просто
взять самый длинный лист бумаги для вывесок, этого все равно будет
недостаточно. Если на масштабной схеме Солнечной системы Землю изобразить размером с
горошину, Юпитер будет находиться на расстоянии 300 м, а Плутон в 2,5 км (и
будет размером с бактерию, так что в любом случае вы не сможете его
разглядеть26) . В том же масштабе ближайшая звезда, Проксима Центавра, будет
находиться в 16 ООО км от нас. Если даже вы ужмете все до такой степени, что
Юпитер станет размером с точку в конце этого предложения, а Плутон не больше
молекулы27, то и в этом случае Плутон будет находиться на расстоянии больше
десяти метров.
Так что Солнечная система действительно огромна. Когда мы достигнем
Плутона, то окажемся так далеко, что Солнце - наше родное, теплое, дающее нам
загар и жизнь солнышко - сожмется до размера булавочной головки. Немного больше
яркой звезды . В такой навевающей тоску пустоте вы начнете понимать, почему
даже весьма значительные предметы, например спутник Плутона, ускользали от
внимания. В этом смысле Плутон не одинок. До полета "Вояджеров" считалось,
что у Нептуна два спутника; "Вояджер" нашел еще шесть. Когда я был
мальчишкой, считалось, что в Солнечной системе имеется тридцать спутников. Теперь их
насчитывается, по меньшей мере 90, примерно треть из них обнаружена за
последние 10 лет. Отсюда следует, что когда мы судим о Вселенной в целом, надо
помнить, что мы по существу не знаем, что происходит в нашей собственной
Солнечной системе.
А теперь еще одна вещь, которую следует учесть: пролетая мимо Плутона, мы
лишь пролетаем мимо Плутона. Если заглянете в план полета, то увидите, что
его цель - путешествие к краю Солнечной системы, но боюсь, что мы еще не
добрались до него. Плутон может быть последним объектом, отмеченным на школьных
схемах, но сама система здесь не кончается. На самом деле ее конца еще даже
не видно. Мы не доберемся до края Солнечной системы, пока не пройдем сквозь
облако Оорта, огромное царство кочующих комет, а мы не достигнем облака Оорта
раньше, чем - прошу прощения - через 10 тысяч лет. Плутон отмечает всего лишь
одну 50-тысячную пути, а вовсе не край Солнечной системы, как бесцеремонно
указывается на школьных схемах29.
У нас, конечно, нет шансов совершить такое путешествие. Даже поездка в 386
000 км до Луны пока еще довольно сложное предприятие. Полет людей на Марс, к
которому в краткий момент головокружения призывал президент Буш, потихоньку
отложили в сторону, когда кто-то подсчитал, что он обойдется в 450 млрд.
долларов и возможно кончится гибелью всего экипажа (их ДНК разнесло бы в клочья
солнечными частицами высокой энергии, от которых они не могли бы защититься).
Исходя из того, что мы теперь знаем и можем вообразить, оставаясь в преде-
На самом деле Плутон примерно в 5,5 раза меньше Земли. Так что в описанном масштабе он
будет размером около миллиметра.
В этом масштабе размер Плутона будет около 5 микронов. Это размер крупной бактерии и во
много тысяч раз больше размеров молекул.
28 В действительности Солнце на Плутоне Значительно ярче полной Луны на Земле. При его свете
вполне можно читать.
Поскольку облако Оорта остается гипотетическим объектом, астрономы обычно склонны считать
границей Солнечной системы так называемую гелиопаузу - область, где солнечный ветер, поток
Заряженных частиц, испускаемых Солнцем, сталкивается с межзвездной средой и перемешивается с
ней. Расстояние до гелиопаузы примерно вдвое больше, чем до Плутона, и космические станции
"Вояджер" как раз сейчас к ней приближаются.
лах разумного, нет абсолютно никаких шансов, что человек когда-либо достигнет
края Солнечной системы. Это просто слишком далеко. В нынешних условиях даже с
помощью телескопа Хаббла нельзя увидеть облако Оорта, так что мы, по
существу, не знаем, что там находится. Его существование весьма вероятно, но
остается лишь гипотезой. (Правильнее было бы называть его облаком Епика-Оорта.
Эстонский астроном Эрнст Епик выдвинул эту гипотезу в 1932 году, а
голландский астроном Ян Оорт восемнадцать лет спустя уточнил расчеты.)
Все, что можно с уверенностью сказать об облаке Оорта, так это то, что оно
начинается где-то за Плутоном и тянется примерно на два световых года в
космос. Основной мерой длины в Солнечной системе является астрономическая
единица , обозначаемая а.е., которая соответствует расстоянию от Солнца до Земли.
Плутон находится от нас примерно в 40 а.е., сердцевина облака Оорта -
приблизительно в пятидесяти тысячах. Словом, далековато.
Но давайте снова представим, что мы добрались до облака Оорта. Первое, что
вы заметите, - здесь царит полное спокойствие. Мы забрались очень далеко -
так далеко, что даже наше Солнце не является самой яркой звездой на
небосводе30 . Поразительно, что такой крошечный далекий огонек обладает достаточной
силой тяготения, чтобы удерживать на орбите все эти кометы. Эти узы не очень
крепкие, так что кометы плывут величаво, со скоростью всего несколько сотен
километров в час. Время от времени одна из этих одиноких комет сходит со
своей обычной орбиты под действием какого-нибудь слабого гравитационного
возмущения - возможно, от пролетающей мимо звезды. Иногда их выбрасывает в пустоту
космического пространства, и мы их уже никогда больше не увидим, но порой они
переходят на вытянутую орбиту вокруг Солнца. Ежегодно через внутренние
области Солнечной системы пролетают 3-4 такие долгопериодические кометы31. Изредка
эти случайные гостьи врезаются во что-то твердое, вроде Земли... Так вот
зачем мы здесь оказались! Комета, на которую мы прилетели посмотреть, только-
только начала свое долгое падение к центру Солнечной системы. Она
направляется - подумать только! - к городку Мэнсон, штат Айова. Ей еще долго добираться
сюда - по меньшей мере, три-четыре миллиона лет, - так что пока оставим ее в
покое и вернемся к ней позже.
Итак, это наша Солнечная система. А что там еще, за пределами Солнечной
системы? Ничего и вместе с тем очень много - это зависит от того, как
посмотреть .
В краткосрочном плане там нет ничего. Самый глубокий вакуум, когда-либо
создававшийся людьми, не так пуст, как межзвездное пространство. И вам
предстоит преодолеть порядочное количество этого "ничего", пока вы не доберетесь
до следующего кусочка чего-нибудь. Наша ближайшая соседка по космосу, Прокси-
ма Центавра, входящая в состав тройной звезды, известной как альфа Центавра,
находится от нас на расстоянии 4,3 светового года, пустяк по масштабам
Галактики, однако это в 100 млн. раз дальше Луны. Чтобы добраться туда
межпланетному кораблю, потребовалось бы не меньше 25 тысяч лет, и если бы вы даже
совершили это путешествие, то все равно не нашли бы ничего, кроме одинокой
кучки звезд посреди безграничной пустоты. Чтобы добраться до следующей заметной
вехи, Сириуса, понадобится преодолеть еще 4,6 светового года32. И так будет и
Расчеты показывают, что в пределах гипотетического облака Оорта Солнце все-таки остается
самой яркой Звездой. По блеску оно будет сравнимо с планетами Венерой и Юпитером, как они
видны на Земном небе.
Имеются в виду кометы, доступные для любительских наблюдений. На самом деле каждый год
регистрируются сотни долгопериодических и непериодических комет. Большинство из них проходят
так близко от Солнца, что полностью разрушаются его теплом. Такие кометы регистрируются
космической солнечной обсерваторией SOHO, которая постоянно следит За ближайшими окрестностями
Солнца.
Строго говоря, Сириус - это пятая по удаленности от Солнца Звезда, просто более близкие
дальше, если вы захотите мотаться по космосу от звезды к звезде. Только на
то, чтобы достичь центра нашей Галактики, потребуется больше времени, чем
существует человеческий род.
Космос, позвольте мне повторить, это нечто чудовищно огромное. Среднее
расстояние между звездами составляет более 30 миллионов миллионов километров.
Даже при скоростях, приближающихся к скорости света, это фантастически далеко
для любого странствующего индивидуума. Разумеется, возможно, что внеземные
существа преодолевают миллиарды миль, чтобы позабавиться, выделывая круги на
засеянных полях в Уилтшире или до смерти пугая бедного парня, едущего в
грузовичке по пустынной дороге где-нибудь в Аризоне (в конце концов, и у них
должны быть озорные подростки), но это все же представляется крайне
маловероятным.
Правда, статистически вероятность того, что где-то там есть мыслящие
существа, вполне приличная. Никто не знает точно, сколько Звезд в Млечном Пути -
оценки варьируются от сотни миллиардов до, возможно, четырехсот миллиардов, а
ведь Млечный Путь - лишь одна из 140 млрд. галактик33, многие из которых даже
больше нашей. В 1960-х годах профессор Корнелльского университета Фрэнк
Дрейк, взволнованный такими чудовищными цифрами, вывел знаменитую формулу для
вычисления вероятности существования в космосе высокоразвитой жизни в виде
серии перемножаемых вероятностей.
По формуле Дрейка, число звезд в избранном районе Вселенной вы умножаете на
долю звезд, которые могут иметь планетные системы; затем умножаете это на
долю планетных систем, теоретически способных поддерживать жизнь; умножаете на
долю тех из них, где возникшая жизнь порождает разум, и так далее. При каждом
из этих умножений числа колоссально сокращаются - но даже при самых
консервативных исходных данных количество развитых цивилизаций в одном только Млечном
Пути неизменно исчисляется миллионами34.
Какая интересная, захватывающая мысль! Мы, возможно, лишь одна из миллионов
развитых цивилизаций. К сожалению, космическое пространство настолько
обширно , что среднее расстояние между любыми двумя из этих цивилизаций составляет,
согласно расчетам, по крайней мере, 200 световых лет - легче сказать, чем
представить. Начать с того, что даже если эти существа знают о нас и каким-то
образом способны разглядывать нас в свои телескопы, они наблюдают свет,
покинувший Землю 200 лет назад. Так что они видят не нас с вами. Они наблюдают
Французскую революцию, Томаса Джефферсона, особ в шелковых чулках и
напудренных париках - людей, не знающих, что такое атом или ген, получающих
электричество, натирая куском меха янтарную палочку, и считающих это весьма хитрым
фокусом. Любое послание, которое мы получим от этих наблюдателей, вероятно,
будет начинаться с обращения "Достопочтенный сэр" и будет содержать
поздравления по поводу стати наших лошадей и умелого освоения китового жира. 200
световых лет - это настолько далеко для нас, что, попросту говоря, за
пределами нашего понимания.
Так что даже если мы не одиноки в принципе, на практике мы в любом случае
пребываем в одиночестве. Карл Саган подсчитал, что подходящих планет во
Вселенной где-то около 10 миллиардов триллионов - число, которое не укладывается
Звезды (кроме альфы Центавра) не видны невооруженным глазом. Расстояние от Солнца до Сириуса
- 8,6 св. г., а от Проксимы Центавра до него будет даже дальше - 9,3 св. г., - поскольку они
находятся в разных направлениях от Солнца.
33 « «
Количество галактик в видимой части Вселенной известно еще менее точно. Есть основания
полагать , что их более триллиона.
34 Специалисты очень сильно расходятся в оценке вероятностей, входящих в формулу Дрейка. У
одних действительно получаются миллионы цивилизаций в Галактике, а у других выходит, что наша
цивилизация едва ли не единственная. Научных данных пока недостаточно, чтобы разрешить этот
спор.
в голове. Но что совсем не поддается воображению, так это размеры
пространства, по которому они разбросаны. "Если бы нас случайным образом выбросило где-
то в Космосе, - пишет Саган, - шансы оказаться на поверхности планеты или
вблизи нее не превысили бы одного к миллиарду триллионов триллионов". (Это
означает 1033, или единицу с 33 нулями.) "Планеты поистине бесценны".
Вот почему, возможно, хорошей новостью является официальное признание в
феврале 1999 года Плутона планетой со стороны Международного астрономического
союза. Вселенная - огромное пустынное место. Нас устроит любой сосед35.
3. ВСЕЛЕННАЯ
ПРЕПОДОБНОГО ЭВАНСА
Когда небо чистое и Луна не слишком яркая, преподобный Роберт Эванс,
спокойный неунывающий мужчина, тащит громоздкий телескоп на заднюю веранду
своего дома в Голубых горах Австралии, примерно в 80 км от Сиднея, и предается
необычному занятию. Он вглядывается в глубины прошлого и находит умирающие
звезды.
Вглядываться в прошлое, конечно, самая простая часть дела. Взгляните на
ночное небо, и перед вами предстанет история, множество историй - не такие
звезды, какие они есть сейчас, а такие, какими они были, когда их покинул
дошедший до нас теперь свет. Откуда нам знать, цела ли наша верная спутница,
Полярная звезда, не сгорела ли она дотла в январе прошлого года, или в 1854
году, или в любое время с начала четырнадцатого века, и просто эта новость
еще не дошла до нас. Самое большее, что мы можем - всегда можем - утверждать,
что она еще светила в этот день 680 лет назад. Звезды умирают все время. Что
получается у Боба Эванса лучше всех, кто пробовал этим заниматься36, так это
засекать моменты звездных прощаний.
Днем Эванс - добродушный и теперь почти отошедший от дел священник
Объединенной церкви Австралии, иногда подменяющий коллег, и изучающий историю
религиозных движений XIX века. Но вот по ночам он становится скромным титаном
небес. Он охотится за сверхновыми звездами.
Сверхновая появляется, когда какая-нибудь гигантская звезда, намного больше
нашего Солнца, коллапсирует, а затем эффектно взрывается, в один момент
высвобождая энергию сотни миллиардов солнц, и некоторое время горит ярче всех
звезд в своей галактике, вместе взятых. "Это подобно одновременному взрыву
триллиона водородных бомб", - говорит Эванс. По его словам, если бы взрыв
сверхновой произошел в нашем уголке космоса, нам бы был конец. "Он бы
испортил все представление", - жизнерадостно заключает астроном. Но Вселенная
безбрежна и сверхновые обычно слишком далеко, чтобы причинить нам вред. На самом
деле большинство их так невообразимо далеки, что свет от них доходит до нас
лишь в виде едва заметного мерцания. Примерно в течение месяца, пока они
видны, они отличаются от других звезд только тем, что занимают на небе место,
которое не было заполнено прежде. И вот эти аномальные, очень редко появляю-
В 2006 году дискуссия о статусе Плутона приобрела иной оборот. Большинство астрономов уже
давно признавали, что Плутон ничем принципиально не отличается от других объектов пояса
Клипера . Последнее десятилетие статус планеты сохранялся За ним исключительно по традиции.
Международный астрономический союз, отвечающий За номенклатуру космических объектов, дважды
назначал комиссии, которые должны были разработать формальное определение планеты. Астрономы
стремились, с одной стороны, дать физически обоснованное определение, а с другой - не
нарушать традицию, признающую Плутон планетой. Однако обе комиссии не смогли справиться с этой
Задачей, и в итоге, на 26 Генеральной ассамблее MAC было принято определение, согласно
которому Плутон не является планетой. Наряду с еще несколькими объектами пояса Койпера и
астероидом Церерой он отнесен теперь к категории карликовых планет.
Речь, конечно, идет о первенстве среди астрономов-любителей.
щиеся крошечные точки отыскивает на полном звезд ночном небосводе преподобный
Эванс.
Чтобы понять, какое это мастерство, представьте обычный обеденный стол,
покрытый черной скатертью с рассыпанной по ней горстью соли. Рассеянные по
скатерти крупинки соли можно принять за галактику. Теперь вообразите 1,5 тысячи
таких столов - достаточно, чтобы выстроить их в ряд длиной три километра, - и
на каждом наугад рассыпана соль. Добавьте крупинку соли на один из этих
столов и дайте возможность Бобу Эвансу пройти вдоль них. Он отыщет ее с первого
взгляда. Эта крупинка и есть сверхновая37.
Эванс обладает до того исключительным талантом, что Оливер Сакс38 в книге
"Антрополог на Марсе" упоминает о нем в главе, посвященной аутизму среди
крупных ученых, и сразу добавляет: "Нет никаких признаков того, чтобы он
страдал аутизмом". Эванс, никогда не встречавшийся с Саксом, смеется над
предположениями о том, что он ученый или страдает аутизмом, но он не в
состоянии объяснить, откуда у него этот талант.
"Просто у меня есть способность запоминать звездные поля", - говорил он
мне, как бы оправдываясь, когда я посетил его и его супругу Элейн в их,
словно вышедшем из детской книжки с картинками, домике на тихой окраине деревни
Хейзелбрук, где кончается Сидней и начинается бескрайний австралийский буш.
"Я не очень силен в других вещах, - добавляет он. - Плохо запоминаю имена".
"И забывает, где оставил вещи", - кричит с кухни Элейн.
Он согласно кивает и, широко улыбаясь, спрашивает, не хотел бы я посмотреть
телескоп. Я представлял, что позади дома у Эванса настоящая обсерватория -
уменьшенный вариант Маунт Вильсон или Маунт Паломар, с раздвигающимся куполом
и механизированным креслом, манипулировать которым такое удовольствие. А он
повел меня не наружу, а в набитый вещами чулан позади кухни, где держит свои
книги и бумаги, и где на самодельной вращающейся фанерной подставке покоится
его телескоп - белый цилиндр, размером и формой похожий на титан для
кипячения воды. Когда он собирается наблюдать, то в два захода выносит его на
небольшую веранду рядом с кухней. Между выступом крыши и перистыми верхушками
растущих ниже по склону эвкалиптов открывается кусочек неба величиной со щель
почтового ящика, но Эванс утверждает, что ему этого более чем достаточно. И
здесь, когда небо чистое, а Луна не слишком яркая, он отыскивает свои
сверхновые .
Термин "сверхновая" придумал в 1930-х годах запомнившийся своими
чудачествами астрофизик Фриц Цвикки. Родившийся в Болгарии и выросший в Швейцарии,
Цвикки пришел в Калифорнийский технологический институт в 1920-х годах и
сразу выделился сумасбродством и несносным характером. Нельзя сказать, что он
обладал блестящими способностями, а многие коллеги относились к нему как к
"надоедливому паяцу". Будучи страстным приверженцем здорового образа жизни,
он частенько падал на пол в столовой Калтеха или еще где-нибудь на публике и
отжимался на одной руке, демонстрируя свою силу любому, кто был склонен
сомневаться. Он был вызывающе задирист, и со временем его поведение стало
настолько пугающим, что его ближайший коллега Вальтер Бааде, очень мягкий по
характеру человек, не решался оставаться с ним наедине. Среди прочего Цвикки
обвинял Бааде, немца по национальности, в том, что тот нацист, каковым он
никогда не был. По крайней мере, однажды Цвикки угрожал убить Бааде,
работавшего в обсерватории на Маунт Вильсон, если тот появится в кампусе
Калифорнийского технологического института.
На самом деле блеск сверхновой не уступает блеску целой галактики. Так что корректнее
говорить не об одной добавленной крупинке, а о горсти, которая кучкой высыпана на стол.
38 Оливер Вольф Сакс (Oliver Wolf Sacks, p. 1933) - специалист-невролог, адъюнкт-профессор
Медицинской школы Нью-Йоркского университета, автор ряда научно-популярных книг.
Но при всем этом Цвикки был способен на самые поразительные и блестящие
озарения. В начале 1930-х годов он обратился к вопросу, долгое время
волновавшему астрономов: появлению время от времени на небосводе непонятных ярких
точек, новых звезд. Невероятно, но он задал себе вопрос: не может ли
оказаться в основе всего этого нейтрон - субатомная частица, только что открытая в
Англии Джеймсом Чедвиком и бывшая в то время модной новинкой. Его осенила
мысль, что если звезда коллапсирует до плотности, сравнимой с атомным ядром,
то в результате образуется невообразимо компактный объект. Атомы буквально
раздавят друг друга, их электроны вдавятся в ядра, образуя нейтроны.
Получится нейтронная звезда. Представьте миллион увесистых пушечных ядер, сжатых до
размеров игрушечного стеклянного шарика, - и это еще не совсем точное
сравнение. Ядро нейтронной звезды настолько плотно, что одна ложка его вещества
весила бы 90 млрд. кг. Одна ложка! Но это еще не все. До Цвикки дошло, что при
коллапсе такой звезды выделится огромное количество энергии - достаточное,
чтобы произвести величайший взрыв во Вселенной. Он назвал такие взрывы
сверхновыми. Они должны были оказаться - и оказались - крупнейшими событиями в
мироздании .
15 января 1934 года в журнале Physical Review появилось очень краткое
резюме сделанного в предыдущем месяце в Стэнфордском университете сообщения
Цвикки и Бааде. Несмотря на предельную краткость - один абзац в двадцать четыре
строчки, - это резюме содержало огромное количество новых научных сведений: в
нем были первые упоминания сверхновых и нейтронных звезд, убедительно
объяснялся процесс их образования, верно оценивалась сила взрыва, и в заключение,
как дополнительный бонус, взрывы сверхновых увязывались с загадочным новым
явлением, получившим название космических лучей, которые, как незадолго до
того обнаружили, буквально кишат во Вселенной. Эти идеи были революционными,
если не сказать больше. Подтверждения существования нейтронных звезд пришлось
ждать 34 года. Гипотеза о космических лучах, хотя и считающаяся
правдоподобной, пока еще не подтверждена окончательно. В целом это резюме, по словам
астрофизика из Калифорнийского технологического института Кипа Торна, оказалось
"одним из наиболее прозорливых документов в истории физики и астрономии".
Интересно, что Цвикки почти не понимал, почему все эти вещи должны
происходить. Согласно Торну, "он недостаточно хорошо разбирался в законах физики,
чтобы обосновать свои идеи". Цвикки обладал способностью выдвигать масштабные
идеи. Другим - главным образом Бааде - оставалась их математическая доводка.
Цвикки также первым осознал, что во Вселенной остро не хватает видимого
вещества, чтобы удерживать галактики вместе, и что должен существовать какой-то
еще источник гравитационного воздействия - то, что теперь мы называем темной
материей . Он упустил только одну вещь - если нейтронную звезду достаточно
сильно сжать, то она становится настолько плотной, что даже свет не может
освободиться от чудовищного гравитационного притяжения. Получается черная дыра.
К сожалению, большинство коллег до того не любили Цвикки, что его идеи
практически остались без внимания. Когда спустя 5 лет великий Роберт Оппенгей-
мер40 в эпохальной статье обратил внимание на нейтронные звезды, он ни разу
не упомянул о работах Цвикки, хотя тот много лет занимался той же проблемой в
кабинете немного дальше по коридору. Выводы Цвикки относительно темной
материи не привлекали серьезного внимания почти 40 лет. Можно только
предположить, что за это время он выполнил очень много отжиманий.
Поднимая голову к небу, мы видим на удивление малую часть Вселенной. Невоо-
Долгое время использовался термин "скрытая масса" (hidden mass), однако в последние 15-20
лет стал употребляться термин "темная материя" (dark matter).
40 Роберт Оппенгеймер (Robert Oppenheimer, 1904-1967) - американский физик-теоретик, во время
Второй мировой войны руководил Манхэттенским проектом по созданию ядерного оружия.
руженным глазом с Земли видно всего 6 тысяч звезд, и лишь около 2 тысяч из
них можно увидеть за раз. С помощью бинокля количество звезд, видимых из
одной точки, возрастает до 50 тысяч, а с маленьким двухдюймовым телескопом оно
подскакивает до 300 тысяч. С 16-дюймовым телескопом, как у Эванса, счет идет
уже не на звезды, а на галактики. Эванс полагает, что со своей веранды он
может видеть от 50 до 100 тыс. галактик, каждая из десятков миллиардов звезд.
Числа, конечно, внушительные, но все равно сверхновые остаются чрезвычайно
редким явлением. Звезда может гореть миллиарды лет, но умирает всего раз,
причем очень быстро, и лишь немногие умирающие звезды взрываются. Большинство
гаснет тихо, как костер на рассвете. В типичной галактике, состоящей из сотни
миллиардов звезд, сверхновая в среднем вспыхивает раз в 200-300 лет. Поэтому
искать сверхновые - все равно что, стоя на смотровой площадке Эмпайр Стейт
билдинг, разглядывать в телескоп окна Манхэттена в надежде, скажем,
обнаружить, как кто-то зажигает свечи на праздничном торте в день своего
совершеннолетия .
Так что, когда полный надежд обходительный священник стал расспрашивать,
нет ли подходящих звездных карт для поиска сверхновых, астрономическая братия
сочла, что он выжил из ума. В то время у Эванса был 10-дюймовый телескоп -
весьма приличный размер для любительского разглядывания звезд, но вряд ли
пригодный для серьезной космологии, - и с помощью этого инструмента он
намеревался обнаружить одно из самых редких явлений во Вселенной. За всю историю
астрономии, до того как Эванс в 1980 году принялся за это дело, было найдено
менее 60 сверхновых41. (Когда в августе 2001 года я побывал у него, он только
что зафиксировал свое тридцать четвертое визуальное открытие42; тридцать
пятое последовало через 3 месяца, а тридцать шестое - в начале 2003 года.)
У Эванса, правда, были определенные преимущества. Большинство наблюдателей,
как и вообще большинство людей, находится в Северном полушарии, так что
значительная часть неба находилась почти полностью в его распоряжении, по
крайней мере, поначалу. На его стороне также были быстрота и поразительная
память . Большие телескопы - это довольно громоздкие штуки, и значительная часть
их рабочего времени тратится на то, чтобы навести их на нужный объект. Эванс
же вертит своим небольшим, 16-дюймовым телескопом, как хвостовой стрелок
пулеметом в воздушном бою, затрачивая не более пары секунд на тот или иной
участок неба. В результате за вечер он мог отнаблюдать, пожалуй, сотни четыре
галактик, тогда как в большой профессиональный телескоп, если повезет, сможет
обследовать штук 50 или 60.
Искать сверхновые - значит, как правило, их не находить. С 1980 по 1996 год
он в среднем делал два открытия в год - не слишком большая награда за сотни
ночей напряженного вглядывания в небо. Однажды он обнаружил 3 за 50 дней, но
в другой раз прошло 3 года, прежде чем он отыскал одну.
"В сущности, в отсутствии находок есть известная польза, - говорит он. -
Это помогает космологам определить темп эволюции галактик. Это одна из редких
областей, где уже само отсутствие фактов является фактом".
На столе рядом с телескопом стопки фотографий и бумаг, относящихся к его
занятиям, и он показывает мне одну из них. Если вы когда-нибудь заглядывали в
популярные астрономические издания, то должны знать, что они обычно полны
ярких цветных снимков далеких туманностей или чего-либо подобного - залитых
волшебным светом облаков небесных огней, величественно движущихся и
переливающихся тончайшими оттенками. Рабочие изображения Эванса не имеют с ними ни-
В действительности к тому времени уже было открыто более 500 сверхновых, а на сегодня
Зарегистрировано свыше 3,5 тысячи сверхновых.
42 По каталогу открытых сверхновых это было сороковое открытие Эванса, причем первые 16
сверхновых он обнаружил не визуально, а по фотографиям. К июню 2006 года Эванс довел счет до 46.
чего общего. Это всего лишь расплывчатые черно-белые снимки с маленькими
точками, окруженными ореолом. На том, что он мне показал, был изображен рой
звезд, внутри которого притаился пустячный проблеск; чтобы разглядеть его,
мне пришлось поднести снимок к глазам. Это, пояснил мне Эванс, звезда из
созвездия, называемого Печью, в галактике, известной в астрономии как NGC1365.
(NGC означает New General Catalogue - Новый общий каталог, в который занесены
галактики. Когда-то он был увесистой книгой у кого-то на столе в Дублине;
теперь, разумеется, это база данных.) Свет, свидетельствующий о впечатляющей
кончине этой звезды, безостановочно несся сквозь пространство 60 млн. лет,
пока однажды ночью в августе 2001 года не достиг Земли в виде проблеска
света, крошечного просветления на ночном небе. И, разумеется, заметил его Роберт
Эванс на своем напоенном запахом эвкалиптов холме.
"Это приносит особое удовлетворение, - говорит Эванс, - когда думаешь, что
летевший сквозь космос миллионы лет свет достигает Земли как раз в тот
момент, когда кто-то рассматривает нужный участок неба. Кажется важным, чтобы
событие такого размаха было засвидетельствовано".
Роль сверхновых вовсе не ограничивается тем, чтобы вызывать чувство
удивления и восхищения. Они делятся на несколько типов, один из которых, кстати,
открыл Эванс, а другой, известный как сверхновые типа 1а, важен для
астрономии, поскольку сверхновые этого типа взрываются всегда одинаково, имея одну и
ту же критическую массу. Поэтому их можно использовать в качестве
"стандартных свечей" - эталонов, измеряя яркость которых (а тем самым и относительные
расстояния), можно определять скорость расширения Вселенной.
В 1987 году астрофизику Солу Перлмуттеру из Лоуренсовской лаборатории в
Беркли, штат Калифорния, потребовалось больше сверхновых типа 1а, чем давали
обычные визуальные наблюдения, и он задался целью найти более систематичный
метод для их поиска. Перлмуттер разработал остроумную систему с
использованием сложнейших компьютеров и приборов с зарядовой связью43 - по существу,
прекрасные цифровые фотокамеры. Тем самым поиск сверхновых был автоматизирован.
Телескопы теперь могут делать тысячи снимков, давая возможность компьютеру
отыскать характерные яркие точки, свидетельствующие о взрывах сверхновых44.
За 5 лет с использованием новой технологии Перлмуттер с коллегами обнаружили
в Беркли сорок две сверхновых. Теперь даже любители находят сверхновые с
помощью ПЗС-матриц. "С ПЗС можно направить телескоп в небо, а самому сидеть у
телевизора, - с долей тревоги говорил Эванс. - Это уничтожает всю романтику
этого занятия".
Я спросил, не испытывает ли он соблазна взять на вооружение новую технику.
"О нет, - ответил он. - Я слишком люблю работать по-своему. Кроме того, - он
кивнул на снимок своей последней сверхновой и улыбнулся, - иногда мне все же
удается их обойти45".
Естественно, возникает вопрос: что будет, если звезда взорвется поблизости?
Как мы уже знаем, наша ближайшая звездная соседка альфа Центавра находится в
ПЗС-матрицы, аналогичные тем, что используются в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах.
44
До сих пор далеко не все сверхновые удается выявлять на цифровых снимках автоматически.
Человек с этой Задачей справляется гораздо лучше. Именно поэтому Сол Перлмуттер Запустил
проект Hand-On Universe ("Вселенная в руках"), в котором школьники могут принять участие в
поиске сверхновых по снимкам галактик, сделанным крупными телескопами и переданным по
Интернету.
45 Шотландский любитель астрономии Том Боулс (Tom Boles) построил обсерваторию с тремя
телескопами-роботами, которые постоянно сканируют небо в поисках сверхновых. Только в 2003 году
он стал первооткрывателем 30 сверхновых, а всего на его счету 103 взорвавшиеся Звезды. Тем
самым он перехватил у Роберта Эванса Звание чемпиона среди любителей по открытию сверхновых.
В последние годы темы открытий у Боулса снизились из-за конкуренции со стороны
профессиональных обсерваторий.
4,3 светового года от нас. Я представил себе, что если бы произошел взрыв, то
у нас было бы 4,3 года, чтобы следить, как свет этого величественного явления
разливается по небу, словно выплеснувшись из гигантского бидона. Что будет,
если придется четыре года и четыре месяца наблюдать надвигающийся на нас
роковой конец, зная, что, когда он наступит, от нас ничего не останется? Будут
ли люди по-прежнему ходить на работу? Будут ли фермеры выращивать урожай?
Будет ли кто-нибудь доставлять его в магазины?
Много недель спустя в Нью-Гэмпшире, в городке, где я тогда жил, я задал эти
вопросы астроному из Дартмутского колледжа Джону Торстенсену. "О нет, -
рассмеялся он. - Новость о таком событии распространяется со скоростью света, но
с такой же скоростью распространяется и разрушительное действие, так что вы
узнаете о ней и погибнете в один и тот же момент. Но не беспокойтесь, потому
что этого не случится".
Чтобы волна взрыва сверхновой вас погубила, пояснил он, нужно, чтобы вы
находились "смехотворно близко" - скажем, в пределах приблизительно десяти
световых лет. "Опасность представляли бы различные виды излучений - космические
лучи и тому подобное". Они вызвали бы поразительные полярные сияния,
переливающиеся по всему небу занавесы призрачного света. К добру бы это не привело.
Все, что в силах создать такое зрелище, может с тем же успехом смести
магнитосферу - находящийся высоко над Землей магнитный пояс, который в обычных
условиях защищает нас от ультрафиолетовых лучей46 и других космических атак. Не
будь магнитосферы, всякий, с кем случилось несчастье оказаться на открытом
солнце, довольно скоро стал бы похож на подгоревшую пиццу.
Причина, по какой мы можем быть более или менее уверены в том, что такое не
случится в нашем уголке Галактики, говорит Торстенсен, состоит в том, что для
появления сверхновой прежде всего требуется определенный вид звезды.
Претендующая на это звезда-кандидат должна быть раз в 10 или 20 массивнее нашего
Солнца, а "у нас поблизости нет ничего нужных размеров. Вселенная, к счастью,
достаточно большое место". Ближайшая возможная кандидатура, добавил он, это
Бетельгейзе, чьи всевозможные выбросы и всплески на протяжении многих лет
свидетельствуют о том, что там имеют место какие-то интересные
неустойчивости. Однако Бетельгейзе находится от нас в 500 световых годах.
Лишь полдюжины раз в пределах документально засвидетельствованной истории
сверхновые вспыхивали достаточно близко, чтобы быть видимыми невооруженным
глазом. Один из этих взрывов в 1054 году привел к образованию Крабовидной
туманности. Другой раз, в 1604 году, образовалась звезда настолько яркая, что
ее три недели было видно днем. Самая последняя была в 1987 году, тогда
сверхновая загорелась в районе космоса, известном как Большое Магелланово
Облако47, но она была с трудом видна только в Южном полушарии и находилась от нас
на вполне надежном расстоянии в 169 тысяч световых лет.
Сверхновые имеют для нас принципиальное значение и еще в одном важном
смысле. Без них нас бы здесь не было. Вспомните о космологической загадке,
которой заканчивается первая глава, - о том, что Большой Взрыв привел к обилию
легких газов, но не тяжелых элементов. Последние появились позже, но долгое
время никто не представлял, как это произошло. Дело в том, что требуется
нечто действительно жаркое - даже жарче середины самых горячих звезд, - чтобы
выковать углерод, железо и другие элементы, без которых мы были бы, к
великому нашему огорчению, абсолютно бесплотны. Объяснение пришло в виде сверхно-
От ультрафиолета и другого электромагнитного излучения нас Защищает не магнитосфера, а
атмосфера. Магнитосфера Защищает только от Заряженных частиц, причем невысокой энергии (таких,
как испускает Солнце). Однако при близком взрыве сверхновой ни атмосфера, ни магнитосфера не
смогут предохранить Землю от жесткого излучения.
47 . . „
Большое Магелланово Облако - небольшая галактика, спутник нашей Галактики.
вых, и додумался до этого один английский космолог, во многом похожий по
своим манерам на Фрица Цвикки.
Им был йоркширец по имени Фред Хойл. Журнал Nature48 в некрологе (он умер в
2001 году) называет Хойла "космологом и полемистом", и он действительно был
тем и другим. Он, говорилось в некрологе, "большую часть жизни был вовлечен в
споры" и "ставил свою подпись под всяческой чепухой". Например, он утверждал,
без каких-либо доказательств, что хранимый как сокровище в Музее естественной
истории ископаемый археоптерикс является подделкой вроде пилтдаунской
мистификации49, к великому гневу музейных палеонтологов, которым пришлось много
дней отбиваться от телефонных звонков газетчиков со всего мира. Он также
считал, что на Землю из космоса была занесена не только жизнь, но и множество
болезней, таких как грипп и бубонная чума, а однажды высказывал
предположение, что в процессе эволюции у людей появился выступающий вперед нос с
обращенными вниз ноздрями, чтобы в него не падали космические патогенные
организмы.
Именно он, будучи в игривом настроении, во время радиопередачи в 1952 году,
придумал термин "Большой Взрыв". Он отмечал, что наши физические
представления никак не могут объяснить, почему все сущее, собранное в точку, должно так
внезапно и эффектно начать расширяться. Хойл предпочитал теорию стационарного
состояния, по которой Вселенная постоянно расширяется и по мере расширения
непрерывно создает новую материю. Он также понимал, что если звезда
катастрофически сжимается, то она высвобождает огромное количество тепла,
разогревшись до 100 млн. градусов и даже больше, а этого достаточно, чтобы запустить
образование тяжелых элементов - процесс, называемый нуклеосинтезом50. В 1957
году, работая совместно с другими учеными, Хойл показал, как во время взрывов
сверхновых образуются тяжелые элементы. За эту работу один из сотрудничавших
с ним ученых, У.А. Фаулер, получил Нобелевскую премию. А Хойл, к нашему
общему стыду, не получил.
Согласно теории Хойла, взрывающаяся звезда выделяет достаточно энергии для
создания всех новых элементов и распыления их в космосе, где они образуют
газовые облака - межзвездную среду, которая, в конечном счете, конденсируется в
новые солнечные системы. С появлением этих новых теоретических выкладок
стало, наконец, возможным создать правдоподобный сценарий нашего появления
здесь. Теперь считается, что мы знаем следующее.
Около 4,6 млрд. лет назад в том месте космического пространства, где мы
сейчас находимся, образовался и стал сжиматься огромный вихрь газа и пыли
поперечником 24 млрд. км. Почти все - 99,9% массы Солнечной системы - ушло на
создание Солнца. Из оставшегося свободно плавать вещества две
микроскопические частицы сошлись достаточно близко, чтобы быть притянутыми друг к другу
электростатическими силами. Это был момент зачатия нашей планеты. То же самое
происходило по всей зарождающейся Солнечной системе. Сталкивавшиеся частицы
пыли образовывали все более крупные комки. В конце концов, комья выросли до
таких размеров, чтобы называться планетезималями. Без конца сталкиваясь друг
Nature ("Природа") - один из самых престижных научных журналов в мире. Основан в 1869 году
и в отличие от большинства научных журналов не имеет специализации. Считается, что в нем
публикуются прорывные исследования, важные для ученых широкого круга специальностей.
49 В 1908-1911 годах вблизи Пилтдауна в графстве Суссекс, Великобритания, были найдены
фрагменты черепа и челюсти, которые, как долгое время считалось, принадлежали существу,
промежуточному между обезьяной и человеком. Однако в 1950-х годах сотрудники Британского музея
выполнили химические анализы, которые показали, что пилтдаунские образцы являются тонко
сработанной подделкой.
50 Нуклеосинтез - термоядерные реакции, ведущие к образованию ядер тяжелых элементов из
легких, - продолжается на протяжении всей жизни Звезды. Сверхновые лишь разбрасывают его
продукты, а также добавляют к ним небольшое число элементов тяжелее железа.
с другом, они распадались на части и вновь соединялись в самых разнообразных
сочетаниях, но в каждом столкновении был победитель, и некоторые из них
становились достаточно большими, чтобы господствовать на той орбите, по которой
они двигались.
Все это произошло удивительно быстро. Чтобы крошечное скопление частиц
выросло в зародыш планеты поперечником в сотни километров, потребовалось лишь
несколько десятков тысяч лет. Всего за двести миллионов лет, а возможно, и
быстрее, Земля, по сути, полностью сформировалась, хотя и находилась еще в
расплавленном состоянии, подвергалась непрерывной бомбардировке плавающими
кругом остатками строительного мусора.
В этот момент, примерно 4,4 млрд. лет назад, с Землей столкнулся объект
размером с Марс, выбросив достаточно вещества для создания сопутствующего
шара - Луны. Полагают, что выброшенное вещество за несколько недель собралось в
один рыхлый ком, а за год сформировалось в сферическое каменное тело, которое
с тех пор и сопровождает нас. Большая часть лунного вещества происходит из
внешних слоев Земли, а не из ядра, поэтому на Луне так мало железа, тогда как
у нас его много. Кстати, эту теорию всегда преподносят, чуть ли не как самую
новую, тогда как на самом деле она была впервые выдвинута Реджинальдом Дейли
в Гарварде в 1940-х годах. Единственное действительно новое тут - это люди,
которые уделяют ей какое-то внимание. Когда Земля была лишь около трети своих
окончательных размеров, она, возможно, уже стала формировать атмосферу,
главным образом из углекислого газа, азота, метана и серы. Вряд ли это те
вещества, которые у нас ассоциируются с жизнью, и, тем не менее, именно из этого
ядовитого варева образовалась жизнь. Углекислый газ обладает мощными
парниковыми свойствами. Это оказалось очень кстати, потому что в то далекое время
Солнце светило значительно слабее. Не будь парникового эффекта, Земля вполне
могла постоянно оставаться замерзшей, и жизни, возможно, было бы просто не за
что зацепиться. Но, так или иначе, жизни это удалось.
В следующие 500 млн. лет юная Земля по-прежнему неослабно обстреливалась
кометами, метеоритами и всякими другими космическими обломками, которые
принесли воду, чтобы заполнить океаны, и компоненты, необходимые для успешного
возникновения жизни. Окружающая среда была исключительно враждебна, но жизнь
каким-то образом развивалась. Крошечный комочек химических веществ дернулся и
ожил.
4 млрд лет спустя люди стали задавать вопросы, как все это произошло. Об
этом и пойдет дальше наш рассказ.
II.РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ
«Был этот мир глубокой тьмой окутан,
"Да будет свет!" - и вот явился Ньютон».
Александр Поуп. Эпитафия. Предназначалась
сэру Исааку Ньютону51
4 . МЕРА ВЕЩЕЙ
Если бы вам пришлось выбирать самое неудачливое научное путешествие всех
времен, то ничего хуже перуанской экспедиции французской Королевской академии
наук 1735 года вы бы наверняка не нашли. Это была группа ученых и искателей
приключений под руководством гидрографа Пьера Буге и военного-математика Шар-
Перевод Самуила Маршака.
ля Мари де ла Кондамина , которая отправились в Перу проводить
триангуляционные измерения расстояний в Андах. (Триангуляция - выбранный экспедицией
метод измерения - представляла собой распространенный прием, основанный на
известном геометрическом факте: если вы знаете длину одной стороны треугольника
и величины двух его углов, то все остальные его размеры вы можете вычислить,
не вставая со стула. Предположим в качестве примера, что мы с вами решили
узнать расстояние до Луны. Первым делом для применения метода триангуляции мы
должны установить расстояние между нами, скажем, вы остаетесь в Париже, а я
отправляюсь в Москву, и мы оба одновременно смотрим на Луну. Теперь, если вы
мысленно соедините линией три главных объекта нашей задачи - т.е. вас, меня и
Луну, - то образуется треугольник. Измерьте длину базисной линии между вами и
мной и величину обоих углов, а остальное легко вычислить. Поскольку сумма
внутренних углов треугольника всегда составляет 180 градусов, то, зная сумму
двух углов, вы сможете моментально вычислить третий; а точное знание формы
треугольника и длины одной из сторон подскажет вам длину двух других сторон.)
По существу, именно этот способ применил в 150 г. до н.э. греческий астроном
Гиппарх Никейский, чтобы определить расстояние от Земли до Луны. На
поверхности Земли принципы триангуляционной съемки остаются такими же, только
треугольники не достигают космоса, а ложатся бок о бок на карту. Для измерения
градуса меридиана геодезисты строят своего рода цепочку треугольников,
протянувшуюся по местности.)
В то время людьми наконец овладело сильное желание понять Землю -
определить ее возраст, массу, место, где она висит в космическом пространстве, и
узнать, каким образом она возникла. Цель французской группы состояла в том,
чтобы способствовать решению вопроса о длине окружности планеты путем
измерения длины одного градуса меридиана (или одной 360-й расстояния вокруг
планеты) вдоль линии протяженностью около 320 км и проходящей от местечка Яруки,
близ Кито, до точки за городом Куэнкой (все это ныне находится в Эквадоре).
Почти сразу дела не заладились, причем порой вопиющим образом. В Кито
пришельцы чем-то вызвали недовольство местных жителей и были изгнаны из города
вооруженной камнями толпой. Вскоре после этого в конфликте из-за женщины был
убит врач экспедиции. Ботаник сошел с ума. Другие умирали от лихорадки или
погибали от падений в горах. Технический помощник Жан Годен, племянник одного
из руководителей Луи Годена, бежал с 13-летней девочкой, и его не смогли
уговорить вернуться.
Одно время группа должна была прервать работу на восемь месяцев, пока ла
Кондамин ездил в Лиму улаживать вопрос с необходимыми разрешениями. И в
довершение всего ла Кондамин и Буге перестали разговаривать друг с другом и
отказались вместе работать. Где бы ни появлялась эта все сокращающаяся в
размерах экспедиционная партия, должностные лица встречали ее с глубочайшей
подозрительностью, с трудом веря, что группа французских ученых проехала полмира,
чтобы измерить Землю. Это казалось абсолютной бессмыслицей. Даже два с
половиной столетия спустя это сомнение по-прежнему остается уместным. Почему бы
французам не производить свои измерения во Франции и тем самым избавить себя
от забот и неудобств андской авантюры?
Ответ отчасти заключается в том, что в XVIII веке ученые редко смотрели на
вещи просто, если под рукой оказывалась нелепая, но заманчивая альтернатива,
а отчасти в реальной проблеме, которая впервые встала перед английским астро-
Начальником экспедиции был ла Кондамин, За научную часть отвечали астроном Луи Годен и Пьер
Буге. Однако Годен вскоре отделился от основной партии из-за разногласий в методике работы,
а позднее был уличен в растрате средств, поступавших из Франции. Он также отказался делиться
с коллегами полученными результатами. Его участие в экспедиции в дальнейшем не
рассматривается .
номом Эдмундом Галлеем задолго до того, как Буге и ла Кондамин задумали ехать
в Южную Америку, имея для этого гораздо меньше оснований.
Галлей был исключительной личностью. На своем долгом и плодотворном
жизненном пути ему доводилось быть морским капитаном, картографом, профессором
геометрии в Оксфордском университете, заместителем контролера Королевского
монетного двора, Королевским астрономом и изобретателем глубоководного
водолазного колокола53. Он со знанием дела писал о магнетизме, приливах и отливах,
движениях планет и с любовью о действии опиума. Он придумал погодную карту и
актуарную таблицу54, предложил способы определения возраста Земли и ее
расстояния от Солнца и даже разработал практичный способ, как сохранить рыбу
свежей не в сезон. Единственное, чего он не совершил, так это не открыл
комету, носящую его имя. Он лишь определил, что комета, которую он наблюдал в
1682 году, - та же самая, которую видели другие в 1456,1531 и 1607 годах. Она
стала кометой Галлея только после 1758 года, примерно через 16 лет после его
смерти.
Однако при всех этих достижениях крупнейшим вкладом Галлея в сокровищницу
человеческих знаний было, пожалуй, участие в небольшом научном пари с двумя
другими видными фигурами того времени: Робертом Гуком, которого теперь скорее
помнят в связи с тем, что он первым ввел понятие и дал описание живой клетки,
и великим, исполненным достоинства сэром Кристофером Реном, который вообще-то
прежде всего был астрономом, а потом уж архитектором, хотя об этом сегодня
обычно уже не помнят. В 1683 году, когда Галлей, Гук и Рен вместе обедали в
Лондоне, разговор зашел о движении небесных тел. Было известно, что планеты
склонны обращаться по особой формы овалам, которые называют эллипсами - по
выражению Ричарда Фейнмана55, по "очень специфической и точной кривой", - но
никто не Знал причин такого движения. Рен щедро предложил 40 шиллингов
(примерно соответствует двухнедельному заработку) тому, кто первым найдет
объяснение .
Гук, широко известный приписыванием себе идей, не всегда своих собственных,
заявил, что он уже решил эту проблему, но отказался поделиться решением на
том интересном и остроумном основании, что не хочет лишать других
удовольствия найти ответ самим. Вместо этого он "на время утаит решение, чтобы другие
могли лучше его оценить". Если у него и были какие-то соображения об этом,
никаких свидетельств он не оставил. Галлей, однако, до того загорелся
желанием найти ответ, что на следующий год поехал в Кембридж и набрался смелости
обратиться к профессору математики Исааку Ньютону, в надежде, что тот сумеет
ему помочь.
Ньютон, бесспорно, был странной личностью - сверх всякой меры выдающийся
как мыслитель, но замкнутый, безрадостный, раздражительный до безумия,
легендарно рассеянный (говорили, что по утрам, свесив ноги с кровати, он мог
часами сидеть, размышляя над осенившими его вдруг идеями) и способный на самые
Строго говоря, Галлей не изобрел, а Значительно усовершенствовал водолазный колокол,
который впервые стал применяться на полтора столетия раньше.
54 Актуарные таблицы используются для расчета пенсионных начислений и страховой премии при
страховании жизни. В них учитывается статистика смертности по разным возрастам. В более
широком смысле актуарными расчетами называются любые расчеты тарифов в страховом деле на
основе статистических данных.
55 Ричард Филлипс Фейнман (Richard Phillips Feynman, 1918-1988) - выдающийся американский
физик, один из создателей квантовой электродинамики. В 1943-1945 годах участвовал в Манхэттен-
ском атомном проекте. За разработку методов расчета поведения квантовых частиц был удостоен
Нобелевской премии по физике За 1969 год. Он также сыграл ключевую роль в расследовании
причин катастрофы космического челнока "Челленджер" в 1986 году. Фейнман является также автором
множества научно-популярных книг, а также 8-томного учебника "Фейнмановские лекции по
физике" , который был переведен на русский язык и до сих пор остается одним из лучших курсов
общей физики.
неожиданные выходки. Он создал собственную лабораторию, первую в Кембридже,
но затем занялся самыми странными опытами. Например, однажды ввел шило -
длинную иглу, какими пользуются при сшивании кожи, - в глазную впадину и
крутил им "между моим глазом и костью как можно ближе к глазному дну" лишь для
того, чтобы посмотреть, что будет. Каким-то чудом ничего не случилось, по
крайней мере, ничего серьезного. В другой раз он глядел на солнце, пока мог
выдержать, чтобы узнать, как это отразится на его зрении. И вновь он избежал
серьезных повреждений, хотя пришлось провести несколько дней в затемненном
помещении, пока глаза не простили ему его опытов.
Но над всеми этими странностями и причудами властвовал интеллект гения, -
даже действуя в обычном русле, Ньютон зачастую проявлял странные особенности.
В студенческие годы, разочарованный ограниченными возможностями традиционной
математики, он придумал совершенно новую ее форму - дифференциальное и
интегральное исчисление, но молчал об этом целых 27 лет. Подобным же образом он
работал в области оптики, изменив наши представления о свете и, заложив
основы спектрографии как науки, и опять же решил не делиться результатами своих
работ в течение трех десятилетий.
При всех его талантах настоящая наука составляла лишь часть его интересов.
По крайней мере половину своего рабочего времени он отдавал алхимии и
неортодоксальным религиозным поискам. Это были не просто дилетантские занятия, а
серьезные увлечения, которые полностью его захватывали. Он был тайным
приверженцем ереси, известной как арианство, отличительной особенностью которой
было отрицание Святой Троицы56 (по иронии судьбы в Кембридже Ньютон принадлежал
к колледжу Святой Троицы). Он проводил бесконечные часы за изучением
поэтажного плана Храма Царя Соломона в Иерусалиме (попутно осваивая иврит, чтобы
разбирать подлинные тексты), будучи убежден, что в нем содержится
математический ключ к определению даты второго пришествия Христа и конца света. С не
меньшим рвением он относился к алхимии. В 1936 году экономист Джон Мейнард
Кейнс57 купил на аукционе саквояж с бумагами Ньютона и, к своему удивлению,
обнаружил, что в подавляющем большинстве они относились не к оптике или
движениям планет, а свидетельствовали о целеустремленных поисках способа
превращения обычных цветных металлов в драгоценные. При химическом анализе пряди
волос Ньютона в 1970 году была обнаружена ртуть - элемент, представлявший
интерес для алхимиков, шляпных мастеров, изготовителей барометров и, пожалуй,
больше ни для кого - причем концентрация ртути раз в сорок превышала
естественный уровень. Поэтому не слишком удивительно, что по утрам он забывал
встать с постели.
Что рассчитывал узнать у него Галлей во время своего не оговоренного
заранее визита в августе 1684 года, можно только догадываться. Но благодаря более
поздним воспоминаниям доверенного лица Ньютона Абрахама де Муавра у нас есть
описание этой, одной из самых важных для истории науки, встречи.
В 1684 году в Кембридж приезжал д-р Галлей [и] после некоторого общения д-р
спросил его, что, по его мнению, будет представлять кривая, образуемая
планетами , если предположить, что сила притяжения к Солнцу будет обратна квадрату
их расстояния до него.
Это была ссылка на математическое понятие, известное как закон обратных
квадратов, который, как был твердо убежден Галлей, лежал в основе объяснения,
но ему было не вполне ясно, как это показать.
Сэр Исаак сразу же ответил, что это будет [эллипс]. Доктор страшно обрадо-
Суть арианской ереси несколько тоньше и состоит в отрицании единосушности Христа и Бога
Отца . По арианским воззрениям, Христос был сотворен Богом, но сам не был Богом.
57 Джон Мейнард Кейнс (John Maynard Keynes, 1883-1946) - британский экономист, основатель
современной макроэкономической теории.
вался и с удивлением спросил, откуда ему это известно. "Обоснование? -
ответил тот. - Я это вычислил". Д-р Галлей сразу попросил показать эти
вычисления . Сэр Исаак поискал у себя в бумагах, но не нашел.
Поразительно - все равно, что сказать, что нашел лекарство от рака, а потом
забыл, куда положил формулу. По настоянию Галлея Ньютон согласился заново
сделать расчеты и опубликовать статью. Он выполнил обещание, а потом сделал
куда больше. Уединившись на два года напряженных размышлений, он, наконец,
произвел на свет свой шедевр: "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica",
или "Математические начала натуральной философии", более известный как
"Начала" Ньютона.
Крайне редко, всего несколько раз в истории, человеческий ум делал
наблюдения до того проницательные и неожиданные, что трудно решить, что здесь более
поразительно - сам факт или постигшая его мысль. Появление "Начал" было одним
из таких моментов. Благодаря им Ньютон мгновенно стал знаменитым. До конца
своих дней он купался в почестях, став, среди прочего, первым лицом в Англии,
удостоенным рыцарского звания за научные заслуги. Даже великий немецкий
математик Готфрид фон Лейбниц, с которым у Ньютона шла долгая ожесточенная борьба
за приоритет в создании дифференциального и интегрального исчисления, считал,
что вклад Ньютона в математику равен всему накопленному до него. "Ближе к
богам не может стоять ни один смертный", - писал Галлей, выражая чувства,
многократно отражавшиеся в настроениях его современников и множества других
людей впоследствии.
Хотя "Начала" называли "одной из самых недоступных для понимания среди
когда-либо написанных книг" (Ньютон намеренно сделал ее трудной, чтобы на ней
не паразитировали математические "верхогляды", как он их называл), она
служила путеводной звездой тем, кто сумел ее понять. В ней не только математически
объяснялись орбиты небесных тел, но и определялась притягивающая сила, в
первую очередь ответственная за их движение, - гравитация. Каждое движение во
Вселенной вдруг обрело смысл.
В основе "Начал" лежат 3 закона механики Ньютона (которые утверждают,
предельно четко, что тело ускоряется в том направлении, в котором получает
толчок; что оно будет двигаться равномерно и прямолинейно до тех пор, пока
другая сила не замедлит или не отклонит его, и что каждое действие встречает
противоположно направленное и равное по силе противодействие) и его закон
всемирного тяготения. Он устанавливает, что каждое тело во Вселенной
притягивает к себе все другие. Может показаться, что это не так, однако, сидя там,
где вы сидите сейчас, вы притягиваете к себе все, что вас окружает - стены,
потолок, лампу, любимую кошку, - своим слабым (действительно, очень слабым)
гравитационным полем. Именно Ньютон осознал, что притяжение двух тел,
пользуясь снова словами Фейнмана, "пропорционально массе каждого из них и
изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними". Иными словами,
если удвоить расстояние между двумя телами, притяжение между ними уменьшится
в 4 раза. Это можно выразить формулой:
F = GMm/r2,
которая, разумеется, для большинства из нас не представляет никакого
практического значения, но мы, по крайней мере, можем оценить ее изящество и
лаконичность . Пара несложных умножений, простое деление, и - бинго! - вы знаете
свое гравитационное состояние, где бы вы ни находились. Это был первый по-
настоящему всеобщий закон природы, постигнутый и сформулированный
человеческим умом. Потому Ньютон всюду пользуется таким глубоким уважением.
Издание "Начал" не обошлось без драмы. К ужасу Галлея, когда труд
приближался к завершению, Ньютон с Туком ввязались в спор о приоритете в отношении
закона обратных квадратов, и Ньютон отказался отдавать в печать ключевой
третий том, без которого в первых двух оставалось мало смысла. Только посредст-
вом отчаянной челночной дипломатии и щедро расточавшейся лести Галлею в конце
концов удалось добыть у непредсказуемого профессора заключительный том.
Но на этом беды Галлея не закончились. Королевское общество58, обещавшее
издать этот труд, теперь вышло из игры, сославшись на финансовые затруднения.
Годом раньше общество поддержало издание дорогостоящей и с треском
провалившейся книги "История рыб" и полагало, что книга о математических началах тоже
едва ли будет пользоваться спросом. Галлей, чьи средства были не так уж
велики , заплатил за издание книги из своего кармана. Ньютон по свойственной ему
привычке не дал ничего. И в довершение ко всем неприятностям Галлею, только
что согласившемуся занять должность секретаря общества, сообщили, что
общество больше не в состоянии платить ему обещанное жалованье - 50 фунтов
стерлингов в год. Вместо этого ему заплатили экземплярами "Истории рыб".
Законы Ньютона объясняли такое множество вещей - морские приливы и отливы,
движения планет, траекторию пушечных ядер, прежде чем они упадут на землю, и
почему при вращении нашей планеты со скоростью в сотни километров в час (Как
быстро вы вращаетесь, зависит от того, где вы находитесь. Скорость вращения
Земли изменяется от более чем 1600 км/ч на экваторе до нуля на полюсах. В
Лондоне эта скорость составляет 1038 км/ч.) нас не выбрасывает в космическое
пространство, - что потребовалось какое-то время, чтобы постепенно осмыслить
их значение.
Но одно открытие почти сразу вызвало споры. Это было предположение о том,
что Земля не совсем круглая. Согласно теории Ньютона, центробежная сила
вращения Земли должна приводить к появлению небольшого сжатия у полюсов и
выпуклости у экватора, от чего планета должна стать слегка сплющенной. Это
означало, что длина градуса меридиана в Италии не будет такой же, как в Шотландии.
А именно, эта длина будет уменьшаться по мере удаления от полюсов. Эта идея
вряд ли пришлась по вкусу тем ученым, чьи измерения размеров планеты
строились на предположении, что она представляет собой идеальный шар, а так думали
все.
Полстолетия люди пытались определить размеры Земли, главным образом путем
весьма скрупулезных измерений. Одна из первых попыток такого рода была
предпринята английским математиком Ричардом Норвудом. В молодости Норвуд ездил на
Бермуды с водолазным колоколом, изготовленным по проекту Галлея, намереваясь
сбором жемчуга на морском дне составить состояние. Проект закончился
неудачей, потому что жемчуга там не оказалось, к тому же колокол Норвуда не
работал, однако Норвуд был не из тех, кто пренебрегает приобретенным опытом. В
начале семнадцатого века Бермуды славились среди капитанов тем, что их было
трудно отыскать. Дело в том, что океан велик, Бермуды малы, а навигационные
приборы были абсолютно непригодны для преодоления этой несоразмерности. Не
было даже согласия относительно длины морской мили. На океанских просторах
малейшая ошибка в расчетах многократно возрастала, так что корабли часто
очень сильно промахивались мимо целей величиной с Бермуды. Норвуд, первой
любовью которого была тригонометрия, а значит и измерение углов, решил
привнести в навигационное искусство долю математической точности и с этой целью
взялся определить длину градуса.
Отправившись от стен лондонского Тауэра, Норвуд за 2 года самозабвенно
прошагал 333 км на север до Йорка, по пути бесчисленное множество раз растягивая
мерную цепь и педантично делая поправки на подъемы, спуски и изгибы дороги.
Последним шагом было измерение высоты солнца в Йорке в то же время дня и в
тот же день года, когда он сделал первое измерение в Лондоне. Исходя из
этого, рассуждал он, можно определить длину одного градуса земного меридиана и
тем самым вычислить длину всей окружности. Это была почти абсурдная по своей
Лондонское Королевское общество - ведущая британская научная организация.
амбициозности затея - ошибка в малейшую долю градуса исказила бы результат
намного миль, - однако на деле оказалось, как с гордостью провозгласил
Норвуд, что он измерил градус с точностью "до щепотки", а если точнее, то
приблизительно до пятисот метров. Итоговая величина составляла 110,72 км на
градус меридиана.
В 1637 году вышел в свет шедевр Норвуда в области навигации "Практическое
руководство морехода", книга, немедленно ставшая популярной. Она выдержала
семнадцать изданий и продавалась даже спустя двадцать пять лет после смерти
автора. Норвуд с семьей вернулся на Бермуды, где стал преуспевающим
плантатором, а свободные часы отдавал своей первой любви - тригонометрии. Он прожил
там тридцать восемь лет, и было бы приятно сообщить, что дни его протекали в
счастье и благоденствии. На деле жизнь сложилась не так. По пути из Англии
двоих его юных сыновей поместили в одну каюту с преподобным Натаниэлом
Уайтом, и они каким-то образом до того травмировали молодого священника, что тот
до конца своей карьеры практически занимался только тем, что досаждал Норвуду
любыми мелкими пакостями, на какие только был способен.
Лишние огорчения причинили Норвуду и двое дочерей своими неудачными
замужествами. Один из зятьев, возможно, по наущению того самого священника,
постоянно по мелочам подавал на Норвуда в суд, вызывая большое раздражение, и
вынуждая совершать бесконечные поездки по Бермудам для защиты в суде. Наконец,
в 1650-х годах до Бермуд докатились суды над ведьмами, и последние годы жизни
Норвуд провел в страшной тревоге, что его труды по тригонометрии с их
загадочными символами сочтут за связи с дьяволом и его подвергнут страшной казни.
О Норвуде известно крайне мало, возможно, он действительно заслужил все эти
несчастья на склоне лет. Но со всей определенностью можно лишь утверждать,
что он их испытал.
Тем временем интерес к определению длины окружности Земли переместился во
Францию. Там астроном Жан Пикар разработал поразительно сложный метод
триангуляционной съемки с применением квадрантов, маятниковых часов, зенитных
секторов59 и телескопов (для наблюдения за движением спутников Юпитера). В 1669
году, после двухлетних разъездов по всей Франции и триангуляционных съемок по
своему методу, он объявил уточненный размер одного градуса меридиана - 110,46
км. Это стало источником великой гордости для французов, но результат
основывался на предположении, что Земля представляет собой идеальный шар, а Ньютон
теперь утверждал, что это не так.
Положение еще более осложнилось, когда после смерти Пикара, Джованни и Жак
Кассини, отец с сыном, повторили его эксперименты на большей площади и пришли
к выводу, что Земля становится толще к полюсам, а не к экватору - другими
словами, что Ньютон ошибался с точностью до наоборот. Именно это
обстоятельство подтолкнуло Академию наук послать Буге и ла Кондамина в Южную Америку
для новых измерений.
Они выбрали Анды, потому что требовалось проводить измерения близ экватора,
дабы определить, действительно ли здесь имеется отличие в кривизне земной
поверхности , и потому что они полагали, что в горах видимость будет лучше. На
деле же оказалось, что горы в Перу постоянно окутаны облаками, и группе
приходилось неделями ждать ясного часа для проведения работ. И в довершение
всего они выбрали почти самую труднопроходимую местность на Земле. Перуанцы
называют свой ландшафт "muy accidentado" - сильно изорванным, - и он, вне
всякого сомнения, именно такой. Французам пришлось карабкаться по одним из самых
трудных в мире гор - горам, которые не могли одолеть даже их мулы, - но чтобы
добраться до них, пришлось переправляться через бурные реки, прорубаться
через джунгли, пересечь протянувшуюся на много миль высокогорную каменистую
Переносной астрономический прибор для точного измерения положений светил вблизи Зенита.
пустыню, и почти все это не было нанесено на карты и находилось вдали от
каких-либо источников снабжения. Но Буге и ла Кондамину настойчивости было не
занимать, и они упорно выполняли поставленную перед ними задачу на протяжении
9,5 долгих, суровых, опаленных солнцем лет. Незадолго до завершения проекта
до них дошла весть, что другая французская группа, проводившая измерения на
севере Скандинавии (и тоже столкнувшаяся с серьезными препятствиями от
болотных трясин до опасных ледяных торосов), обнаружила, что ближе к полюсам
градус действительно длиннее, как и предсказывал Ньютон. Земля оказалась на 43
км толще, если измерять ее на экваторе, чем при измерении сверху вниз - от
полюса к полюсу.
Таким образом, Буге и ла Кондамин потратили почти десять лет на получение
результата, который не слишком им нравился, и все для того, чтобы, получив
его, узнать, что они даже не были первыми. Без всякого интереса они завершили
съемки, подтвердившие правильность результатов другой французской группы.
Затем, по-прежнему не разговаривая друг с другом, вернулись на побережье и на
разных кораблях отплыли домой60.
В "Началах" Ньютона содержалось еще одно предположение - о том, что
отвесная линия будет вблизи горы слегка отклоняться к ней под воздействием ее
гравитационной массы наряду с земной. Это был более чем любопытный факт. Если
точно измерить угол отклонения и определить массу горы, можно вычислить
постоянную всемирного тяготения, то есть фундаментальную для силы гравитации
величину, обозначаемую буквой G, а заодно и определить массу Земли.
Буге и ла Кондамин попытались сделать это на перуанском вулкане Чимборасо,
но потерпели неудачу из-за технических трудностей и собственных раздоров, так
что идея была оставлена в покое на 30 лет, пока ее не воскресил в Англии
королевский астроном Невил Маскелайн. В популярной книжке Дэйвы Собел "Долгота"
Маскелайн выставлен придурком и негодяем зато, что не оценил таланта часовых
дел мастера Джона Харрисона. Возможно, так оно и было, но мы признательны ему
за другие дела, не упомянутые в ее книге, и среди них не последнее место
занимает успешный метод взвешивания Земли.
Маскелайн понял, что ключ к решению в том, чтобы найти гору достаточно
правильной формы, чтобы оценить ее массу. По его настоянию Королевское общество
согласилось поручить заслуживающему доверия лицу объехать Британские острова
и постараться подыскать такую гору. У Маскелайна как раз был на примете
подходящий человек - астроном и геодезист Чарлз Мейсон. Маскелайн с Мейсоном
подружились за одиннадцать лет до того, занимаясь наблюдениями очень важного
астрономического явления - прохождения планеты Венера по солнечному диску.
Неутомимый Эдмунд Галлей за много лет до этого события высказал мысль, что
если произвести измерения во время одного из этих прохождений с выбранных на
Земле точек, то по правилам триангуляции можно вычислить расстояние от Земли
до Солнца и тем самым выполнить калибровку расстояний до всех остальных тел
Солнечной системы.
К сожалению, прохождения Венеры по диску Солнца происходят весьма
нерегулярно. Они следуют парами с интервалом в восемь лет, а затем их не бывает
целое столетие или больше, и при жизни Галлея не случилось ни одного
(Последнее прохождение имело место 8 июня 2004 года, а следующее состоится в 2012
году. В XX веке их не было ни одного.)
Однако идея теплилась, и, когда в 1761 году, спустя почти два десятка лет
после смерти Галлея, настало время очередного прохождения, научный мир был
готов к нему - более готов, чем к какому-либо прежнему астрономическому
событию.
Ла Кондамин, перед тем как отправиться на родину, первым среди европейских ученых
предпринял крайне опасное путешествие вниз по течению Амазонки.
С присущей веку подспудной готовностью к тяжелым испытаниям ученые
отправились более чем в сотню мест по всей планете - в Сибирь, Китай, Южную Африку,
Индонезию, в леса Висконсина, и во многие другие районы. Франция направила 32
наблюдателя, Британия - восемнадцать, были наблюдатели из Швеции, России,
Италии, Германии, Ирландии и из других стран.
Это было первое в истории совместное международное научное предприятие, и
почти всюду оно столкнулось с трудностями. Многих наблюдателей остановили
войны, болезни или кораблекрушения. Другие добрались до мест назначения, но,
открыв ящики, обнаружили, что оборудование либо разбито, либо покоробилось от
тропической жары. И вновь волею судеб среди французов оказались самые
неудачливые участники. Жан Шапп много месяцев каретами, лодками, санями добирался
до Сибири, бережно прижимая к груди при каждом опасном толчке свои хрупкие
инструменты, чтобы к концу пути узнать, что последний, крайне важный отрезок
преградили реки, разлившиеся в результате необычно сильных весенних дождей,
вину за которые местные обитатели возложили на самого астронома, едва
увидели , как он нацеливает на небо странные приборы. Шаппу удалось спастись, но
никаких полезных измерений он выполнить не смог.
Еще больше не повезло Гийому ле Жентилю, злоключения которого замечательно
описаны Тимоти Феррисом в книге "Совершеннолетие на Млечном Пути". Ле Жентиль
отправился из Франции за год до события, чтобы наблюдать прохождение Венеры
по диску Солнца из Индии, но из-за всяческих задержек в день прохождения он
все еще был в море - хуже места не придумаешь, поскольку при качке надежных
измерений не сделать.
Не сломленный неудачей ле Жентиль проследовал в Индию и остался там ждать
второго прохождения в 1769 году. Имея в запасе восемь лет, он соорудил
первоклассный наблюдательный пункт, не раз проверил все приборы и держал их в
идеальной готовности. Утро 4 июня 1769 года, в день второго прохождения, было
ясным; но, как только явление началось, на Солнце набежало облако и
оставалось там почти ровно столько времени, сколько длилось прохождение - 3 часа 14
минут и 7 секунд.
Ле Жентиль стоически упаковал приборы и отправился в ближайший порт, но по
пути подхватил дизентерию и проболел почти год. Все еще будучи ослабленным
болезнью, он сел на корабль, который едва не погиб в тропическом циклоне у
берегов Африки. Когда он наконец добрался до дома, через 11,5 лет после
начала путешествия и не получив никаких результатов, то обнаружил, что за время
отсутствия родственники успели объявить его умершим и с радостью растащили
все имущество.
В сравнении с этим неприятности, испытанные восемнадцатью разбросанными по
миру английскими наблюдателями, были небольшими. Мейсон оказался в паре с
молодым геодезистом Джеремией Диксоном, и они, по-видимому, хорошо сработались,
поскольку в дальнейшем долго и успешно сотрудничали. Им было поручено ехать
на Суматру и оттуда фиксировать прохождение, однако уже на второй день после
отплытия на их корабль напал французский фрегат. (Если ученые были склонны к
международному сотрудничеству, то у государств подобного не наблюдалось.)
Мейсон с Диксоном направили в Королевское общество сообщение о крайне
опасном, на их взгляд, положении в открытом море и спрашивали, не стоит ли
отменить все это мероприятие. В ответ они без задержки получили холодную отповедь
с напоминанием о том, что им уже уплачено, что страна и научное сообщество на
них рассчитывают, а отказ продолжать экспедицию непоправимо подорвет их
репутацию. Проглотив эту горькую пилюлю, они продолжили плавание, но в пути их
догнало сообщение о том, что Суматра перешла в руки французов, и наблюдать
прохождение пришлось с полдороги у мыса Доброй Надежды. На обратном пути они
останавливались на затерянном в Атлантике островке Святой Елены, где
встретили Маскелайна, чьи наблюдения сорвались из-за облачности. Мейсон и Маскелайн
крепко подружились и очень приятно (а возможно, с некоторой пользой) провели
несколько недель, составляя график приливов и отливов.
Вскоре Маскелайн вернулся в Англию, где стал Королевским астрономом, а Мей-
сон с Диксоном - теперь явно более закаленные - отправились на 4 долгих и
полных опасностей года проводить топографическую съемку 390 км дикой
американской территории, дабы уладить пограничный спор между Уильямом Пенном и
лордом Балтимором по поводу их колоний - Пенсильвании и Мериленда. В
результате появилась знаменитая линия Мейсона-Диксона, позднее получившая
символическое значение как разделительная черта между рабовладельческими и
свободными штатами. (Хотя прокладка линии была их главной задачей, они также
выполнили ряд астрономических наблюдений, в частности, одно из самых точных в том
веке измерений градуса меридиана - достижение, которое было встречено в
Англии с куда большим энтузиазмом, нежели урегулирование пограничного спора
между капризными аристократами.)
Вернувшись в Европу, Маскелайн и его коллеги в Германии и во Франции были
вынуждены признать, что наблюдения прохождения Венеры в 1761 году, по
существу , сорвались. Одна из трудностей, как это ни парадоксально, заключалась в
том, что было слишком много наблюдений, результаты которых, собранные вместе,
зачастую вступали в неразрешимые противоречия. Успешно зафиксировать
прохождение Венеры по диску Солнца выпало на долю Джеймса Кука, малоизвестного
капитана родом из Йоркшира, который наблюдал прохождение 1769 года с залитой
солнцем вершины горы на Таити. Вслед за тем ему предстояло нанести на карту
Австралию и заявить на нее права британской короны. После его возвращения у
французского астронома Жозефа Лаланда появилось достаточно данных, чтобы
вычислить среднее расстояние от Земли до Солнца - чуть больше 150 млн. км. (2
следующих прохождения в XIX веке позволили астрономам остановиться на
величине 149,59 млн. км. Теперь нам известно точное расстояние - 149,597870691 млн.
км61.) Земля наконец обрела свое место в космосе.
Что касается Мейсона и Диксона, они вернулись в Англию героями науки, но по
неизвестным причинам прекратили сотрудничество. Несмотря на их активное
участие во многих важных научных событиях XVIII столетия, очень мало известно о
них лично. Не сохранилось портретов, мало письменных ссылок. О Диксоне
"Национальный биографический словарь" загадочно сообщает: "Говорят, что он
родился в угольной шахте", оставляя фантазии читателей объяснение столь
необычных обстоятельств, и добавляет, что умер он в Дареме в 1777 году. Кроме имени
и упоминания о длительном сотрудничестве с Мейсоном ничего больше не
сообщается.
С Мейсоном неясностей чуть меньше. Известно, что в 1772 году по
рекомендации Маскелайна он принял поручение подыскать подходящую гору для проведения
эксперимента с гравитационным отклонением отвеса и, в конце концов, доложил,
что требуемая гора находится на севере Шотландии, над озером Тэй, и
называется она Шихаллион. Однако ничто не могло убедить его остаться там на лето для
проведения измерений. Больше он никогда не возвращался к полевым
исследованиям. Следующее упоминание о нем относится к 1786 году когда он при загадочных
обстоятельствах внезапно объявился с женой и восемью детьми в Филадельфии,
находясь, по-видимому, на грани нищеты. После завершения топографических
съемок он не возвращался в Америку 18 лет, и у него не было ни известных нам
причин появиться здесь снова, ни друзей или покровителей, которые были бы
рады его встретить. Несколько недель спустя он скончался.
Это принятое Международным астрономическим союзом Значение астрономической единицы -
среднего расстояния от Земли до Солнца. Оно известно с погрешностью +30 метров. В течение года
расстояние до Солнца меняется на величину +2% из-за того, что орбита Земли не идеально
круговая .
Поскольку Мейсон отказался от топосгьемки горы, эта работа выпала надолго
Маскелайна. Летом 1774 года Маскелайн на 4 месяца поселился в палатке в
горной долине в глубине Шотландии, чтобы руководить бригадой геодезистов,
которые выполняли сотни измерений во всех доступных точках. Чтобы определить
массу горы на основе этого множества чисел, требовалось произвести уйму
вычислений. К этой работе был привлечен математик Чарлз Хаттон. Геодезисты усеяли
карту множеством чисел; каждое означало высоту в отдельной точке горы или в
ее окрестностях. Получалась ужасная путаница из цифр, но Хаттон заметил, что
если взять карандаш и соединить числа, означающие равные высоты, то все
становится намного яснее. Можно было сразу получить представление об общих
очертаниях и крутизне горы. Так Хаттон изобрел изогипсы - линии равных высот.
Экстраполируя обмеры горы Шихаллион, Хаттон вычислил массу Земли - 5
миллиардов триллионов (5x1О21) тонн, а отсюда можно было вывести массы всех других
крупных тел Солнечной системы, включая само Солнце. Так что благодаря одному
этому эксперименту мы узнали массы Земли, Солнца, Луны, других планет, их
спутников и в придачу получили изогипсы - неплохо для работ одного лета.
Правда, эти результаты удовлетворили не всех. Недостатком эксперимента с
горой Шихаллион явилось то, что было невозможно получить точные цифры, не
Зная плотности горы. Хаттон для удобства принял ее равной плотности обычного
камня, примерно в 2,5 раза больше плотности воды, но это было не более чем
научное предположение.
Самой необычной на первый взгляд фигурой, уделившей много внимания вопросу
о массе Земли, был сельский священник по имени Джон Мичелл, живший в глухой
йоркширской деревушке Торнхилл. Несмотря на отдаленность проживания и
сравнительно скромную должность, Мичелл был одним из выдающихся мыслителей XVIII
века и как ученый пользовался большим уважением.
Среди множества прочих научных деяний он постиг волноподобную природу
землетрясений, осуществил целый ряд оригинальных исследований в области
магнетизма и гравитации и, что совсем удивительно, предвидел возможность черных
дыр на две сотни лет раньше других - шаг, который не смог сделать даже
Ньютон. Когда уроженец Германии музыкант Вильям Гершель решил, что его подлинным
призванием в жизни является астрономия, за руководством, как делать
телескопы, он обратился именно к Мичеллу, чьей любезной услуге вечно будет обязана
наука о планетах (В 1781 году Гершель первым в нынешние времена открыл
планету. Он хотел назвать ее Георгом в честь британского монарха, но предложение
отклонили. Вместо этого она стала Ураном.).
Но из всего того, что оставил после себя Мичелл, по изобретательности и
воздействию на развитие науки ничто не могло сравниться с механизмом, который
он сконструировал и изготовил для измерения массы Земли. К сожалению, он
умер, не успев осуществить эксперименты; идея и необходимая аппаратура
перешли к выдающемуся, но потрясающе застенчивому лондонскому ученому по имени
Генри Кавендиш.
Кавендиш сам по себе заслуживает отдельной книги. Родившийся в богатой
титулованной семье - его деды были герцогами, один Девонширский, другой
Кентский, - он был самым одаренным английским ученым своего века и в то же время
самым странным. Он страдал застенчивостью, по словам одного из его немногих
биографов, "граничившей с болезнью". Всякий человеческий контакт был для него
источником глубочайшего дискомфорта.
Как-то раз, открыв дверь, он увидел на пороге одного из своих австрийских
поклонников, только что приехавшего из Вены. Австриец принялся взволнованно
бормотать о своем восхищении. Некоторое время Кавендиш воспринимал все эти
комплименты словно удары палкой, а затем, не выдержав, убежал по дорожке и
скрылся за воротами, оставив распахнутой входную дверь. Только спустя
несколько часов его уговорили вернуться в собственный дом. Даже экономка обща-
лась с ним по переписке.
Хотя иногда он отваживался появляться в обществе - особенно он любил бывать
на званых научных вечерах, которые еженедельно проходили у выдающегося
натуралиста сэра Джозефа Бэнкса, - остальным гостям всегда давали понять, чтобы
они ни в коем случае не обращались к Кавендишу и даже не смотрели в его
сторону. Тем, кто хотел знать его мнение, советовали не спеша, будто бы
случайно, пройти поблизости и "говорить как бы в пустоту". Если их реплики
заслуживали внимания с точки зрения науки, то они могли услышать невнятный ответ, но
чаще всего в ответ раздавался раздраженный писк (голос у него, кажется, был
очень высокий), и, оглянувшись, можно было действительно увидеть пустоту и
спину Кавендиша, убегающего в более спокойный уголок.
Богатство и склонность к отшельничеству дали ему возможность превратить
свой дом в Клэпеме в большую лабораторию, где он мог без помех бродить по
всем уголкам физической науки - изучать электричество, тепло, силу тяжести,
словом, все, что относилось к строению вещества. Вторая половина
восемнадцатого века была временем, когда склонные к науке люди проявляли углубленный
интерес к свойствам фундаментальных физических сущностей - в особенности
газов и электричества, - начинали присматриваться к тому, что можно с ними
сделать, проявляя зачастую больше рвения, чем здравого смысла. В Америке
Бенджамин Франклин прославился тем, что, рискуя жизнью, запускал змея в грозу. Во
Франции химик Пилатр де Розье испытывал воспламеняемость водорода, набирая
его в рот и выдувая в открытое пламя. Одним махом он доказал, что водород
действительно легко воспламеняется и что брови - не обязательная
принадлежность лица. Кавендиш, в свою очередь, проводил эксперименты, в ходе которых
подвергал себя воздействию электрических разрядов разной силы, старательно
отмечая нарастание мучительных ощущений, пока оставалась возможность держать
перо или сохранять сознание, но, впрочем, не далее того.
За свою долгую жизнь Кавендиш сделал ряд выдающихся открытий - среди
многого другого он первым выделил водород и первым соединил водород и кислород,
получив воду, - но почти все, что он делал, не обходилось без странностей. К
постоянному недовольству его ученых коллег, в публикуемых работах он часто
ссылался на результаты экспериментов, о которых раньше не сообщал. В своей
скрытности он не только напоминал Ньютона, но и во многом превосходил его.
Его эксперименты с электрической проводимостью на столетие опережали время,
но, к сожалению, оставались неизвестными, пока это столетие не прошло. На
самом деле, большая часть проделанного им не была известна до конца XIX века,
когда кембриджский физик Джеймс Клерк Максвелл62 взял на себя задачу
подготовки бумаг Кавендиша к печати; к тому времени почти все его открытия уже
принадлежали другим ученым.
Среди многого другого, о чем Кавендиш никому не говорил, он открыл или
предвосхитил закон сохранения энергии, закон Ома, закон парциальных давлений
Дальтона, закон эквивалентов Рихтера, закон идеального газа Шарля, принципы
электрической проводимости. И это лишь часть всех открытий. По утверждению
историка науки Дж. Г. Кроутера, Кавендиш также предвосхитил "исследования
Кельвина и Дж. X. Дарвина о замедляющем влиянии приливного трения на скорость
вращения Земли, опубликованные в 1915 году, сообщение Лармора о локальном
атмосферном охлаждении... работу Пикеринга о замораживающих смесях и некоторые
из трудов Рузбума о гетерогенных равновесиях". Наконец, он получил
результаты, которые непосредственно привели к открытию группы элементов, известных
как инертные газы, часть из которых настолько неуловимы, что последний не
удавалось обнаружить до 1962 года. Но нас в данном случае интересует послед-
Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell, 1831-1879) - выдающийся британский физик,
создатель современной теории электромагнетизма.
ний из известных экспериментов Кавендиша, когда поздним летом 1797 года он в
возрасте шестидесяти семи лет обратил внимание на ящики с аппаратурой,
оставленные ему - очевидно, из чистого научного уважения - Джоном Мичеллом.
В собранном виде прибор Мичелла напоминал тренажер для накачивания мышц
фирмы Nautilus, сделанный в XVIII веке. Он включал грузы, противовесы,
маятники, рукоятки и скручивающиеся металлические тросы. Сердцевину прибора
составляли два 350-фунтовых свинцовых шара, помещенные рядом с двумя шарами
меньшего размера. Замысел состоял в том, чтобы измерить гравитационное
отклонение малых шаров под воздействием больших, что позволило бы впервые измерить
ускользающе малую величину гравитационной постоянной, а отсюда можно было бы
вывести вес (а точнее говоря, массу) Земли. (Для физика масса и вес - две
совершенно разные вещи. Ваша масса остается той же самой, где бы вы ни
находились, а вес изменяется в зависимости от того, как далеко вы расположены от
центра другого массивного объекта, вроде планеты. Отправляйтесь на Луну, и
там вы будете намного легче, но не менее массивны. На Земле же из утилитарных
соображений масса и вес отождествляются, так что оба термина можно считать
синонимами, по крайней мере, за пределами учебного класса. Даже на Земле вес
и масса - это разные вещи. Вес - это сила, с которой предмет давит на опору
или тянет за подвес. А масса - это, грубо говоря, количество вещества в
предмете . Свободно падающий камень ни на что не давит. Поэтому его вес равен нулю
- он находится в невесомости. А вот масса у него сохраняется - это сразу
чувствуется, если камень попадет вам в голову. - Прим. науч. ред.)
Схема эксперимента Кавендиша. Торсионные весы, прибор, с помощью
которого Г. Кавендиш измерил силу гравитации. Две небольшие
массы закреплены на стержне, подвешенном на тонкой проволоке. Когда
большие сферические массы приведены в такое положение, как на
рисунке, гравитационная сила заставляет малые сферы приблизиться
к большим. Это малое перемещение измеряется по смещению
светового зайчика, отбрасываемого на шкалу зеркальцем, закрепленным на
нити подвеса.
Из-за того, что сила тяжести удерживает планеты на орбите, а вещи, которые
мы роняем, со стуком падают на пол, мы склонны думать, что это очень мощная
Источник
света .
Шкала
Нитьторсионного
подвеса
сила, но на самом деле это не так. Она является мощной только в собирательном
смысле, когда один массивный объект, такой как Солнце, удерживает другой
массивный объект, подобный Земле. На элементарном уровне гравитация чрезвычайно
слаба. Каждый раз, когда вы берете со стола книгу или поднимаете с пола
монету, вы без труда преодолеваете гравитационное напряжение целой планеты. И вот
Кавендиш как раз и попытался измерить притяжение между очень легкими
предметами.
Ключом к успеху была точность. В помещении, где находился прибор, нельзя
было допустить ни малейших помех, так что Кавендиш расположился в соседней
комнате и вел наблюдения через специальный глазок с помощью телескопа. Работа
была невообразимо изнурительной; потребовалось 17 точнейших взаимосвязанных
измерений, выполнение которых заняло почти целый год. Когда, наконец,
Кавендиш закончил расчеты, он объявил, что Земля весит чуть больше 13 ООО ООО ООО
ООО ООО ООО ООО фунтов, или 6 миллиардов триллионов метрических тонн, если
пользоваться современной системой измерений. (Метрическая тонна - это 1000
кг, или 2205 фунтов.)
Сегодня ученые имеют в своем распоряжении приборы настолько точные, что
могут определить вес отдельной бактерии, и настолько чувствительные, что могут
дать сбой, если кто-то зевнет на расстоянии 20 метров, но они лишь
незначительно уточнили результаты, полученные Кавендишем в 1797 году. По самым
точным нынешним оценкам, Земля весит 5,9725 миллиарда триллионов тонн - разница
по сравнению с данными, полученными Кавендишем, всего лишь 0,5%. Интересно,
что все эти измерения лишь подтвердили оценки, сделанные Ньютоном за 110 лет
до Кавендиша без каких-либо экспериментов.
В целом, к концу XVIII века ученые имели очень точное представление о форме
и размерах Земли и об ее удаленности от Солнца и планет; теперь же Кавендиш,
даже не покидая дома, прибавил к этим сведениям массу Земли. Поэтому можно
было бы ожидать, что определение возраста Земли окажется сравнительно простым
делом. В конце концов, необходимые материалы лежат буквально у нас под
ногами. Но нет. Люди расщепят атом, изобретут телевидение, нейлон и растворимый
кофе, прежде чем определят возраст собственной планеты.
Чтобы понять, почему так случилось, мы должны отправиться на север, в
Шотландию и начать со знакомства с яркой гениальной личностью, о которой мало
кто слыхал, с человеком, который создал новую науку, называемую геологией.
5. КАМНЕЛОМЫ
Как раз в то время, когда Генри Кавендиш завершал свои эксперименты в
Лондоне, в 400 милях от него, в Эдинбурге, наступал финальный момент иного рода
- умирал Джеймс Хаттон. Разумеется, это было печальное событие для Хаттона,
но, с другой стороны, оно открывало новые возможности для науки, ибо
позволяло человеку по имени Джон Плейфер переписать труд Хаттона, не боясь попасть в
неловкое положение.
По всем свидетельствам, Хаттон обладал проницательным умом, был живым
собеседником, душой компании. Ему не было равных в понимании загадочных медленно
текущих процессов, сформировавших Землю. К сожалению, ему не дано было
изложить свои представления в доступном для всех виде. Он был, как заметил с
тяжелым вздохом один из его биографов, "полным профаном по части владения
словом". Почти от любой из написанных им строк клонило ко сну. Вот как он в
своем шедевре 1795 года "Теория Земли с доказательствами и иллюстрациями"
рассуждает. . . м-м, о чем-то:
"Мир, который мы населяем, составлен из материалов, не из почвы, которая
была непосредственной предшественницей теперешней, а из почвы, которую,
отталкиваясь от нынешней, мы считаем третьей и которая предшествовала суше, ко-
торая была над поверхностью моря, когда наша нынешняя суша еще была под водой
океана".
И тем не менее именно он в одиночку, без посторонней помощи, блистательным
образом создал геологическую науку и изменил наши представления о Земле.
Хаттон родился в 1726 году в состоятельной шотландской семье, и
материальное положение позволило ему большую часть жизни посвятить широкому кругу
доставлявших удовольствие нетрудных занятий и интеллектуальному
совершенствованию. Он изучал медицину, но она не пришлась ему по вкусу, и тогда он
обратился к сельскому хозяйству, которое вел, не слишком себя обременяя, но на
научной основе, в родовом имении в Бервикшире. Потом поля и стада ему надоели, и
он в 1768 году переехал в Эдинбург, где основал преуспевающее предприятие -
стал производить из сажи нашатырь и занялся различными научными изысканиями.
В то время в Эдинбурге собрались лучшие интеллектуальные силы, и Хаттон
сполна использовал возможности обогащения своих знаний. Он становится видным
членом общества, носившего название "Ойстер клаб" ("Устричный клуб"), где
проводит вечера в компании таких людей, как экономист Адам Смит, химик Джозеф Блэк
и философ Дэвид Юм, а также изредка посещавших клуб знаменитостей вроде
Бенджамина Франклина и Джеймса Уатта.
В традициях своего времени Хаттон интересовался практически всем - от
минералогии до метафизики. Наряду со многим другим он экспериментировал с
химическими препаратами, изучал способы добычи угля и строительства каналов, бывал
в соляных копях, размышлял над механизмами наследственности, собирал
окаменелости, выдвигал теории происхождения дождя и состава воздуха, и даже
формулировал законы движения. Но сферой его особых интересов была геология.
Среди вопросов, вызывавших интерес в этот фанатически любознательный век,
был один, над которым люди долгое время ломали головы, а именно, почему
раковины древних морских моллюсков и другие морские окаменелости так часто
находят на вершинах гор. Как их туда занесло? Те, кто считал, что знают ответ,
разделились на 2 противостоящих друг другу лагеря. Одна группа, известная как
нептунисты, была убеждена, что все на Земле, включая морские раковины на
невероятно возвышенных местах, можно объяснить повышением и понижением уровня
моря. Нептунисты считали, что холмы, горы и другие детали рельефа стары, как
сама Земля, и подвергались изменениям, только когда их заливало водой в
периоды всемирных потопов.
Их оппонентами были плутонисты, которые отмечали, что вулканы и
землетрясения наряду с другими активными процессами непрерывно меняют лицо планеты, но
нет никаких признаков столь своенравного поведения морей. Плутонисты также
задавали щекотливые вопросы, куда девается вода, когда не бывает потопов.
Если ее хватало, чтобы затопить Альпы, то скажите тогда, где же она находится в
спокойные времена, как теперь? По их убеждению, Земля наряду с поверхностными
факторами подвергается воздействию мощных внутренних сил. Однако и они не
могли убедительно объяснить, как туда, наверх, попали все эти раковины
моллюсков .
Размышляя над этими парадоксами, Хаттон как раз и высказал ряд
поразительных догадок. У себя на ферме он наблюдал, что почва создается в результате
эрозии горных пород, и что частицы этой почвы постоянно смываются и уносятся
ручьями и реками, чтобы осесть в других местах. Он понял, что если бы этот
процесс продолжался до своего естественного завершения, то в конечном счете
Земля стала бы довольно ровной. Однако вокруг возвышались холмы и горы. Ясно,
что должен быть какой-то дополнительный процесс, некий путь восстановления и
поднятия, формирующий новые холмы и горы, поддерживающий весь этот цикл.
Окаменелые морские существа, решил он, не оставались на вершинах после
наводнений, а поднимались вместе с самими горами. Он также пришел к выводу что
внутренний жар Земли создает новые горные породы и континенты, вздымает горные
хребты. Будет не лишним заметить, что геологи почти двести лет не могли в
полной мере осознать значение этой идеи, пока наконец не получила признание
концепция тектоники плит. Главная особенность теории Хаттона состояла в том,
что предполагаемые процессы формирования Земли требовали таких колоссальных
отрезков времени, которые тогда никто не мог даже представить. Словом,
озарений было достаточно, чтобы в корне изменить наши представления о Земле.
В 1785 году Хаттон изложил свои мысли в длинном докладе, который зачитал на
нескольких заседаниях Королевского общества Эдинбурга. Доклад не привлек
практически никакого внимания. Нетрудно понять причину. Вот иллюстрация того,
как он излагал его содержание слушателям:
"В одном случае формирующей причиной служит тело, которое отделено; ибо
после того, как тело приведено в действие теплотой, реакция соответствующего
вещества тела создает трещину, которая служит основой для образования жилы. В
другом случае причина опять является внешней по отношению к телу, в котором
образуется трещина. Произошел очень резкий разрыв и разделение; но причину
еще предстоит найти; и она, как представляется, не в жиле; потому что не в
каждом разрыве или дислокации твердого тела нашей Земли обнаруживаются
минералы или соответствующие породы минеральных жил".
Стоит ли говорить, что практически никто из слушателей не имел ни малейшего
представления, о чем он говорил. Поощряемый друзьями развивать свою теорию и
в трогательной надежде, что удастся выразиться как-нибудь пояснее в более
объемном формате, Хаттон следующие десять лет посвятил подготовке своего
выдающегося четырехтомного опуса, из которого два тома были опубликованы в 1795
году.
Каждый из них насчитывал почти тысячу страниц, и они превзошли опасения
самых пессимистически настроенных друзей. Кроме всего прочего почти половина
завершенного труда состояла из цитат французских источников, приводимых на
языке оригинала. Третий том был настолько непривлекательным, что не издавался
до 1899 года - больше 100 лет после смерти Хаттона, а четвертый том вообще не
был издан. "Теория Земли" Хаттона - сильный кандидат на звание наименее
читаемой среди основополагающих научных книг (впрочем, тут у нее есть серьезные
конкуренты). Даже Чарлз Лайель, крупнейший геолог следующего столетия,
читавший все подряд, признавался, что не смог осилить ее до конца.
К счастью, у Хаттона был свой Босвелл63 в лице Джона Плейфера, близкого
друга и профессора математики в Эдинбургском университете, который не только
блестяще владел словом, но и благодаря многолетнему общению с Хаттоном в
большинстве случаев действительно понимал, что тот пытался сказать. В 1802
году, через 5 лет после смерти Хаттона, Плейфер выпустил упрощенное изложение
основных идей Хаттона, озаглавив его "Иллюстрации к Хаттоновой теории Земли".
Книга была благодарно принята теми, кто проявлял живой интерес к геологии, а
таких в 1802 году было не слишком много. Впрочем, это положение вскоре должно
было измениться. Да еще как!..
Зимой 1807 года тринадцать проживавших в Лондоне единомышленников собрались
в таверне франкмасонов, что на Лонг-Эйкр в Ковент-Гардене, с целью создать
клуб, получивший название Геологического общества. Идея состояла в том, чтобы
раз в месяц обмениваться мыслями по вопросам геологии за бокалом-другим
мадеры и дружеским ужином. Стоимость ужина намеренно установили весьма изрядной,
15 шиллингов, дабы не поощрять тех, кто не мог подкрепить интеллектуальные
заслуги также и финансовой самодостаточностью. Однако скоро стало очевидно,
что требуется более солидная организация с постоянным помещением, где люди
Джеймс Босвелл (1740-1795) прославился как биограф Знаменитого британского литератора Сэму-
эля Джонсона. Имя Босвелла стало в английском языке нарицательным, обозначающим постоянного
компаньона и наблюдателя.
могли бы собираться, чтобы поделиться своими находками и обсудить их. Менее
чем за 10 лет число членов общества возросло до 400 человек - разумеется, по-
прежнему все джентльмены, - и Геологическое общество грозило затмить
Королевское как главное научное общество страны.
Члены общества собирались дважды в месяц с ноября до июня, когда
практически все разъезжались на лето для полевых изысканий. Понятно, что минералы
интересовали их не из денежных и даже по большей части не из научных
соображений, просто джентльмены, располагавшие средствами и временем, позволяли себе
иметь хобби на более или менее профессиональном уровне. К 1830 году их
насчитывалось 745 человек, и мир больше никогда не видел чего-либо подобного.
Сегодня трудно представить, что геология всколыхнула XIX век в такой мере,
в какой этого не добивалась и не добьется ни одна наука - она буквально
овладела им. Когда в 1839 году Родерик Мурчисон издал "Силурийскую систему",
пухлую тяжеловесную книгу, в основном посвященную горным породам, называемым
граувакками, она моментально стала бестселлером, выдержав подряд четыре
издания, и это при том, что стоила она 8 гиней и была, в лучших хаттоновских
традициях, нечитабельной. (Как признал даже один из поклонников Мурчисона, у нее
"полностью отсутствовала литературная привлекательность".) А когда в 1841
году великий Чарлз Лайель ездил в Америку прочитать курс лекций в Бостоне, в
Лоуэлловском институте собирались 3-тысячные аудитории послушать его
убаюкивающие описания морских цеолитов и сейсмических возмущений в итальянской
Кампании .
Во всем тогдашнем цивилизованном мире, но особенно в Британии, ученые мужи
выбирались за город, чтобы, по их выражению, немного "поломать камней". К
этому занятию относились всерьез, старались одеваться надлежащим образом -
цилиндры, темные костюмы, за исключением разве что преподобного Уильяма Бак-
ленда из Оксфорда, имевшего привычку выходить на полевые работы в
академической мантии.
Полевые изыскания привлекали множество видных фигур, не в последнюю очередь
уже упомянутого Мурчисона, который первые тридцать лет жизни или около того
провел, гоняясь на коне за лисами и с помощью крупной дроби превращая парящих
в воздухе птиц в комки разлетающихся перьев. Его интересы не простирались за
пределы того, чтобы почитать "Тайме" или сыграть партию в карты. А потом у
него проснулся интерес к камням и с поразительной быстротой он стал титаном
геологической мысли.
Еще в этом кругу был доктор Джеймс Паркинсон, который к тому же был одним
из ранних социалистов и автором множества провокационных брошюр под
заголовками вроде "Революция без кровопролития". В 1794 году он оказался замешанным
в граничившем с безумием заговоре, получившем название "заговора ружья-
хлопушки", по которому намечалось убить Георга III выстрелом в шею
отравленным игрушечным дротиком, когда король будет находиться в своей театральной
ложе. Паркинсона приволокли на допрос в Тайный совет, и он был на волосок от
того, чтобы закованным в кандалы отправиться в Австралию, когда обвинения
против него без лишнего шума сняли. Примирившись с более консервативным
подходом к жизни, он обнаружил интерес к геологии, и стал одним из основателей
Геологического общества и автором выдающегося труда по геологии "Органические
останки прежнего мира", который продолжал издаваться целых полвека. В
политических эксцессах он больше не участвовал. Правда, сегодня мы чаще вспоминаем
его не в связи с геологией, а благодаря важному исследованию недуга, который
тогда называли "дрожательным параличом", а теперь болезнью Паркинсона. (У
Паркинсона был еще один небольшой повод претендовать на славу. В 1785 году он
оказался, пожалуй, единственным человеком в истории, выигравшим в лотерею
музей естественной истории. Музей, на лондонской Лейстер-сквер, был основан
сэром Эштоном Левером, который из-за необузданного коллекционирования природных
диковинок докатился до банкротства. Паркинсон содержал музей до 1805 года, но
потом у него не хватило средств, и коллекция была распродана по частям.)
Не таким колоритным, но более авторитетным, чем все остальные вместе
взятые , был Чарлз Лайель, родившийся в год смерти Хаттона в семидесяти милях от
Эдинбурга, в деревне Киннорди. Шотландец по рождению, он вырос на крайнем юге
Англии, в Хэмпшире, потому что его мать была убеждена, что шотландцы -
праздные гуляки и пьяницы. В XIX веке наукой, как правило, занимались
состоятельные люди дворянского происхождения. Лайель не был исключением - он вырос в
обеспеченной интеллектуальной семье. Его отец, тоже Чарлз, был незаурядным
человеком - видным авторитетом по Данте и по мхам. (Orthotricium lyelli, на
котором не раз сиживали англичане, бывая за городом, назван его именем.) От
отца Лайель унаследовал интерес к естественной истории, но только в Оксфорде,
где он попал под влияние преподобного Уильяма Бакленда - того самого, в
широкой мантии, - юный Чарлз на всю жизнь посвятил себя геологии.
Бакленд был милым чудаком. За ним числятся и реальные научные достижения,
но не меньше помнят его за разного рода чудачества. Особенно запомнился его
Зверинец, в котором диким животным, в том числе крупным и опасным,
позволялось бродить по дому и саду, а также его стремление отведать на вкус каждое
живое существо. В зависимости от наличия и прихоти хозяина гостям Бакленда
могли подать запеченную морскую свинку, мышей в тесте, жареного ежа или
вареных морских слизней из Юго-Восточной Азии. Бакленд был способен во всех них
находить достоинства, за исключением разве что обыкновенного садового крота,
которого он находил отвратительным на вкус. В палеонтологии он стал главным
авторитетом по копролитам - окаменелым экскрементам, - и у него был стол, вся
поверхность которого была инкрустирована образцами из его коллекции.
Даже во время серьезных научных занятий его поведение было довольно
своеобразным. Однажды среди ночи он растолкал свою супругу, возбужденно восклицая:
"Дорогая, я убежден, что следы Cheirotherium несомненно черепашьи". В нижнем
белье они вместе помчались на кухню. Миссис Бакленд замесила мягкое тесто и
раскатала его по столу, а преподобный Бакленд притащил домашнюю черепаху.
Плюхнув на стол, они стали ее подгонять и, к вящему восторгу, увидели, что ее
следы действительно совпадают с окаменевшими отпечатками лап, изучением
которых в то время занимался Бакленд. Чарлз Дарвин считал Бакленда шутом - он
употребил именно это слово, но Лайель, похоже, нашел в нем наставника и в
1824 году даже отправился с ним в поездку по Шотландии. Вскоре после этой
поездки Лайель решил оставить карьеру юриста и целиком посвятил себя геологии.
Лайель был страшно близорук и большую часть жизни страдальчески щурился,
что придавало лицу встревоженное выражение. (В конце концов, он полностью
потерял зрение.) Другой его странностью была привычка, будучи погруженным в
размышления, принимать самые невероятные позы - растягиваться сразу на двух
стульях или "стоя на ногах, оставлять голову на сиденье стула" (слова его
друга Дарвина) . Часто, задумавшись, он так низко сползал с кресла, что едва
не касался ягодицами пола. За всю жизнь Лайель только однажды имел должность
- с 1831 по 1833 год он был профессором геологии в Кингз-колледже в Лондоне.
Как раз в это время он выпустил в свет "Основы геологии", издававшиеся тремя
томами с 1830 по 1833 год, в которых во многом суммировал и развил мысли,
впервые высказанные Хаттоном поколением раньше. (Хотя Лайель никогда не читал
подлинных трудов Хаттона, он досконально изучил вариант, переработанный Плей-
фером.)
Между временем Хаттона и временем Лайеля в среде геологов возник новый
спор, который в значительной степени подменил, хотя их часто смешивают,
старый спор нептунистов с плутонистами. Новая битва разгорелась между катастро-
физмом и униформизмом - не слишком привлекательные термины для важного и
очень долгого спора. Катастрофисты, как можно судить по названию, считали,
что Земля сформировалась под воздействием внезапных катаклизмов, главным
образом наводнений, - вот почему катастрофизм и нептунизм часто ошибочно
сваливают в одну кучу. Катастрофизм особенно устраивал лиц духовных, вроде Баклен-
да, потому что давал им возможность включить в серьезные научные дискуссии
библейский Ноев потоп. Униформисты, напротив, считали, что изменения на Земле
происходили постепенно, и что почти все процессы на земной поверхности
протекали медленно, на протяжении огромных промежутков времени. Отцом этого
представления был скорее Хаттон, нежели Лайель, но большинство людей читало Лайе-
ля, и поэтому в сознании большинства, тогда и теперь, он остался
родоначальником современных геологических представлений.
Лайель считал, что подвижки земной коры были равномерными64 и непрерывными,
что все когда-либо происходившее в прошлом можно объяснить явлениями,
продолжающимися и сегодня. Лайель и его сторонники не просто презирали
катастрофизм, они терпеть его не могли. Катастрофисты считали вымирание видов
составной частью последовательных катастроф, в ходе которых животные неоднократно
сметались с лица земли и заменялись новыми - картина, которую
естествоиспытатель Т.Г. Гексли65 насмешливо уподоблял "ряду робберов виста66, когда в конце
каждого игроки опрокидывают стол и требуют новую колоду". Это был чересчур
удобный способ объяснять неизвестное. "Еще не было догмы, более
приспособленной к тому, чтобы поощрять леность и затуплять острие любознательности", - с
презрением отзывался Лайель.
Впрочем, и у Лайеля были заметные упущения. Ему не удалось убедительно
объяснить, как образовались горные системы, и он упустил из виду такой фактор,
меняющий лик планеты, как ледники. Он отказался признать идею Луиса Агассиза
о ледниковом периоде - "замораживании земного шара", как он пренебрежительно
говорил, - и он был уверен, что млекопитающих "найдут в древнейших залежах
ископаемых остатков". Лайель отвергал представление о том, что животные и
растения претерпевали внезапное полное уничтожение, и считал, что все
основные классы животных - млекопитающие, пресмыкающиеся, рыбы и т.д. -
существовали параллельно с начала времен. Во всех этих вопросах он, в конечном счете,
оказался не прав.
И все же вряд ли можно переоценить влияние Лайеля. При его жизни "Основы
геологии" выдержали двенадцать изданий, а содержащиеся в них идеи определяли
геологическую мысль еще долгое время в XX столетии. Дарвин взял первое
издание "Основ" в путешествие на "Бигле", и впоследствии писал, что "огромной
заслугой "Основ" было то, что они полностью меняли характер мышления, и
поэтому, даже глядя на вещи, которые никогда не встречались Лайелю, ты тем не
менее видел их отчасти его глазами". Словом, Дарвин, как и многие представители
его поколения, считал Лайеля чуть ли не богом. Свидетельством влияния Лайеля
на умы служит тот факт, что когда в 1980-х годах геологам пришлось частично
отказаться от его теории, чтобы найти место для импактной теории вымираний67,
для них это было смерти подобно. Но об этом в другой главе.
Равномерное (движение) по-английски - uniform. Отсюда название научного течения "унифор-
мизм".
Томас Генри Хаксли (Thomas Henry Huxley, 1825-1895) - английский биолог, твердый
последователь и популяризатор теории эволюции, За что Заслужил прозвище "бульдог Дарвина". Ввел
концепцию биогенеза, согласно которой живые клетки могут образовываться только из других живых
клеток.
Роббер (англ. rubber) - в некоторых карточных играх (вист, бридж, винт и др.) круг игры,
состоящий из трех отдельных партий.
67 Речь идет о гипотезе, согласно которой причиной вымирания динозавров стало падение на Землю
крупного астероида. Многие современные палеонтологи по-прежнему довольно скептически
относятся к импактной теории вымирания видов, считая ее слишком примитивной и недостаточно
обоснованной .
Тем временем геологии предстояло привести в порядок множество вещей, и тут
далеко не все шло гладко. С самого начала геологи старались классифицировать
горные породы по периодам, в которые они образовались, но зачастую при этом
возникали резкие разногласия относительно разграничительных линий - и здесь
не последнее место занимает долгая полемика, известная как "великий девонский
спор" (Great Devonian Controversy). Проблема возникла, когда преподобный Адам
Седжвик из Кембриджа отнес к кембрийскому периоду пласт горных пород,
который, как полагал Родерик Мурчисон, по праву принадлежал к силурийскому. Спор
полыхал много лет, становясь все более жарким. "Де ла Беш68 - грязная
свинья", - в присущей ему вспышке эмоций писал другу Мурчисон.
О накале страстей можно получить представление, взглянув на названия глав
превосходного неприкрашенного описания проблемы в книге Мартина Дж. С. Рэдви-
ка "Великий девонский спор". Она начинается с довольно безобидных заголовков,
таких как "Поприща джентльменских дискуссий" и "Разгадка граувакки", но затем
появляются: "Граувакку защищают и атакуют", "Взаимные упреки и обвинения",
"Распространение грязных слухов", "Уивер отрекается от своей ереси",
"Провинциала ставят на место" и, наконец, чтобы исключить всякие сомнения в том, что
это была война, "Мурчисон начинает рейнландскую кампанию". Боевые действия
окончательно завершились в 1879 году простым приемом - был установлен новый
период, ордовикский, который поместили между кембрийским и силурийским.
Поскольку в первые годы существования данной отрасли знаний самыми
активными в ней были британцы, в геологическом лексиконе преобладали британские
названия. Девонский период, разумеется, происходит от английского графства
Девон, кембрийский - от римского названия Уэльса, тогда как ордовикский и
силурийский напоминают о древних валлийских племенах - ордовиках и силурах. Но с
развитием геологических изысканий в других странах названия стали возникать
повсюду. Юрский период имеет отношение к Юрским горам на границе Франции и
Швейцарии. Пермский69 напоминает о российской Пермской области с Уральскими
горами. Меловым периодом70 мы обязаны бельгийскому геологу с броским именем
Ж.Ж. д'Омалиус д'Аллуа.
Геологическую историю сначала делили на 4 отрезка времени: первичный,
вторичный, третичный и четвертичный. Эта классификация была слишком простой,
чтобы выдержать проверку временем, и скоро геологи стали добавлять новые
разделы, параллельно отказываясь от старых. Первичный и вторичный периоды отпали
совсем, а четвертичный одни отвергали, другие оставляли. Третичный период,
который уже не обозначал какой-либо третий по счету период, активно
использовался до 1960-х, но сейчас его разделили на 2 периода - палеоген и неоген.
Общепринятым на сегодня является только четвертичный период, который также
называют антропогеновым или ледниковым.
Лайель в своих "Основах" ввел дополнительные подразделения, известные как
периоды или системы71, охватывающие промежуток времени после эры динозавров,
среди них плейстоцен ("самый молодой"), плиоцен ("более молодой"), миоцен
("средне молодой") и подкупающе неопределенный олигоцен ("незначительно
молодой") . Сначала Лайель намеревался употреблять окончания "-synchronous" ("-
синхронный"), одаряя нас такими скрипуче звучащими обозначениями, как "мейо-
синхронус" и "плейосинхронус". Преподобный Уильям Уэвелл, человек весьма
Генри Томас дела Беш (1796-1855) - британский геолог, первый директор Британской
геологической службы, созданной в 1835 году.
Пермский период был установлен Мурчисоном во время его изысканий в России.
Меловой период назван по преобладающему типу горных пород (писчий мел) в той местности, где
был впервые открыт.
71 Периодами называют отрезки времени в прошлом, а системами - совокупность пород,
образовавшихся в течение периода.
влиятельный, возражал, ссылаясь на этимологические соображения, и предложил
взять за образец окончание "-eous" ("принадлежащий к чему-либо"), получая
"мейонеус", "плейонеус" и т.д. В итоге прижилось окончание "-цен", которое
стало чем-то вроде компромисса.
В современной науке геологическое время в первом приближении делится
сначала на 4 больших отрезка, известных как эры: докембрий, палеозой (от
греческого "старая жизнь"), мезозой ("средняя жизнь") и кайнозой ("новая жизнь"). Эти
эры делятся в совокупности на дюжину периодов. Большинство из них тоже
достаточно хорошо известны: меловой, юрский, триасовый, силурийский и т.д. (У нас
экзаменов не будет, но если вам когда-нибудь потребуется это запомнить, то,
возможно, пригодится полезный совет Джона Уилфорда представлять себе эры (до-
кембрийскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую) как времена года, а
периоды (пермский, триасовый, юрский и т.д.) как месяцы.)
Лайелевские эпохи - плиоцен, миоцен и так далее - до сих пор употребляются
как более дробные подразделения (эпохи) в палеогеновом и неогеновом периодах
кайнозойской эры, которые охватывают только самые последние (но
палеонтологически очень активные) 65 млн. лет. И, наконец, мы имеем уйму еще более мелких
подразделений, известных как века. Большинство их названо по географическим
местам: оксфордский, маастрихтский, кампанский (Кампань - французская
провинция) , кимериджский (Кимердж - деревушка в графстве Дорсет на юге Англии) и
далее в том же роде. Всего, по словам Джона Макфи72, счет веков идет на
"десятки дюжин". К счастью, если вы не избрали геологию в качестве профессии, вы
вряд ли когда-нибудь снова о них услышите.
Еще больше запутывает дело то обстоятельство, что названия веков в Северной
Америке отличаются от европейских, и зачастую они лишь приблизительно
совпадают по времени. Так, принятый в Северной Америке цинциннатский век в
основном совпадает с ашгильским в Европе, но захватывает небольшую часть более
раннего карадокского века.
К тому же все это меняется от учебника к учебнику и от автора к автору, так
что одни авторитетные источники описывают 7 различных веков там, где другие
довольствуются четырьмя. Другие же делят докембрий на две эры, истинно
древнюю архейскую и более позднюю протерозойскую73. Иногда вы также встретите
термин "фанерозой", используемый для описания отрезка времени, включающего
кайнозойскую, мезозойскую и палеозойскую эры.
Мало того, все это относится только к единицам времени. Горные породы,
накапливавшиеся в разные временные интервалы, подразделяются на другие единицы,
известные как группы (соответствующие эрам), системы (равноценные периодам),
отделы (отвечающие эпохам) и ярусы (аналогичные векам). Также проводится
различие между поздними и ранними событиями (когда речь идет о времени) и
верхними и нижними отложениями (если говорится о слоях горных пород). Все это
выглядит ужасно запутанным для неспециалиста, но для геолога это может явиться
предметом страстного увлечения. "Я был свидетелем того, как из-за этой,
образно говоря, миллисекунды в развитии жизни взрослые люди от ярости доходили
до белого каления", - писал британский палеонтолог Ричард Форти74 по поводу
длительного спора относительно границ между кембрийским и ордовикским
периодами.
Джон Макфи (JohnMcPhee, р. 1931) - американский журналист, постоянный автор журнала "Нью-
Йоркер". Автор 23 книг, в их числе "Анналы прежнего мира", посвященной пяти важным эпизодам
истории геологии, За которую в 1999 году он был удостоен Пулитцеровской премии.
73 « «
Именно так принято в российской традиции. Также в последнее время в мире стали выделять ка-
тархей - эру, предшествующую архейской.
74 Ричард Форти (Richard A. Fortey р. 1946) - британский палеонтолог и научный писатель. В
2007 году он должен Занять пост президента Лондонского геологического общества, которое
будет отмечать свое 200-летие. См. также гл. 21.
Но, по крайней мере, сегодня, нам доступны весьма изощренные методики
датирования. А большую часть XIX века геологи имели в своем распоряжении только
догадки и предположения. Особенно разочаровывало то, что, хотя геологи тогда
могли классифицировать различные породы по периодам, они не имели никакого
представления о длительности этих периодов. Когда Бакленд размышлял о
древности скелета ихтиозавра, самое большее, что он мог предположить, это то, что
он жил где-то между "десятью тысячами [и] более чем 10 тысячами раз по 10
тысяч" лет ранее.
Хотя не существовало надежного способа датирования периодов, зато не было
недостатка в людях, готовых за это взяться. Самая известная из первых попыток
была предпринята в 1650 году, когда архиепископ Ирландской церкви Джеймс Ашер
после тщательного изучения Библии и других исторических источников пришел к
Заключению, что Земля была создана в полдень 23 октября 4004 года до
Рождества Христова. Он посвятил этому увесистый фолиант, названный "Анналы Ветхого
Завета". С тех пор его утверждение служит потехой для историков и авторов
учебников. (Хотя практически все книги упоминают про Ашера (Assher), поражает
различие в деталях сообщаемых о нем сведений. В некоторых книгах говорится,
что он объявил о своем выводе в 1650 году в других - в 1654-м, в третьих - в
1664-м. Во многих датой предполагаемого начала существования Земли называется
26 октября. По крайней мере, в одной достойной внимания книге фамилия пишется
как Asher. Этот вопрос интересно описан в книге Стивена Джея Гоулда "Восемь
поросят").
В связи с этим существует устойчивый миф, имеющий хождение во многих
серьезных книгах, будто взгляды Ашера доминировали в научных представлениях на
протяжении значительной части XIX века, и что только Лайель навел в этом
вопросе порядок. Стивен Джей Гоулд75 в "Стреле времени" приводит как
характерный пример следующую фразу из одной популярной в 1980-х годах книги: "До того
как Лайель издал свою книгу, большинство думающих людей соглашалось с мыслью,
что Земля молода". На самом деле это не так. Как пишет Мартин Дж. С. Радуик:
"Ни в одной стране ни один геолог, чьи труды принимались всерьез другими
геологами, не выступал в защиту хронологии, основанной на буквальном толковании
Книги Бытия". Даже преподобный Бакленд, благочестивейшая душа, какую только
мог породить XIX век, отмечал, что нигде в Библии нет и намека на то, что
Господь создал Небо и Землю в первый день, а лишь говорится "сначала". Сие
начало, утверждал он, возможно, продолжалось "миллионы и миллионы лет". Все
сходились на том, что Земля очень стара. Вопрос был простой: насколько стара?
Одна из более или менее подходящих идей относительно определения возраста
планеты исходила от всегда заслуживавшего доверия Эдмунда Галлея, который в
1715 году предположил, что если разделить общее количество соли в мировом
океане на количество, добавляющееся ежегодно, то получится число лет, на
протяжении которых существуют океаны, что даст приблизительное представление о
возрасте Земли. Логика заманчивая, но, к сожалению, никто не знал, сколько в
море соли и насколько ее прибавляется каждый год, отчего эксперимент
оказывался неосуществимым.
Первая попытка измерения, которое хотя бы отдаленно можно было назвать
научным, была предпринята в 1770 году французом Жоржем-Луи Леклерком, графом де
Бюффоном. Было давно известно, что Земля теряет значительное количество тепла
- это было очевидно для всякого, кто спускался в шахту, - но не было способа
оценить скорость этих потерь. Эксперимент Бюффона заключался в нагревании
шаров до белого каления и последующем измерении быстроты потери тепла путем
касания (по-видимому, сначала очень легкого), когда шары остывали и переставали
Стивен Джей Гоулд (Stephen Jay Gould, 1941-2002) - американский палеонтолог, эволюционный
биолог и историк науки. См. также гл. 21.
светиться. Отсюда он приблизительно определил возраст Земли где-то между 75 и
168 тысячами лет. Разумеется, эта оценка была чудовищно заниженной, но, тем
не менее, весьма радикальной, и за ее высказывание Бюффон оказался перед
угрозой отлучения от церкви. Будучи человеком прагматичным, он сразу же
покаялся в своей неосмотрительной ереси, а потом с легким сердцем продолжал
повторять свои утверждения в последующих трудах.
К середине XIX века большинство ученых считало, что возраст Земли
достигает, по крайней мере, нескольких миллионов, а возможно, даже десятков
миллионов лет, но, вероятно, не более. Так что для всех явилось неожиданностью,
когда в 1859 году Чарлз Дарвин в "Происхождении видов" заявил, что
геологические процессы, завершившие формирование Уилда, области на юге Англии,
охватывающей Кент, Суррей и Сассекс, заняли, по его подсчетам, 306 662 400 лет.
Данное утверждение отчасти вызвало удивление своей поражающей воображение
точностью, но еще больше открытым вызовом принятым представлениям
относительно возраста Земли. (Дарвин любил точные цифры. В одной более поздней работе
он утверждал, что на одном акре земли в сельской местности Англии в среднем
обитает 53 767 червей).
Оно вызвало столько споров, что Дарвин изъял его из третьего издания своей
книги. Однако проблема этим не снималась: Дарвину и его друзьям-геологам
требовалось , чтобы Земля была старой, но никто не мог предложить способ, как это
подтвердить.
К несчастью для Дарвина, а также для прогресса вопрос привлек внимание
великого лорда Кельвина (который, несмотря на свое величие, был тогда еще
просто Уильямом Томсоном; он был возведен в звание пэра лишь в 1892 году когда
ему было шестьдесят восемь лет, а его жизненный путь подходил к концу; но,
следуя принятому обычаю, я буду называть его так, как если бы его титул имел
обратную силу). Кельвин был одной из самых необычайных фигур XIX столетия,
как, пожалуй, и любого другого столетия. Немецкий ученый Герман фон Гельм-
гольц писал, что "по уму, ясности и живости мысли" Кельвин далеко превосходил
всех, кого он знал. "Рядом с ним я иногда чувствовал себя довольно тупым", -
немного подавленно добавляет он.
Подобные чувства понятны, ибо Кельвин действительно был своего рода
сверхчеловеком викторианской эпохи. Он родился в 1824 году в Белфасте в семье
профессора математики Королевского академического института, которого вскоре
перевели в Глазго. Здесь Кельвин проявил такие поразительные способности, что
был принят в университет Глазго в чрезвычайно нежном возрасте - в 10 лет.
Когда ему только минуло 20, он уже поучился в учебных заведениях Лондона и
Парижа, окончил Кембриджский университет (где завоевал высшие награды в гребле
и математике, и еще каким-то образом нашел время основать музыкальное
общество) , был избран младшим научным сотрудником колледжа Св. Петра и написал (на
французском и английском) десяток отличавшихся блеском и оригинальностью
работ в области чистой и прикладной математики, так что пришлось публиковать их
анонимно, дабы не смущать тех, кто занимал более высокое положение. В
двадцатидвухлетнем возрасте он вернулся в Глазго, чтобы занять место профессора
натурфилософии, которое принадлежало ему последующие 53 года.
За долгий жизненный путь (а он умер в 1907 году в возрасте 83 лет) Кельвин
написал 661 статью, накопил 69 патентов (на которых он порядочно разбогател)
и прославился почти во всех отраслях физической науки. Наряду со множеством
других вещей он предложил метод, который непосредственно привел к изобретению
холодильника; разработал абсолютную шкалу температур, которая по сей день
носит его имя; изобрел усилители, давшие возможность посылать телеграммы через
океан; а также был автором бесчисленных усовершенствований в области морской
навигации, от изобретения широко распространенного морского компаса с
компенсацией магнетизма железного корпуса судна до создания первого эхолота. И это
лишь то, что относится к достижениям в утилитарной сфере.
В равной мере революционными были его теоретические работы в области
электромагнетизма, термодинамики и волновой теории света. (В частности, он
сформулировал второе начало термодинамики. Дискуссия об этом законе природы
достойна отдельной книги, но, чтобы почувствовать, о чем идет речь, я предлагаю
здесь блестящее резюме, сделанное химиком П.У. Аткинсом: "Существует 4 начала
[термодинамики]. Второе начало было осознано первым; Нулевое начало было
сформулировано последним; Первое начало было вторым; Третье начало вообще не
должно считаться законом, равным остальным трем". В кратчайшей форме второе
начало утверждает, что небольшое количество энергии всегда пропадает зря.
Невозможно создать вечно движущееся устройство, поскольку, как бы ни было оно
эффективно, оно всегда будет терять энергию и, в конце концов, остановится.
Первое начало говорит о том, что вы не можете создавать энергию [из ничего],
а третье - что вы не можете понизить температуру до абсолютного нуля - всегда
сохраняется некая остаточная теплота. Денис Овербай отмечает, что 3
фундаментальных начала можно в шуточной форме выразить так: (1) вы не можете
победить, (2) вы не можете прервать поединок и (3) вы не можете выйти из игры).
Фактически, у него был лишь один прокол - он так и не смог правильно
вычислить возраст Земли. Этот вопрос занимал его почти всю вторую половину жизни,
но он так и не приблизился к правильному решению. Первой его попыткой была
опубликованная в 1862 году в журнале Macmilan's статья, содержавшая
предположение , что Земле 98 млн. лет, но предусмотрительно допускалось, что эта цифра
могла быть сокращена до 20 млн. лет или увеличена до 400 млн. С замечательной
осторожностью он признавал, что, возможно, ошибается, если "в великой
сокровищнице творения нам уже не приготовлены другие неведомые источники
информации", однако было видно, что он считал это маловероятным.
Со временем утверждения Кельвина становились все более прямолинейными и
менее точными. Он снова и снова снижал свои оценки, с максимальных 400 млн. до
100 млн. лет, затем до 50 млн. и, наконец, в 1897 году до всего лишь 24 млн.
лет. Кельвин настаивал на этом не из простого упрямства. Просто в физике не
было ничего такого, что могло бы объяснить, как тело величиной с Солнце могло
непрерывно гореть более нескольких десятков миллионов лет, не израсходовав до
конца горючее. Отсюда следовало, что Солнце и его планеты неизбежно должны
быть относительно молодыми.
Проблема заключалась в том, что почти все ископаемые останки
свидетельствовали о противном, причем именно в девятнадцатом веке вдруг появилось очень
много таких окаменелых свидетельств.
6. НАУКА, ПРОЧИТАННАЯ
ПО ЗУБАМ И КОГТЯМ
В 1787 году кто-то в штате Нью-Джерси (кто конкретно, теперь, кажется,
забыли) нашел огромную бедренную кость, торчавшую на берегу ручья в местности,
носившей название Вудбери Крик. Кость явно не принадлежала ни одному из
животных, обитавших в то время, по крайней мере, в Нью-Джерси. Из того
немногого , что об этом известно, полагают, что она принадлежала гадрозавру, большому
утконосому динозавру. Но в то время о динозаврах еще не знали.
Кость послали доктору Каспару Уистару, ведущему анатому страны, который той
же осенью описал ее на заседании Американского философского общества в
Филадельфии. К сожалению, Уистар не оценил значения находки, сделав лишь
несколько осторожных и незаинтересованных замечаний в том смысле, что кость
принадлежала какому-то чудовищу. Тем самым он упустил шанс на полстолетия раньше
кого-либо другого стать открывателем динозавров. Кость вообще вызвала столь
незначительный интерес, что ее убрали в кладовку, а потом она и вовсе пропа-
ла. Так что первая найденная кость динозавра стала и первой потерянной.
То, что кость не вызвала глубокого интереса, более чем озадачивает, ибо ее
появление пришлось на то время, когда Америка кипела негодованием как раз в
связи с утверждениями относительно останков крупных древних животных.
Причиной этого негодования послужило странное утверждение великого французского
естествоиспытателя графа де Бюффона - того самого, что упоминался в связи с
нагретыми шарами в предыдущей главе, - о том, что живые существа в Новом
Свете почти во всем уступают обитателям Старого Света. Америка, писал Бюффон в
своей обширной и высоко ценимой "Естественной истории", это страна, где вода
стоячая, почва неплодородная, а животные мелкие и хилые, их организм ослаблен
"нездоровыми испарениями" из гниющих болот и лишенных солнечного света лесов.
В такой среде даже коренным жителям, индейцам, недостает мужской потенции. "У
них не растут бороды и волосы на теле, - делился своими проницательными
наблюдениями Бюффон, - и нет страстной тяги к женщинам". Репродуктивные органы
у них "маленькие и немощные".
Наблюдения Бюффона на удивление охотно поддержали другие авторы, особенно
те, кто не был обременен личным знакомством со страной. Некий голландец по
имени Корнель де Пов в популярном труде под названием "Философские
размышления об американцах" извещал, что коренные американцы не только не обладают
впечатляющей мужской потенцией, но их мужчины "настолько недоразвиты в этом
отношении, что их груди выделяют молоко". Подобные представления держались
невероятно долго - они повторялись в европейских книгах почти до конца XIX
века.
Неудивительно, что такая клевета была с негодованием встречена в Америке.
Томас Джефферсон включил яростное (и, если не знать контекста, весьма
озадачивающее) опровержение в свои "Заметки о штате Вирджиния" и подбил своего
нью-гэмпширского приятеля, генерала Джона Салливана, послать двадцать солдат
в северные леса добыть самца американского лося, чтобы подарить его Бюффону в
качестве примера калибра и величественности американских четвероногих.
Солдатам потребовалось две недели, чтобы выследить подходящую особь. Правда, у
убитого американского лося не было внушительных рогов, о чем специально
просил Джефферсон, но Салливан предусмотрительно добавил рога то ли простого
сохатого, то ли оленя, предложив приделать их вместо настоящих. В конце концов,
кто там во Франции разберется?
Атем временем в Филадельфии - городе, где жил Уистар, - натуралисты начали
собирать кости гигантского слоноподобного существа, сначала известного как
"великий американский инкогнитум", но впоследствии определенного, не совсем
правильно, как мамонт. Первые из этих костей были обнаружены в месте под
названием Биг Боун Лик, в штате Кентукки, но скоро они стали поступать
отовсюду. Оказывается, Америка когда-то была родиной существа действительно
внушительных размеров - такого, которое, несомненно, доказывало ложность нелепых
галльских домыслов Бюффона.
В своем рвении продемонстрировать огромные размеры и свирепость инкогнитума
американские натуралисты, похоже, слегка увлеклись. Они преувеличили его
размеры раз в 6 и снабдили его страшными когтями, которые на самом деле
принадлежали найденному поблизости мегалониксу, или гигантскому наземному ленивцу.
Довольно удивительно, что они убедили себя в том, будто это животное обладало
"подвижностью и свирепостью тигра", и на иллюстрациях изображали его с
кошачьей грацией бросающимся из-за камней на добычу. Когда же обнаружились
бивни, их любыми хитроумными способами втискивали в череп животного. Один из
реставраторов ввернул их вверх тормашками, подобно клыкам саблезубого тигра,
что придавало животному поразительно агрессивный вид. Другой пристроил бивни
таким образом, что они загибались назад, исходя из предположения, что это
существо обитало в воде и пользовалось ими как якорем, цепляясь за деревья во
время сна. Однако самым надежным соображением относительно инкогнитумов было
то, что они, по всей видимости, вымерли, за что с радостью и уцепился Бюффон
как за неоспоримое свидетельство их дегенеративного естества.
Бюффон умер в 1788 году, но спор продолжался своим чередом. В 1795 году
набор костей отправился в Париж, где их исследовал молодой аристократ Жорж
Кювье, восходящая звезда палеонтологии. Кювье уже поражал воображение людей
своим талантом сколачивать из кучи разрозненных костей пропорционально
сложенные фигуры. Говорили, что он мог по единственному зубу или обломку челюсти
определить внешний вид и свойства животного, а часто в придачу назвать его
вид и род. Поняв, что никто в Америке не подумал дать формальное описание
громадному животному, Кювье сделал это сам, став таким образом его
официальным первооткрывателем. Он назвал его мастодонтом (что означает, несколько
неожиданно, молочные зубы).
Вдохновленный полемикой, Кювье в 1796 году написал сыгравшую заметную роль
статью "Заметки о видах живущих и ископаемых слонов", в которой впервые
выдвинул строго сформулированную теорию вымирания видов. По его мнению, Земля
время от времени претерпевала глобальные катастрофы, в которых уничтожались
целые категории живых существ. Для верующих, включая самого Кювье, эта идея
была довольно неудобной, поскольку предполагала странное непостоянство
промысла Божьего. Какой смысл Богу создавать виды лишь для того, чтобы позднее
стереть их с лица земли? Данное представление противоречило вере в Великую
гармонию бытия, согласно которой мир заботливо упорядочен и все населяющие
его живые существа всегда имели, имеют, и будут иметь свое место и
предназначение. Джефферсон со своей стороны никак не мог примириться с мыслью, что
целым видам будет когда-либо позволено исчезнуть (или, если на то пошло,
эволюционировать) . Поэтому, когда ему сказали, что, исходя из научных и
политических соображений, неплохо бы послать поисковую партию для исследования
внутренних районов Америки за Миссисипи, он ухватился за эту мысль в надежде, что
отважные искатели приключений обнаружат стада живых мастодонтов и других
крупных существ, пасущихся на плодородных равнинах76. Одним из руководителей
и главным натуралистом экспедиции был назначен личный секретарь и близкий
друг Джефферсона Мериотр Льюис. А его советником по вопросам существующих и
вымерших животных стал не кто иной, как Каспар Уистар.
В том же году и даже в один месяц, когда в Париже прославленный аристократ
Кювье выдвигал свои теории вымирания, по другую сторону Ла-Манша куда менее
известного англичанина осенила догадка о значении окаменелостей, которая тоже
повлечет за собой долговременные последствия. Молодой Уильям Смит работал на
строительстве Сомерсетского угольного канала77. Вечером 5 января 1796 года,
сидя на постоялом дворе в Сомерсете, он кратко записал для памяти мысль,
которая, в конечном счете, создаст ему имя. Чтобы оценивать горные породы,
требуется с чем-то их соотносить, нужна база, опираясь на которую можно
говорить, что вот эти угленосные породы из Девона моложе вон тех кембрийских
пород из Уэльса. Догадка Смита состояла в том, что ответ могут дать ископаемые
останки. При каждом переходе от одного пласта пород к другому некоторые виды
окаменелостей исчезали, тогда как другие переходили в последующие горизонты.
Отмечая, какие виды встречаются в тех или иных пластах, можно определить
относительный возраст пород, где бы они ни появлялись. Будучи топографом, Смит
сразу принялся за создание карты горных формаций Британии, которая после дол-
Следует отметить, что это все же не было основной целью экспедиции. Ее главной Задачей была
попытка отыскать водный путь по рекам и озерам через Американский континент от
Атлантического океана до Тихого.
77
Сомерсетскии угольный канал - узкий канал длиной 29 км, входивший в систему доставки угля
из шахт графства Сомерсет в Лондон.
гих усилий была опубликована в 1815 году и стала основой современной
геологии. (Об этом обстоятельно рассказано в популярной книге Саймона Винчестера
"Карта, которая изменила мир".)
К сожалению, высказав свою догадку, Смит проявил удивительное равнодушие к
тому, чтобы разобраться в вопросе, почему горные породы залегают именно так,
а не иначе. "Я не стал ломать голову над происхождением пластов и
удовлетворился знанием того, как они расположены, - записывал он. - Вопросы "почему" и
"зачем" не могут относиться к компетенции маркшейдера".
Открытые Смитом особенности пластов горных пород еще более усугубили
религиозные проблемы, связанные с вымиранием. Начать с того, что тем самым
подтверждалось, что Господь уничтожал живые существа не от случая к случаю, а
весьма регулярно. Это выставляло Его не столько беззаботным и легкомысленным,
сколько необычайно враждебно настроенным. Также возникала неприятная
потребность объяснять, почему одним видам пришлось исчезнуть, тогда как другие
беспрепятственно переходят в последующие эпохи. Ясно, что вымирание представляло
собой нечто большее, нежели то, что приписывалось единственному Ноеву потопу,
как называли библейское наводнение. Кювье, к собственному удовлетворению,
разрешил этот вопрос, предположив, что в Книге Бытия описывается только самое
последнее наводнение. Господь, похоже, не хотел расстраивать или пугать
Моисея ненужными повествованиями о более ранних вымираниях.
Итак, в первые годы XIX века окаменелости с неизбежностью обрели научную
значимость, и тем более достойна сожаления неудача Уистара с определением
кости динозавра. Неожиданно кости стали находить всюду. У американцев
возникало еще несколько возможностей заявить об обнаружении динозавров, но все они
были упущены. В 1806 году экспедиция Льюиса и Кларка прошла через формацию
Хелл Крик в штате Монтана, область, где охотники за окаменелостями позднее
будут буквально спотыкаться о кости динозавров, и даже осмотрела заключенную
в породу кость, которая явно принадлежала древнему ящеру, но не сделала из
этого никаких выводов. Кости и окаменелые отпечатки следов были также
обнаружены в долине реки Коннектикут в Новой Англии, после того, как сынишка
фермера Плинус Муди нашел древние следы на уступе скалы в Саут Хэдли, штат
Массачусетс. По крайней мере, некоторые из этих образцов сохранились до наших дней
- в первую очередь кости анхизавра, которые находятся в коллекции Музея Пибо-
ди в Йельском университете. Найденные в 1818 году, они были первыми
изученными и сохраненными костями динозавра, но, к сожалению, признали их в этом
качестве лишь в 1855 году. В том же 1818 году умер Каспар Уистар, правда,
неожиданно получив своего рода бессмертие благодаря ботанику Томасу Натталлу
назвавшему его именем очаровательный вьющийся кустарник. Некоторые ботаники-
пуристы до сих пор упрямо называют его уистарией.
Однако к тому времени палеонтологические события переместились в Англию. В
1812 году в местечке Лайм Реджис на побережье графства Дорсет удивительная
девочка по имени Мэри Эннинг - в возрасте 11, 12 или 13 лет, в зависимости от
того, где вы об этом прочтете, - нашла вмурованное в круто нависающую над Ла-
Маншем скалу странное окаменелое морское чудовище длиной 5 с лишним метров,
ныне известное как ихтиозавр.
Это стало началом поразительного дела всей жизни. Следующие тридцать пять
лет Эннинг занималась собиранием окаменелостей, которые продавала приезжим.
(Принято считать, что именно о ней говорится в известной английской
скороговорке "she sell sea-shells on the sea-shore78".) Она также найдет первого
плезиозавра - еще одно морское чудовище - и одного из первых и лучших
птеродактилей. Хотя ни одно из этих существ не было в узком смысле динозавром, в
те времена это не имело большого значения, поскольку никто еще не знал, что
"Она продает морские раковины на берегу моря".
такое динозавр. Достаточно было понимать, что в мире когда-то обитали
существа, разительно отличающиеся от тех, что мы можем видеть сегодня.
Эннинг не только отличалась умением отыскивать окаменелости - хотя в этом
ей не было равных, - но она к тому же извлекала их с величайшей тщательностью
и без повреждений. Если у вас когда-нибудь появится возможность посетить зал
древних морских рептилий в лондонском Музее естественной истории, я призываю
вас не упускать этот шанс, ибо только так вы сможете по достоинству оценить
масштабы и красоту работ этой молодой женщины, выполненных практически без
всякой помощи самыми простыми инструментами в невероятно трудных условиях.
Один только плезиозавр занял десять лет терпеливых раскопок. Не имея
профессиональной подготовки, Эннинг могла со знанием дела нарисовать или описать
свои находки ученым. Однако при всем ее умении важные находки случались
редко, и большую часть жизни она провела в бедности.
В истории палеонтологической науки трудно представить себе фигуру в большей
мере обделенную вниманием, чем Мэри Эннинг, но в действительности был еще
один человек, про которого, к большому сожалению, можно сказать почти то же
самое. Его звали Гидеон Алджернон Мантелл, и был он сельским врачом в
графстве Сассекс.
Долговязый тощий Мантелл обладал всеми возможными недостатками - был
тщеславен, эгоцентричен, самодоволен, не заботился о семье, но такого энтузиаста
палеонтологии среди любителей еще не было. Ему также повезло с женой,
преданной и внимательной. В 1822 году, когда он у себя в Сассексе посещал пациента,
миссис Мантелл прогуливалась поблизости по тропинке и в куче щебня,
оставленного для засыпки рытвин, увидела странный предмет - кривой коричневый камешек
размером с небольшой грецкий орех. Зная интерес своего мужа к ископаемым
предметам и подумав, что это один из них, она взяла его с собой. Мантелл
сразу понял, что это окаменелый зуб, и после недолгого исследования убедился,
что он принадлежал животному из числа травоядных рептилий, необычайно
крупному - 3 метра длиной, жившему в меловой период. Он оказался прав по всем
пунктам; но это были смелые выводы, потому что ничего подобного ранее не
встречали и даже не представляли.
Понимая, что находка полностью перевернет представления о прошлом, и следуя
увещеваниям своего друга, преподобного Уильяма Бакленда - того самого, в
мантии и со своеобразным аппетитом, - работать осторожнее, Мантелл посвятил 3
года кропотливым поискам свидетельств, подтверждающих его выводы. Он отправил
зуб в Париж Кювье, желая узнать его мнение, но великий француз отмахнулся,
Заявив, что это Зуб гиппопотама. (Впоследствии Кювье великодушно извинился за
эту не характерную для него ошибку.) Однажды, работая в Хантеровском
анатомическом музее, Мантелл разговорился с коллегой, который сказал, что этот зуб
очень похож на зубы животных, которых он изучает, - южно-американских игуан.
Быстро проведенное сравнение подтвердило сходство. И в результате описанное
Мантеллом существо стало игуанодоном, по имени греющейся в тропиках ящерицы,
с которой оно никаким образом не было связано.
Мантелл подготовил доклад для отправки в Королевское общество. К несчастью,
выяснилось, что в каменоломне в Оксфордшире уже нашли другого динозавра, и он
только что был формально описан преподобным Баклендом, который еще недавно
убеждал Мантелла не торопиться. Это был мегалозавр; название было в
действительности подсказано Бакленду его другом доктором Джеймсом Паркинсоном,
бывшим радикалом, давшим имя болезни Паркинсона. Напомним, что Бакленд в первую
очередь был геологом, и это проявилось в его докладе о мегалозавре. В
сообщении, опубликованном в "Трудах Лондонского геологического общества", он
отмечал, что зубы существа не соединялись непосредственно с челюстной костью, как
у ящериц, а помещались в гнездах, как у крокодилов. Но, отметив это, Бакленд
не понял, что это означало, а именно, что мегалозавр принадлежал к совершенно
новому типу живых существ. И все же, хотя его доклад свидетельствовал о
небольшой наблюдательности и проницательности, он содержал первое
опубликованное описание динозавра - так что честь открытия этой древней линии живых
существ принадлежит Бакленду, а не значительно более заслуживающему ее Мантел-
лу.
Еще не зная, что в жизни его ждут сплошные неприятности, Мантелл продолжал
искать окаменелости - в 1833 году он нашел еще одного гиганта, хилеозавра, -
а также стал покупать их в каменоломнях и у фермеров, пока не собрал,
пожалуй, самую крупную коллекцию ископаемых останков в Британии. Мантелл был
отличным врачом и не менее одаренным охотником за костями, но ему было не под
силу поддерживать оба свои таланта. Увлекшись собирательством, он забросил
врачебную практику. Скоро ископаемые заполонили почти весь его дом в Брайтоне
и поглотили большую часть его доходов. Порядочная сумма ушла на издание книг,
которые мало кто хотел покупать. Изданной в 1827 году книги "Иллюстрации
геологии Сассекса" удалось продать лишь пятьдесят экземпляров, что принесло Ман-
теллу убытки в размере 300 фунтов стерлингов - очень большую сумму по тем
временам.
С отчаяния Мантелл ухватился за мысль превратить свой дом в музей и брать
плату за вход, но позднее осознал, что такой меркантильный подход подорвет
его репутацию джентльмена, не говоря уж о репутации ученого; так что он
позволял людям посещать свой дом бесплатно. Они приходили сотнями, неделя за
неделей, разрушая его врачебную практику и домашнюю жизнь. В конце концов,
чтобы рассчитаться с долгами, он был вынужден продать большую часть своей
коллекции. А вскоре после этого, забрав с собой четверых детей, от него ушла
жена.
Удивительно, но этим его беды только начинались.
В южной части Лондона в районе Сайденхэм в парке Хрустального дворца есть
необычная забытая достопримечательность: первые в мире макеты динозавров в
натуральную величину. В наши дни сюда мало кто заглядывает, но когда-то это
было одно из самых посещаемых мест Лондона. Как заметил Ричард Форти, по
существу, это был первый в мире тематический парк. Очень многое в этих моделях
не вполне корректно. Палец игуанодона помещен на носу, наподобие рога, а само
животное стоит на 4 крепких ногах, что придает ему вид довольно упитанного,
несоразмерно большого пса. (В жизни игуанодоны не ползали на 4 лапах, а были
двуногими.) Глядя на них теперь, вряд ли подумаешь, что эти странные
неуклюжие существа могли вызвать столько злобы и горечи, как это получилось на
деле . Но, пожалуй, ничто в естественной истории не стало средоточием такой
лютой неослабевающей вражды, чем эта линия древних существ, известных под
именем динозавров.
Во время сооружения моделей динозавров Сайденхэм находился на окраине
Лондона, и его просторный парк сочли идеальным местом для воссоздания
знаменитого Хрустального дворца, сооружения из стекла и металла, служившего главным
украшением Всемирной выставки 1851 года, откуда парк, собственно, и получил
свое название. Сделанные из бетона динозавры служили своего рода
дополнительным аттракционом. В канун нового, 1853 года внутри незавершенного игуанодона
для двадцати одного видного ученого был устроен знаменитый обед. Гидеона Ман-
телла, нашедшего и описавшего игуанодона, среди них не было. Во главе стола
восседала величайшая знаменитость молодой науки палеонтологии. Его звали
Ричард Оуэн, и к тому времени он уже несколько лет успешно превращал жизнь
Гидеона Мантелла в сущий ад.
Оуэн вырос на севере Англии, в Ланкастере, где получил медицинское
образование . Он был прирожденным анатомом и так любил это занятие, что порой тайком
забирал домой конечности, органы и другие части трупов, чтобы не спеша их
препарировать. Однажды идя с сумкой, в которой была только что отсеченная им
голова чернокожего матроса, Оуэн поскользнулся на мокрой мостовой и с ужасом
увидел, как голова, подпрыгивая, катится вниз по проулку в открытые двери
дома и вкатывается в переднюю. Что сказали обитатели дома, увидя подкатившуюся
к их ногам отсеченную голову, остается только догадываться. Возможно, они
даже не успели толком испугаться, поскольку мгновение спустя туда с озабоченным
видом ворвался молодой человек, не говоря ни слова, забрал голову и тут же
убежал.
В 1825 году, когда ему был всего двадцать один год, Оуэн переезжает в
Лондон, и вскоре Королевский колледж хирургов поручает ему помочь привести в
порядок обширную, но неорганизованную коллекцию медицинских и анатомических
образцов. Большую часть из них оставил учреждению Джон Хантер, выдающийся
хирург и неутомимый собиратель медицинских диковинок, но их никогда не
каталогизировали и не систематизировали, главным образом, потому, что вскоре после
смерти Хантера пропали документы, поясняющие значение и смысл каждого
экспоната .
Оуэн очень скоро выделился своими организаторскими и дедуктивными
способностями. Одновременно он проявил себя незаурядным анатомом, почти не уступая
работавшему в Париже великому Кювье в способности реконструировать ископаемых
животных. Он стал таким видным экспертом по анатомии животных, что ему
первому предлагали для вскрытия умерших зверей из Лондонского зоосада и неизменно
доставляли их ему на дом. Однажды его жена, вернувшись домой, обнаружила
заполнившую всю переднюю тушу недавно околевшего носорога. Оуэн быстро стал
ведущим экспертом по всем видам животных, существующим и вымершим - от
утконосов , ехидн и других только что открытых сумчатых до злополучных дронтов79 и
вымерших гигантских птиц моа, бродивших по Новой Зеландии, пока их всех не
съели местные обитатели - маори. Он первым описал археоптерикса после его
открытия в Баварии в 1861 году и первым написал официальную эпитафию на
дронтов . Всего им написано около шестисот статей по анатомии - поразительный
объем работы.
Но помнят Оуэна прежде всего по трудам о динозаврах. Это он в 1841 году
придумал слово "динозавр". Оно означает "ужасная ящерица" и является на
удивление неподходящим. Динозавры, как мы теперь знаем, далеко не все были
ужасными - некоторые не больше кролика и, вероятно, вели себя чрезвычайно
скрытно; к тому же они вовсе не были ящерицами, которые на самом деле принадлежат
к значительно более ранней (на 30 млн. лет) линии. Оуэн точно знал, что эти
существа были пресмыкающимися, и в его распоряжении было отличное греческое
слово "герпетон", но он почему-то предпочел не пользоваться им. Другая, более
простительная ошибка (с учетом тогдашней нехватки образцов) заключалась в
том, что он не заметил, что динозавры составляют не одну, а две ветви
рептилий: птицетазовых и ящеротазовых.
Оуэн не был привлекательной личностью ни внешне, ни по характеру. На
фотоснимке, сделанном в зрелые годы, он выглядит мрачно и зловеще, ни дать ни
взять - злодей из мелодрамы викторианских времен: длинные прямые волосы,
глаза навыкате - такой физиономией только детей пугать. Держался он холодно и
надменно, а для достижения своих целей не брезговал ничем. Он был
единственным, кого ненавидел Чарлз Дарвин. Даже сын Оуэна (рано покончивший с собой)
ссылался на "достойное сожаления бессердечие" отца.
Его несомненный анатомический дар давал возможность совершать самые
бесстыдные мошенничества и выходить сухим из воды. В 1857 году натуралист Т.Г.
Гексли, листая свежий номер журнала Churchill's Medical Directory, обнаружил,
что Оуэн числится профессором сравнительной анатомии и физиологии Государст-
Дронты, открытые португальцами на острове Маврикий в XVI веке, менее чем За 200 лет были
полностью истреблены.
венного горного училища, что весьма его удивило, потому что это была
должность , которую занимал сам Гексли. Когда он стал наводить в издательстве
справки, откуда взялась такая явная ошибка, ему ответили, что эти сведения
были им предоставлены лично доктором Оуэном. Между тем другой коллега-
натуралист, Хью Фальконер, поймал Оуэна на том, что тот приписал себе одно из
его открытий. Другие обвиняли его в том, что он заимствовал образцы, а потом
уверял, что не брал. Оуэн даже ввязался в ожесточенный спор с дантистом
королевы о приоритете в отношении теории физиологии зубов.
Он без стеснения преследовал тех, кого не любил. В начале карьеры Оуэн
использовал свое влияние в Зоологическом обществе, чтобы забаллотировать
молодого ученого Роберта Гранта, единственная вина которого состояла в том, что
он подавал надежды стать хорошим анатомом. Грант с удивлением узнал, что ему
вдруг отказали в доступе к анатомическим образцам, которые требовались для
его исследований. Оказавшись не в состоянии продолжать работу, он, понятное
дело, канул в безвестность.
Но никто не пострадал от недоброго внимания Оуэна больше, чем несчастный и
все более трагически неудачливый Гидеон Мантелл. Потеряв жену и детей,
врачебную практику и большую часть своей коллекции ископаемых, Мантелл переехал
в Лондон. Там в 1841 году - в роковой для него год, в котором Оуэн достиг
вершин славы благодаря открытию и описанию динозавров, - Мантелл попал в
ужасную дорожную катастрофу. Проезжая в экипаже по кварталу Клэпэм Коммон, он
каким-то образом упал со своего места, запутался в поводьях, а пустившиеся
галопом испуганные лошади потащили его по неровной земле. После этой беды он
остался калекой с неизлечимо поврежденным позвоночником, причинявшим
постоянные мучительные боли. Воспользовавшись беспомощным состоянием Мантелла, Оуэн
стал методично исключать из документов упоминания о его вкладе в науку,
переименовывая виды, названные Мантеллом многими годами раньше, и приписывая себе
приоритет их открытия. Мантелл продолжал попытки самостоятельных
исследований, но Оуэн, используя свое влияние в Королевском обществе, добивался
отклонения большинства его статей. В 1852 году будучи не в состоянии дальше
выносить боль и гонения, Мантелл покончил с собой. Его изуродованный позвоночник
отправили в Королевский колледж хирургов, где он - вот вам и ирония - попал в
руки Оуэна, директора принадлежавшего колледжу Хантеровского музея.
Но надругательства и на этом не закончились. Вскоре после смерти Мантелла в
"Литерари газетт" появился некролог, привлекший внимание своей
неблагожелательностью. В нем Мантелл характеризовался как посредственный анатом, чей
скромный вклад в палеонтологию к тому же ограничивался "нехваткой точных
знаний". Некролог даже отнимал у него открытие игуанодона и приписывал его,
среди прочего, Кювье и Оуэну. Хотя заметка была без подписи, слог был оуэновский
и никто в мире естественных наук не питал сомнений в отношении ее авторства.
И все же к этому времени грехи Оуэна стали выплывать наружу. Его падение
началось, когда комитет Королевского общества - комитет, председателем
которого, так уж получилось, оказался он сам, - решил присудить ему высшую
награду, Королевскую медаль за доклад о вымершем моллюске, названном белемнитом.
"Однако, - как отмечает Дебора Кэдбери80 в своем блестящем повествовании о
том периоде "Ужасная ящерица", - этот труд не был таким оригинальным, как
представлялось". Оказалось, что белемнит был открыт четырьмя годами ранее
натуралистом-любителем Чанингом Пирсом, и об открытии было обстоятельно
доложено на собрании Геологического общества. Оуэн присутствовал на этом собрании,
но умолчал об этом, когда представлял собственный доклад Королевскому
обществу, в котором не случайно переименовал данное живое существо в свою честь -
Дебора Кэдбери (Deborah Cadbury) - британская писательница и продюсер на Би-би-си.
Неоднократно удостаивалась премий За свои телепрограммы, в том числе научно-популярные.
Belemnites owenii. Хотя медаль Оуэну оставили, этот эпизод навсегда запятнал
его репутацию даже в среде немногих сохранившихся сторонников.
В конечном счете, Гексли удалось сделать с Оуэном то, что Оуэн делал со
многими другими: он добился того, что Оуэна забаллотировали при выборах в
советы и Зоологического, и Королевского обществ. И последним возмездием стало
избрание Гексли новым профессором Хантеровского музея Королевского колледжа
хирургов.
Оуэн больше не сделал ни одного значительного исследования, но вторую
половину своей карьеры посвятил весьма достойному делу, за которое все мы можем
быть ему благодарны. В 1856 году он возглавил отдел естественной истории
Британского музея и в этом качестве стал одним из главных инициаторов создания
лондонского Музея естественной истории. Открытая в 1880 году в Южном
Кенсингтоне величественная, милая сердцу готическая громадина - почти в точности
соответствует его замыслу.
До Оуэна музеи предназначались, главным образом, для пополнения знаний
элиты, и даже этим высшим слоям было непросто получить туда доступ. В первое
время желавшие посетить Британский музей должны были подать письменное
прошение и пройти краткое собеседование, чтобы определить, можно ли их вообще
допускать сюда. Затем они должны были прийти сюда второй раз, чтобы получить
билет - разумеется, если они успешно прошли собеседование, - и, наконец,
прийти в третий раз, чтобы увидеть сокровища музея. Но даже в этом случае их
без задержки проводили группами, не позволяя отставать. Оуэн вознамерился
открыть двери всем, вплоть до поощрения рабочих приходить в музей по вечерам, а
большую часть музейной площади выделить под общедоступные выставки. Он даже
внес довольно радикальное предложение сделать к каждому экспонату
пояснительные таблички, чтобы посетители понимали, что они рассматривают. Но против
этого довольно неожиданно выступил Т. Г. Гексли, считавший, что музеи - это,
прежде всего, научно-исследовательские учреждения. Превратив Музей
естественной истории в общедоступное учреждение, Оуэн изменил наши представления о
том, для чего должны быть предназначены музеи.
И все же его альтруизм в отношении начинающих ученых в целом не изменил его
личной неприязни к соперникам. Одним из последних его деяний была закулисная
кампания с целью сорвать предложение об установке статуи Чарлза Дарвина. Эта
затея ему не удалась - но, в конечном счете, он все же нечаянно
восторжествовал. Сегодня его статуя возвышается на самом видном месте в конце лестницы,
ведущей в главный зал Музея естественной истории, тогда как Дарвин и Т. Г.
Гексли загнаны в углы музейного буфета, откуда сурово взирают на посетителей,
подкрепляющихся чашкой чая и донатсами с повидлом.
Не без оснований можно было бы думать, что мелкие интриги Роберта Оуэна
ознаменовали собой низшую точку палеонтологии девятнадцатого века, но в
действительности худшее было еще впереди, на этот раз по другую сторону океана. В
последние десятилетия века в Америке разгорелось соперничество куда более
захватывающее и ожесточенное, хотя и не столь пагубное. Оно завязалось между
двумя странными и безжалостными людьми - Эдвардом Дринкером Коупом и Отниэлем
Чарлзом Маршем.
У них было много общего. Оба были избалованны, нетерпеливы, эгоцентричны,
сварливы, завистливы, подозрительны и по большому счету несчастливы. И между
тем они в корне изменили весь мир палеонтологии.
Поначалу они были друзьями, испытывали взаимное восхищение и даже называли
виды ископаемых именами друг друга; в 1868 году они вместе приятно провели
целую неделю. Однако что-то тогда прошло не так - никто не знает, что именно,
- и на следующий год между ними возникла неприязнь, которая в последующие 3
десятилетия переросла во всепоглощающую ненависть. Пожалуй, можно смело
утверждать , что в области естественных наук не было двух людей, которые бы до
такой степени ни во что не ставили друг друга.
Марш был восемью годами старше, замкнутый, оторванный от жизни, с аккуратно
подстриженной бородой и щегольскими манерами. В поле он бывал мало, и ему
редко везло с находками. Посетив знаменитое кладбище динозавров в Комо Блафф,
штат Вайоминг, он умудрился не найти костей, которые, по словам одного
историка, "валялись там повсюду, словно дрова". Но он располагал средствами,
чтобы покупать практически все, что пожелает. Хотя сам он происходил из скромной
семьи - отец был фермером в штате Нью-Йорк, - его дядюшкой был страшно
богатый и на удивление снисходительный финансист Джордж Пибоди. Когда Марш
проявил интерес к естественной истории, Пибоди построил ему в Йеле музей и
предоставил достаточно средств для того, чтобы пополнять его почти всем, на что
была способна фантазия.
Коуп с детства находился в более привилегированном положении - его отец был
богатым филадельфийским бизнесменом, - и в этой паре он был намного смелее и
предприимчивее. Летом 1876 года в Монтане, когда Джордж Армстронг Кастер и
его войска погибали в бою у реки Литтл-Биг-Хорн, Коуп неподалеку был занят
поиском костей. Когда ему указали, что, пожалуй, теперь не самое подходящее
время собирать сокровища индейских земель, Коуп, минуту подумав, решил, что
бы ни случилось, продолжать работу. Слишком удачным был сезон. Однажды он
наткнулся на группу глядевших на него с подозрением индейцев племени кроу, но
ему удалось завоевать их симпатии, вынимая изо рта и вставляя обратно
искусственную челюсть.
Лет десять взаимная неприязнь Марша и Коупа главным образом выливалась в
форму отдельных выпадов, но в 1877 году она приобрела грандиозные масштабы. В
тот год учитель из штата Колорадо Артур Лейке, бродя с приятелем по
окрестностям поселка Моррисон, обнаружил кости. Сочтя, что они принадлежали
"гигантскому ящеру", Лейке позаботился послать образцы и Маршу, и Коупу.
Обрадованный Коуп послал Лейксу за хлопоты 100 долларов и попросил его никому не
говорить о своем открытии, особенно Маршу. Лейке в полном замешательстве
обратился к Маршу с просьбой переслать кости Коупу. Марш просьбу выполнил, но такого
оскорбления не мог забыть до конца своих дней.
Этот случай также ознаменовал начало войны между ними, которая со временем
становилась все более ожесточенной, отмеченной закулисными интригами, и
зачастую принимала нелепые формы. Порой доходило до того, что землекопы обоих
исследователей швыряли друг в друга камнями. Однажды Коупа застали за тем,
что он рылся в ящиках, принадлежавших Маршу. Оба обменивались оскорблениями в
печати и хулили результаты работ друг друга. Редко - возможно, никогда больше
- наука не развивалась так стремительно и успешно, движимая ненавистью. За
несколько следующих лет эти два человека увеличили число найденных в Америке
видов динозавров с 9 до почти 15081. Большинство динозавров, названия которых
обычно приходят на память - стегозавры, бронтозавры, диплодоки, трицератопсы
- были найдены одним из них. (Достойным внимания исключением является
тираннозавр, найденный в 1902 году Барнумом Брауном. На самом деле первые останки
тираннозавра были найдены именно Коупом в 1892 году. Он назвал находку
Manospondylus gigas. Второй и третий образцы нашел Браун в 1900 и 1902 годах.
По находкам Брауна в 1905 г. его руководитель Генри Осборн официально описал
вид Tyrannosaurus rex. Однако с находкой Коупа его долгое время не
сопоставляли. Позднее Браун нашел еще 3 образца тираннозавра, в том числе в 1908 г.
почти полный скелет. Приоритет Коупа стал ясен в 1916 г., когда Осборн
отождествил Tyrannosaurus rex и Manospondylus gigas. Однако переименовывать вид
не стали, поскольку он уже был широко известен публике. - Прим. научн. ред.)
О точном числе открытых ими динозавров мнения расходятся. Есть данные, что Коуп описал 56
видов динозавров, а Марш - более 120. По другим источникам - 26 и 34 соответственно.
К сожалению, работая в спешке, они часто не замечали, что новое открытие
было чем-то уже известным. Достаточно сказать, что им удалось "открыть" вид,
названный Uintatherum anceps, не менее 22 раз82. Потребовались годы, чтобы
разобраться в оставленных ими классификационных дебрях. Некоторая часть
остается не разобранной по сию пору.
Из них двоих научное наследие Коупа было намного значительнее. За
поразительно напряженную исследовательскую карьеру он написал около тысячи
четырехсот научных работ и описал почти тысячу триста новых видов ископаемых (всех
типов, не только динозавров) - по обоим параметрам вдвое больше, чем Марш.
Коуп сделал бы больше, но, к несчастью, в последние годы жизни судьба его
круто покатилась по наклонной. Унаследовав в 1875 году состояние, он
неблагоразумно вложил его в серебро и потерял все. В итоге он остался жить в
комнатке одного из филадельфийских пансионов в окружении книг, бумаг и костей.
Марш, наоборот, доживал свой век в роскошном особняке в Нью-Хейвене. Коуп
скончался в 1897 году, Марш двумя годами позже.
В последние годы Коупом овладела еще одна любопытная навязчивая идея. Он
всерьез захотел быть объявленным типичным экземпляром вида Homo sapiens -
другими словами, чтобы его скелет официально был признан характерным для
человеческого рода. Обычно типичным образцом вида является первый найденный
набор костей, но, поскольку первого набора костей Homo sapiens не существует,
оставалась вакансия, которую пожелал заполнить собой Коуп. Это было странное
и тщеславное желание, но оснований для отказа ни у кого не нашлось. С этой
целью Коуп завещал свой прах Уистаровскому институту, научному обществу в
Филадельфии, созданному на пожертвования наследников вездесущего Каспара Уиста-
ра. К сожалению, когда скелет Коупа препарировали и собрали, обнаружилось,
что в нем присутствуют следы начальной стадии сифилиса, особенность, которую
вряд ли захотела бы сохранить в своем типичном образце какая-либо раса. Так
что прошение и скелет Коупа тихо отправили на полку. А типичного образца
современного человека до сих пор нет.
Что касается остальных участников этой драмы, то Оуэн умер в 1892 году, за
несколько лет до Коупа и Марша. Бакленд помешался и кончил свои дни жалким
обитателем сумасшедшего дома в Клэпэме, неподалеку от того места, где в
результате дорожной катастрофы стал калекой Мантелл. Изуродованный позвоночник
Мантелла еще почти сто лет оставался экспонатом Хантеровского музея, пока его
милосердно не уничтожила немецкая бомба во время воздушных налетов на Лондон.
Остатки коллекции Мантелла после его смерти перешли к детям, и многое из нее
взял с собой эмигрировавший в Новую Зеландию в 1840 году его сын Уолтер.
Уолтер стал важным новозеландцем и, в конце концов, занял пост министра по делам
коренного населения. В 1865 году он передал главные образцы из отцовской
коллекции, включая знаменитый зуб игуанодона, в дар Колониальному музею в
Веллингтоне (ныне Музей Новой Зеландии) , где они с тех пор и находятся. Зуб
игуанодона, с которого все началось - можно думать, самый главный зуб в
палеонтологии, - больше не выставляется.
Разумеется, со смертью главных охотников за окаменелостями девятнадцатого
века погоня за динозаврами не закончилась. В действительности, ее
поразительные масштабы еще только начинали вырисовываться. В 1898 году, выпавшем между
кончинами Коупа и Марша, у места, названного Боун Кэбин Куорри ("карьер у
хижины из костей"), всего в нескольких милях от основных раскопок Марша в Комо
Блафф, штат Вайоминг, обнаружилась находка, намного превосходившая все, что
встречалось раньше. Там были сотни и сотни окаменелых костей, выступающих из
В итоге честь открытия рода гигантских ископаемых носорогов Uintatherium досталась другому
американскому палеонтологу, Джозефу Лейди, а вид Uintatherium anceps выделил уже в 1961 году
У. X. Уиллер.
холмов в результате выветривания. Их было так много, что кто-то построил из
них хижину - отсюда и название места. За первые два сезона на площадке
раскопали 400 центнеров древних костей, и потом еще 6 лет к ним добавлялись по
несколько тонн в год.
В результате к началу XX века в распоряжении палеонтологов были в
буквальном смысле тонны древних костей. Проблема заключалась в том, что не было ни
малейшего представления об их возрасте. Хуже того, общепринятые представления
о возрасте Земли не могли вместить в прошлом все эти эры и периоды. Если
Земля действительно имела возраст всего лишь 20 млн. лет или около того, как
утверждал великий лорд Кельвин, тогда целые отряды древних существ появлялись и
исчезали практически в течение одного геологического мгновения. Это было
полной бессмыслицей.
Помимо Кельвина другие ученые тоже брались за решение проблемы и приходили
к выводам, которые лишь добавляли неопределенности. Сэмюэль Хотон,
пользовавшийся заслуженным уважением геолог из Колледжа Святой Троицы в Дублине,
объявил, что, по его оценкам, возраст Земли составляет 2300 млн. лет - много
больше, чем когда-либо предполагалось. Когда на это обратили его внимание,
он, пользуясь теми же данными, произвел перерасчет и назвал цифру в 153 млн.
лет. Джон Джоли83 из того же колледжа решил развить идею Эдмунда Галлея об
океанской соли, но его метод был основан на таком обилии ошибочных
предположений, что он безнадежно запутался. По его подсчетам, Земле было 89 млн. лет
- возраст, который приближался к предположениям Кельвина, но, к сожалению,
был далек от реальности.
Неразбериха достигла таких масштабов, что к концу XIX века, в зависимости
от того, в какой труд вы заглядывали, время, отделявшее нас от появления
сложных форм жизни в кембрийский период, исчислялось 3 млн., 18 млн., 600
млн., 794 млн. или 2,4 млрд. лет - или любым значением в этих пределах. Даже
в 1910 году одной из наиболее надежных считалась оценка, сделанная
американцем Джорджем Беккером, по которой возраст Земли составлял около 55 млн. лет.
И как раз, когда вопрос, казалось, уже был бесповоротно запутан, на сцену
вышла новая выдающаяся фигура с совершенно новым подходом. Ею оказался
выросший на новозеландской ферме грубовато-добродушный, но обладавший блестящим
умом Эрнест Резерфорд. Он представил неоспоримые доказательства того, что
возраст Земли насчитывает, по крайней мере, многие сотни миллионов лет, если
не больше.
Примечательно, что его доказательство основывалось на алхимии -
естественной, спонтанной, научно достоверной и совсем не оккультной, но, тем не менее,
алхимии. Оказалось, что Ньютон в конечном счете не был так уж не прав. Но о
том, как именно это было доказано, речь, разумеется, пойдет отдельно.
7. ПРОСТЕЙШИЕ ВЕЩЕСТВА
Часто говорят, что серьезной и респектабельной наукой химия стала с 1661
года, когда Роберт Бойль из Оксфордского университета опубликовал
"Сомневающегося химика" - первую книгу, где проводилось различие между химиками и
алхимиками, но переход к ней был медленным и зачастую беспорядочным. Еще в
восемнадцатом веке ученые мужи, как это ни странно, могли комфортно чувствовать
себя в обоих лагерях. Например, немец Иоганн Бехер, выпустивший
безукоризненно серьезный труд по минералогии, озаглавленный "Physica Subterranea", в то
же время был убежден, что при наличии соответствующих материалов может сде-
Джон Джоли (1857-1933) - ирландский геолог, геофизик, почетный член АН СССР с 1930 г.,
член-корреспондент АН СССР по Отделению математических и естественных наук с 29 марта 1932
г.
лать себя невидимым.
Пожалуй, самым типичным примером странностей и зачастую случайной природы
химической науки в тот ранний период служит открытие, сделанное в 1675 году
немцем Хеннигом Брандом. Бранд почему-то внушил себе, что золото можно
выделить из человеческой мочи. (Возможно, сходство цвета послужило основой для
такого вывода.) Он собрал 50 ведер человеческой мочи и много месяцев хранил у
себя в подвале. Различными непонятными процессами он превращал мочу сначала в
некую ядовитую тестообразную массу, а затем в просвечивающее вещество,
похожее на воск. Разумеется, никакого золота из всего этого не получилось, но
случилась непонятная и забавная штука. Спустя какое-то время вещество стало
светиться. Более того, когда его выставляли на воздух, оно часто
самовоспламенялось .
Предприимчивые деловые люди не упустили из виду коммерческий потенциал
полученного вещества, которое вскоре стало известно как фосфор - от греческого
и латинского корней, означающих "несущий свет". Однако сложность производства
делала его слишком дорогим для употребления. Розничная цена унции (28 грамм)
фосфора достигала 6 гиней - около 300 фунтов стерлингов в нынешних ценах -
другими словами, он был дороже золота84.
Сначала поставлять сырье были призваны солдаты, но такой порядок вряд ли
способствовал производству в промышленных масштабах. В 1769 году шведский
химик Карл Шееле разработал способ производства фосфора в больших количествах
без луж и запаха мочи. В значительной мере именно благодаря овладению методом
получения фосфора Швеция стала, и остается, ведущим производителем спичек85.
Шееле был необыкновенным человеком и, вместе с тем, необыкновенно
невезучим. Будучи скромным фармацевтом, почти не имея доступа к сложному
оборудованию, он открыл восемь элементов - хлор, фтор, марганец, барий, молибден,
вольфрам, азот и кислород - и не удостоился признания ни по одному из этих
открытий. Во всех случаях на его открытия либо не обратили внимания, либо они
были опубликованы после того, как кто-то другой сделал такое же открытие
независимо. Он также открыл много полезных соединений, в том числе аммиак,
глицерин и дубильную кислоту, а также первым понял промышленное значение хлора
как отбеливателя - словом, сделал открытия, чрезвычайно обогатившие других
людей.
Одной из достойных упоминания слабостей Шееле была курьезная страсть
попробовать на вкус все, с чем он имел дело, включая такие заведомо неприемлемые
вещества, как ртуть и синильная кислота (еще одно из его открытий) -
соединение, имеющее настолько дурную славу, что 150 лет спустя Эрвин Шредингер
выбрал его в качестве яда для своего знаменитого мысленного эксперимента. В
конце концов, нетерпеливость Шееле обернулась против него. В 1786 году в
возрасте всего сорока трех лет его нашли мертвым на своем рабочем месте в
окружении массы ядовитых химических реактивов, каждый из которых мог служить
объяснением застывшего на лице его потрясенного выражения.
Будь мир справедливым и говорящим по-шведски, Шееле пользовался бы всеобщим
восторженным признанием. А так рукоплескания в основном доставались более
знаменитым химикам, главным образом из англоязычного мира. Шееле открыл
кислород в 1772 году, но из-за различных досадных осложнений не смог вовремя
опубликовать свое сообщение. Поэтому честь открытия досталась Джозефу При-
Бранд был не ученым, а купцом. Поэтому он сначала держал секрет получения фосфора в
секрете, а потом несколько раз продавал этот секрет (который тогда связывали с философским
камнем) . Один из покупателей - Даниил Крафт, устраивал публичные демонстрации светоносной силы
фосфора. Другие торговали им, держа рецепт в секрете.
85 Шееле получал фосфор из Золы, образующейся при обжиге костей. К этому времени получение
фосфора уже давно не было секретом. Впервые рецепт был опубликован Робертом Бойлем в 1695
г., потом усовершенствованный метод опубликовал Андреас СигиЗмунд Маргграф в 1743 г.
стли, который сделал его независимо, но позднее, летом 1774 года. Еще более
удивительной была неудача Шееле с признанием открытия хлора. Почти все
учебники до сих пор приписывают открытие хлора Гемфри Дэви, который действительно
обнаружил его, но через 36 лет после Шееле86.
Хотя за столетие, отделявшее Шееле, Пристли и Генри Каведиша от Ньютона и
Бойля, химия прошла большой путь, впереди ей предстояло пройти не меньше. До
самых последних лет восемнадцатого века (а что касается Пристли, то и немного
позднее) ученые повсюду искали и порой думали, что нашли, вещи, которых
просто не существовало: испорченный воздух, дефлогистированные морские кислоты,
флоксы, калксы, болотные миазмы и, прежде всего, флогистон, субстанцию,
которая считалась активным началом горения87. Где-то среди всего этого, как
считали, также скрывалась таинственная elan vital - сила, вызывавшая к жизни
неживые объекты. Никто не знал, где находится эта неземная субстанция, но две
вещи представлялись вероятными: что можно оживлять электрическим разрядом
(идея, которую сполна использовала Мэри Шелли в своем романе "Франкенштейн")
и что эта субстанция содержится в одних веществах и отсутствует в других, -
вот почему в итоге мы имеем два раздела химии: органическую (для веществ, в
которых, как считали, субстанция жизни имелась) и неорганическую (для
веществ, в которых ее не было).
Чтобы проложить химии путь в новый век, требовался кто-то с чрезвычайно
проницательным умом, и такой человек нашелся во Франции. Его звали Антуан-
Лоран Лавуазье. Лавуазье родился в 1743 году в семье мелкого дворянина (титул
для семьи купил отец). В 1768 году Лавуазье вступил в долевое участие в
глубоко ненавидимом населением предприятии, носившем название Ferme Generale
("Генеральный откуп" - компании, которая от имени правительства собирала
налоги и пошлины), иными словами, он стал откупщиком. И хотя сам Лавуазье, судя
по всем отзывам, был мягким и справедливым человеком, компания этими
качествами не отличалась. Прежде всего, она облагала налогами не богатых, а лишь
бедных, к тому же зачастую весьма произвольно. Лавуазье это предприятие
привлекало тем, что обеспечивало богатство, позволявшее посвятить себя главному
увлечению - науке. В лучшие времена его личные доходы достигали 150 тысяч
ливров в год - около 12 млн. фунтов стерлингов нынешними деньгами.
Спустя три года после начала своего доходного дела он женился на 14-летней
дочери одного из своих боссов. Брак стал подлинным соединением сердец и умов.
Мадам Лавуазье была весьма сообразительна и скоро плодотворно трудилась
наравне с супругом. Несмотря на загруженность работой и светскими
обязанностями, им удавалось почти ежедневно уделять 5 часов науке - 2 рано утром и 3
вечером, а также все воскресенья, которые они называли jour de bonheur (днями
счастья). Кроме того, Лавуазье каким-то образом ухитрялся находить время
исполнять обязанности инспектора пороховых дел, руководить возведением стены
вокруг Парижа для сдерживания контрабанды, участвовать в создании метрической
системы и написании справочника "Система химической номенклатуры", ставшего
библией по части названий химических элементов.
Поскольку он был видным членом Королевской академии наук, от него также
требовалось быть осведомленным и проявлять живой интерес ко всем злободневным
вопросам - гипнотизму, тюремной реформе, дыханию насекомых, водоснабжению
Парижа. Именно в этом качестве в 1780 году Лавуазье отрицательно отозвался о
Шееле, выделив хлор, назвал его "дефлогистированной морской кислотой". Дэви в 1810 г.
первым доказал, что хлор является химическим элементом, а не соединением.
87 Испорченным (vitiated) называли воздух, выдохнутый живыми организмами, флоксы - то же
самое , что флогистон, калксы - продукты используемого в алхимии процесса кальцинирования,
миазмы - вредоносные испарения. До определенного времени все эти понятия широко использовались
в химии и алхимии.
новой теории горения, представленной в академию подававшим надежды молодым
ученым. Теория действительно была ошибочной, но ученый так никогда и не
простил этого Лавуазье. Звали его Жан-Поль Марат.
Единственное, чего не совершил Лавуазье, так это не открыл ни одного
элемента. В то время, когда, казалось, почти каждый человек с мензуркой и
горелкой и какими-нибудь забавными порошками мог открыть что-то новое - и когда
две трети элементов еще предстояло открыть, - Лавуазье не обнаружил ни
одного . И дело тут, конечно, не в нехватке мензурок. В лаборатории Лавуазье -
лучшей существовавшей частной лаборатории, пожалуй, даже излишне шикарной -
их насчитывалось 13 тысяч.
Вместо этого он брал открытия других и осмысливал их значение. Он отверг
флогистон и миазмы. Описал свойства кислорода и водорода и присвоил им обоим
современные названия. Словом, он был одним из тех, кто привнес в химию
точность , ясность и систематичность.
А его поразительное оборудование пришлось тут как нельзя кстати. Многие
годы они с мадам Лавуазье занимались крайне трудоемкими исследованиями,
требовавшими точнейших измерений. Они, например, установили, что ржавеющий предмет
не теряет в весе, как все долгое время считали, а, наоборот, становится
тяжелее - поразительное открытие. Ржавеющий предмет каким-то образом привлекал из
воздуха частицы. Впервые появилось понимание, что материю можно преобразо-
88
вать, но нельзя уничтожить . Если вы сейчас сожжете эту книгу, ее вещество
превратится в пепел и дым, но общее количество вещества в мире останется тем
же. Данный принцип стал известен как сохранение массы. Это была революционная
идея. К несчастью, она совпала по времени с другого рода революцией -
французской, - в которой Лавуазье оказался совсем не на той стороне.
Он не только был членом ненавистного "Генерального откупа", но и с
энтузиазмом возводил стену вокруг Парижа - сооружение настолько противное
восставшим гражданам, что они первым делом принялись рушить ее. Подчеркивая это,
Марат, ставший в 1791 году влиятельной фигурой в Национальном собрании, заявил,
что Лавуазье давно уже пора повесить. Вскоре "Генеральный откуп" был
ликвидирован. А немного спустя Марата убила в ванне молодая женщина по имени
Шарлотта Корде, которая считала себя несправедливо обиженной. Но для Лавуазье это
было уже слишком поздно89.
В 1793 году власть террора, и без того значительная, достигла высшей точки.
В октябре на гильотину отправили Марию Антуанетту. В следующем месяце, когда
Лавуазье с женой строили запоздалые планы бегства в Шотландию, он был
арестован. В мае [1794 года] вместе с другими 31 генеральным откупщиком предстал
перед революционным трибуналом (в помещении суда возвышался бюст Марата).
Восьмерых оправдали, а Лавуазье и других отправили прямиком на площадь
Революции (ныне площадь Согласия), где французские гильотины работали особенно
интенсивно. Лавуазье видел, как обезглавили его тестя, потом сам поднялся на
помост, принимая свою судьбу. Менее чем через три месяца, 27 июля, на том же
месте и таким же образом казнили Робеспьера, и террор быстро прекратился.
Аналогичные опыты проводил в России Ломоносов, однако полученные им результаты долгое время
оставались неизвестными научному сообществу, в том числе и в России.
89 Высказывания Марата в 1791 г. не были непосредственно связаны с казнью Лавуазье в мае 1794
года. А в 1791-1793 годах Лавуазье, находясь на посту директора академии, сотрудничал с
Национальным собранием, рекомендуя правительству полезные для страны технические изобретения и
даже разрабатывая новые рациональные методы сбора налогов. Однако в 1793 году академия была
упразднена, а депутат Конвента Брудон потребовал судить всех бывших откупщиков (хотя откуп
был уничтожен еще в 1791 году). Лавуазье был арестован через 4 месяца после гибели Марата в
июле 1793 года, который, кстати, был убит не по мотивам личной обиды, а по политическим
убеждениям. Шарлотта Корде не могла простить Марату казни Людовика XVI в январе 1793 года и
репрессий против монархистов.
Через сто лет после смерти Лавуазье в Париже ему был воздвигнут памятник.
Им немало восхищались, пока кто-то не обратил внимание, что он совершенно не
похож на оригинал. При допросе скульптор признался, что использовал голову
математика и философа маркиза Кондорсе - которая, видимо, пропадала зря, -
надеясь, что никто этого не заметит, а если и заметит, то не придаст
значения. И в отношении последнего он оказался прав. Статуя Лавуазье-Кондорсе
простояла еще полвека, до Второй мировой войны, когда однажды утром ее сняли и
переплавили вместе с металлоломом.
В начале 1800-х годов в Англии появилась мода вдыхать закись азота, или
веселящий газ, после того как обнаружили, что его употребление "сопровождается
весьма приятным возбуждением". На следующие полвека он станет излюбленным
наркотиком молодежи. Одно ученое объединение - Аскезианское общество90,
какое-то время увлекалось несколько другим. В театрах устраивались "вечера
веселящего газа", где добровольцы могли подкрепиться доброй дозой зелья, а
затем потешать публику своими нелепыми движениями.
Лишь в 184 6 году закиси азота наконец нашлось полезное применение в
качестве обезболивающего средства. Кто знает, сколько десятков тысяч людей напрасно
терпели невыносимые страдания под ножами хирургов лишь из-за того, что никто
не подумал о самом очевидном практическом применении этого газа.
Я упоминаю об этом, чтобы показать, как химия, столь далеко продвинувшись в
восемнадцатом веке, зашла в тупик в первые десятилетия XIX, во многом подобно
тому, как это случилось с геологией в первые годы XX. Отчасти это произошло
из-за нехватки оборудования - например, до второй половины столетия не было
центрифуг, что сильно ограничивало многие виды экспериментов, - а отчасти по
социальным причинам. Химия, вообще говоря, была наукой деловых людей, тех,
кто имел дело с углем, поташом и красителями, а не джентльменов, которые
тяготели к геологии, естественной истории и физике. (В континентальной Европе
было слегка иначе, но лишь слегка.) В этом отношении показательно, что одно
из важнейших открытий столетия - броуновское движение, установившее подвижную
природу молекул, принадлежало не химику, а шотландскому ботанику Роберту Бро-
уну. (В 1827 году Броун заметил, что взвешенные в воде крошечные крупинки
цветочной пыльцы находились в постоянном движении, сколько бы времени ни
давалось на отстаивание. Причина этого бесконечного движения - а именно
воздействие невидимых молекул - долгое время оставалась загадкой.)
Дела пошли бы еще хуже, если бы не один невероятно колоритный персонаж -
граф фон Румфорд, который, несмотря на свой пышный титул, появился на свет в
1753 году в Уобурне, штат Массачусетс, просто как Бенджамин Томпсон. Томпсон
любил порисоваться, отличался честолюбием, был "хорош обликом и статью", а
порой проявлял храбрость и чрезвычайную сообразительность, и в то же время не
был обременен такими неудобствами, как сомнения и колебания. В 19 лет он
женился на богатой вдове, которая была на 14 лет старше его, но с началом
революции в колониях он неблагоразумно встал на сторону лоялистов91 и одно время
шпионил на них. В роковой 1776 год, оказавшись перед угрозой ареста "за
равнодушие к делу свободы", он покинул жену и ребенка и удрал от толпы
антироялистов , гнавшихся за ним с ведрами горячего дегтя и мешками перьев и всерьез
намеревавшихся разукрасить его ими.
Сначала он бежал в Англию, потом в Германию, где служил военным советником
при правительстве Баварии и произвел на власти такое впечатление, что в 1791
Аскезианское общество было образовано в 1796 году. Его название происходит от греческого
слова askesis, означающего упражнения, или подготовку. Позднее ряд его членов приняли
участие в создании Британского геологического общества.
91
Лоялистами называли противников независимости Америки от Англии, которые тем самым
проявляли лояльность британской короне. Впрочем, иногда их называют и роялистами.
году его нарекли графом фон Румфордом Священной Римской империи. В Мюнхене он
также спланировал и разбил знаменитый парк, известный как Английский сад.
В промежутках между этими занятиями он каким-то образом находил время
всерьез заниматься чистой наукой. Он стал главным авторитетом в мире в области
термодинамики и первым разъяснил принципы конвекции в жидкостях и циркуляцию
океанских течений. Он также изобрел множество полезных вещей, включая
капельную кофеварку, обогреваемое нижнее белье и один из видов кухонной плиты, до
сих пор известный как румфордовская печь. В 1805 году во время одной из
поездок во Францию он добился руки мадам Лавуазье, вдовы Антуана-Лорана. Брак не
был удачным, и вскоре они расстались. Румфорд остался жить во Франции, где
пользовался всеобщим, кроме бывших жен, уважением и умер в 1814 году.
Мы упоминаем здесь о нем в связи с тем, что во время сравнительно краткого
пребывания в Лондоне он в 1799 году основал Королевский институт, еще одно из
множества ученых обществ, которые как грибы возникали по всей Британии в
конце XVIII - начале XIX веков. Одно время это было практически единственное
учреждение, активно развивавшее молодую науку химию, и это было почти полностью
благодаря блестящему молодому ученому Гэмфри Дэви, который вскоре после
принятия в общество был назначен в нем профессором химии и быстро завоевал
известность как выдающийся лектор и удачливый экспериментатор.
Заняв свою должность, Дэви вскоре стал один за другим выдавать новые
элементы - калий, натрий, магний, кальций, стронций и алюминий. (С названием
алюминия случилась забавная история, причиной которой стали не характерные
для Дэви колебания. Открыв элемент в 1808 году, он сначала назвал его алюмиум
(alumium). Однако спустя четыре года по каким-то причинам передумал и изменил
название на алюминум (aluminum). Американцы послушно приняли новый термин,
однако многим британцам не понравилось, что слово aluminum нарушает
сложившуюся схему именования элементов с окончанием на - ium (sodium - калий,
calcium - калий, strontium - стронций). Поэтому они предпочли добавить еще
одну гласную, а с ней и дополнительный слог. Теперь в Америке говорят
aluminum, а в Великобритании aluminium. А еще в числе достижений Дэви следует
назвать изобретение безопасной рудничной лампы для шахтеров.)
Он открыл так много элементов не потому, что его так уж часто посещало
вдохновение, а благодаря разработанному им способу воздействия электричеством
на жидкое вещество - известному как электролиз. Всего он открыл двенадцать
элементов, пятую часть всех известных в то время. Дэви, возможно, сделал бы и
больше, но, к несчастью, в молодости он пристрастился к закиси азота, причем
до такой степени, что прикладывался к ней по 3-4 раза в день. В конце концов,
как считают, в 1829 году газ его и погубил. К счастью, в других местах
работали более трезвые люди. В 1808 году суровый квакер по имени Джон Дальтон
первым упомянул о природе атома (шаг, о котором речь пойдет чуть дальше), а в
1811 году итальянец, носивший роскошное оперное имя Лоренцо Романо Амадео
Карло Авогадро, граф Кваренья и Черрето, сделал открытие, которое в
дальнейшем приобретет большое значение - а именно, что два равных объема газа любого
вида при одинаковых давлении и температуре будут содержать одинаковое число
молекул.
Два факта хочется отметить относительно подкупающего своей простотой закона
Авогадро, как его стали называть. Во-первых, он послужил основой для более
точного измерения размера и веса атомов. Пользуясь расчетами Авогадро,
химики, в конечном счете, смогли, например, вычислить, что диаметр типичного
атома составляет 0,000000008 см, что действительно чрезвычайно мало. А во-
вторых, около 50 лет об этом законе почти никто не знал. (Этот закон
значительно позже привел к принятию так называемого числа Авогадро в качестве
основной единицы измерения в химии. Оно соответствует числу молекул в 2,016
грамма водорода или равного объема любого другого газа и составляет
6,0221367*10 - ужасно большое число. (Строго по современному определению,
число Авогадро - это число атомов в 12 граммах изотопа углерода 12С. В 2002
г. международный комитет CODATA рекомендовал использовать новое уточненное
Значение числа Авогадро 6,0221415х1023. - Прим. ред.). Студенты-химики всегда
любили развлекаться, демонстрируя, насколько велико это число. Так что я могу
сообщить, что таким количеством зерен воздушной кукурузы можно было бы
покрыть Соединенные Штаты слоем в 15 километров, таким количеством чашек можно
было бы вычерпать Тихий океан, а такое же число банок прохладительных
напитков, сложенных штабелями, покрыло бы Землю слоем высотой в 300 километров.
Такого количества американских центов было бы достаточно, чтобы сделать
каждого жителя Земли долларовым миллиардером. Поистине большое число.)
Отчасти это случилось потому, что сам Авогадро не отличался общительностью
- работал в одиночку, переписывался с учеными-коллегами очень мало,
опубликовал мало работ и не бывал в собраниях, - но также причина и в том, что
химиков , чтобы их посещать, просто не было, а химических журналов для публикации
статей было мало. Это чрезвычайно странный факт. Промышленная революция
разворачивалась в значительной мере благодаря прогрессу химии, но при этом на
протяжении десятилетий химия едва существовала как сложившаяся наука.
Лондонское химическое общество было основано лишь в 1841 году, а его журнал
стал регулярно выходить только в 1848 году. К тому времени большинству
научных обществ в Англии - Геологическому, Географическому, Зоологическому,
Садоводческому и Линнеевскому (для натуралистов и ботаников) насчитывалось по
крайней мере по 20 лет, а в ряде случаев и больше. Конкурирующий Институт
химии появился лишь в 1877 году, через год после основания Американского
химического общества. Из-за того, что химия так медленно организовывалась,
известие о важном открытии Авогадро 1811 года стало общеизвестным лишь после
первого международного химического конгресса, состоявшегося в Карлсруэ в 1860
году.
Из-за того, что химики так долго работали обособленно друг от друга,
медленно вырабатывались общепринятые обозначения. До второй половины столетия
формула Н202 у одного химика могла означать воду, а у другого - перекись
водорода. Формула С2Н4 могла означать как этилен, так и болотный газ - метан.
Вряд ли можно было найти молекулу, которая бы везде обозначалась
единообразно .
Химики также пользовались поразительным количеством символов и сокращений,
часто придуманных ими самими. Швед Й.Я. Берцелиус внес в эти дела необходимую
меру порядка, установив, что сокращенные названия элементов должны
основываться на их греческих или латинских названиях, вот почему аббревиатура для
железа - Fe (от латинского ferrum) , а для серебра - Ад (от латинского
argentum). Тот факт, что многие другие аббревиатуры соответствуют их
английским названиям, отражает обилие латинизмов в английском языке, а не его
возвеличивание. Для обозначения количества атомов в молекуле Берцелиус применял
надстрочную индексацию, например Н20. Позднее без особых причин стали
употребляться подстрочные цифровые индексы: Н2092 .
Несмотря на эпизодические попытки навести порядок во второй половине XIX
века, в химии царила известная неразбериха, вот почему всем пришлось по душе
появление на научном горизонте несколько странного и немного безумного на вид
профессора Петербургского университета Дмитрия Ивановича Менделеева. Менделе-
Верхние индексы теперь служат для обозначения степени ионизации атома или молекулы.
Например , О2 означает дважды ионизированный, то есть лишенный двух электронов атом кислорода.
Также применяются верхние индексы слева от символа элемента, они обозначают атомный вес
изотопа, например, 14С - это радиоактивный изотоп углерода с атомным весом 14, применяющийся в
археологии для датировки находок.
ев родился в 1834 году в Тобольске, в Западной Сибири, в образованной,
достаточно обеспеченной и очень многочисленной семье - настолько многочисленной,
что история потеряла точный счет ее членов: в одних источниках говорится, что
было 14 детей, в других называется 1793. Во всяком случае, все сходятся на
том, что Дмитрий был младшим. Но счастье не всегда светило Менделеевым. Когда
Дмитрий был еще маленьким, отец, директор местной школы, ослеп, и матери
пришлось искать работу. Эта, несомненно, выдающаяся женщина, в конечном счете,
стала управлять преуспевающим стекольным заводом. Все шло хорошо до 1848
года, когда завод сгорел, и семья впала в нужду. Преисполненная решимости дать
младшенькому образование, неукротимая госпожа Менделеева с юным Дмитрием
отправилась на попутных за три тысячи километров в Петербург и устроила сына в
Педагогический институт. Измученная трудами, она вскоре умерла.
Менделеев добросовестно закончил учебу и со временем получил должность в
университете. Там он проявил себя знающим, но не таким уж выдающимся химиком
и больше был известен своими взлохмаченными волосами и бородой, которые
подстригал раз в год, нежели своими успехами в лаборатории.
Однако в 1869 году, в возрасте 35 лет, он начал ради интереса пробовать
привести элементы в систему. В то время элементы обычно группировали двумя
путями - либо по атомному весу (опираясь на закон Авогадро) , либо по общим
свойствам (например, являются ли они металлами или газами). Прорыв,
совершенный Менделеевым, заключался в том, что он увидел возможность объединить и то
и другое в одной таблице.
Как часто бывает в науке, этот принцип был фактически предвосхищен тремя
годами раньше в Англии химиком-любителем, которого звали Джон Ньюландс. Он
высказал мысль, что когда элементы располагают по весу, у них вроде бы
гармонично повторяются определенные свойства - на каждом восьмом отсчете шкалы.
Несколько неблагоразумно, ибо для такой идеи время еще не пришло, Ньюландс
назвал это явление законом октав и связал его с октавами фортепьянной
клавиатуры. Возможно, в порядке, предложенном Ньюландсом, был определенный смысл,
но сама идея связи с музыкой воспринималась как в корне нелепая, и ее стали
широко высмеивать. Бывало, на собраниях некоторые участники, дурачась,
интересовались, не сыграют ли его элементы какой-нибудь мотивчик. Обескураженный
Ньюландс бросил настаивать на своей идее и скоро совсем исчез из виду.
94
Менделеев подошел несколько иначе, расположив элементы периодами по семь ,
но исходя из той же предпосылки. И вдруг идея оказалась блестящей и на
удивление перспективной. Поскольку свойства повторялись периодически, открытие
стало известно как Периодическая таблица.
Говорят, что Менделеева натолкнул на мысль карточный пасьянс, когда карты
располагаются горизонтально по масти и вертикально по старшинству. Используя
близкий подход, он расположил элементы по горизонтальным рядам, которые
назвал периодами, и вертикальным столбцам, получившим название групп. Тем самым
сразу выявлялись одни связи при чтении сверху вниз и другие - при чтении от
одного края к другому. Вертикальные столбцы объединяли вещества со сходными
свойствами. Так, медь располагается над серебром, а серебро над золотом по
причине их химического родства как металлов, а гелий, неон и аргон находятся
в одном столбце, где расположены газы. (На деле расположение элементов
определяется свойством, называемым электронными валентностями, и если вы хотите в
них разобраться, то вам придется поступить на вечерние курсы.) В
горизонтальных рядах элементы своим чередом располагаются в возрастающем порядке по ко-
В семье Менделеевых было 17 детей, но 4 из них умерли в младенчестве.
9494 Много позднее, в 1900 году, Менделеев и У. РамЗай пришли к выводу о необходимости
увеличить длину периода до 8, чтобы включить группу благородных газов.
личеству протонов в ядрах, которое называется атомным номером .
О строении атомов и важности протонов речь пойдет в следующей главе; а
сейчас все, что нужно, так это понять принцип построения: у водорода всего один
протон, так что его атомный номер - 1, и он первым стоит в таблице; у урана
92 протона, и его атомный номер - 92. В этом смысле, как отметил Филип
Болл96, химия - это, по существу, всего лишь дело подсчета. (Между прочим, не
следует путать атомный номер с атомным весом, который означает число протонов
плюс число нейтронов в данном элементе.)
Но и после открытия периодического закона многое еще предстояло узнать и
понять. Водород - самый широко распространенный элемент во Вселенной, и, тем
не менее, никто не догадывался об этом еще 30 лет. Гелий, второй по обилию
элемент, был открыт лишь годом раньше - до этого о его существовании даже не
подозревали, - да и то не на Земле, а на Солнце, где его обнаружили с помощью
спектроскопа во время солнечного затмения, потому он и был назван в честь
греческого бога солнца Гелиоса. В лаборатории его не могли выделить до 1895
года. Но при всем том именно благодаря изобретению Менделеева химия теперь
твердо стояла на ногах.
Для большинства из нас периодическая таблица - красивая абстракция, а для
химиков она сразу установила порядок и ясность, которые вряд ли можно
переоценить . "Периодическая таблица химических элементов, несомненно, является
самой ясной и простой из систематизирующих таблиц, когда-либо разработанных",
- писал Роберт Э. Кребс в "Истории и использовании земных химических
элементов", и вы найдете подобные оценки практически в каждом труде по истории
химии .
Сегодня мы имеем "120 или около того" известных элементов - 92
встречающихся в природе плюс пара дюжин созданных в лабораториях. Точное их число -
вопрос дискуссионный, потому что искусственно синтезированные тяжелые элементы
живут лишь миллионные доли секунды, и химики иногда спорят, действительно ли
они были обнаружены97. Во времена Менделеева было известно всего шестьдесят
три элемента, но к его заслугам надо отнести и понимание того, что известные
тогда элементы не создают полной картины и что многих частей в ней еще
недостает. Его таблица с доставляющей удовлетворение точностью прогнозировала, где
будут располагаться элементы, когда их обнаружат.
Кстати, никто не знает, как велико может быть количество элементов, однако
об элементах с атомным номером, скажем, в районе 168, можно говорить
"исключительно гипотетически"; но вот о чем можно говорить со всей определенностью,
так это о том, что все найденное замечательно вписывается в великую систему
98
Менделеева .
Но у XIX века был припасен для химиков еще один, последний важный сюрприз.
На самом деле Периодическая таблица выглядит намного сложнее. Дело в том, что длина
периодов не является постоянной. После 2 периодов по 8 элементов следует два длиной по 18. Десять
добавочных элементов вставлены в них между второй и третьей позициями. Следующие 2 периода
еще больше - по 32 элемента в каждом (самые последние из них до сих пор еще не получены). И
это еще не все - самый первый период состоит всего из 2 элементов - водорода и гелия. Все
эти особенности успешно объяснены сегодня квантовой механикой. Но в XIX веке уловить
Закономерность при столь непостоянных периодах было весьма непросто. По мнению историка науки ван
Спронсена, открытие периодического Закона было возможно только в 1860-х годах, когда еще не
выделили большинство редкоземельных элементов, из-за которых так раздуваются последние
периоды таблицы.
96 Филип Болл (Philip Ball, 1962) - британский популяризатор науки, лауреат премии "Авентис"
За лучшую научно-популярную книгу 2005 года.
По данным Объединенного института ядерных исследований в Дубне (ОИЯИ), к 2006 году были
получены элементы под номерами до 116-го. Поступали также сообщения о синтезе 118-го элемента.
98 В мае 2006 года в ОИЯИ были впервые исследованы химические свойства 112-го элемента. В
соответствии с Периодической таблицей он оказался химическим аналогом ртути.
Все началось в 1896 году с того, что в Париже А. Беккерель нечаянно оставил в
ящике стола на фотографической пластинке пакетик с солями урана. Когда он
позднее достал пластинку, то с удивлением обнаружил, что соли выжгли в ней
следы, как если бы она засветилась. Соли испускали какое-то излучение.
Учитывая важность того, что он обнаружил, Беккерель поступил довольно
странно: поручил исследовать это явление одной из аспиранток. К счастью, этой
аспиранткой оказалась незадолго до того эмигрировавшая из Польши Мария Кюри.
Работая вместе с мужем Пьером, Кюри обнаружила, что определенные виды горных
пород постоянно выделяют значительное количество энергии, не уменьшаясь,
однако, в размерах и не изменяясь каким-либо заметным образом. Чего ни она, ни
ее муж не знали - и чего не знал никто, пока Эйнштейн не объяснил это в
следующем десятилетии, - так это того, что данные породы чрезвычайно эффективно
превращают массу в энергию. Мария Кюри окрестила этот эффект
"радиоактивностью" . В процессе работы супруги Кюри также открыли два новых элемента -
полоний, названный в честь родины Марии, и радий. В 1903 году супругам Кюри и
Беккерелю была совместно присуждена Нобелевская премия по физике. (Мария Кюри
в 1911 году получит еще одну премию, в области химии; она единственный
человек , получивший премию и по химии, и по физике.)
В Университете Макгилла в Монреале новыми радиоактивными материалами
заинтересовался молодой уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд. Вместе с
коллегой Фредериком Содди он открыл, что в небольших количествах этих веществ
заключены огромные запасы энергии, и что радиоактивным распадом в значительной
мере может объясняться земное тепло. Они также обнаружили, что радиоактивные
элементы распадаются на другие элементы - что один день вы имеете, скажем,
атом урана, а на следующий день он уже может оказаться атомом свинца. Это
было поистине невероятно. Алхимия в чистом виде; никто даже не представлял, что
такие вещи могут происходить в природе самопроизвольно.
Прирожденный прагматик, Резерфорд первым увидел возможность практического
использования этого явления. Он заметил, что для распада половины любого
образца радиоактивного материала всегда требуется одно и то же время -
знаменитый период полураспада, и что неизменное постоянство темпов этого распада
можно использовать наподобие часов. Определив нынешний уровень излучения
вещества , и зная скорость его распада, можно вычислить его возраст. Резерфорд
провел опыт над уранинитом, основным элементом урановой руды, и установил,
что ему 700 млн. лет, то есть намного старше возраста, который большинство
людей было готово дать Земле. (Возможно, вы когда-нибудь задавались вопросом,
как атомы определяют, каким 50 % суждено погибнуть, а каким продолжать жить
до следующего раза. На это можно ответить, что период полураспада берется
просто для удобства подсчета - это своего рода актуарная таблица элементарных
частиц. Представьте, что у вас имеется образец вещества с периодом
полураспада 30 секунд. Это не означает, что каждый атом образца будет существовать
точно 30 секунд, или 60, или 90 секунд, или какое-то точно предназначенное
время. Каждый атом фактически будет существовать совершенно произвольный
период времени, вовсе не кратный 30; он может просуществовать две секунды, а
может продержаться на протяжении нескольких лет, десятилетий или столетий.
Никто не в силах этого предсказать. Но зато можно утверждать, что
интенсивность исчезновения в целом по образцу такова, что половина атомов исчезает
каждые 30 секунд. Это средний темп распада; другими словами, это
характеристика, применимая к любой большой выборке. Например, кто-то однажды вычислил,
что период полураспада американских десятицентовиков составляет примерно 30
лет.)
Весной 1904 года Резерфорд отправился в Лондон прочитать лекцию в
Королевском институте, высокочтимой организации, учрежденной графом фон Румфордом
всего за 105 лет до этого, в эпоху напудренных париков, которая казалась глу-
бокой древностью в сравнении с работящей выносливостью поздней викторианской
эпохи. Резерфорд ехал рассказать о своей новой распадной теории
радиоактивности и для иллюстрации вез с собой кусок уранинита.
Учитывая присутствие на заседании престарелого лорда Кельвина (пусть иногда
и засыпающего), Резерфорд тактично заметил, что, согласно предположению
самого Кельвина, открытие некоего нового источника тепла может полностью изменить
его расчеты возраста Земли. Резерфорд нашел такой источник. Благодаря
радиоактивности Земля может быть - и, само собой, разумеется, была - намного
старше 24 млн. лет, которые полагались ей согласно последним расчетам Кельвина.
Кельвин одарил лучезарной улыбкой почтительное изложение результата опытов
Резерфорда, но, в сущности, и отнесся к нему равнодушно. Он так и не признал
пересмотренные цифры и до конца своих дней считал труд о возрасте Земли своим
глубочайшим и важнейшим вкладом в науку - намного более значительным, чем
труды по термодинамике.
Как и большинство научных революций, новые открытия Резерфорда не встретили
единодушного одобрения. В Дублине Джон Джоли до первой половины 1930 годов,
то есть до самой смерти, усиленно настаивал, что возраст Земли не превышает
89 млн. лет. Других стало волновать то, что Резерфорд отпустил им слишком
большой срок. Но даже при использовании радиодатирования, как стали называть
измерения времени по радиоактивному распаду, потребовались десятки лет,
прежде чем мы получили действительный возраст Земли, составляющий миллиарды лет.
Наука была на правильном пути, но еще довольно далека от цели.
Кельвин умер в 1907 году. Этот год был также свидетелем кончины Дмитрия
Менделеева. Как и у Кельвина, его плодотворные труды остались далеко в
прошлом, но преклонные годы были заметно менее спокойными. С возрастом Менделеев
все больше отличался упрямством и эксцентричностью, например, он отказывался
признавать существование радиации", электронов и многие другие новые вещи.
Последние десятилетия он большей частью сердито хлопал дверьми в лабораториях
и лекционных залах по всей Европе. В 1955 году элемент 101 был назван в его
честь менделевием. "Подходящее название, - отмечает Пол Стразерн100, - это
нестабильный элемент".
Радиоактивное излучение, разумеется, продолжало существовать и давало о
себе знать такими явлениями, каких никто не ожидал. В начале 1900-х годов у
Пьера Кюри стали проявляться первые признаки лучевой болезни - в частности,
тупые боли в костях и постоянное недомогание, - которые, несомненно, привели
бы к большим неприятностям. Но мы никогда определенно этого не узнаем, потому
что в 1906 году он погиб, переходя улицу в Париже, под колесами наехавшего на
него экипажа.
Мария Кюри всю оставшуюся жизнь посвятила работе в этой области и весьма
преуспела, в 1914 году она принимала участие в создании знаменитого Радиевого
института при Парижском университете. Несмотря на две Нобелевские премии, ее
так и не избрали в академию наук, в значительной мере из-за того, что после
смерти Пьера она вступила в любовную связь с женатым физиком, настолько
нескромную, что шокировала даже французов - или, по крайней мере, возглавлявших
академию стариков, что, пожалуй, не одно и то же.
Долгое время считалось, что все обладавшее такой чудесной энергией, как
радиоактивность, должно быть целительным. Производители зубной пасты и слаби-
Первоначально Менделеев действительно очень скептически отнесся к сообщениям об открытии
радиоактивности, и у него были все основания не доверять этой сенсации. Однако в 1902 году
он посетил лабораторию Беккереля и убедился в существовании явления радиоактивности. Для его
объяснения он пытался построить собственную теорию, основанную на гипотетическом элементе
"эфире", который должен быть легче водорода, но это оказалось ошибочным ходом.
100100 Пол Стразерн (Paul Strathern, p. 1940) - британский лектор-популяризатор науки и
философии, автор книги "Мечта Менделеева", профессор университета Кингстона (Лондон).
тельных средств много лет добавляли в свои продукты радиоактивный торий, и,
по крайней мере, до конца 1920-х годов отель "Глен спрингс" в нью-йоркском
районе Фингер Лейке (как, несомненно, и многие другие) с гордостью
рекламировал лечебные свойства своих "радиоактивных минеральных источников".
Радиоактивные вещества было запрещено применять в потребительских товарах лишь в
1938 году. Но это было уже слишком поздно для Марии Кюри, скончавшейся в 1934
году от лейкемии. Радиоактивность оказалась настолько пагубной и долгоживу-
щей, что и теперь ее бумагами, относящимися к 1890-м годам - даже поваренными
книгами, - слишком опасно пользоваться. Ее тетради с лабораторными записями
хранятся в выстланных свинцом коробках, а желающие их увидеть должны
облачиться в защитную одежду.
Благодаря самоотверженной и неосознанно опасной работе первых ученых-
атомщиков в начале двадцатого века стало ясно, что у Земли, несомненно,
весьма почтенный возраст, хотя исследователям потребовалось еще полвека, чтобы
уверенно и точно сказать, насколько он почтенен. Тем временем наука вступала
в свой новый век - атомный.
III. НА ЗАРЕ НОВОГО ВЕКА
«Физик - это способ атомов думать
об атомах».
Неизвестный автор
8. ВСЕЛЕННАЯ ЭЙНШТЕЙНА
По мере того, как девятнадцатый век подходил к концу, ученые могли все
более удовлетворенно думать о том, что они разгадали большинство тайн
физического мира - назвать хотя бы электричество, магнетизм, газы, оптику,
акустику, кинетику и статистическую физику, - все это выстроилось перед ними в
образцовом порядке. Ученые открыли рентгеновские и катодные лучи, электрон и
радиоактивность, придумали ом, ватт, кельвин, джоуль, ампер и крошечный
эрг101.
Если что-то можно колебать, ускорять, возмущать, дистиллировать, соединять,
взвешивать или превращать в газ, то всего этого они достигли, и попутно
произвели на свет массу универсальных законов, таких весомых и величественных,
что мы до сих пор склонны писать их с заглавной буквы102: электромагнитная
полевая теория света, закон эквивалентов Рихтера, закон Шарля для идеального
газа, закон сообщающихся сосудов, нулевое начало термодинамики, концепция
валентности, законы действующих масс и бесчисленное множество других. Во всем
мире лязгали и пыхтели машины и орудия, являвшиеся плодами изобретательности
ученых. Многие умные люди считали тогда, что науке уже почти нечего больше
делать.
Когда в 1875 году молодой немец из Киля Макс Планк решал, посвятить ли себя
математике или физике, его горячо убеждали не браться за физику, потому что в
этой области все решающие открытия уже сделаны. Предстоящее столетие,
заверяли его, будет веком закрепления и совершенствования достигнутого, а никак не
революций. Планк не послушал. Он взялся за изучение теоретической физики и
целиком отдался работе над понятием энтропии, концепцией, лежащей в самой ос-
Не все из этих физических единиц появились в XIX веке. Джоулем и ампером стали
пользоваться только в середине XX века. При жизни лорда Кельвина единицу измерения абсолютной
температуры , конечно, тоже не называли Кельвином.
102 _ -
Это справедливо в отношении английского языка.
нове термодинамики, которая представлялась весьма многообещающей
честолюбивому молодому ученому. В 1891 году он представил результаты своих трудов и, к
своему крайнему замешательству, узнал, что вся важная работа по энтропии
фактически уже была сделана скромным ученым из Йельского университета по имени
Дж. Уиллард Гиббс. (Если быть конкретнее, энтропия - это мера хаотичности или
разупорядоченности в системе. Даррелл Эббинг в учебнике "Общая химия" очень
удачно поясняет это на примере колоды карт. В новой упаковке, только что
вынутой из коробки, карты сложены по мастям и по старшинству - от тузов к
королям, - можно сказать, что карты в ней находятся в упорядоченном состоянии.
Перетасуйте карты, и вы создадите беспорядок. Энтропия численно
характеризует , насколько беспорядочно это состояние, и помогает определить вероятности
различных результатов дальнейшей перетасовки. Чтобы полностью постичь
энтропию, необходимо также иметь представление о таких понятиях, как тепловые
неоднородности, кристаллические решетки, стехиометрические отношения, но здесь
была представлена самая общая идея.)
Гиббс, пожалуй, самая блестящая личность из тех, о ком большинство людей
никогда не слышали. Застенчивый, почти незаметный, он, по существу, прожил
всю жизнь, за исключением трех лет учебы в Европе, в пределах трех кварталов,
ограниченных его домом и территорией Йельского университета в Нью-Хейвене,
штат Коннектикут. Первые десять лет работы в Йеле он даже не позаботился о
получении жалованья. (У него был независимый источник доходов.) С 1871 года,
когда он занял в университете должность профессора, и до смерти в 1903 году
его курс привлекал в среднем чуть больше одного студента в семестр.
Написанная им книга была трудна для понимания, а используемые им собственные
обозначения многие считали непонятными. Но в этих его непонятных формулировках
скрывались поразительно яркие догадки.
В 1875-1878 годах Гиббс выпустил серию работ под общим названием "О
равновесии гетерогенных субстанций", где блестяще излагались принципы
термодинамики, можно сказать, почти всего - "газов, смесей, поверхностей, твердых тел,
фазовых переходов... химических реакций, электрохимических ячеек, осмоса и
выпадения в осадок", - перечисляет Уильям Кроппер103. По сути, Гиббс показал,
что термодинамика имеет отношение к теплу и энергии не только в масштабах
больших и шумных паровых машин, но также оказывает существенное влияние на
атомарном уровне химических реакций. "Равновесие" Гиббса назвали "основами
термодинамики"104, однако по не поддающимся объяснению соображениям Гиббс
предпочел опубликовать сыгравшие такую важную роль результаты своих
исследований в "Трудах Коннектикутской Академии искусств и наук" - журнале, которому
удавалось быть почти неизвестным даже в Коннектикуте, потому-то Планк и узнал
о Гиббсе, когда было уже поздно.
Не утратив присутствия духа - но, скажем, слегка обескураженный, - Планк
обратился к другим предметам. (Планку в жизни часто не везло. Любимая первая
жена умерла рано, в 1909 году, а младший из двух сыновей погиб в Первую
мировую войну. У него также было двое дочерей-близнецов, которых он обожал. Одна
умерла при родах. Другая взялась присматривать за маленькой девочкой и
влюбилась в мужа ее сестры. Они поженились, и два года спустя она тоже умерла во
время родов. В 1944 году когда Планку было восемьдесят пять лет, в его дом
попала бомба союзников [по антигитлеровской коалиции], и он потерял все -
бумаги, дневники, все, что было собрано за целую жизнь. В следующем году его
оставшийся в живых сын был уличен в заговоре с целью убийства Гитлера и
казнен .)
Уильям Кроппер (William Н. Cropper) - почетный профессор химии университета Сент-Лоуренс в
Нью-Йорке. Автор книги "Великие физики: от Галилея до Ньютона".
Имеется в виду параллель с "Основами" Ньютона.
Мы вскоре вернемся к ним, но сначала ненадолго (но по делу!) заглянем в
Кливленд, штат Огайо, в учреждение, называвшееся тогда Школой прикладных наук
Кейза. Там в 1880-х годах сравнительно молодой физик Альберт Майкельсон и
помогавший ему приятель-химик Эдвард Морли предприняли серию экспериментов,
получив любопытные и вызвавшие озабоченность результаты, которые окажут
огромное влияние на последующее развитие событий.
По существу, Майкельсон и Морли непреднамеренно подорвали давно сложившуюся
веру в существование некой субстанции, называемой светоносным эфиром -
стабильной, невидимой, невесомой, неощутимой и, к сожалению, всецело
воображаемой среды, которая, как считалось, пропитывает всю Вселенную. Порожденный
Декартом, с готовностью принятый Ньютоном и почитаемый с тех пор почти всеми
эфир занимал самое центральное место в физике XIX века, позволяя объяснить,
как свет перемещается сквозь пустоту пространства. В нем особенно нуждались в
XIX веке, потому что свет стали рассматривать как электромагнитные волны, то
есть своего рода вибрации. А вибрации должны происходить в чем-то; отсюда
потребность в эфире и долгая к нему приверженность. Еще в 1909 году выдающийся
английский физик Дж. Дж. Томсон105 категорически утверждал: "Эфир - это не
порождение фантазии спекулятивного философа; он так же необходим нам, как
необходим воздух, которым мы дышим". И это спустя более чем четыре года после
того, как было совершенно неоспоримо доказано, что его не существует. Словом,
люди очень сильно привязались к эфиру.
Если бы вам потребовалось проиллюстрировать представление об Америке
девятнадцатого века как о стране открытых возможностей, вряд ли вы нашли бы лучший
пример, нежели карьера Альберта Майкельсона. Он родился в 1852 году на
польско-германской границе в семье бедных еврейских торговцев, в раннем детстве
переехал с семьей в Соединенные Штаты и вырос в Калифорнии, в лагере на
приисках во время "золотой лихорадки", где его отец торговал одеждой. Не имея
возможности по бедности платить за учебу в колледже, Альберт отправился в
Вашингтон, округ Колумбия, и стал околачиваться у дверей Белого Дома, чтобы во
время ежедневного президентского моциона попадаться на глаза Улиссу С.
Гранту. (То был куда более наивный век.) В ходе этих прогулок Майкельсон
настолько снискал расположение президента, что тот согласился предоставить ему
бесплатное место в Военно-морской академии США. Именно там Майкельсон освоил
физику.
10 лет спустя, уже будучи профессором в кливлендской Школе прикладных наук,
Майкельсон заинтересовался возможностью измерить движение эфира - нечто вроде
встречного ветра, который испытывают объекты, прокладывающие себе путь сквозь
пространство. Одно из предсказаний ньютоновской физики заключалось в том, что
скорость света, движущегося в эфире, должна меняться в зависимости от того,
приближается наблюдатель к источнику света или удаляется от него, но никто
еще не придумал способа измерить это. Майкельсону пришло в голову, что за
полгода направление движения Земли вокруг Солнца меняется на противоположное.
Поэтому, если выполнить тщательные измерения при помощи очень точного прибора
и сравнить скорость движения света в противоположные времена года, то можно
получить ответ.
Майкельсон уговорил недавно разбогатевшего изобретателя телефона Александра
Грэма Белла предоставить средства на создание оригинального и точного прибора
собственной конструкции, названного интерферометром, который мог с большой
точностью измерять скорость света. Затем с помощью талантливого, но
державшегося в тени Морли, Майкельсон принялся за многолетние скрупулезные измерения.
Работа была тонкой и изнурительной и на время приостанавливалась из-за серь-
Дж. Дж. Томсон (Joseph John Thomson, 1856-1940) - английский физик, первооткрыватель
электрона .
езного нервного переутомления ученого, но к 1887 году были получены
результаты. Они оказались совсем не такими, каких ожидали двое экспериментаторов.
Как написал астрофизик из Калифорнийского технологического института Кип С.
Торн106: "Скорость света оказалась одинаковой во всех направлениях и во все
времена года". Это был первый за двести лет - действительно ровно за 200 лет
- намек на то, что законы Ньютона, возможно, применимы не всегда и не везде.
Результат опыта Майкельсона-Морли стал, по словам Уильяма Кроппера,
"возможно , самым известным отрицательным результатом за всю историю физики". За эту
работу Майкельсон удостоился Нобелевской премии по физике - причем он стал
первым американцем, удостоенным этой награды, - правда, спустя двадцать лет.
А до того опыты Майкельсона-Морли неприятно, словно дурной запах, витали на
задворках научной мысли.
А
2 1
Ч
м1
Схема интерферометра Майкельсона. Если интерферометр покоится
относительно эфира, то время, затрачиваемое первым и вторым
лучами света на свой путь, одинаково, и в детектор попадают два
когерентных луча в одинаковой фазе. Следовательно, возникает
интерференция, и можно наблюдать центральное светлое пятно на
интерференционной картине. Если же интерферометр движется
относительно эфира, то время, затрачиваемое лучами на свой путь,
оказывается разным.
Удивительно, что, несмотря на свои открытия, Майкельсон на заре двадцатого
века причислял себя к тем, кто считал, что здание науки почти закончено и
остается, по словам одного из авторов журнала Nature, "добавить лишь несколько
башенок и шпилей да вырезать несколько украшений на крыше".
На деле же, разумеется, мир должен был вот-вот вступить в век такой науки,
Кип С. Торн (Kip Stephen Thorne, p. 1940) - американский физик-теоретик, один из ведущих
мировых экспертов по астрофизическим приложениям общей теории относительности, Занимает
позицию фейнмановского профессора теоретической физики в Калифорнийском технологическом
институте .
в которой многие люди вообще ничего не поймут, и никто не будет в состоянии
охватить все. Ученые вскоре обнаружат, что запутались в беспорядочном царстве
частиц и античастиц, где вещи возникают и исчезают за отрезки времени, в
сравнении с которыми, наносекунды кажутся излишне затянутыми и бедными на
события, где все незнакомо. Наука перемещалась из мира макрофизики, где
предметы можно увидеть, подержать, измерить, в мир микрофизики, в котором явления
происходят с непостижимой быстротой и в масштабах, не поддающихся
воображению. Мы должны были вот-вот вступить в квантовый век, и первым, кто толкнул
дверь, был до тех пор неудачливый Макс Планк.
В 1900 году, в зрелом возрасте сорока двух лет, теперь уже физик-теоретик в
Берлинском университете, Планк обнародовал новую "квантовую теорию",
утверждавшую, что энергия - не непрерывный поток вроде текущей воды, а поступает
обособленными частями, которые он назвал квантами. Это была действительно
новая концепция, к тому же очень удачная. Вскоре она поможет решить загадку
экспериментов Майкельсона-Морли, поскольку покажет, что свету вообще-то не
обязательно быть волной. А в более отдаленной перспективе она станет
фундаментом всей современной физики. Во всяком случае, это был первый сигнал, что
мир скоро изменится.
Но поворотным пунктом - зарей нового века - стал 1905 год, когда в немецком
физическом журнале Annakn der Physik появился ряд статей молодого
швейцарского чиновника, не связанного с университетами, не имевшего доступа к
лабораториям, и не являвшегося постоянным читателем библиотек крупнее национального
патентного бюро в Берне, где он работал техническим экспертом третьего
класса. (Незадолго до этого заявление о повышении в должности до второго класса
было отклонено.)
Его звали Альберт Эйнштейн, и за один этот богатый событиями год он
представил в Annakn der Physik пять работ, из них три, по словам Ч.П.Сноу,
"относились к числу величайших трудов в истории физики" - в одной посредством
новой квантовой теории Планка исследовался фотоэлектрический эффект, другая
была посвящена поведению мелких частиц во взвешенном состоянии (известному как
броуновское движение), и еще в одной излагались основы специальной теории
относительности .
В первой, за которую ее автор удостоился Нобелевской премии, объяснялась
природа света (что, среди прочего, способствовало появлению телевидения).
(Эйнштейн был удостоен премии за несколько неопределенные "заслуги в области
теоретической физики". Ему пришлось ждать награды шестнадцать лет, до 1921
года, - довольно долгий срок по любым меркам, однако пустяк по сравнению с
присуждением премии Фредерику Рейнсу, который открыл нейтрино в 1957 году, а
удостоился Нобелевской премии лишь в 1995-м, тридцать восемь лет спустя, или
немцу Энрсту Руске, изобретшему электронный микроскоп в 1932 году, а
получившему Нобелевскую премию в 1986-м, почти через полстолетия. Поскольку
Нобелевская премия не присуждается посмертно, важным условием ее получения наряду с
изобретательностью является долголетие.)
Вторая содержала доказательство того, что атомы действительно существуют -
факт, который, как ни странно, продолжал тогда оспариваться. А третья просто
изменила мир.
Эйнштейн родился в 1879 году в Ульме, на юге Германии, но вырос в Мюнхене.
В ранний период жизни мало что говорило о грядущих масштабах его личности. В
1890-х годах электротехнический бизнес отца стал приходить в упадок, и семья
переехала в Милан, но Альберт, к тому времени уже подросток, уехал в
Швейцарию продолжать образование - хотя с первой попытки не смог сдать
вступительный экзамен. В 1896 году чтобы избежать призыва в армию, он отказался от
немецкого гражданства и поступил в Цюрихский политехнический институт на
четырехгодичный курс, выпускавший преподавателей естественных наук для средних
школ. Он был способным, но не особо выдающимся студентом.
В 1900 году он окончил институт и через несколько месяцев стал
публиковаться в Annalen der Physik. Самая первая его работа о физике жидкостей в
соломинках для питья (надо же!) появилась в одном номере с работой Планка о
квантовой теории. С 1902 по 1904 год он опубликовал ряд работ по статистической
механике, только потом узнав, что в Коннектикуте скромный плодовитый Дж. Уил-
лард Гиббс проделал то же самое в 1901 году, опубликовав результаты в своих
"Элементарных основах статистической механики".
Альберт полюбил венгерскую студентку-однокурсницу Милеву Марич. В 1901 году
у них родился внебрачный ребенок, дочь, которую они потихоньку отдали на
удочерение . Эйнштейн своего ребенка никогда не видел. Два года спустя они с Ми-
левой поженились107. Между двумя этими событиями Эйнштейн поступил на работу в
швейцарское патентное бюро, где проработал следующие семь лет. Работа ему
нравилась: она была достаточно интересной, чтобы дать работу уму, но не
настолько напряженной, чтобы помешать занятиям физикой. Вот в таких условиях он
в 1905 году и создал специальную теорию относительности.
"К электродинамике движущихся тел" - одна из самых удивительных научных
публикаций, когда-либо выходивших в свет, как по изложению, так и по
содержанию. В ней не было ссылок или сносок, почти никаких математических
выкладок108, не было и упоминаний о предшествующих или оказавших влияние работах, и
говорилось лишь о помощи одного человека - коллеги по патентному бюро Мишеля
Бессо. Выходило, писал Ч.П. Сноу109, что "Эйнштейн пришел к этим
умозаключениям лишь благодаря отвлеченным размышлениям, без посторонней помощи, не слушая
мнений других. Удивительно, но в значительной мере именно так оно и было".
Его знаменитое уравнение Е = тс2 в данной работе отсутствовало, но
появилось в кратком дополнении несколько месяцев спустя. Как вы, возможно, помните
со школьных времен, Е в уравнении означает энергию, m - массу, а с2 - квадрат
скорости света.
В самых простых словах, это уравнение означает, что масса и энергия
обладают эквивалентностью. Это две формы одной вещи: энергия - это освобожденная
материя; материя - это энергия, ожидающая своего часа. Поскольку с2 (скорость
света, умноженная сама на себя) - это на самом деле громадное число, формула
показывает, что в любом материальном предмете связано чудовищное -
действительно чудовищное - количество энергии. (Как «с» стало символом скорости
света - своего рода загадка, но вот Дэвид Бодание предполагает, что оно
происходит от латинского celentias, означающего скорость. В соответствующем томе
"Оксфордского словаря английского языка", подготовленном лет за десять до
появления теории Эйнштейна, для символа «с» указывается множество значений - от
углерода (carbon) до крикета (cricket), но нет никакого упоминания о символе
света или скорости.)
Вы можете не считать себя дюжим малым, но если вы просто взрослый человек
обычной комплекции, то внутри вашей ничем не приметной фигуры будет заключено
С уверенностью говорить об удочерении невозможно. Никаких официальных данных о ее рождении
и дальнейшей судьбе не сохранилось. Предположительно Милева Марич родила дочь по имени Ли-
Зерль, находясь у своих родителей, поскольку внебрачный ребенок помешал бы едва начавшейся
карьере Эйнштейна на государственной службе. Из писем Эйнштейна известно, что в возрасте 1,5
года ЛиЗерль тяжело болела скарлатиной. Не исключено, что она просто не дожила до того
времени , когда родители вступили в брак и могли Забрать ее к себе.
108 Это не вполне верное описание. Упомянутая статья Эйнштейна содержала довольно обширные,
хотя и не очень сложные математические выкладки, были в ней и постраничные сноски, но вот
библиографических ссылок действительно не было.
109 Чарлз Перси Сноу (Charles Percy Snow, 1905-1980) - британский ученый и литератор. Наиболее
известна его статья "Две культуры" (1959) , в которой он отмечает, что разрыв между
гуманитарной и естественнонаучной культурами является главным препятствием для решения мировых
проблем.
не менее 7x10 джоулей энергии. Этого достаточно, чтобы взорваться с силой
тридцати очень больших водородных бомб, при условии, что вы знаете, как
освободить эту энергию и действительно захотите это сделать. Во всем, что нас
окружает , заключена такого рода энергия. Мы просто не очень сильны в деле ее
высвобождения. Даже водородная бомба - самая энергичная штука, какую мы
сумели на сегодня создать, - освобождает менее 1 процента энергии, которую она
могла бы выделить, будь мы более умелыми.
Среди множества других вещей теория Эйнштейна объясняла механизм
радиоактивности: как кусок урана может непрерывно испускать высокоэнергичные лучи и
не таять от этого подобно кубику льда. (Это возможно благодаря высочайшей
эффективности превращения массы в энергию в соответствии с формулой Е = тс2.)
Этим же объяснялось, каким образом звезды могут гореть миллиарды лет, не
исчерпывая свое топливо. Одним росчерком пера, простой формулой Эйнштейн одарил
геологов и астрономов роскошью оперировать миллиардами лет. Но самое главное
- специальная теория относительности показала, что скорость света является
постоянной и предельной. Ничто не может ее превысить. Теория относительности
помогла нам увидеть свет (это не каламбур) в роли самого центрального понятия
в наших представлениях о природе Вселенной. И, что также далеко не случайно,
она решала проблему светоносного эфира, окончательно проясняя, что его не
существует . Эйнштейн дал нам Вселенную, которая в нем не нуждалась.
Физики обычно не склонны уделять излишнее внимание утверждениям служащих
швейцарского патентного бюро, поэтому, несмотря на обилие содержащихся в них
полезных новшеств, статьи Эйнштейна мало кто заметил. Решив несколько
величайших загадок Вселенной, Эйнштейн попробовал устроиться лектором в
университет , но получил отказ, затем хотел стать учителем в средней школе, но и здесь
ему было отказано. Так что он вернулся на свое место технического эксперта
третьего класса - но, разумеется, продолжал думать. Конца еще даже не было
видно.
Когда поэт Поль Валери110 спросил однажды Эйнштейна, есть ли у него записная
книжка, где он записывает свои идеи, Эйнштейн поглядел на него с неподдельным
удивлением. "О, в этом нет необходимости, - ответил он. - Они не так уж часто
у меня появляются". Вряд ли стоит говорить, что когда они у него появлялись,
то, как правило, были хороши. Следующая идея Эйнштейна была величайшей среди
когда-либо приходивших кому-то в голову - поистине величайшей из великих, как
отмечают Бурс, Мотц и Уивер в своей объемистой истории атомной физики111. "Как
порождение одного ума, - писали они, - это, несомненно, высшее
интеллектуальное достижение человечества". И это вполне заслуженная похвала.
Иногда пишут, что где-то около 1907 года Альберт Эйнштейн увидел, как с
крыши свалился рабочий, и стал размышлять о проблеме гравитации. Увы, подобно
многим забавным историям эта тоже представляется сомнительной. По словам
самого Эйнштейна, он задумался о проблеме гравитации, просто сидя в кресле.
На самом деле то, до чего додумался Эйнштейн, было чем-то большим, нежели
началом решения проблемы гравитации, поскольку ему с самого начала было
очевидно, что гравитация - это единственное, что отсутствует в его специальной
теории. "Специальным" в этой теории было то, что она имела дело в основном с
предметами, движущимися свободно112. Но что произойдет, если движущийся пред-
110 Поль Валери (Paul Valery 1871-1945) - французский писатель и поэт. Имел широкий круг
интересов , в частности, переписывался с Луи де Бройлем и Альбертом Эйнштейном.
Речь идет о книге "Ученые-атомщики" (Boorse et al., The Atomic Scientists), которая
содержит более 100 биографий ученых от Тита Лукреция Кара до Ричарда Фейнмана.
112 Широко распространено Заблуждение, будто специальная теория относительности (СТО) не
годится для описания ускоренного движения и вызывающих его сил. На самом деле СТО позволяет
описывать движение под действием сил, но она не раскрывает природу гравитации и не позволяет
описывать процессы в очень сильных полях тяготения.
мет - прежде всего, свет - встретит такую помеху, как гравитация? Этот вопрос
занимал его мысли большую часть следующего десятилетия и привел к
опубликованию в начале 1917 года труда, озаглавленного "Космологические соображения об
общей теории относительности"113. Специальная теория относительности 1905 года
была, разумеется, глубоким и значительным трудом; но, как однажды заметил
Ч.П. Сноу, если бы Эйнштейн в свое время не подумал о ней, это сделал бы кто-
нибудь еще, возможно, в ближайшие пять лет; эта идея носилась в воздухе.
Однако общая теория - совершенно другое дело. "Не появись она, - писал Сноу в
1979 году - мы, возможно, ждали бы ее по сей день".
С его трубкой, неброской привлекательностью и словно наэлектризованной
шевелюрой, Эйнштейн был слишком талантлив, чтобы вечно оставаться в тени, и в
1919 году, когда война была позади, мир внезапно открыл его. Почти сразу его
теории относительности приобрели репутацию непостижимости для простых
смертных. Исправлению этого впечатления не способствовали и казусы, вроде того,
что случился с газетой "Нью-Йорк тайме", решившей дать материал о теории
относительности. Как пишет об этом Дэвид Бодание114 в своей превосходной книге
"Е = тс2", по причинам, не вызывавшим ничего, кроме удивления, газета
отправила брать интервью у ученого своего спортивного корреспондента, специалиста
по гольфу, некоего Генри Крауча.
Материал был явно ему не по зубам, и он почти все переврал. Среди
содержавшихся в материале живучих ляпов было утверждение о том, что Эйнштейну удалось
найти издателя, достаточно смелого, чтобы взяться за выпуск книги, которую
"во всем мире может уразуметь" лишь дюжина мудрецов. Не было такой книги,
такого издателя, такого круга ученых, но слава осталась. Скоро число людей,
способных постичь смысл относительности, сократилось в людской фантазии еще
сильнее - и, надо сказать, в научной среде мало что делалось, чтобы помешать
хождению сей выдумки.
Когда какой-то журналист спросил британского астронома сэра Артура Эддинг-
тона, верно ли, что он один из трех людей во всем мире, кому понятны теории
относительности Эйнштейна, Эддингтон на мгновение сделал вид, что глубоко
задумался, а затем ответил: "Я пытаюсь вспомнить, кто третий". В
действительности трудность в отношении относительности состояла не в том, что она
содержала множество дифференциальных уравнений, преобразования Лоренца и другие
сложные математические выкладки (хотя так оно и было - даже Эйнштейну
требовалась помощь математиков при работе с ними) , а в том, что она шла вразрез с
привычными представлениями.
Суть относительности состоит в том, что пространство и время не абсолютны,
а относятся к конкретному наблюдателю и наблюдаемому предмету, и чем быстрее
они движутся, тем более выраженным становится эффект. Мы никогда не сможем
разогнаться до скорости света, но чем больше мы стараемся (и чем быстрее
движемся) , тем сильнее мы деформируемся на взгляд стороннего наблюдателя.
Почти сразу популяризаторы науки принялись искать способы сделать эти
представления доступными для широкого круга людей. Одной из наиболее успешных
попыток - по крайней мере, в коммерческом отношении - была "Азбука
относительности" математика и философа Бертрана Расселла. Рассел приводит в книге
образ , к которому с тех пор прибегали множество раз. Он просит читателя
представить себе поезд длиною 100 метров, двигающийся со скоростью 60 процентов
от скорости света. Человеку, стоящему на платформе, поезд показался бы длиной
Сама общая теория относительности была обнародована в 1915 г.
Дэвид Бодание (David Bodanis) - автор ряда научно-популярных книг. Лауреат британской
премии "Авентис" 2006 года За научно-популярную книгу "Электрическая вселенная: Как
электричество включило современный мир".
всего лишь 80 метров, а все находящееся внутри него будет подобным же образом
сжатым. Если бы были слышны голоса пассажиров, то они звучали бы невнятно и
растянуто, как на пластинке, вращающейся слишком медленно, а движения
пассажиров казались бы в такой же степени замедленными. Даже часы в поезде,
казалось бы, шли лишь на четыре пятых своей обычной скорости.
Однако - и в этом все дело - люди внутри поезда не ощущали бы этих
искажений. Для них все в поезде выглядело бы совершенно нормальным. А вот мы на
платформе казались бы им неестественно сплющенными и медлительными в
движениях. Все, как видите, определяется вашим положением относительно движущегося
предмета.
На самом деле этот эффект наблюдается всякий раз, когда вы двигаетесь.
Перелетев Соединенные Штаты из конца в конец, вы выйдете из самолета примерно
на одну стомиллионную долю секунды моложе тех, кого вы покинули. Даже
расхаживая по комнате, вы чуть-чуть меняете свое восприятие времени и
пространства. Подсчитано, что бейсбольный мяч, пущенный со скоростью 160 км/ч, по пути
к базе увеличивает свою массу на 0,000000000002 грамма115. Так что эффекты
теории относительности реальны и были измерены. Трудность в том, что такие
изменения слишком малы, чтобы оказывать на нас хоть сколько-нибудь ощутимое
влияние. Но для других вещей во Вселенной - света, тяготения, самой Вселенной
- они приводят к серьезным последствиям.
Так что если представления теории относительности кажутся нам непонятными,
то это лишь потому, что мы не сталкиваемся с такого рода взаимодействиями в
повседневной жизни. Однако, если снова обратиться к Боданису все мы обычно
сталкиваемся с проявлениями относительности другого рода, например в том, что
касается звука. Если вы гуляете в парке, и где-то звучит надоедливая музыка,
то, как вы знаете, если отойти куда-нибудь подальше, музыку станет не так
слышно. Разумеется, это не из-за того, что сама музыка становится тише,
просто изменится ваше положение относительно ее источника. Для кого-нибудь
слишком маленького или медлительного, чтобы произвести этот опыт - скажем, для
улитки, - мысль о том, что для двух разных слушателей барабан одновременно
звучит с разной громкостью, может показаться невероятной. (Наверное это
неудачный пример, поскольку уменьшение громкости звука происходит по другой
причине, сязанной с поглощением в воздухе и падением плотности энергии звука
с расстоянием. - Прим. ред.)
Самой вызывающей и непостижимой из всех концепций общей теории
относительности является мысль о том, что время - это часть пространства116. Мы
изначально рассматриваем время как бесконечное, абсолютное, неизменное; мы
привыкли, что его неуклонный ход ничем не может быть нарушен. На деле же,
согласно Эйнштейну, время постоянно меняется. Оно даже имеет форму. По
выражению Стивена Хокинга117, оно "неразрывно взаимосвязано" с тремя измерениями
пространства, образуя удивительную структуру, известную как пространство-
время .
Что такое пространство-время, обычно объясняют, предлагая представить что-
Если быть точнее, такой массе эквивалентна кинетическая энергия летящего мяча.
На самом деле объединение пространства и времени появилось уже в специальной теории
относительности . Однако искривление пространства-времени, о котором идет речь дальше,
действительно вводится только в общей теории относительности.
Стивен Уильям Хокинг (Stephen William Hawking, p. 1942) - британский физик-теоретик,
профессор математики Кембриджского университета. Основные направления исследований - космология
и квантовая теория гравитации. В 1974 году доказал, что черные дыры должны испускать
излучение. Книга Хокинга "Краткая история времени", опубликованная в 1988 г., 4,5 года
продержалась в списке бестселлеров лондонской газеты "Санди тайме" и разошлась суммарным тиражом
около 10 млн. экземпляров. Недавно на русском языке вышла обновленная версия этой книги
"Кратчайшая история времени" ("Амфора", СПб., 2006).
нибудь плоское, но пластичное - скажем, матрац или лист резины, - на котором
лежит тяжелый круглый предмет, например железный шар. Под тяжестью шара
материал, на котором он лежит, слегка растягивается и прогибается. Это отдаленно
напоминает воздействие на пространство-время (материал) массивного объекта,
такого, как Солнце (металлический шар): оно растягивает, изгибает и
искривляет пространство-время. Теперь, если вы покатите по листу шарик поменьше, то,
согласно Ньютоновым законам движения, он будет стремиться двигаться по
прямой, но, приближаясь к массивному объекту и уклону прогибающегося материала,
он катится вниз, неотвратимо влекомый к более массивному предмету. Это
гравитация - результат искривления пространства-времени.
Каждый обладающий массой объект оставляет небольшую вмятину в структуре
космоса. Так что Вселенная - это, как выразился Деннис Овербай, "бесконечно
проминающийся матрац". Гравитация с такой точки зрения не столько
самостоятельная сущность, сколько свойство пространства, это "не "сила", а побочный
продукт искривления пространства-времени", пишет физик Мишио Каку118 и
продолжает : "В некотором смысле, гравитации не существует; что движет планетами и
звездами, так это искривление пространства и времени".
Разумеется, аналогия с проминающимся матрацем верна только в известных
пределах, потому что не включает эффекты, связанные со временем. Но в данном
случае наш мозг способен лишь на нее, ибо практически невозможно представить
структуру, состоящую на три четверти из пространства и на одну четверть из
времени, причем все в нем переплетено, как нити шотландского пледа. Во всяком
случае, я думаю, можно согласиться, что это была потрясающая по масштабу идея
для молодого человека, глазевшего из окна патентного бюро в столице
Швейцарии .
Среди многого другого общая теория относительности Эйнштейна говорила о
том, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Но Эйнштейн не
был космологом и разделял общепринятое мнение о том, что Вселенная вечна и
неизменна. Во многом для того, чтобы отразить это представление, он ввел в
свои уравнения элемент, получивший название космологической постоянной,
которая играла роль произвольно выбираемого противовеса действию гравитации,
своего рода математической кнопки "пауза". Авторы книг по истории науки всегда
прощают Эйнштейну этот ляпсус, но, по существу, это было громадным научным
промахом. Он это знал и называл "самой большой ошибкой в своей жизни119".
Так уж совпало, что приблизительно в то же время, когда Эйнштейн добавлял к
своей теории космологическую постоянную, в Лоуэлловской обсерватории в
Аризоне один астроном по имени Весто Слайфер (вообще-то он был из Индианы), снимая
спектры отдаленных галактик, обнаружил, что они выглядят удаляющимися от
нас120. Вселенная не была неподвижной. Галактики, которые разглядывал Слайфер,
обнаруживали явные признаки доплеровского смещения - тот же механизм стоит за
характерным звуком: и-и-иж-жу-у-у, который производят пролетающие мимо нас по
Мишио Каку (Michio Kaku) - американский физик-теоретик японского происхождения, автор ряда
монографий и нескольких научно-популярных бестселлеров. В 2006 году подготовил на Би-би-си
серию программ, посвященных природе времени, ведущий большого научного ток-шоу на радио.
Введение космологической постоянной в уравнения общей теории относительности было
математически совершенно корректным шагом. В последние годы новые астрофизические данные вновь
поставили перед учеными вопрос о том, что космологическая постоянная (или нечто наподобие нее)
может потребоваться в уравнениях, описывающих эволюцию Вселенной. Так что "величайшая ошибка
Эйнштейна" вполне может оказаться одним из его пророчеств. Но нельзя не признать, что из-за
веры в статичность Вселенной и введения в уравнения космологической постоянной Эйнштейн не
смог на основе собственной теории предсказать расширение Вселенной. Это действительно было
очень досадным упущением для Эйнштейна, но его не Замедлили восполнить другие космологи, в
первую очередь Леметр и Фридман.
120 Свои наблюдения Слайфер произвел на 5 лет раньше - в 1912 г. , однако результаты
опубликовал только в 1917 г.
треку гоночные машины. (Эффект назван по имени австрийского физика Иоганна
Кристиана Доплера, который первым теоретически предсказал этот эффект в 1842
году. Если коротко, происходит следующее: когда движущийся источник
приближается к неподвижному объекту, звуковые волны уплотняются, толпясь перед
приемником (скажем, вашими ушами). Это подобно тому, как любые предметы,
подпираемые сзади, нагромождаются на неподвижный объект. Это нагромождение
воспринимается слушающим как более высокий звук (и-и-иж) . Когда же источник звука
проходит мимо и начинает удаляться, звуковые волны растягиваются и
удлиняются, и высота звука внезапно падает (жу-у-у).)
Это явление также характерно и для света, и в случае удаляющихся галактик
оно известно как красное смещение (потому что удаляющийся от нас источник
света выглядит покрасневшим, а приближающийся - голубеет).
Слайфер первым обнаружил этот эффект в излучении галактик и осознал его
потенциальное значение для понимания движений в космосе. К сожалению, никто не
обратил на это внимания. К Лоуэлловской обсерватории, как вы помните,
относились как к немного странному учреждению из-за одержимости Персиваля Лоуэлла
марсианскими каналами, хотя в 1910-х она стала во всех отношениях выдающимся
астрономическим центром. Слайфер не был в курсе эйнштейновской теории
относительности , а мир, в свою очередь, не слыхал о Слайфере. Так что его открытие
не имело никаких последствий.
Вместо него слава в основном досталась весьма самолюбивому человеку по
имени Эдвин Хаббл. Хаббл родился в 1889 году на десять лет позже Эйнштейна, в
маленьком городке в штате Миссури на краю плато Озарк, и рос там же и в
пригороде Чикаго Уитоне, штат Иллинойс. Его отец был директором успешной
страховой конторы, так что жизнь всегда была обеспеченной, и Эдвин пользовался
щедрой материальной поддержкой. Это был физически сильный, одаренный спортсмен,
обаятельный, остроумный красавец - по описанию Уильяма Г. Кроппера, он был
"пожалуй, слишком красив"; "Адонис", по словам еще одного поклонника.
Согласно его собственным рассказам, в жизни ему более или менее постоянно удавалось
совершать героические поступки - спасать тонущих, выводить перепуганных людей
в безопасное место на полях сражений во Франции, приводить в замешательство
мировых чемпионов по боксу нокдаунами в показательных матчах. Все это
выглядело слишком хорошо, чтобы можно было поверить. Да... При всех своих талантах
и способностях Хаббл к тому же был неисправимым лгуном.
Это было более чем странно, ибо жизнь Хаббла с ранних лет была богата
настоящими отличиями, порой на удивление обильными. В 1906 году За одни
школьные соревнования по легкой атлетике он победил в прыжках с шестом, в толкании
ядра, метании диска и молота, прыжках в высоту с места и с разбега и был в
составе команды, выигравшей эстафету на одну милю, - словом, семь первых мест
за одни соревнования, и вдобавок он был третьим в прыжках в длину. В том же
году он установил рекорд штата Иллинойс в прыжках в высоту.
В равной мере он отличался и в учебе и без труда поступил в Чикагский
университет, где изучал физику и астрономию (так совпало, что факультет в то
время возглавлял Альберт Майкельсон). Здесь он был включен в число первых
стипендиатов Родса в Оксфорде. Три года пребывания в Англии явно вскружили
ему голову, потому что, вернувшись в 1913 году в Уитон, он стал носить инвер-
несский плащ с капюшоном, курить трубку и употреблять странно высокопарный
язык - не совсем британский, но что-то вроде того, - который сохранил на всю
жизнь. Позднее он утверждал, что большую часть двадцатых годов практиковал в
качестве адвоката в Кентукки, хотя в действительности работал школьным
учителем и баскетбольным тренером в Нью-Олбани, штат Индиана, до того как получил
докторскую степень и отслужил короткий срок в армии. (Он прибыл во Францию За
месяц до перемирия и почти наверняка не слыхал ни одного боевого выстрела.)
В 1919 году, уже в тридцать лет, он переехал в Калифорнию и получил долж-
ность в обсерватории Маунт Вильсон близ Лос-Анджелеса. Быстро и более чем
неожиданно он становится самым выдающимся астрономом XX века.
Стоит на минуту прерваться и представить, как мало было известно о космосе
в то время. Сегодня астрономы считают, что в видимой Вселенной насчитывается
около 140 млрд. галактик121. Это огромное число, намного больше, чем можно
себе представить. Если бы галактики были мороженым горохом, то такого
количества было бы достаточно, чтобы заполнить им большой концертный зал, скажем,
Бостон Гарден или Ройял Альберт Холл. (Это на самом деле вычислил астрофизик
Брюс Грегори.) В 1919 году, когда Хаббл приблизил глаз к окуляру, количество
известных галактик составляло ровно одну штуку - Млечный Путь. Все остальное
считалось либо частью Млечного Пути, либо одним из множества отдаленных
незначительных скоплений газа. Хаббл вскоре продемонстрировал, насколько
ошибочным было это убеждение.
В следующие десять лет Хаббл занимался решением двух самых фундаментальных
вопросов, касающихся нашей Вселенной: определением ее возраста и размеров.
Чтобы получить ответ, необходимо было знать две вещи: как далеко находятся
определенные галактики, и как быстро они удаляются от нас (т.е. скорость раз-
бегания) . Красное смещение дает нам скорость, с которой галактики удаляются,
но ничего не говорит о расстояниях до них. Для определения расстояний
требуются так называемые "эталонные свечи" - звезды, светимость которых можно
надежно вычислить и использовать как эталон для измерения яркости других звезд
(а отсюда относительного расстояния до них).
Удача пришла к Хабблу вскоре после того, как выдающаяся женщина, по имени
Генриетта Сван Левитт, придумала, как найти такие звезды. Левитт работала в
обсерватории Гарвардского колледжа вычислителем122. Вычислители всю жизнь
изучали фотопластинки с отснятыми звездами, и производили вычисления - отсюда
название. Это было более чем нудное занятие, но другой работы в области
астрономии в те дни для женщин в Гарварде не было - как, впрочем, и в других
местах. Такой порядок, хотя и был несправедливым, давал неожиданные
преимущества: он означал, что половина лучших умов обращалась на занятия, которые
иначе привлекли бы мало внимания, и создал условия, когда женщины, в конечном
счете, сумели разобраться в деталях строения космоса, которые зачастую
ускользали от внимания их коллег-мужчин.
Одна вычислительница из Гарварда, Энни Джамп Кэннон, благодаря постоянной
работе со звездами создала их классификацию, настолько удобную, что ею
пользуются по сей день123. Вклад Левитт в науку был еще более основательным. Она
заметила, что переменные звезды определенного типа, а именно цефеиды
(названные по созвездию Цефея, где была обнаружена первая из них), пульсируют в
строго определенном ритме, демонстрируя что-то вроде звездного сердцебиения.
Цефеиды встречаются крайне редко, но, по крайней мере, одна из них хорошо
известна большинству из нас - Полярная звезда является цефеидой.
Теперь мы знаем, что цефеиды пульсируют подобным образом, потому что это
звезды преклонного возраста, которые прошли, пользуясь языком астрономов,
"стадию главной последовательности" и стали красными гигантами. Химия красных
гигантов несколько сложновата для нашего изложения (она требует, например,
понимания свойств однократно ионизированных атомов гелия и множества других
вещей), но, если быть проще, можно сказать так: они сжигают остатки топлива
таким образом, что в результате получаются строго ритмичные изменения блеска.
Гениальная догадка Левитт состояла в том, что, сравнивая относительную яр-
Скорее всего, галактик гораздо больше.
122 «
По-английски эта должность называлась тогда computer.
123
Речь идет о так называемой гарвардской спектральной классификации Звезд. Правда, ее
современный вид (O-B-A-F-G-K-M-L-T) очень далек от того, который был предложен изначально.
кость цефеид в разных точках неба, можно определить, как соотносятся
расстояния до них. Их можно было использовать в качестве эталонных свечей - термин,
предложенный Левитт, который стал употребляться всеми. Этот метод дает
возможность определять только относительные, а не абсолютные расстояния, но все
же это был первый способ измерения крупномасштабных расстояний во Вселенной.
(Чтобы представить значение этих озарений в истинном свете, стоит, пожалуй,
отметить, что в то время, когда Левитт и Кэннон делали свои выводы о
фундаментальных свойствах космоса, располагая для этого лишь расплывчатыми
изображениями далеких звезд на фотографических пластинках, гарвардский астроном
124 _
Уильям Г. Пикеринг , который, конечно, мог, когда только хотел, глядеть в
первоклассный телескоп, разрабатывал свою, не иначе как новаторскую теорию о
том, что темные пятна на Луне вызваны полчищами сезонно мигрирующих
насекомых .)
Объединив космическую линейку Левитт с оказавшимися под рукой красными
смещениями Весто Слайфера, Хаббл стал свежим взглядом оценивать расстояния до
отдельных объектов космического пространства. В 1923 году он показал, что
отдаленная призрачная туманность в созвездии Андромеды, обозначаемая М31, - это
вовсе не газовое облако, а россыпь звезд, самая настоящая галактика, в сто
тысяч световых лет шириной, на расстоянии по крайней мере девятисот тысяч
световых лет от нас125. Вселенная оказалась обширнее - куда как обширнее, чем
кто бы то ни было, мог предположить. В 1924 году Хаббл опубликовал свою
ключевую статью "Цефеиды в спиральных туманностях", где показал, что Вселенная
состоит не из одного Млечного Пути, а из большого числа отдельных галактик -
"островных вселенных", - многие из которых больше Млечного Пути и значительно
удаленнее.
Одного этого открытия было бы достаточно, чтобы прославиться как ученому,
но Хаббл теперь решил определить, сколь велика Вселенная, и сделал еще более
поразительное открытие. Он стал производить измерения спектров отдаленных
галактик, продолжая дело, начатое в Аризоне Слайфером. Пользуясь новым 100-
дюймовым телескопом Хукера в обсерватории Маунт Вильсон, он при помощи
остроумных умозаключений определил к началу 1930-х годов, что все галактики на
небе (за исключением нашего местного скопления) двигаются прочь от нас. Более
того, их скорости почти в точности пропорциональны расстояниям: чем дальше
галактика, тем быстрее она движется.
Это было поистине потрясающе. Вселенная расширялась стремительно и
равномерно во всех направлениях. Не надо обладать богатым воображением, чтобы
произвести отсчет в обратную сторону и понять, что все это началось с какой-то
центральной точки. Оказалось, что Вселенная далеко не была постоянной,
неподвижной, бесконечной пустотой, какой все ее представляли, она оказалась миром,
имеющим начало. А значит, у нее может быть и конец.
Удивительно, как отметил Стивен Хокинг, что мысль о расширяющейся Вселенной
раньше никому не приходила в голову126. Статичная Вселенная, как должно было
быть очевидно еще Ньютону и любому думающему астроному после него, просто
рухнула бы внутрь самой себя под действием взаимного притяжения всех
объектов . Кроме того, существовала еще одна проблема: если бы звезды бесконечно
горели в статичной Вселенной, то в ней стало бы невыносимо жарко - слишком
жарко для подобных нам существ. Идея расширяющейся Вселенной одним махом ре-
Уильям Пикеринг (William Н. Pickering, 1858-1938) - американский астроном,
первооткрыватель спутника Сатурна - Фебы. В 1919 г. предсказал существование планеты X по возмущениям в
движении Урана и Нептуна, что способствовало открытию Плутона, масса которого, впрочем,
оказалась недостаточной для возмущающего воздействия.
Современная оценка размеров этой галактики и расстояния до нее в 2,5 раза больше.
126 _ -
Речь, конечно, идет о до эйнштейновских временах.
шала большинство из этих проблем.
Хаббл был куда лучшим наблюдателем, нежели мыслителем, и не сразу полностью
оценил значение своих открытий. Отчасти потому, что был совершенно не в курсе
общей теории относительности Эйнштейна. Это довольно удивительно, потому что
к тому времени Эйнштейн и его теория пользовались всемирной славой. Кроме
того, в 1929 году Майкельсон - тогда уже в преклонных годах, но все еще
обладавший живым умом и пользовавшийся уважением как ученый, - занял должность в
Маунт Вильсон, чтобы заняться измерением скорости света при помощи своего
надежного интерферометра, и наверняка должен был хотя бы упомянуть Хабблу о
применимости теории Эйнштейна к его открытиям.
Во всяком случае, Хаббл упустил шанс сделать из своего открытия
теоретические выводы. Этот шанс (вместе с докторской степенью в Массачусетском
технологическом институте) выпал бельгийскому ученому и священнику Жоржу Леметру.
Леметр объединил две части своей собственной "теории фейерверков", которая
предполагала, что Вселенная началась с геометрической точки, "первичного
атома", который разорвался на части и с тех пор продолжает разлетаться. Эта идея
очень близко предвосхищала современную идею Большого Взрыва, но настолько
опережала свое время, что Леметру редко уделяют больше пары фраз, которые мы
посвятили ему здесь. Миру потребуется не одно десятилетие вкупе с нечаянным
открытием фонового космического излучения Пензиасом и Вильсоном с их шипящей
антенной в Нью-Джерси, прежде чем Большой Взрыв из интересной идеи
превратится в упрочившуюся теорию.
Ни Хаббл, ни Эйнштейн не принимали участия в этой большой истории. Но, хотя
в то время никто бы этого не предположил, оба они сыграли в ней такую
значительную роль, на какую только могли надеяться.
В 1936 году Хаббл написал популярную книгу "Царство туманностей", в которой
с похвалой описывал свои собственные замечательные достижения. Здесь он,
наконец, показал, что ознакомился с теорией Эйнштейна - во всяком случае, до
известной степени: он посвятил ей четыре страницы из двухсот.
Хаббл умер от сердечного приступа в 1953 году. Его ожидало одно последнее,
несколько странное обстоятельство. По какой-то загадочной причине его жена
отказалась от похорон и никогда не говорила, что она сделала с телом.
Полстолетия спустя местонахождение останков величайшего астронома двадцатого века
остается неизвестным. Что же касается памятника, то надо взглянуть на небо,
где находится космический телескоп, запущенный в 1990 году и названный его
именем.
9. МОГУЩЕСТВЕННЫЙ АТОМ
В то время как Эйнштейн и Хаббл успешно препарировали крупномасштабную
структуру Вселенной, другие ученые бились над постижением того, что находится
рядом, под самым носом, но в своем роде также далеко: крошечного, неимоверно
загадочного атома.
Выдающийся физик из Калифорнийского технологического института Ричард Фейн-
ман однажды заметил, что, если свести историю науки к одному важному
утверждению, оно прозвучит так: "Все вещи созданы из атомов". Атомы повсюду и
составляют все сущее. Оглянитесь вокруг себя. Все это атомы. Не только твердые
предметы вроде стен, столов или диванов, но и воздух между ними. И их число
поистине непостижимо.
Основной рабочей конфигурацией атомов является молекула (от латинского
"малая масса"). Молекула - это просто два атома или больше, действующие
совместно в более или менее устойчивом сочетании: добавьте два атома водорода к
одному атому кислорода и получите молекулу воды. Химики склонны мыслить
категориями молекул, нежели элементарных частиц. Так же как писатели мыслят слова-
ми, а не буквами, химики подсчитывают молекулы. А те весьма многочисленны,
если не сказать больше. На уровне моря при нуле градусов по Цельсию один
кубический сантиметр воздуха (примерно с кубик сахара) будет содержать 25
миллиардов миллиардов молекул.
Столько же их в каждом кубическом сантиметре, которые вы видите вокруг
себя. Представьте, сколько кубических сантиметров в мире за вашим окном -
сколько нужно кубиков сахара, чтобы они заполнили все видимое вами
пространство . Теперь представьте, сколько их надо, чтобы создать Вселенную127. Короче
говоря, атомов великое множество.
Вдобавок к этому они еще и фантастически долговечны. В силу своей живучести
атомы действительно повидали свет. Каждый атом вашего тела почти наверняка
побывал в составе нескольких звезд и был частью миллионов живых организмов. В
нас такое обилие атомов, и мы подвергаемся такой решительной переработке
после смерти, что значительное число наших атомов - предположительно, до
миллиарда в каждом из нас - когда-то могли принадлежать Шекспиру. По миллиарду
каждому досталось от Будды, Чингис-хана, Бетховена и любой другой исторической
личности, какая бы ни пришла на ум. (Личности, очевидно, должны быть
историческими, поскольку для основательного перераспределения атомам требуется
несколько десятков лет; и как бы вам этого ни хотелось, вы вряд ли носите в
себе атомы Элвиса Пресли.)
Так что все мы являемся перевоплощениями - правда, недолговечными. Когда мы
умрем, наши атомы разберутся и разойдутся искать новое применение где-нибудь
в другом месте - станут частью древесного листа, или другого человеческого
существа, или капли росы. Сами атомы, однако, живут практически вечно. Никто,
по сути, не знает, сколько может просуществовать атом, но, согласно Мартину
Рису, вероятно, около 1035 лет - число настолько большое, что даже я рад
изобразить его в математической нотации.
И, наконец, атомы еще и очень малы, то есть они действительно совсем
крошечные. Полмиллиона их, выстроившись плечом к плечу, могли бы спрятаться
позади человеческого волоса. При таких размерах отдельный атом, по существу,
невозможно представить, но мы, конечно, попытаемся это сделать.
Начнем с линии длиной миллиметр. Теперь вообразите, что эта линия разделена
на тысячу частей. Каждая из них - это микрон. Это масштаб микроорганизмов.
Обычная парамеция (туфелька) - крошечное одноклеточное пресноводное живое
существо - имеет толщину 2 микрона, или 0,002 миллиметра, - это очень мало128.
Если бы вы захотели увидеть туфельку невооруженным глазом в капле воды, вам
пришлось бы увеличить каплю до диаметра примерно 12 метров. Ну а для того,
чтобы увидеть в этой же капле атомы, ее пришлось бы увеличить до 24
километров .
Другими словами, атомы существуют в микроскопических масштабах совершенно
другого порядка. Чтобы приблизиться к размерам атомов, нужно каждый микронный
кусочек нарезать на десять тысяч еще более тонких ломтиков. Вот это и будет
масштаб атома: одна десятимиллионная миллиметра. Эта мера тонкости даже
отдаленно недоступна нашему воображению, но можно получить о ней какое-то
представление, если учесть, что атом в сравнении с изображенной выше
миллиметровой черточкой - это все равно, что толщина бумажного листа в сравнении с
высотой небоскреба Эмпайр Стейт билдинг.
Не совсем корректное рассуждение, если учесть, что большая часть Вселенной - это почти
абсолютная пустота.
128 На самом деле инфузории-туфельки Значительно крупнее - их ширина составляет 20-50 микрон,
а длина - 50-300 микрон. Поэтому они отлично видны в микроскоп даже при увеличении в 10 раз,
а стократное увеличение позволяет изучать детали их внутреннего строения. Микронный размер
имеют многие бактерии.
Разумеется, именно изобилие и поразительная живучесть атомов делают их
такими полезными, а из-за малых размеров их так трудно обнаружить и осмыслить.
Понимание того, что атомы малы, многочисленны и практически неразрушимы, а
также, что все вещи состоят из них, впервые пришло в голову не Антуану-Лорану
Лавуазье, как можно было ожидать, и даже не Генри Кавендишу или Хамфри Дэви,
а, скорее, скромному, поверхностно образованному английскому квакеру по имени
Джон Дальтон, с которым мы впервые встретились в главе 7129.
Дальтон родился в 1766 году на границе Озерного края, близ Кокермауса, в
бедной семье ткачей, набожных квакеров. (Четыре года спустя в Кокермаусе
также появится на свет поэт Уильям Вордсворт.) Он был на редкость способным
учеником - до того способным, что в невероятно юные годы, в двенадцать лет, его
поставили во главе местной квакерской школы. Возможно, это больше говорит о
самой школе, нежели о раннем развитии Дальтона, но может быть, и нет. Из его
дневников мы знаем, что примерно в этом возрасте он читал "Начала" Ньютона в
оригинале, на латыни, а также другие столь же сложные труды. В пятнадцать
лет, все еще продолжая возглавлять школу, он нашел работу в ближайшем городке
Кендале, а через десять лет переехал в Манчестер, откуда почти не уезжал
остальные пятьдесят лет своей жизни. В Манчестере его в интеллектуальном
отношении словно прорвало - он стал выдавать книги и статьи по широкому кругу
предметов, от метеорологии до грамматики. Благодаря его исследованиям
цветовая слепота, которой он страдал, долгое время называлась дальтонизмом. Но
научную славу ему принесла опубликованная в 1808 году пухлая книга,
озаглавленная "Новая система химической философии".
В ней, в краткой главе всего на пять страниц (из почти девятисотстраничной
книги), ученые впервые встретились с атомами, которые чем-то напоминали наше
современное представление о них. Дальтон просто предположил, что основу всего
сущего составляют чрезвычайно малые простейшие частицы вещества. "Создать или
уничтожить частицу водорода - все равно, что пытаться внести в Солнечную
систему новую планету или уничтожить уже существующую", - писал он.
Ни идея атома, ни сам термин не были, строго говоря, чем-то новым. И то и
другое придумали еще древние греки. Вклад Дальтона состоял в определении
относительных размеров и свойств этих атомов и их сочетаний. Он, например,
знал, что легчайшим элементом был водород, и принял его атомный вес за
единицу. Считая также, что вода состоит из семи частей кислорода и одной части
водорода, он определил атомный вес кислорода как 7. Таким путем он смог
определить относительные атомные веса известных элементов. Он не всегда был очень
точен - атомный вес кислорода на самом деле равен 16, а не 7, - но сам
принцип был понят правильно и послужил основой всей современной химии и
значительной части других современных наук.
Этот труд сделал Дальтона знаменитым - правда, в скромном, присущем
английским квакерам духе. В 1826 году французский химик П.Ж. Пеллетье совершил
поездку в Манчестер, чтобы встретиться с героем, изобретшим атом. Пеллетье
ожидал найти его в каком-нибудь важном учреждении, и был поражен, обнаружив, что
тот учит арифметике ребятишек в маленькой школе где-то на задворках. По
словам историка науки Э. Дж. Холмгьярда, Пеллетье, увидев великого ученого,
заикаясь от смущения, пробормотал: "Est-ce que j'ai Phonneur de m'addresser a
Monsieur Dalton?" (Имею ли я честь обратиться к месье Дальтону? (фр.)) - ибо
едва мог поверить, что стоящий перед ним прославленный на всю Европу химик
учит мальчишку четырем правилам арифметики. "Да, - будничным тоном ответил
квакер. - Присядьте, пожалуйста, пока я растолкую этому пареньку задачку".
Хотя Дальтон старался избегать всяческих почестей, он вопреки своему жела-
Здесь не упоминаются древнегреческие атомисты, поскольку их рассуждения об атомах были
чисто умозрительными.
нию был избран в Королевское общество, осыпан наградами и получил щедрую
государственную пенсию. Когда в 1844 году он скончался, за гробом шло сорок
тысяч людей, и похоронная процессия растянулась на две мили. Статья о нем в
"Национальном биографическом словаре" - одна из самых больших и среди
биографий ученых девятнадцатого века уступает по объему только статьям о Дарвине и
Лайеле.
На протяжении сотни лет после того, как Дальтон изложил свои идеи, они
оставались чисто гипотетическими, а некоторые видные ученые - в частности,
венский физик Мах130, именем которого названа скорость звука, - вообще сомневался
в существовании атомов. "Атомы нельзя воспринять ощущениями... они -
принадлежность мысли", - писал он. Скептицизм в отношении существования атомов был
настолько силен, особенно в немецкоязычном мире, что, как говорили, сыграл
определенную роль в самоубийстве в 1906 году видного физика-теоретика и
горячего приверженца атомов Людвига Больцмана131.
Первые неопровержимые доказательства существования атомов дал Эйнштейн в
своей работе 1905 года о броуновском движении. Но она привлекла мало
внимания, к тому же сам Эйнштейн был вскоре поглощен разработкой общей теории
относительности. Так что первым героем "атомного века", если не главным его
действующим лицом, стал Эрнест Резерфорд.
Резерфорд родился в 1871 году в новозеландской "глубинке". Его родители,
эмигрировавшие из Шотландии, выращивали, перефразируя Стивена Вайнберга,
"немного льна и уйму детей". Подрастая в глухом уголке далекой страны, Эрнест,
как и следовало ожидать, был далек от большой науки. Но в 1895 году он
получил стипендию, благодаря которой попал в Кавендишскую лабораторию
Кембриджского университета, ту самую, которая вскоре станет самой "горячей" точкой
мировой физической науки.
Физики славятся пренебрежительным отношением к ученым других направлений.
Великий австрийский физик Вольфганг Паули, узнав, что жена ушла от него к
химику, был потрясен. "Я бы еще понял, если бы она вышла за тореадора, -
удивленно заметил он приятелю. - Но за химика..."
Резерфорд, видимо, разделял эти чувства. "Вся наука делится на физику и
коллекционирование марок", - заметил он однажды. С тех пор это высказывание
повторялось множество раз. Поэтому присуждение ему в 1908 году Нобелевской
премии в области химии, а не физики, может вызвать, как минимум, улыбку.
Резерфорду повезло - повезло, что он был гением, а еще больше, что жил в то
время, когда физика и химия были такими увлекательными и так хорошо
сочетались (несмотря на его собственные сантименты). Никогда больше они не будут
так удачно выступать единым фронтом.
При всех своих успехах Резерфорд не обладал особо блестящим интеллектом, а
с математикой у него был просто кошмар. Часто во время лекций он безнадежно
путался в собственных уравнениях, так что бросал все на полпути и предлагал
студентам закончить самим. По словам его давнего коллеги Джеймса Чэдвика,
открывшего нейтрон, Резерфород не был особенно силен и как экспериментатор. Он
просто брал упорством и широтой кругозора. Блеск ума ему заменяли
проницательность и своего рода дерзость. Его ум, по словам одного из биографов, "по-
Эрнст Max (Ernst Mach, 1838-1916) - австрийский физик и философ, изучал механизмы Зрения и
слуха, а также аэродинамические процессы при сверхзвуковом полете снарядов. Выдвинул
гипотезу, согласно которой инертная масса возникает у тел в результате гравитационного
взаимодействия со всеми другими телами во Вселенной (принцип Маха). Хотя принцип Маха не поддается
экспериментальной проверке, он оказал Значительное влияние на Альберта Эйнштейна, а труды
Маха способствовали становлению современной философии науки.
131
Людвиг Больцман (Ludwig Eduard Boltzmann, 1844-1906) - австрийский физик, основатель
статической механики и молекулярно-кинетической теории. Его имя носит постоянная в формуле для
определения энтропии.
стоянно стремился к переднему краю, каким он ему представлялся, а видел он
куда дальше других". Сталкиваясь с неподатливой проблемой, он был готов
работать упорнее и дольше большинства, и был более восприимчив к неортодоксальным
объяснениям. Его самое большое открытие пришло к нему, потому что он был
готов утомительно долго просиживать у экрана, подсчитывая сцинтилляции альфа-
частиц - труд, который обычно сваливали на кого-нибудь другого. Он одним из
первых - возможно, самым первым - разглядел, что заключенная в атоме энергия,
если ее направить по определенному руслу, может привести к созданию бомбы,
достаточно мошной, чтобы "сей старый мир исчез в дыму".
Он был огромного роста и обладал зычным голосом, который пугал особо
робких. Однажды, услыхав, что Резерфорд собирается выступить в радиопередаче,
которая должна была транслироваться через Атлантику, один из его коллег сухо
спросил: "А зачем ему радио?" Резерфорд также обладал колоссальной, правда,
добродушной, самоуверенностью. Когда кто-то заметил, что он всегда
оказывается на гребне волны, Резерфорд ответил: "Но волну-то, в конечном счете,
поднимаю я, не так ли?" Ч.П. Сноу вспоминал, что как-то у портного в Кембридже он
нечаянно услышал реплику Резерфорда: "Каждый день я прибавляю в весе. И в
уме".
Но вес и слава в 1895 году, когда он появился в Кавендишской лаборатории,
были еще далеко впереди. (Название происходит от тех же Кавендишей, которые
дали науке Генри Кавендиша. На сей раз это был Уильям Кавендиш, седьмой
герцог Девонширский, способный математик и стальной магнат викторианской Англии.
В 1870 году он пожертвовал университету 6300 фунтов стерлингов на создание
экспериментальной лаборатории.)
То был особенно богатый научными событиями период. В год приезда Резерфорда
в Кембридж в Германии, в Вюрцбургском университете Вильгельм Рентген открыл
рентгеновские лучи; в следующем году Анри Беккерель открыл радиоактивность. А
для самой Кавендишской лаборатории наступало время величия. В 1897 году Дж.
Дж. Томсон с коллегами откроют там электрон, в 1911 году Ч.Т.Р. Вильсон
изобретет первый детектор заряженных частиц (об этом ниже), а в 1932 году Джеймс
Чэдвик все там же откроет нейтрон. Еще позднее, в 1953 году, Джеймс Уотсон и
Фрэнсис Крик создадут в Кавендишской лаборатории структурную модель молекулы
ДНК.
Сначала Резерфорд работал с радиоволнами, и небезуспешно - ему удалось
передать четкий сигнал на расстояние более мили; очень неплохое достижение для
того времени, но он оставил эту тему, когда один из старших коллег убедил
его, что у радио нет большого будущего. Да и вообще Резерфорд не очень
преуспевал в Кавендишской лаборатории и через три года, не видя перспектив, занял
должность в Макгилльском университете в Монреале, откуда началось его долгое
и неуклонное восхождение к вершинам славы. К моменту получения Нобелевской
премии (согласно официальной формулировке, за "исследования в области
расщепления элементов и химии радиоактивных веществ") он уже работал в
Манчестерском университете и, фактически, там и проделал самые важные работы по
определению строения и природы атома.
К началу XX века было уже известно, что атомы состоят из частей, - это было
установлено в результате открытия Томсоном электрона. Но тогда еще не знали,
из какого количества частей состоит атом, как они крепятся друг к другу и
какую форму принимают. Некоторые физики думали, что атомы имеют форму куба,
потому что куб можно сложить таким образом, чтобы не оставалось пустого
пространства . Правда, более общепринятым было представление об атоме, похожем на
булочку с изюмом: что это плотный, положительно заряженный предмет,
напичканный, как изюмом, отрицательно заряженными электронами.
В 1910 году Резерфорд (при участии своего студента Ханса Гейгера, который
позднее изобрел детектор радиоактивности, носящий его имя) обстрелял листок
золотой фольги ионизированными атомами гелия, иначе альфа-частицами. (Гейгер
позднее станет убежденным нацистом, без колебаний выдававшим коллег-евреев,
включая многих, прежде оказывавших ему помощь.)
К удивлению Резерфорда, некоторые частицы отскакивали назад. Словно, по его
словам, он выстрелил 15-дюймовым снарядом в лист бумаги, а снаряд отскочил
ему на колени. Возможность такого явления было невозможно предположить. После
долгих размышлений он нашел единственно возможное объяснение: частицы
отскакивали, сталкиваясь с чем-то очень малым и плотным в сердцевине атома, тогда
как другие частицы беспрепятственно пролетали сквозь лист. Атом, догадался
Резерфорд, это в основном пустое пространство с очень плотным ядром в центре.
Это было весьма обнадеживающее открытие, но оно сразу ставило одну проблему.
По всем законам традиционной физики атомы в таком случае не должны были
существовать .
Схема опыта Резерфорда по рассеянию а-частиц. К - свинцовый
контейнер с радиоактивным веществом, Э - экран, покрытый сернистым
цинком, Ф - золотая фольга, М - микроскоп
Прервемся на минутку и рассмотрим строение атома, как оно представляется
теперь. Каждый атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов,
несущих положительный электрический заряд, отрицательно заряженных электронов и
нейтронов, которые не несут никакого заряда. Протоны и нейтроны плотно
упакованы в ядро, а электроны обращаются вокруг него. Химическую индивидуальность
дает атомам количество протонов. Атом с одним протоном - это атом водорода, с
двумя - атом гелия, с тремя - лития и так далее по таблице. Добавляя протон,
вы каждый раз получаете новый элемент. (Ввиду того, что число протонов в
атоме всегда уравновешивается равным числом электронов, иногда можно прочесть,
что элемент определяется количеством электронов, что, в сущности, одно и то
же. Как мне объяснили, протоны придают атому индивидуальность, а электроны
определяют его личность.)
Нейтроны не влияют на идентичность атома, но увеличивают его массу. Число
нейтронов обычно примерно такое же, как и протонов, хотя может несколько
отличаться в ту или иную сторону. Добавьте или убавьте нейтрон-другой, и вы
получите изотоп. Обозначения, которые вы встречаете в связи с датированием
пород в археологии, относятся к изотопам, например, термин "углерод-14"
означает атом углерода с 6 протонами и 8 нейтронами (в сумме получается 14).
Нейтроны и протоны занимают ядро атома. Оно совсем крошечное - всего одна
миллионная миллиардной части полного объема атома, - но фантастически плот-
ное, поскольку содержит практически всю массу атома. Как писал Кроппер, если
атом увеличить до размеров собора, ядро будет всего лишь размером с муху, но
эта муха будет во много тысяч раз тяжелее собора. Именно эта обширность, эта
невообразимая, потрясающая вместительность атома заставили Резерфорда в 1910
году чесать в затылке.
По сей день у многих вызывает удивление мысль о том, что атомы в основном
представляют собой пустое пространство, и твердость окружающих нас тел - не
более чем иллюзия. Когда в реальном мире друг с другом сближаются два тела -
чаще всего в качестве иллюстрации берут биллиардные шары, - они на самом деле
не ударяются друг о друга. "Правильнее сказать, - поясняет Тимоти Феррис132, -
что отрицательные заряды обоих шаров взаимно отталкиваются... Не будь у них
электрических зарядов, они могли бы, подобно галактикам, беспрепятственно
пройти сквозь друг друга". Сидя на стуле, вы на самом деле не сидите на нем,
а висите над ним на высоте одного ангстрема (стомиллионная доля сантиметра),
ваши электроны и электроны стула отчаянно противятся любой более тесной
близости .
Рисунок атома, как его представляют почти все, состоит из одного-двух
электронов , которые обращаются вокруг ядра, наподобие планет, вращающихся вокруг
Солнца. Это изображение было создано в 1904 году японским физиком Хантаро На-
гаока на основе не более чем догадки. Оно абсолютно неверно, но все равно
надолго сохранилось. Как не раз отмечал Айзек Азимов133, оно вдохновляло
поколения писателей-фантастов на создание произведений о мирах внутри миров, в
которых атомы становятся маленькими обитаемыми солнечными системами или наша
Солнечная система оказывается всего лишь пылинкой в значительно более крупной
системе. Даже сегодня Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН)
использует созданное Нагаокой изображение в качестве эмблемы своего сайта в
Интернете134. На самом деле, как вскоре поняли физики, электроны совсем не похожи на
вращающиеся по орбитам планеты, а больше напоминают лопасти крутящегося
вентилятора, умудряясь одновременно заполнять каждый кусочек пространства на
своих орбитах (с одной существенной разницей, что если лопасти вентилятора
только кажутся находящимися одновременно везде, электроны действительно
находятся сразу всюду).
Стоит ли говорить, что очень немногое из этого было понятно в 1910 году или
даже годы спустя. Открытие Резерфорда поставило рад крупных неотложных
проблем. Не последняя среди них состояла в том, что электроны не могут
обращаться вокруг ядра, не падая на него. По законам традиционной электродинамики
электрон при вращении должен очень быстро - практически мгновенно -
израсходовать свою энергию и по спирали упасть на ядро с гибельными последствиями
для них обоих. Была также проблема: каким образом протоны с их положительными
зарядами могут быть связаны друг с другом внутри ядра, не разорвав на куски
самих себя и весь атом. Становилось ясно, что все происходящее там, в мире
очень малого, не подчиняется законам макромира, которые мы берем за основу.
По мере того как физики углублялись в субатомное царство, они начинали
понимать , что его реальность не только отличается от всего, что нам известно,
Тимоти Феррис (Timothy Ferris, p. 1944) - научный писатель, автор более десятка книг,
среди которых "Совершеннолетие на Млечном Пути", удостоенная премии Американского института
физики . Феррис также был продюсером Записи Звуков и изображений Земли, отправленной За пределы
Солнечной системы на борту космических аппаратов "Вояджер".
133
Айзек Азимов (Isaac Asimov, 1920-1992) - Знаменитый американский писатель-фантаст,
популяризатор науки и биохимик. Автор более 20 фантастических романов, около 30 научно-популярных
книг, множества рассказов и Заметок. Значительная часть произведений переведена на русский
язык.
134 «
Логотип ЦЕРНа составлен из двух наложенных друг на друга стилизованных колец ускорителей
элементарных частиц. Он не менялся, по крайней мере, с 1996 года.
но и от всего, что вообще можно себе представить. "Поскольку поведение атома
столь сильно отличается от нашего повседневного опыта, - заметил однажды
Ричард Фейнман, - очень трудно к этому привыкнуть, и оно представляется
необычным и загадочным каждому в равной мере, как начинающему, так и опытному
физику". Когда Фейнман высказывался по этому поводу, у физиков уже было полвека,
чтобы приспособиться к странностям поведения атомов. Представьте, что должен
был испытывать Резерфорд и его коллеги в начале 1910-х годов, когда все это
было совершенно новым и неизведанным.
Одним из сотрудников Резерфорда был мягкий обходительный датчанин Нильс
Бор. В 1913 году Бору, бившемуся над строением атома, пришла в голову идея,
настолько взволновавшая его, что он отложил медовый месяц и сел за написание
статьи, которая стала поворотным пунктом в науке.
Поскольку физики не могли видеть столь малые объекты, как атомы, им
приходилось делать выводы об их строении, наблюдая, как они реагируют на различные
воздействия. Так, например, Резерфорд обстреливал фольгу альфа-частицами.
Неудивительно, что иногда результаты таких экспериментов вызывали новые
вопросы. Одной из загадок долгое время были особенности спектра водорода. Вид
этого спектра говорил о том, что атомы водорода излучают энергию на определенных
длинах волн и не проявляются на других. Будто кто-то находящийся под
наблюдением обнаруживается то в одном, то в другом месте, но ни разу не был замечен
в движении между ними. Никто не мог понять, почему так происходит.
Ломая голову над этой проблемой, Бор неожиданно наткнулся на решение и
поспешил изложить его в своей знаменитой статье, озаглавленной "О строении
атомов и молекул". В ней объяснялось, как электроны могут удержаться от падения
на ядро: для этого выдвигалось предположение, что они могут занимать только
отдельные, строго определенные орбиты. Согласно этой новой теории электрон
перемещается с орбиты на орбиту, исчезая на одной и мгновенно возникая на
другой, не появляясь в пространстве между ними. Эта идея - знаменитый
"квантовый скачок" - конечно, была чрезвычайно странной, но она была слишком
красивой, чтобы оказаться ошибочной. "Квантовый скачок" не только удерживал
электроны от катастрофического спирального падения на ядро, но также объяснял
странности с длинами волн в спектре водорода. Электроны появлялись только на
определенных орбитах, потому что только на них могли существовать. Это была
блестящая проницательная догадка, и она принесла Бору Нобелевскую премию в
1922 году, через год после Эйнштейна.
Тем временем неутомимый Резерфорд, вернувшись в Кембридж и сменив Дж. Дж.
Томсона на посту руководителя Кавендишской лаборатории, предложил модель,
объяснявшую, почему не взрываются ядра. Он понял, что положительные заряды
протонов должны компенсироваться какими-то нейтрализующими частицами, которые
он назвал нейтронами. Идея была простой и привлекательной, но
труднодоказуемой. Коллега Резерфорда Джеймс Чэдвик целых одиннадцать лет усиленно охотился
за нейтронами, пока, наконец, в 1932 году не добился успеха. Он тоже получил
Нобелевскую премию - в 1935 году. Как отмечают Бурс с соавторами135 в своей
истории данного вопроса, задержка с открытием, возможно, оказалась к лучшему,
поскольку овладение нейтроном имело существенное значение для разработки
атомной бомбы. (Ввиду того, что нейтроны не несут никакого заряда, они не
отторгаются электрическими полями в сердцевине атома и тем самым могут, подобно
крошечным торпедам, выстреливаться в атомное ядро, давая начало
разрушительному процессу, известному как деление.) Случись, что нейтрон был бы выделен в
1920-х годах, замечают они, "весьма вероятно, что атомная бомба была бы
впервые разработана в Европе и, несомненно, немцами".
Речь идет о книге "Ученые-атомщики" (Boorse et al., The Atomic Scientists), которая
содержит более 100 биографий ученых от Тита Лукреция Кара до Ричарда Фейнмана.
Как бы то ни было, европейцы изо всех сил старались понять странное
поведение электрона. Главная проблема, с которой они сталкивались, заключалась в
том, что электрон вел себя то как частица, то как волна. Эта невероятная
двойственность доводила физиков почти до помешательства. Все следующее
десятилетие ученые по всей Европе лихорадочно выдвигали конкурирующие гипотезы.
Во Франции принц Луи-Виктор де Бройль, потомок герцогского рода, пришел к
заключению, что отдельные аномалии в поведении электронов исчезают, если
рассматривать их как волны. Это наблюдение вызвало живой интерес австрийца Эрви-
на Шредингера, который весьма изощренным способом построил удобную для
использования систему, названную волновой механикой. Почти одновременно
немецкий физик Вернер Гейзенберг выступил с конкурирующей теорией, названной
матричной механикой. Она была до того сложна математически, что вряд ли кто-
нибудь в полной мере понимал ее, включая самого Гейзенберга. ("Я даже не
знаю, что такое матрица", - однажды в отчаянии признался он приятелю.) Но,
похоже, что он справился с некоторыми проблемами, которые не удалось
разрешить Шредингеру.
Дифракция электронов на двух щелях. Если бы электрон не обладал
волновыми свойствами, то на мишени было бы просто две полосы.
В результате у физиков появились две теории, основанные на противоречащих
друг другу посылках, но дающие одинаковые результаты. Это была неприемлемая
ситуация.
Наконец, в 1926 году Гейзенберг нашел знаменитый компромисс, создав новую
дисциплину, которая получила известность под названием квантовой механики136.
В ее основе лежал сформулированный Гейзенбергом принцип неопределенности,
устанавливающий, что электрон является частицей, но такой, что ее можно
описывать в терминах волн. Неопределенность, на которой построена эта теория,
состоит в том, что мы можем знать, как движется электрон в пространстве, или
знать, где он находится в данный момент, но не можем знать то и другое вме-
Компромисс на самом деле состоял в том, что в 1932 году математик Джон фон Нейман доказал
математическую эквивалентность волновой и матричной механики. Несмотря на разное описание
частиц, обе теории дают одинаковые выводы об их поведении. При этом одни Задачи удобнее
решать методами волновой механики, а другие - методами матричной.
сте. Любая попытка определить одно неминуемо нарушает определение другого.
Это не вопрос применения более точной аппаратуры, а неотъемлемое свойство
Вселенной.
На практике это означает, что нельзя предсказать, где будет находиться
электрон в каждый конкретный момент. Можно только рассчитать вероятность его
нахождения там. В известном смысле, как это выразил Деннис Овербай, электрон
не существует, пока его не замечают. Или чуть иначе: пока его не замечают,
следует считать, что электрон находится "одновременно везде и нигде".
Если вас это смущает, можете найти утешение в том, что это смущало и многих
физиков. Овербай пишет: "Бор однажды заметил, что тот, кто, впервые услышав о
квантовой теории, не возмутился, просто не понял, о чем шла речь". Когда Гей-
зенберга спросили, как можно представить себе атом, он ответил: "Не
пытайтесь" .
Так что атом оказался совсем не похожим на то, каким его представляло
большинство. Электрон не летает вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, а,
скорее, имеет бесформенные очертания наподобие облака. "Скорлупа" атома
представляет собой не какую-то твердую блестящую оболочку, как порой подталкивают
думать некоторые иллюстрации, а просто наиболее удаленные от центра края этих
неясно очерченных электронных облаков. Само облако - это, по существу, всего
лишь зона статистической вероятности, обозначающая пространство, за пределы
которого электрон очень редко выходит. Так что атом, если бы его можно было
увидеть, скорее похож на очень нечетко очерченный теннисный мяч, чем на
жесткий металлический шар (впрочем, он не очень похож ни на то, ни на другое, и
вообще не похож ни на что из когда-либо виденного вами; все-таки мы имеем
дело с миром, очень сильно отличающимся от того, что мы наблюдаем вокруг себя).
Казалось, удивительному нет конца. Как выразился Джеймс Трефил137, ученые
впервые столкнулись с "областью Вселенной, которую наши мозги просто не
приспособлены понимать". Или, как сказал Фейнман, "в поведении малых тел нет
ничего общего с поведением больших". Копнув глубже, физики поняли, что открыли
мир, в котором не только электроны могут перескакивать с орбиты на орбиту, не
перемещаясь через разделяющее их пространство, но также материя может возни-
138
кать из ничего "при условии, - по словам Алана Лаитмана из Массачусетского
технологического института, - что она достаточно быстро исчезает".
Возможно, самой захватывающей из квантовых невероятностей является идея,
вытекающая из сформулированного в 1925 году Вольфгангом Паули принципа
Запрета, согласно которому в определенных парах субатомных частиц, даже
разделенных значительными расстояниями, каждая моментально "узнает", что делает дру-
. 139
гая. Частицы обладают свойством, известным как спин . И, согласно квантовой
теории, в тот момент, как вы устанавливаете спин одной частицы, ее
родственная частица, независимо от того, как далеко она находится, моментально
начинает крутиться с той же скоростью в противоположном направлении.
Это похоже на то, пользуясь сравнением научного писателя Лоуренса
Джозефа140 , как если бы у вас было два одинаковых бильярдных шара, один в Огайо,
другой на Фиджи, и в тот момент, когда вы закрутите один шар, второй тотчас
Джеймс Трефил (James S. Trefil) - американский физик, профессор университета Джорджа Мей-
сона, автор более чем 30 книг, среди которых энциклопедия "Природа науки. 200 Законов миро-
Здания" (русский перевод опубликован на сайте www.elementy.ru).
138 Алан Лайтман (Alan Lightman, 1948) - американский астрофизик и писатель. Наибольшую
известность принес ему роман "Сны Эйнштейна" (перевод: ACT, 2001) , в каждой из 30 глав которой
фигурирует своя нетрадиционная концепция времени.
Спин - особый параметр квантовых частиц, который лишь очень отдаленно соответствует
вращению макроскопического тела.
140 Лоуренс Джозеф (Lawrence Joseph, 1948) - американский поэт, писатель, эссеист, профессор
права.
же крутится в противоположном направлении с точно такой же скоростью.
Удивительно, что это явление подтвердилось в 1997 году, когда физики Женевского
университета разнесли фотоны на расстояние семи миль и продемонстрировали,
что вмешательство в движение одного вызвало мгновенную реакцию другого141.
Дошло до того, что на одной из конференций Бор по поводу одной из теорий
бросил замечание, что вопрос не в том, безумна ли она, а в том, достаточно ли
она безумна. Чтобы проиллюстрировать непостижимую природу квантового мира,
Шредингер предложил знаменитый мысленный эксперимент, в котором
гипотетического кота помещают в ящик с одним атомом радиоактивного вещества,
прикрепленным к пробирке с синильной кислотой. Если в течение часа частица
распадется, она запустит механизм, который разобьет пробирку и отравит кота. Если
нет, кот останется жив. Но мы не сможем узнать, что произошло на самом деле,
так что с научной точки зрения нет другого выбора, как считать, что кот
одновременно на 100 процентов жив и на 100 процентов мертв. Это означает, как с
понятным раздражением заметил Стивен Хокинг, что никто не может "точно
предсказать дальнейшие события, если не может даже точно определить нынешнее
состояние Вселенной!".
Из-за этих странностей многие физики недолюбливали квантовую теорию или, по
крайней мере, отдельные ее аспекты, и больше всех Эйнштейн. Это было более
чем странно, поскольку именно он в своем annus mirabilis142 1905 года так
убедительно показал, что фотоны могут вести себя то как элементарные частицы, то
как волны - представление, лежащее в самой основе новой физики. "Квантовая
теория весьма достойна уважения", - тактично отмечал он, но на самом деле не
питал к ней любви. "Господь не играет в кости", - говаривал он. (Во всяком
случае, данную мысль обычно передают именно этими словами. Подлинная же
цитата звучит следующим образом: "В карты Всевышнего заглянуть трудно. Но в то,
что Он играет в кости и прибегает к "телепатии"... я ни на миг не поверю".)
Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что Бог мог создать Вселенную, в
которой некоторые вещи были бы абсолютно непознаваемы. Кроме того, мысль о
воздействии на расстоянии - что одна элементарная частица могла моментально
повлиять на другую за триллион миль от нее - была полным попранием специальной
теории относительности. Ничто не могло превзойти скорость света, и, тем не
менее, находились физики, настаивавшие на том, что на субатомном уровне
информация каким-то образом могла обгонять свет. (Между прочим, никто так и не
объяснил, каким образом элементарным частицам удается такое достижение. По
словам физика Якира Ааронова143, ученые решили эту проблему, "просто перестав
о ней думать144".)
Вдобавок ко всему сказанному, квантовая физика породила невиданный до тех
пор уровень беспорядка. Для объяснения свойств Вселенной вдруг потребовалось
два набора законов - квантовая теория для мира очень малых величин и теория
Это совсем некорректное описание явления, которое в квантовой физике называется Запутанным
состоянием частиц. Складывается впечатление, будто квантовая физика позволяет мгновенно
передавать информацию на большие расстояния. На самом деле это не так. Законы квантовой
механики позволяют существовать системам, в которых пространственно разнесенные частицы
представляют собой единый квантовый объект. Но при воздействии на одну из этих частиц вовсе не
происходит передачи воздействия другим. Вместо этого система мгновенно распадается, причем
так, что предсказать состояние других частиц после распада становится невозможно. Из-за
этого Запутанные состояния нельзя использовать для передачи энергии или информации.
142 Чудесный год (лат.) .
Якир Ааронов (Yakir Aharonov, p. 1932) - израильский физик, работающий в США, специалист
по квантовой физике, лауреат Нобелевской премии 1998 года За открытие эффекта Ааронова-Бома,
сделанное в 1959 г.
144 Квантовые эффекты не позволяют передавать информацию быстрее света и не противоречат
специальной теории относительности. Это широко распространенное Заблуждение, связанное с
чрезмерным упрощением при популярном изложении.
относительности для Вселенной больших расстояний. Гравитация из теории
относительности блестяще объясняла, почему планеты обращаются по орбитам вокруг
звезд и почему галактики имеют тенденцию к скучиванию, но оказалось, что она
не имеет никакого влияния на уровне элементарных частиц. Для объяснения того,
что же связывает атом воедино, требовалась некая иная сила, и в 1930-х годах
были обнаружены сразу две таких: сильное ядерное взаимодействие и слабое
ядерное взаимодействие. Сильное взаимодействие скрепляет атомы воедино; это
оно дает возможность протонам удерживаться вместе в ядре. Слабое
взаимодействие отвечает за более разнообразный круг задач, главным образом относящихся к
управлению скоростью определенных видов радиоактивного распада.
Слабое ядерное взаимодействие, несмотря на свое название, в десять
миллиардов миллиардов миллиардов раз сильнее тяготения145, а сильное взаимодействие
еще мощнее, причем намного. Но их влияние ограничивается крайне малыми
расстояниями. Сильное взаимодействие распространяется всего на стотысячную часть
диаметра атома. Вот почему ядра атомов такие компактные и плотные, а элементы
с большими переполненными ядрами такие нестойкие: сильное взаимодействие
просто не может удержать все их протоны.
Кончилось тем, что у физиков на руках оказалось два набора законов - один
для мира очень малых величин, другой для большой Вселенной, - существующих
отдельно друг от друга. И это тоже не нравилось Эйнштейну. Остаток жизни он
посвятил попыткам найти способ связать эти свободные концы в одну Единую
теорию, и неизменно терпел неудачи. Время от времени он думал, что ему это
удалось, но, в конечном счете, узел всегда развязывался. Со временем он все
более оказывался в стороне от господствующих направлений в науке, и порой его
даже немного жалели. Сноу писал, что почти все без исключения "его коллеги
считали и считают поныне, что вторую половину жизни он растратил впустую".
Однако в других областях был достигнут реальный прогресс. К середине 1940-х
годов ученые чрезвычайно глубоко изучили атом - чересчур эффектно
продемонстрировав это в августе 1945 года, когда взорвали пару атомных бомб над
Японией .
На тот момент физикам можно было простить их убеждение, что они почти
покорили атом. В действительности же все в физике элементарных частиц становилось
значительно сложнее. Но прежде чем взяться за этот несколько утомительный
рассказ, нам следует подтянуть другую нить нашего повествования, продолжив
важный и полезный разговор об алчности, обмане, злоупотреблении наукой, о
случаях бесполезной гибели людей и об окончательном определении возраста
Земли .
10. УДАЛЕНИЕ СВИНЦА
В конце 1940-х годов аспирант Чикагского университета Клэр Паттерсон
(выходец из фермерской семьи в штате Айова), применяя новый метод измерения
изотопов свинца, пытался окончательно установить возраст Земли. К сожалению, все
имевшиеся у него образцы пород оказались загрязненными, причем весьма
значительно . Большинство из них содержали свинец, в количестве, примерно в двести
раз превышавшем обычный уровень. Пройдет много лет, прежде чем Паттерсон
поймет , что виновником его неудач был печальной славы изобретатель из Огайо по
имени Томас Миджли-младший.
По образованию Миджли был инженером, и мир, несомненно, стал бы безопаснее,
если бы он оставался инженером. А он вместо этого заинтересовался
промышленным применением химии. В 1921 году работая в "Дженерал моторе рисерч корпо-
На самом деле разница в силе между гравитационным и слабым взаимодействиями еще на пять
порядков больше. Она достигает 1033 раз.
рейшн" в Дейтоне, штат Огайо, он изучал соединение, называющееся тетраэтил-
свинец, и обнаружил, что оно значительно снижает вибрацию, или стук
двигателя .
Хотя было широко известно, что свинец опасен, в первые годы двадцатого века
его можно было обнаружить во всевозможных предметах потребления. Продукты
питания поступали в банках, запаянных с помощью свинцового припоя. Вода часто
хранилась в луженных свинцом баках. Арсенатом свинца в качестве пестицида
опрыскивали фрукты. Свинец даже входил в состав тюбиков с зубной пастой. Едва
ли можно было найти изделие, которое не вносило бы каплю свинца в организм
потребителя. Однако ничто не могло сравниться по масштабам и длительности
применения с добавлением его в моторное топливо.
Свинец - это нейротоксин. В больших количествах он может привести к
необратимому поражению мозга и центральной нервной системы. Среди множества
проявлений отравления - потеря зрения, бессонница, почечная недостаточность,
потеря слуха, рак, паралич и судороги. В самой острой форме интоксикация
проявляется в виде внезапных галлюцинаций, страшных как для пострадавших, так и для
свидетелей. Как правило, они заканчиваются комой и смертью. Вряд ли вы
захотите, чтобы вам в организм попало слишком много свинца (Вообще говоря речь
идет о некоторых солях свинца, а не о самом металле. - Прим. ред.).
С другой стороны, свинец легко добывать и обрабатывать, и страшно выгодно
производить в промышленных масштабах, а тетроэтилсвинец действительно
устраняет стук в двигателях. Так что в 1923 году три крупнейшие американские
корпорации - "Дженерал моторе", "Дюпон" и "Стандард ойл оф Нью-Джерси" создали
совместное предприятие, названное "Этил газолин корпорейшн" (позднее для
краткости просто "Этил корпорейшн"), с целью производства такого количества
тетраэтилсвинца, какое мир был готов купить, и это оказалось потрясающей
сделкой. Они назвали свою добавку "этилом", что звучало привлекательнее, чем
токсичный "свинец", и 1 февраля 1923 года запустили ее в широкое применение
(более разнообразное, чем представляло большинство потребителей).
Почти сразу у рабочих на производстве стали появляться неустойчивая походка
и нарушения психики - ранние признаки отравления. Также почти сразу "Этил
корпорейшн" стала следовать практике спокойного, но твердого отрицания,
которая успешно служила ей десятки лет. В своей увлекательной истории
промышленной химии "Прометеи в лаборатории" Шэрон Берч Макгрейн146 приводит пример,
когда у персонала одного из заводов стали проявляться необратимые галлюцинации,
представитель компании успокоил репортеров: "Они, вероятно, тронулись
рассудком, потому что слишком напряженно работали". В ранний период производства
этилированного бензина погибло, по меньшей мере, пятнадцать рабочих и
бесчисленное множество других заболели, часто очень тяжело; точное их число
неизвестно, потому что компании почти всегда удавалось замять неприятные известия
об утечках и отравлениях. Однако временами замять их бывало невозможно -
особенно в 1924 году, когда всего на одной плохо вентилируемой установке за
несколько дней погибли пять рабочих и еще тридцать пять навсегда остались
жалкими развалинами.
Поскольку об опасности нового продукта пошли слухи, полный энтузиазма
изобретатель этила Томас Миджли, дабы ослабить беспокойство репортеров, решил
провести для них наглядную демонстрацию. Непринужденно болтая об
обязательствах компании в области безопасности, он плеснул тетроэтилсвинца себе на руки,
затем на целую минуту поднес мензурку к носу, утверждая при этом, что может
без вреда повторять эту процедуру каждый день. На самом деле Миджли прекрасно
знал об опасности отравления свинцом. Он сам за несколько месяцев до того
Шэрон Берч Макгрейн - научный писатель, автор книги "Прометеи в лабораториях" о химии,
изменившей нашу цивилизацию, а также биографий трех женщин - нобелевских лауреатов.
серьезно пострадал от избыточного воздействия и за исключением этого эпизода,
если мог, близко не подходил к этой дряни.
Воодушевленный успехом с этилированным бензином, Миджли теперь обратился к
другой технической проблеме века. В 1920-х годах пользоваться холодильниками
часто бывало крайне рискованно, потому что в них применялись коварные,
опасные газы, которые иногда просачивались наружу. В 1929 году в больнице
Кливленда, штат Огайо, в результате утечки из холодильника погибло больше ста
человек. Миджли задался целью создать газ, который был бы устойчивым, невоспла-
меняющимся, некоррозионным и безопасным при вдыхании. Можно подумать, что он
обладал почти сверхъестественной способностью творить беды - на сей раз он
придумал хлорфторуглероды, или ХФУ147.
Редко какой промышленный продукт так быстро находил применение и причинял
столько неприятностей. ХФУ поступили в производство в начале 1930-х годов и
нашли тысячи применений практически во всех областях, от кондиционеров в
автомашинах до баллончиков с дезодорантами, прежде чем полвека спустя заметили,
что они разрушают в стратосфере озон. А это, как вы увидите, очень нехорошо.
Озон - это разновидность кислорода, в котором каждая молекула содержит три
атома кислорода вместо обычных двух. По капризу природы у поверхности Земли
он является очень вредным загрязнением, тогда как высоко в стратосфере
оказывает благотворное воздействие, поскольку поглощает опасное ультрафиолетовое
излучение. Однако полезного озона не так уж много. Если его равномерно
распределить по всей стратосфере, он образовал бы слой всего около трех
миллиметров толщиной. Вот почему этот слой так легко нарушить.
Хлорфторуглеродов тоже не очень много - они составляют всего около одной
миллиардной части атмосферы, взятой в целом, - но они крайне разрушительны148.
Один-единственный килограмм ХФУ может захватить и уничтожить 70 тысяч
килограммов атмосферного озона. ХФУ остаются в атмосфере долгое время - в среднем
около ста лет, - все это время причиняя огромный вред. К тому же они как
губка впитывают тепло. Молекула ХФУ дает в десять тысяч раз более сильный вклад
в парниковый эффект, чем молекула углекислого газа - а углекислый газ, как
известно, весьма эффективно создает парниковый эффект. Словом,
хлорфторуглероды в конечном счете могут, пожалуй, оказаться одной из худших выдумок
двадцатого века.
Миджли об этом так и не узнал, поскольку умер задолго до того, как поняли,
насколько вредны ХФУ. Сама его кончина была весьма необычной. Заболев
полиомиелитом и став инвалидом, Миджли изобрел хитроумное приспособление,
включавшее несколько блоков с моторчиками, которые автоматически поднимали и
переворачивали его в постели. В 1944 году, приведя в действие механизмы, он
запутался в тросах и был ими задушен.
Если вы интересовались определением возраста различных предметов, то в
1940-х годах самым подходящим для вас местом был Чикагский университет. Уил-
лард Либби тогда разрабатывал метод радиоуглеродного датирования, позволяющий
ученым точно определять возраст костей и других органических остатков, что
было им недоступно раньше. В то время самые древние, надежно определенные
даты не выходили за пределы Первой династии в Египте - около 3000 лет до н.э.
Никто, например, не мог с уверенностью сказать, когда отступили последние
ледниковые щиты или в какое время в прошлом кроманьонцы украшали пещеры Ласко
во Франции.
В коммерческий оборот эти вещества были Запущены под названием фреонов.
148 Активным, разрушающим озон элементом является хлор, входящий в состав хлорфторуглеродов. В
2000 году его содержание в стратосфере достигло максимума - около 4 частиц на миллиард
молекул воздуха. Нормой считается содержание не выше 2 частиц на миллиард. Ожидается, что она
восстановится к середине века.
Идея Либби оказалась настолько полезной, что в 1960 году ему присудят за
нее Нобелевскую премию. Она исходила из понимания, что все живые организмы
содержат изотоп углерода, называемый углерод-14, который начинает распадаться
со строго определенной скоростью, как только те погибают. Период полураспада
углерода-14, то есть время, необходимое для того, чтобы в любом образце
исчезла половина его атомов, составляет примерно 5600 лет, так что, определив,
сколько осталось углерода в данном образце, Либби мог получить довольно
надежное представление о возрасте изучаемого предмета, правда, до известного
предела. После восьми периодов полураспада от первоначального количества
радиоактивного углерода остается всего 0,39 процента, а этого слишком мало для
надежных измерений, так что радиоуглеродное датирование годится только для
объектов возрастом примерно до 40 тысяч лет.
Любопытно, что когда данный метод стал получать широкое распространение, в
нем обнаружились некоторые изъяны. Начать с того, что один из основных
элементов формулы Либби - период полураспада - был определен с ошибкой примерно
на три процента. Однако к тому времени во всем мире были проведены уже тысячи
измерений. Чтобы не пересматривать их все, ученые решили сохранить неточную
величину. "Таким образом, - отмечает Тим Флэннери149, - во всех необработанных
данных радиоуглеродного датирования, которые вы встречаете сегодня, возраст
образцов занижен примерно на три процента". Но этим проблемы не
исчерпывались. Вскоре было также обнаружено, что содержащие углерод-14 образцы легко
загрязнялись углеродом из других источников, например от незаметно попавшего
вместе с образцом кусочка растительности. Для сравнительно молодых образцов,
которым меньше двадцати тысяч лет, легкое загрязнение не имело большого
значения, а вот для более древних образцов оно могло стать серьезной проблемой,
потому что в этом случае подсчитывал ось очень малое количество остающихся
атомов. Позаимствуем сравнение Флэннери - в первом случае ошибка в один
доллар будет при подсчете тысячи долларов, а во втором ошибка в доллар будет
иметь место, когда у вас на руках всего 2 доллара.
К тому же метод Либби основывался на предположении, что содержание
углерода-14 в атмосфере и степень его усвоения живыми существами были неизменными
на протяжении всей истории. На самом деле это не так. В настоящее время
известно, что содержание углерода-14 в атмосфере изменяется в зависимости от
того, как земное магнитное поле отклоняет космические лучи, а этот показатель
со временем может значительно меняться150. Это означает, что некоторые данные,
полученные на основе распада углерода-14, могут вызывать сомнения. Среди
наиболее сомнительных - датировки, относящиеся ко времени, когда в Америку
пришли первые люди, что является одной из причин неустанных споров вокруг этого
вопроса.
Наконец, и, пожалуй, несколько неожиданно, результаты могут быть искажены,
казалось бы, не относящимися к делу внешними факторами - такими как пища,
которую употребляли те, чьи кости подвергаются исследованию. Один недавний
случай вызвал долгие споры относительно того, где берет начало сифилис - в Новом
Свете или в Старом? Археологи из Гулля обнаружили, что похороненные на
монастырском кладбище монахи страдали сифилисом, но первоначальное заключение,
что монахи заразились им до путешествия Колумба, было поставлено под сомнение
из-за того, что они потребляли много рыбы, отчего их кости могли казаться
старше, чем на самом деле151. Монахи вполне могли подцепить сифилис, но когда
Тим Флэннери (Tim Flannery) - австралийский Зоолог и научный писатель. В числе его книг
"Создатели погоды: история и будущие последствия изменений климата" (The Weather Makers).
150Углерод-14 образуется в верхних слоях Земной атмосферы под воздействием космических лучей.
Он быстро разносится по всей атмосфере, из которой поглощается растительностью.
В рыбе содержание углерода-14 снижено, поскольку ему требуется дополнительное время, чтобы
и как - остается неразрешенной загадкой.
Из-за этих недостатков углерода-14 ученые стали разрабатывать другие методы
определения возраста древних материалов, среди них датирование по
термолюминесценции, посредством которой подсчитываются электроны, заключенные в
глинах152, и метод электронного спинового резонанса, при котором образец
облучается электромагнитными волнами, и измеряются вибрации электронов. Но даже
самые лучшие из этих методов не подходят для датирования чего-либо старше
примерно двухсот тысяч лет, и совсем не годятся для датирования неорганических
веществ, таких как горные породы, что, разумеется, необходимо, если вы хотите
определить возраст своей планеты.
Трудности датирования горных пород были таковы, что одно время почти во
всем мире бросили этим заниматься. Если бы не один преисполненный решимости
английский профессор, которого звали Артур Холмс, поиски решения этой
проблемы могли бы вообще заглохнуть.
Холмс героически преодолевал препятствия и добивался нужных результатов. К
1920-м годам, в разгар его научной деятельности, геология вышла из моды,
поскольку новым увлечением века стала физика. Геологию жестко ограничивали в
средствах, особенно на ее духовной родине, в Англии. Холмс много лет
единолично представлял весь геологический факультет Даремского университета. Чтобы
продолжать радиометрическое датирование горных пород, ему часто приходилось
заимствовать у других или латать свою аппаратуру. Однажды дошло до того, что
его расчеты фактически были задержаны на год в ожидании того, когда
университет обеспечит его простой суммирующей машинкой. Время от времени он был
вынужден совсем оставлять научную деятельность, чтобы заработать на содержание
семьи - некоторое время он держал антикварную лавку в Ньюкасле-на-Тайне, -
бывало, что у него даже не находилось пяти фунтов стерлингов на членские
взносы в Геологическое общество.
Методика, которую Холмс применял в своей работе, была теоретически проста и
непосредственно вытекала из явления, впервые замеченного в 1904 году Эрнестом
Резерфордом и состоявшего в том, что некоторые атомы, распадаясь, образуют
другой элемент, причем с достаточно предсказуемой скоростью, так что могут
использоваться в качестве часов. Если известно, сколько времени требуется для
превращения калия-40 в аргон-40, и измерить содержание того и другого в
образце, то можно определить возраст материала. Холмс же, чтобы вычислить
возраст пород и тем самым, как он надеялся, возраст Земли, измерял скорость
распада урана с превращением в свинец.
Но на этом пути предстояло преодолеть множество технических трудностей.
Холмс также нуждался в сложной аппаратуре, с помощью которой можно было бы
делать очень тонкие измерения небольших по размеру образцов, но все, что ему
удалось, так это получить простую счетную машинку. Так что было большим
достижением, когда в 194 6 году он смог с уверенностью заявить, что Земле по
крайней мере три миллиарда лет, а возможно, и значительно больше. К
сожалению, теперь он столкнулся с новым тяжелым препятствием: консерватизмом его
коллег ученых. Охотно воздавая хвалу его методике, многие из них утверждали,
что он установил не возраст Земли, а всего лишь возраст составляющих ее
пород.
Как раз в это время Гаррисон Браун из Чикагского университета разработал
новый метод подсчета изотопов свинца в породах вулканического происхождения
попасть в воду и по пищевым цепям дойти до рыбы.
152 Электроны, возникающие при бомбардировке Земной поверхности космическими частицами,
Захватываются и накапливаются в так называемых электронных ловушках внутри кристаллической
решетки вещества. При нагревании электроны освобождаются из ловушек и могут быть подсчитаны. По
их числу определяется возраст породы.
(т.е. тех, которые в отличие от осадочных пород прошли через плавление).
Понимая, что работа будет крайне скучной, он перепоручил ее юному Клэру Паттер-
сону в качестве диссертационного проекта. Особенно замечательно то, что он
обещал Паттерсону, что определить возраст Земли этим новым способом - сущий
пустяк. В действительности на это потребуются годы.
Паттерсон начал работу в 1948 году. В сравнении с захватывающим воображение
вкладом Томаса Миджли в прогресс человечества определение Паттерсоном
возраста Земли выглядит более чем скромно. На протяжении семи лет - сначала в
Чикагском университете, а затем, с 1952 года, в Калифорнийском технологическом
институте - он работал в стерильной лаборатории, делая очень точные измерения
соотношений свинца и урана в тщательно отобранных образцах древних пород.
Сложность измерения возраста Земли заключалась в том, что требовались очень
древние породы с кристаллами, включающими свинец и уран, примерно того же
возраста, что и сама планета. Более молодые образцы дают искажения в сторону
более позднего времени. Но на Земле редко находят действительно древние
породы. В конце 1940-х годов никто до конца не понимал почему. В
действительности, и это весьма удивительно, лишь вступив в космический век, удалось внятно
объяснить, куда делись на Земле все древние породы. (Ответ дает тектоника
плит, до которой мы, разумеется, еще доберемся.) Паттерсону же между тем пока
оставалось лишь пытаться разобраться в этих вещах, располагая весьма
ограниченным набором образцов. В конце концов, ему пришла в голову оригинальная
мысль: можно восполнить нехватку образцов, используя породы внеземного
происхождения. И он обратился к метеоритам.
Паттерсон выдвинул весьма сильное и, как оказалось, верное предположение,
что многие метеориты представляют собой остатки строительных материалов,
сохранившихся с ранних времен существования Солнечной системы, и потому внутри
них мог сохраниться более или менее нетронутым первичный химический состав.
Измерьте возраст этих странствующих камней - и вы получите (с неплохой
точностью) возраст Земли.
Как всегда, все оказалось не так просто, как это может показаться из нашего
беглого описания. Метеориты встречаются весьма редко, и достать их образцы не
так-то легко. Кроме того, разработанная Брауном методика измерений оказалась
крайне сложной в деталях и требовала значительной доработки. Ко всему
прочему, с образцами Паттерсона постоянно возникали проблемы из-за того, что они
бесконтрольно загрязнялись большими дозами содержащегося в атмосфере свинца
каждый раз, как только попадали на воздух. Именно это обстоятельство
заставило его, в конечном счете, создать стерильную лабораторию - первую в мире,
если верить, по крайней мере, одному из источников.
Паттерсону потребовалось семь лет упорного труда, чтобы только собрать и
оценить образцы, предназначенные для окончательной проверки. Весной 1953 года
он привез свои образцы в Аргоннскую национальную лабораторию в штате
Иллинойс. Там ему выделили время на масс-спектрографе последней модели - приборе,
способном обнаруживать и измерять самое незначительное количество урана и
свинца, упрятанное в древних кристаллах. Когда наконец Паттерсон получил
результаты, он так разволновался, что сразу отправился на родину в Айову и
попросил мать поместить его в больницу на исследование, так как подумал, что у
него случился сердечный приступ.
Вскоре на конференции в Висконсине Паттерсон объявил окончательный возраст
Земли - 4550 миллионов лет (плюс-минус 70 миллионов лет) - "цифра, остающаяся
неизменной и через пятьдесят лет", как восхищенно замечает Макгрейн. После
двухсотлетних попыток Земля наконец обрела возраст.
Почти сразу Паттерсон сосредоточил внимание на насыщавшем атмосферу свинце.
Он был поражен, обнаружив, что даже то немногое, что было известно о
воздействии свинца на человека, почти неизменно оказывалось либо неверным, либо
вводящим в заблуждение. И неудивительно: ведь на протяжении сорока лет все
исследования о воздействии свинца финансировались исключительно
производителями свинцовых присадок.
В одном из таких исследований врач, не имевший специальной подготовки в
области патологии, связанной с химией, взялся за пятилетнюю программу, в ходе
которой добровольцам предлагалось вдыхать или глотать свинец в возрастающих
количествах. Затем у них проверялись моча и кал. К несчастью, доктор, видимо,
не знал, что свинец не выделяется с отходами жизнедеятельности. Наоборот, он
накапливается в костях и крови - именно из-за этого он так опасен, - а ни
кости, ни кровь не проверялись. В результате свинцу было выдано свидетельство
полной безвредности для здоровья.
Паттерсон быстро установил, что в атмосфере находится - и фактически
остается сегодня, потому что он никуда не девается, - огромное количество свинца.
И около 90 % его, похоже, вышло из выхлопных труб автомашин. Но он не смог
этого доказать. Ему требовалось найти способ сравнить нынешний уровень
содержания свинца в атмосфере с уровнем, существовавшим до 1923 года, когда
началось коммерческое производство тетраэтилсвинца. И тут он догадался, что ответ
могут дать ледники.
Было известно, что в местах, подобных Гренландии, выпавший снег
откладывается отдельными слоями (из-за сезонных колебаний температуры наблюдаются
незначительные изменения в их окраске от зимы к лету) . Отсчитывая эти слои и
измеряя количество свинца в каждом из них, Паттерсон мог вычислить
концентрацию свинца в земной атмосфере в любой период времени на протяжении сотен и
даже тысяч лет. Эта идея легла в основу изучения ледниковых кернов, на
котором во многом зиждется современная климатология.
Паттерсон обнаружил, что до 1923 года в атмосфере почти не было свинца, а
после этого уровень содержания свинца неуклонно и опасно пополз вверх. Теперь
делом его жизни стало добиться удаления свинца из бензина. Он стал постоянным
и зачастую суровым критиком промышленного производства свинца и стоящих за
этим интересов.
Кампания оказалась дьявольски трудной. "Этил" была мощной глобальной
корпорацией и имела много высокопоставленных друзей. (Среди ее директоров были
член Верховного суда Льюис Пауэлл и Гильберт Гровнор из Национального
географического общества.) Паттерсон вдруг обнаружил, что средства на его научные
исследования либо отозваны, либо выделяются с огромным трудом. Американский
институт нефти расторг с ним контракт на исследования, Служба здравоохранения
Соединенных Штатов, считавшаяся беспристрастным правительственным органом,
тоже.
По мере того как Паттерсон все больше становился помехой для своего
научного заведения, должностные лица свинцовых компаний частенько нажимали на
попечителей Калифорнийского технологического института с целью заставить его
замолчать или уйти. По словам Джейми Линкольна Китмана153, писавшего в 2000 году
в The Nation, руководство "Этила" предлагало пожертвовать средства на
содержание в институте кафедры, если "Паттерсона уйдут". Дошло до абсурда, когда
его, бесспорно, самого видного эксперта Америки по атмосферному свинцу, в
1971 году вывели из комиссии по вопросам свинцового загрязнения Национального
научно-исследовательского совета.
Надо отдать должное Паттерсону, он остался тверд в своих убеждениях. И в
конечном итоге его усилия привели к принятию Закона 1970 года "о чистом
воздухе", а в 1986 году к полному изъятию из продажи в Соединенных Штатах
этилированного бензина. Почти сразу содержание свинца в крови американцев упало на
Джейми Линкольн Китман (Jamie Lincoln Kitman) - руководитель нью-йоркского бюро журнала
Automobile Magazine, автор книги "Тайная история свинца" (2000) .
80% . Но из-за того, что свинец остается навсегда, у каждого современного
американца содержится в крови в 625 раз больше свинца, чем у его
соплеменника, жившего сто лет назад. Содержание свинца в атмосфере также продолжает
увеличиваться, причем вполне законно, примерно на сто тысяч тонн в год,
главным образом из-за его добычи, выплавки и промышленной обработки. В
Соединенных Штатах также запретили применение свинца в малярных работах внутри
помещений. "Через 44 года после большинства стран Европы", - замечает Макгрейн.
Удивительно, что, несмотря на поразительную токсичность, свинцовый припой
применялся в емкостях для продуктов питания аж до 1993 года.
Что касается "Этил корпорейшн", то она все еще процветает, хотя "Дженерал
моторе", "Стандард Ойл" и "Дюпон" больше в ней не участвуют. (В 1962 году они
продали свои акции компании "Албермэрл пейпер".) Согласно Макгрейн, еще в
феврале 2001 года "Этил" продолжала утверждать, "что исследования не
подтвердили, что этилированный бензин представляет опасность для здоровья человека
или окружающей среды". На ее сайте в истории компании нет упоминания о Томасе
Миджли, а просто содержится ссылка на первоначальный продукт, содержащий
"определенные химические соединения155".
"Этил" больше не производит этилированный бензин, хотя, согласно отчетам
компании за 2001 год, продажа тетраэтилсвинца в 2000 году все еще приносила
ей 25,1 млн долларов (из общей суммы 795 млн долл.) , даже больше, чемв 1999
году (24,1 млн долл.) , но меньше, чем в 1998 году (117 млн долл.) . В своем
отчете компания заявляет о решимости "максимально увеличить поступления от
продаж тетраэтилсвинца, применение которого в мире продолжает постепенно
сокращаться". "Этил" сбывает тетраэтилсвинец по всему миру по соглашению с
английской фирмой "Ассошиэйтед Октел Лтд.".
Что касается другого наказания, оставленного нам Томасом Миджли, -
хлорфторуглеродов, в Соединенных Штатах они были запрещены в 1974 году, но эти
коварные невидимки ужасно живучи, и те, что попали в атмосферу раньше
(например, в составе дезодорантов или лаков для волос), почти наверняка будут
оставаться там и пожирать озон еще долго после того, как нас с вами не станет.
Еще хуже то, что мы каждый год продолжаем добавлять в атмосферу огромное
количество хлорфторуглеродов. Согласно Уэйну Биддлу156, на рынок ежегодно
попадает 27 миллионов килограммов этого зелья стоимостью полтора миллиарда
долларов. Так кто его производит? Мы, то есть множество наших крупных корпораций,
производящих его на своих зарубежных предприятиях. В странах третьего мира
его не запретят до 2010 года.
Клэр Паттерсон умер в 1995 году. Он не получил Нобелевской премии за свои
труды. Геологам ее не дают. Еще более странно, что полстолетия упорного,
самоотверженного труда не принесли ему ни славы, ни мало-мальского признания.
Можно бы привести веские доводы в подтверждение того, что он был самым
влиятельным геологом двадцатого века. Однако кто слыхал о Клэре Паттерсоне? В
большинстве учебников геологии о нем не упоминается. В двух свежих популярных
книгах об истории определения возраста Земли ухитрились исказить его имя.
В начале 2001 года рецензент одной из этих книг в журнале Nature совершил
еще одну поразительную ошибку, представив Паттерсона женщиной.
Как бы то ни было, благодаря трудам Паттерсона Земля к 1953 году обрела
наконец возраст, с которым все могли согласиться. Теперь оставалась единствен-
Речь идет в первую очередь о детях, у которых было ограниченное время для накопления в
организме свинца. За период с 1976 по 1994 год среднее содержание свинца в крови американских
детей снизилось с 13,7 до 3,2 микрограмма на децилитр.
На сайте также упоминается, что компания по-прежнему имеет серьезные коммерческие интересы
на рынке тетраэтилсвинца, но признается, что это изживающий себя бизнес.
156Уэйн Биддл (Wayne Biddle) - научный журналист, автор ряда научно-популярных книг. Одним из
первых (еще в 1980 г.) опубликовал критический анализ программы "Спэйс шаттл".
ная проблема - получалось, что Земля старше содержавшей ее Вселенной.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Ликбез
ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ МОЗГ
Айзек Азимов1
ГЛАВА 1. ГОРМОНЫ
ОРГАНИЗАЦИЯ
Даже первобытный человек ощущал потребность в отыскании некоего
объединяющего и организующего принципа, согласно которому работает организм. Что-то
движет рукой или ногой, хотя сами по себе эти части тела являются всего лишь
слепыми орудиями и ничем больше. Естественным первым побуждением было
определить ту часть тела, без которой жизнь становится невозможной. Руку или ногу
Айзек Азимов, известный писатель-фантаст, был биохимиком, поэтому в данной публикации речь
пойдет, в основном, про биохимию мозга и вообще человека. Данная публикация датируется 1964
г., поэтому многие неизвестные ему вещи уже открыты исследователями.
можно отделить от туловища, но при этом человек не всегда лишается жизни:
она, по сути, не изменяется, хотя такая травма может физически значительно
изуродовать человека. Другое дело - дыхание. У мертвеца есть и руки и йоги,
присущие живому человеку, но у пего нет дыхания. Еще важнее то, что если
человека заставить прекратить дышать насильно, то через пять минут он умрет,
хотя никаких других видимых повреждений ему не нанесли. И самое главное,
дыхание было невидимой и неосязаемой материей, исполненной таинства, которого
только и можно было ожидать от такой эфирной субстанции, как жизнь. Поэтому
не удивительно, что корень слова «дыхание» стал во многих языках обозначением
сути жизни, или того, что мы должны называть душой. Еврейские слова «нефеш» и
«руах», греческое «пневма», латинские «spiritus» и «anima» обозначают
одновременно дыхание и суть жизни. Еще одной подвижной частью организма,
существенно необходимой для жизни, является кровь - такая же живая жидкость, как
дыхание - живой газ. Потеря крови приводит к потере жизни, и из ран мертвеца
прекращается кровотечение. Библия в своих предписаниях относительно священных
ритуалов ясно указывает древним израильтянам (несомненно, что такие же обычаи
существовали и у соседних народов), что кровь - первооснова жизни. Поэтому
мясо нельзя есть до тех пор, пока из него не выпущена вся кровь, так как
кровь представляет собой жизнь, а есть живую плоть религия запрещает. Библия
(Быт. 9:4) говорит об этом совершенно недвусмысленно: «Только плоти с душою
ее, с кровью ее, не ешьте».
От крови к сердцу оставалось сделать всего один шаг. У мертвеца сердце не
бьется, и этого оказалось достаточно, чтобы уравнять сердце с жизнью. Это
понимание до сих пор сохранилось в нашем обыденном ощущении, - все эмоции
сосредоточены в сердце. Сердце у нас «разбивается», «черствеет», «каменеет» и
«замирает».
Дыхание, кровь, сердце - все это движущиеся объекты, которые становятся
неподвижными после смерти. Проникнуть взором за эту очевидность было делом
невероятно сложным.
Даже на заре человечества печень рассматривалась как чрезвычайно важный
орган (и это действительно так, хотя и по другим причинам, нежели считали в
древности). Жрецы искали знамений и прорицания будущего в форме и строении
печени жертвенных животных.
Может быть, благодаря своей значимости для религиозных ритуалов, или из-за
своих впечатляющих размеров (это самый большой орган внутренностей), или из-
за большого кровенаполнения, а возможно, по всем этим причинам, многие начали
считать печень седалищем жизни. Вероятно, не простое совпадение, что слово
«печень» отличается от слова «жизнь» всего на одну букву (по-английски
«печень» - liver, «жить» - live). На заре культуры считали, что печень отвечает
за эмоции, чему в нашем языке до сих пор сохранилось множество свидетельств.
Селезенка, другой наполненный кровью орган, согласно воззрениям древних,
выполнял сходные функции. Слово «селезенка» до сих пор служит в английском
языке синонимом слов «гнев» и «дух противоречия».
Сегодня нам может показаться весьма странным, что головной мозг не
рассматривался в качестве места обитания жизни, в этом вопросе его просто
игнорировали ; более того, его и не думали считать организующим центром организма. В
конце концов, только у человека он так непропорционально велик по сравнению с
головным мозгом других животных. Однако надо заметить, что мозг не является
подвижным органом, наподобие сердца. Он не наполнен кровью, как печень или
селезенка. В довершение всего, он находится на самой окраине тела и спрятан в
массивный костный футляр. Когда жрецы потрошили заколотых для
жертвоприношения животных, они пристально рассматривали не головной мозг, а только
внутренние органы, преимущественно брюшной полости.
Аристотель, самый знаменитый из древних мыслителей, полагал, что головной
мозг предназначен для охлаждения крови, протекающей через него. Таким
образом, важнейший орган оказался уподобленным воздушному кондиционеру.
Современный взгляд на головной мозг как на вместилище разума, который с помощью
нервов воспринимает ощущения и посылает побуждения к движению на периферию, не
стал общепризнанным вплоть до XVIII века.
Нервная система, как таковая, была исследована только к концу XIX века, и
не только как таковая, по и как нечто большее. Нервная система была признана
организующей сетью всего тела. Подросшее человечество могло легче осознать
эту идею, поскольку к тому времени люди привыкли к сложным схемам
электрических цепей. Нервы организма были уподоблены проводам электрических контуров.
Перерезка нерва, ведущего к глазу, приводила к слепоте именно этого глаза,
перерезка нерва, ведущего к бицепсу, приводила к параличу этой мышцы. Это
было на удивление похоже на то, как если перерезать провод, то остановится
питаемая этим проводом часть электрической машины. В свете такого восприятия не
кажется удивительным предположение, что только нервная сеть управляет
организмом . Например, считалось, что, когда пища покидает желудок и переходит в
тонкую кишку, происходит гальванизация поджелудочной железы, и секрет ее
пищеварительных соков начинает изливаться в двенадцатиперстную кишку. Пища,
вступающая в кишечник, буквально купается в пищеварительных соках и, таким
образом, переваривается и усваивается.
Казалось, был найден образчик великолепной организации. Если бы
поджелудочная железа секретировала свои соки постоянно, то это был бы напрасный их
расход, так как большую часть времени пища в кишке отсутствует. С другой
стороны, если поджелудочная железа секретирует свои соки прерывисто (как в
действительности и происходит), то секреция должна быть идеально синхронизирована
с поступлением пищи в кишку, в противном случае не только сок будет
израсходован зря, но и пища останется непереваренной.
Согласно воззрениям ученых XIX века, прохождение пищи из желудка в топкий
кишечник активировало нерв, который затем передавал сигнал в головной (или
спинной) мозг. Этот последний в ответ отправлял команду поджелудочной
(панкреатической) железе посредством другого нерва, в ответ на эту вторую команду
поджелудочная железа начинала выделение пищеварительных соков. Эти воззрения
господствовали до начала XX века, когда, совершенно неожиданно, выяснилось,
что, кроме нервной системы, организм обладает и другой, регулирующей его
функции, системой.
СЕКРЕТИН
В 1902 году два английских физиолога, Уильям Мэддок Бэйлис и Эрнест Генри
Старлинг, изучали способы, которыми нервная система управляет деятельностью
кишечника в процессе пищеварения. В опытах на экспериментальных животных они,
подчиняясь ясной логике, перерезали все нервы, идущие к поджелудочной железе.
Казалось в высшей степени вероятным, что лишенная иннервации поджелудочная
железа вообще перестанет выделять пищеварительные соки независимо от того,
поступает пища в двенадцатиперстную кишку или нет.
К удивлению Бейлиса и Старлинга, именно этого-то и не произошло. Вместо
этого, поджелудочная железа продолжала, как ни в чем не бывало, выделять, как
ей и положено, пищеварительные соки в нужный момент времени. Как только пища
касалась слизистой оболочки кишки, панкреатическая железа начинала изливать в
ее просвет свой сок. Оба физиолога знали, что содержимое желудка имеет кислую
реакцию, потому что в пищеварительном секрете желудка содержится довольно
большое количество соляной кислоты. Ученые ввели немного соляной кислоты в
тонкую кишку - без всякой пищи, - и денервированная поджелудочная железа
начала продуцировать сок. Стало быть, как оказалось, для полноценной работы
поджелудочной железе не нужны ни нервы, ни пища, нужна только кислота, а
самой кислоте не надо было соприкасаться с поджелудочной железой, достаточно
было коснуться слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки.
Следующим шагом было иссечение участка двенадцатиперстной кишки у только
что забитого животного и погружение этого участка в соляную кислоту.
Небольшое количество кислотного экстракта набрали в шприц и с помощью тонкой иглы
ввели в вену другого животного. Его поджелудочная железа сразу отреагировала
и начала выделять пищеварительный сок, хотя животное перед опытом не кормили.
Вывод был ясен. Слизистая оболочка кишки реагировала на запускающее действие
кислоты, продуцируя химическое вещество, которое поступало в кровь. Кровоток
доставлял это вещество по системе кровообращения ко всем участкам тела, в
каждый орган, включая поджелудочную железу. Когда вещество достигало
поджелудочной железы, оно каким-то образом стимулировало выделение ею
пищеварительного сока.
Бэйлис и Старлииг назвали вещество, продуцируемое слизистой оболочкой
кишки, секретином (secreto - «отделяю», лат.).
В данном случае слово «отделение» обозначает тот факт, что клетка образует
особое вещество и отделяет это вещество от себя, выбрасывая его в кровь, в
кишку или на поверхность тела. Предполагается, что секреция служит полезным
целям, что, например, верно в отношении поджелудочной железы. Когда же секре-
тируемый материал просто выводится из организма, то говорят об экскреции
(«выделяю наружу», лат.). Таким образом, выделение мочи - это экскреция.
Вещество назвали секретином, поскольку оно стимулировало секрецию. Это был
первый пример эффективной организации, которая создается с помощью химических
сообщений, рассылаемых с кровью, а не с помощью электрических сигналов,
распространяющихся по нервам. В неформальном научном обиходе такие вещества, как
секретин, называют иногда «химическими мессенджерами».
Более формальный термин был предложен в 1905 году Бэйлисом в курсе его
лекций. Он предложил название «гормон» («побуждаю», греч.). Как вы видите,
гормон, секретируемый в одном органе, - это некое вещество, которое стимулирует
и активирует деятельность другого органа. Название было принято, и с тех пор
стало ясно, что регуляция деятельности организма осуществляется на двух
уровнях - с помощью электрической системы головного мозга, спинного мозга, нервов
и чувствительных органов и с помощью химической системы различных гормонов и
органов, продуцирующих гормонов.
Хотя система электрической регуляции функций организма была открыта раньше,
чем химическая система, я буду придерживаться обратного порядка и сначала
рассмотрю химическую систему регуляции, поскольку из двух систем она менее
специализированная и более древняя.
Растения и одноклеточные существа, лишенные каких бы то ни было признаков
нервной системы, реагируют, тем не менее, на химические стимулы. Решив
придерживаться такой очередности, давайте теперь более пристально рассмотрим
секретин. Поняв его действие и свойства, мы сможем прийти к пониманию
принципов , которые можно приложить к механизмам действия других, более известных
гормонов. Например, может возникнуть вопрос о том, каким образом прекращается
действие гормона. Содержимое желудка поступило в двенадцатиперстную кишку.
Высокая кислотность этого содержимого стимулирует продукцию секретина.
Секретин поступает в кровеносное русло и стимулирует панкреатическую секрецию. Все
идет очень хорошо, но настает момент, когда поджелудочная железа выделила
весь сок, который был нужен для пищеварения. Как остановить секрецию гормона?
Во-первых, надо сказать, что панкреатический сок обладает щелочной
реакцией. Так как панкреатический сок смешивается с нищей, то кислотные свойства
последней, обусловленные желудочным соком, ослабевают. По мере уменьшения
кислотности гаснет и искра, стимулирующая образование панкреатического сока.
Другими словами, действие секретина запускает последовательность событий,
которые в конечном итоге прекращают образование секретина. Таким образом,
образование секретина есть процесс самоограничивающийся. Он похож на действие
термостата, который регулирует работу мазутной топки в подвале. Когда в доме
холодно, термостат включает топку, и температура поднимается до той точки, в
которой термостат выключает топку. Такой процесс управления называется
управлением по механизму отрицательной обратной связи. Это общий термин для
обозначения процесса, посредством которого результаты, заданные в некоем
контрольном механизме, подаются на этот механизм, который потом регулирует
деятельность системы в зависимости от результатов. В электрических цепях мы
говорим о входе и выходе, в биологических системах речь идет о стимуле и ответе
или реакции. В нашем случае успешного ответа достаточно для уменьшения
стимуляции .
Очевидно, что такой регуляции по механизму обратной связи не достаточно.
Даже если секретин больше не образуется, то его количество, которое осталось
в кровеносном русле, будет и дальше подстегивать поджелудочную железу?
Но природа предусмотрела этот случай. В организме существуют энзимы2,
специально созданные для того, чтобы катализировать разрушение гормонов. Энзим
находится в крови, которая обладает способностью ускорять расщепление молекул
секретина, делая этот гормон неактивным. Энзимы часто называются по тому
веществу , на которое они действуют, с добавлением к его названию окончания -
аза. Так, энзим, о котором я только что упомянул, называется секретиназой.
Следовательно, в организме происходит настоящая гонка между образованием
секретина в той оболочке кишки и его разрушением секретиназой. Пока слизистая
оболочка работает с полной нагрузкой, концентрация секретина в крови
достигает уровня, при котором происходит стимуляция поджелудочной железы. Когда же
слизистая перестает работать, то не только прекращается образование новых
молекул секретина, но и разрушается весь секретин, оставшийся в крови. Вот
таким образом поджелудочная железа включается и выключается в одно касание, с
точностью отлично отлаженного автомата, - при этом вы даже не догадываетесь о
его существовании.
АМИНОКИСЛОТЫ
Может возникнуть законный вопрос: что такое секретин? Известна ли его
природа , или это просто название, данное неизвестному веществу? Ответ таков:
природа этого вещества известна, хотя и не во всех деталях.
Секретин - это белок, а белки состоят из крупных молекул, каждая из которых
содержит сотни, тысячи, а иногда и миллионы атомов. Сравните это с молекулой
воды (Н20) , которая состоит из трех атомов - 2 атомов водорода и 1 атома
кислорода; или с молекулой серной кислоты (H2SO4) , которая содержит 7 атомов -
2 атома водорода, 1 атом серы и 4 атома кислорода.
Исходя из этого можно понять, что химик, желающий знать точную структуру
белка, столкнется с практически неразрешимой задачей. К счастью, все дело
несколько облегчается тем фактом, что атомы внутри белковой молекулы
организованы в подгруппы, называемые аминокислотами.
При обработке в мягких условиях кислотами, или щелочами, или определенными
энзимами молекулы белков удастся расщепить на аминокислоты, а не на отдельные
атомы. Аминокислоты являются малыми молекулами, построенными из 10-30 атомов,
Энзимы (ферменты) - это белки, которые проявляют свойства катализаторов, - они ускоряют
протекание отдельных реакции в малых объемах. Это все, что нам надо Знать пока. Если вас
интересует природа и механизм действия энзимов, то я отсылаю вас к своей книге «Жизнь и
энергия» (1962) .
поэтому их довольно легко изучать.
Например, было обнаружено, что все аминокислоты, выделенные из белковых
молекул, принадлежат к одному семейству химических соединений, которые можно
записать одной общей формулой:
н
Структура а-аминокислоты с аминогруппой слева и
карбоксильной группой справа
Расположенная в центре структурной формулы латинская буква «С» обозначает
атом углерода (С - химический символ, обозначающий элемент углерод). Справа к
углероду, как показано выше, присоединена комбинация из четырех атомов СООН,
в которой представлены 1 атом углерода, 2 атома кислорода и 1 атом водорода.
Такая комбинация придает всей молекуле кислотные свойства и называется
карбоксильной группой. Слева к центральному атому углерода присоединена
комбинация из трех атомов, которая представлена одним атомом азота и двумя атомами
водорода. Это аминогруппа, в химическом отношении она родственна веществу,
называемому «аммиаком». Поскольку формула содержит аминогруппу и кислотную
группу, то все соединения такого типа носят название аминокислот.
Кроме того, к центральному атому углерода присоединен атом водорода,
который в аминокислоте представляет сам себя, и функциональная группа R, которая
представляет боковую цепь. Все аминокислоты отличаются друг от друга именно
составом боковой цепи, или R. Иногда боковая цепь устроена очень просто, она
может вообще состоять из одного лишь атома водорода, по это простейший
случай. У некоторых аминокислот боковая цепь может быть весьма сложной, и
количество атомов в ней может доходить до восемнадцати. Для целей нашего
изложения нам не обязательно знать в точности строение боковой цепи каждой
аминокислоты, достаточно понимать, что боковые цепи аминокислот отличаются между
собой, и у двух разных аминокислот не может быть одинаковых боковых цепей.
Аминокислоты соединяются друг с другом, образуя белки, при этом аминогруппа
одной кислоты соединяется с карбоксильной группой соседней кислоты. Таким
образом, между собой соединяется множество аминокислот, образуя длинный скелет.
По сторонам этого скелета выступают боковые цепи аминокислот, при этом
неповторимая, уникальная последовательность этих цепей образует типы белков,
отличающихся между собой составом этих последовательностей.
Во всем великом множестве белков встречается более двух дюжин аминокислот,
но наибольшее распространение имеет 21 из них. Вот они:
1. Глицин («сладкая» - греч., названа из-за ее сладкого вкуса).
2. Алании (название выбрано, вероятно, для благозвучия3).
3. Валин (название происходит от валериановой кислоты, которой валин близок
3 По другому толкованию, эта аминокислота названа так потому, что ее впервые выделили из
желточного мешка, который в эмбриологии называется «алантоис». - Примеч. пер.
по химическому строению).
4. Лейцин («белый» - греч., назван так потому, что впервые был выделен в
виде белого кристаллического порошка).
5. Изолейцин (изомер лейцина; изомерами называют пары веществ, которые
содержат одинаковое количество одних и тех же атомов и отличаются между
собой разной последовательностью соединения этих атомов в молекулах).
6. Пролин (укороченное производное от «пирролидин». Атомы в молекуле проли-
на соединены приблизительно так же, как в пирролидине).
7. Фенилаланин (молекула аланина, к которой присоединена группа атомов,
называемая фенильной).
8. Тирозин («сыр» - греч., названа так потому, что впервые была получена из
сыра).
9. Трипотофан («трипсин-зависимая»; эта аминокислота названа так потому,
что ее впервые обнаружили во фрагментах белков, расщепленных под
действием энзима трипсина).
10.Серии («шелк» - лат., эта аминокислота впервые была обнаружена в шелке).
11.Треонин (название дано потому, что по структуре эта аминокислота сходна
с сахаром треозой).
12.Аспарагин (впервые был обнаружен в спарже [asparagus altilis]).
13.Аспарагиновая кислота (по химическому строению напоминает аспарагин;
отличие между этими двумя соединениями заключается в том, что у аспараги-
новой кислоты в боковой цепи вместо амидной группы [CONH] находится
карбоксильная группа [СООН], которая и сообщает ей кислые свойства).
14.Глютамин (впервые был обнаружен в клейковине [gluten - англ.]).
15. Глютаминовая кислота (отличается от глютамина тем же, чем аспарагиновая
кислота отличается от аспарагина).
16.Лизин («разрывающий» - греч., эта аминокислота была впервые выделена из
белка, предварительно расщепленного на несколько субгьединиц) .
17.Гистидин («тканевый» - греч., название дано потому, что эта аминокислота
была впервые выделена из тканевых белков).
18.Аргинин («серебро» - греч., название дано потому, что эта аминокислота
была впервые выделена в соединении с атомом серебра).
19.Метионин (боковая цепь содержит метильную группу, присоединенную к атому
серы) .
20.Цистин («пузырь» - греч., аминокислота была впервые выделена из камня
мочевого пузыря).
21.Цистеин (аминокислота, по химическому строению похожая на цистин).
Я буду очень часто использовать эти названия в дальнейшем изложении. Для
того чтобы сэкономить место, позвольте мне привести сокращенные наименования
для каждой из аминокислот. Эти сокращения предложил в 30-х годах американский
биохимик немецкого происхождения Эрвин Бранд. Сокращения эти легко запомнить,
так как они состоят из первых трех букв названия каждой аминокислоты.
Глицин
gly
Алании
ala
Валин
val
Лейцин
leu
Аспарагин
asp-NH2
Аспарагиновая кислота
asp
Глютамин
glu-NH2
Глютамиповая кислота
glu
Изолейцин
ileu
Пролин
pro
Фенилаланин
phe
Тирозин
tyr
Триптофан
try
Серии
ser
Треонин
thr
Лизин
lys
Гистидин
his
Аргинин
arg
Метионин
met
Цистин
cy-S-
Цистеин
cy-S-H
Совершенно ясно, почему сокращения ileu, aspNH2, gluNH, содержат больше
трех букв. Сокращения для цистина и цистеина выглядят куда более загадочными
и заслуживают разъяснения, тем более что немного позже вам станет ясна их
важность.
Цистин - это, если можно так выразиться, двойная аминокислота. Представьте
себе два центральных углеродных атома, каждый из которых соединен с
карбоксильной и аминогруппой. Боковая цепь, присоединенная к одному из центральных
атомов углерода, направляется к боковой цепи другого центрального углеродного
атома и срастается с ней. В месте этого сращения встречаются два атома серы.
В химических символах мы можем изобразить цистин так: cy-S-S-cy. Два атома
серы образуют между собой ковалентную связь, которая и удерживает вместе две
части этой двойной аминокислоты.
S-СНг-СН-СООН
I
S-CHa-CH-COOH
NH2
Формула цистина.
Каждая половина цистина может участвовать в создании отдельной
аминокислотной цепи. Для наглядности представьте себе сиамских близнецов, из которых
каждый , взявшись за руки с другими людьми, образует свою цепь. Обе эти цепи
оказываются связанными между собой тканью, которая связывает сиамских
близнецов .
Подобным же образом две аминокислотные цепи, каждая из которых содержит
половину цистина, удерживаются вместе его S-S связями (которые называются ди-
сульфидными мостиками). Поскольку химиков часто интересует строение единичной
аминокислотной цепи, они могут сконцентрировать свое внимание на половинке
молекулы цистина, которая представлена в цепи. При рассмотрении структуры
того или иного белка чаще всего принимают в расчет именно половину цистина,
которую в этом случае обозначают символом cy-S-.
Для того чтобы разделить соединенные дисульфидными мостиками аминокислотные
цени, надо разорвать S-S связи, присоединив к атомам серы по атому водорода.
После такого соединения связь между атомами серы разрывается. Из S-S
получается -S-H и H-S-. Таким образом, одна молекула цистина превращается в две
молекулы цистеина. Для демонстрации разницы между цистином и цистеином
последний обозначают символом cy-SH.
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИЯ
Если теперь я вернусь к секретину и опишу его как белковую молекулу, то мы
сразу кое-что узнаем о его строении. Более того, это небольшая белковая
молекула с молекулярным весом всего лишь 5000. (Это означает, что молекула
секретина весит в 5000 раз больше, чем легчайший из атомов - атом водорода.)
Если мы примемся обсуждать молекулы других соединений, то вес 5000 может
показаться достаточно большим. Например, молекула воды весит 18, молекула
серной кислоты - 98, а молекула столового сахара - 342. Однако, учитывая, что
молекулярный вес даже средних по размерам белковых молекул составляет от 40
000 до 60 000, не являются редкостью белки с весом 250 000, и известны
белковые молекулы с весом несколько миллионов, можно видеть, что молекулярный вес
5000 можно считать просто маленьким.
Такие молекулярные веса вообще являются правилом для белковых гормонов.
Молекулы гормонов должны быть перенесены из клеток, где они образуются, в
кровеносное русло. В процессе такого переноса гормон должен путем диффузии
пройти сквозь мембрану клетки и тонкую стенку мельчайшего кровеносного сосуда -
капилляра. Удивительно уже то, что молекулы с весом 5000 дальтон умудряются
это сделать, но трудно надеяться, что тоже самое могут сделать более крупные
молекулы, - нельзя же, в самом деле, требовать от них так много!
Действительно , молекулы белковых гормонов настолько малы для белков, что такие гормоны
часто не называют белками. Речь в данном случае идет о пептидных гормонах.
Дело в том, что когда аминокислотные цепи белковых молекул расщепляются на
более мелкие цепочки аминокислот под действием энзимов пищеварительного
тракта, то эти цепочки получают название пептидов («переваренные», греч.). В
биохимии вошло в обычай выражать размеры аминокислотных цепочек малых размеров
греческими числительными, которые пишутся перед словом «пептид» для
обозначения числа содержащихся в нем аминокислотных остатков. Например, дипептид -
это цепочка из двух аминокислот, трипептид - из трех, тетрапептид - из
четырех ит. д.
Если число аминокислот в пептиде превышает дюжину, но не доходит до сотни,
то такое соединение называют полипептидом («поли» по-гречески «много»).
Секретин и другие гормоны подобной природы построены из аминокислотных цепей,
содержащих больше дюжины, но меньше сотни аминокислотных остатков, и поэтому
их иногда называют не белковыми, а полипептидными гормонами.
Сказав, что секретин является полипептидным гормоном, по логике вещей надо
сделать следующий шаг и решить, какие аминокислоты содержатся в его молекуле
и сколько каждой из них. К сожалению, это не слишком простая задача. Секретин
образуется в весьма малых количествах, и при выделении его из ткани
двенадцатиперстной кишки попутно выделяется еще несколько белков. Присутствие этих
примесей, естественно, затрудняет анализ.
Однако в 1939 году секретин удалось получить и кристаллах (только чистый
белок может быть получен в такой форме). После анализа кристаллов секретина
было выяснено, что каждая его молекула состоит из следующих аминокислот, трех
остатков лизина, двух аргинина, двух пролина, одного гистидина, одного глюта-
миновой кислоты, одного аспарагиновой кислоты и одного метионина. Таким
образом, молекула секретина содержит 11 видов аминокислот, а всего в ней
содержится 36 аминокислотных остатков. Используя сокращения Бранда можно записать
формулу секретина следующим образом:
lys3arg3pro2hi Sigluiaspime tiX25
Буквой «X» обозначена неизвестная аминокислота.
Но, даже определив все аминокислоты, содержащиеся в молекуле секретина, мы
все равно столкнулись бы с проблемой выяснения точной структуры его молекулы.
Нам осталось бы выяснить, в какой последовательности расположены аминокислоты
в полипептидной цепи секретина. Если, допустим, вы знаете, что в некоем
четырехзначном числе есть две шестерки, четверка и двойка, то все равно остается
неопределенность относительно того, с каким числом вы имеете дело. Это может
быть 6642, 2646, 4662 или любое из ряда других сочетаний. В математике
существуют стандартные способы вычисления возможных сочетаний, которые можно
построить из различных наборов единиц, и результаты таких вычислений потрясают
воображение. Положим, что состоящая из 36 аминокислот молекула секретина
содержит по две из восемнадцати различных аминокислот. Общее количество
возможных последовательностей превысит число 14 1 035.
Это может показаться невероятным, но дело обстоит действительно так. И это,
заметьте, касается мелкой белковой молекулы. Положение с белковыми молекулами
средней величины намного сложнее, и этот факт может дать вам представление о
том, с какими трудностями столкнулись биохимики, пытаясь выяснить строение
белковых молекул.
Еще более поразительный факт, однако, заключается в том, что после Второй
мировой войны биохимикам удалось разработать гениальную технологию, с помощью
которой можно было отныне определять точную последовательность аминокислотных
остатков в белковых молекулах (находя одну-единственную возможность из
бесчисленных триллионов возможных комбинаций).
Выделение сложности структуры белковой молекулы, только что
продемонстрированной на примере секретима, вызывает удивление перед способностью клетки
вырабатывать такие сложные молекулы правильно, выбирая одну структуру из всех
возможных. В действительности это ключевой химический процесс в живых тканях,
подробности которого были частично раскрыты в течение последнего десятилетия.
Даже если мы допустим, что клетка может вырабатывать правильно построенные
молекулы белка, то может ли она с нуля делать это столь быстро, что следовые
количества кислоты в желудке могут вызвать настоящий поток секретина в
кровеносное русло? При всем уважении к клетке такого трудно ожидать, и
действительно начинается выброс секретина в кровь отнюдь не с нуля.
Секретин - продуцирующие клетки слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки
- готовят молекулы вещества, называемого просекретином («предсекретина»),
находясь в состоянии покоя. Просекретин запасается в клетке и хранится
наготове . Для того чтобы превратить неактивную молекулу просекретина в активный
секретин, очевидно, требуется небольшое изменение в его молекуле. Таким
образом, стимулирующее действие кислоты сводится к небольшому изменению структуры
готовой молекулы и не требует сложной работы по синтезу полипептидной цепи.
Логично предположить, что просекретин - это относительно большая молекула,
слишком большая, чтобы пройти сквозь клеточную мембрану, и это
обстоятельство , так сказать, надежно замуровывает ее внутри клетки. Приток кислоты
вызывает расщепление молекулы просекретина на более мелкие фрагменты, и эти
фрагменты - а это и есть секретин, диффундируют в кровеносное русло. Просекретин,
таким образом, напоминает блок перфорированных почтовых марок. Для того чтобы
отправить письмо, надо оторвать марку от блока, но целые блоки покупают и
храпят дома до того момента, когда потребуется марка.
В связи с этим может возникнуть еще один вопрос: каким образом гормоны (и
секретин, в частности, уж коли я заговорил об этом конкретном гормоне)
реализуют свой ответ? Как ни странно это звучит, но несмотря на более чем
полувековую историю изучения и удивительные успехи, которых биохимия добилась на
всех направлениях, ответ па этот вопрос остается полной загадкой. Эта загадка
касается не только секретина, но и практически всех других гормонов. К
настоящему времени точно не установлен механизм действия ни единого гормона.
Вначале, сразу после открытия секретина и подобных ему гормонов, было обнару-
жено, что это мелкие белковые молекулы, оказывающие свое специфическое
действие в очень малых концентрациях (всего лишь 0,005 мг секретина - менее чем
одной пятимиллионной части унции - достаточно для ответной реакции
поджелудочной железы собаки), и поэтому было высказано предположение, что они
действуют так же, как энзимы. Энзимы тоже являются белками и действуют в ничтожно
малых концентрациях. Энзимы обладают способностью ускорять специфические
реакции, и вполне возможно, что гормоны в организме делают то же самое.
Когда секретин попадает в поджелудочную железу, он, возможно, ускоряет
какую-то ключевую реакцию, которая в его отсутствие идет очень медленно. Эта
ключевая реакция, вероятно, запускает каскад реакций, который заканчивается
образованием и секрецией порций панкреатического сока. Малый по интенсивности
стимул в таких условиях может вызвать крупномасштабную реакцию. Этот механизм
по своему действию напоминает действие рычажка в автомате пожарной
сигнализации. Стоит потянуть за рычажок, как в пожарную часть поступает электрический
сигнал. Пожарные собирают свои приспособления для тушения огня, и красные
машины с воем сирен несутся по улицам к месту возгорания. Такой мощный ответ на
легкое смещение рычажка. К сожалению, в отношении гормонов эта теория
оказалась несостоятельной. Обычно энзимы проявляют свое ускоряющее воздействие на
реакцию в пробирке не хуже, чем в живом организме, и в самом деле энзимы
всегда изучались в пробирках, выражаясь научным языком, in vitro («в стекляшке»,
лат.), что позволяет проводить нужные реакции в контролируемых условиях.
Однако с гормонами этого сделать не удастся. Очень немногие гормоны проявляют
способность ускорять специфические биохимические реакции в пробирках. Кроме
того, многие гормоны оказались по своей структуре не белками, а насколько мы
знаем, все энзимы являются именно белками. Представляется, что единственный
вывод, который мы можем сделать на основе этих данных, - это что гормоны не
являются катализаторами. Была выдвинута вспомогательная теория о том, что,
хотя сами гормоны не являются энзимами, они способствуют проявлению действия
некоторых энзимов, которые ускоряют те или иные специфические реакции только
в присутствии данного гормона. Или, возможно, существует целая энзимная
система, выполняющая цепь реакций, противодействующих какому-то определенному
эффекту. Гормоны подавляют активность какого-либо из этих энзимов. Такой
гормон ингибирует («подавляет», «задерживает», лат.) активность энзимов. Это
останавливает реакцию противодействия какому-либо процессу, и он начинает идти.
Таким образом, быть может, поджелудочная железа могла бы постоянно
вырабатывать панкреатический сок, если бы не какая-то ключевая реакция, которая этому
противодействует. Секретин, блокируя эту реакцию, запускает синтез и секрецию
панкреатического сока. Такой способ действия кажется весьма неуклюжим, но
некоторые механизмы, сделанные людьми, работают по такому же принципу.
Например, охранная сигнализация может быть сконструирована таким образом, что
звонок не работает, пока в цепи прибора течет ток, но, как только взламывают
дверь или окно, прерывая ток, звонок срабатывает.
К сожалению, оказалось трудно показать, что такое взаимодействие отдельных
гормонов и энзимов осуществляется в природе. Даже в тех случаях, когда
удалось продемонстрировать, что некоторые гормоны либо стимулируют, либо
подавляю: действие энзимов, доказательства этих фактов оказались спорными.
Есть еще одна теория, смысл которой сводится к тому, что гормоны,
воздействуя на клеточную мембрану, так изменяют ее свойства, что она начинает
пропускать некоторые вещества из крови в клетку. Для наглядности представьте себе,
что рабочие строят высокий небоскреб, и однажды им привозят алюминиевый сай-
динг. В этом случае рабочие весь день будут трудиться на фасаде дома. Если же
вместо сайдинга привезут медную проволоку, то работы переместятся внутрь
дома, где те же рабочие начнут прокладывать электрическую проводку.
Подобным же образом гормоны могут действовать на клеточную мембрану так,
чтобы она пропускала внутрь клетки одни вещества, и не пропускала другие.
Возможно, воздействие секретина на мембраны клеток поджелудочной железы
заключается в том, что эти клетки начинают получать из крови вещество,
необходимое для выработки панкреатического пищеварительного сока.
Но эта теория пока тоже не доказана. Вопрос о механизме действия гормонов
остается открытым, я бы даже сказал, очень широко открытым.
ПЕПТИДНЫЕ ГОРМОНЫ
Я сосредоточил внимание на секретине в гораздо большей степени, чем он сам
по себе того заслуживает, потому что это, так сказать, минорный гормон,
поскольку речь идет об этом классе физиологически активных веществ. Тем не
менее, секретин интересен уже в историческом плане, как первый из открытых
гормонов . Кроме того, многое из того, что я говорил о секретине, вполне приложи-
мо и к другим гормонам.
Важно, однако, подчеркнуть, что на свете существуют и другие гормоны. Есть
даже такие, которые тоже взаимодействуют с поджелудочной железой. Если
очистить секретин и ввести его в кровь, то поджелудочная железа начинает обильно
выделять щелочной сок, содержащий, однако, мало энзимов, а как раз они-то и
отвечают за пищеварительное действие панкреатического сока. Не столь
тщательно очищенные препараты секретина стимулируют выделение панкреатического сока
с большим содержанием энзимов.
Очевидно, что в неочищенном препарате содержится какой-то второй гормон,
удаляемый при очистке. Он-то и стимулирует выработку энзимов. Были
приготовлены экстракты, содержащие это вещество, что позволило подтвердить эту
догадку. Это второе вещество, стимулирующее выработку богатого энзимами
панкреатического сока, тоже оказалось гормоном, который назвали панкреозимином
(сокращение от «энзим поджелудочной железы»).
Представляется, что секретин оказывает также стимулирующее воздействие на
печень, заставляя ее выделять другой пищеварительный секрет - желчь. Желчь,
вырабатываемая под воздействием секретина, содержит малое количество веществ
(обычно присутствующих в исходной желчи), называемых желчными солями и
желчными пигментами, Желчный пузырь - небольшой мешок, прикрепленный к печени, -
содержит запас концентрированной желчи, в которой повышена концентрация
желчных солей и желчных пигментов. Секретин не стимулирует выброс этого запаса в
кишечник, но зато это делает другой гормон, образующийся в слизистой оболочке
кишки. Этот гормон стимулирует сокращение мышечной стенки желчного пузыря и
выделение концентрированной желчи в кишку. Этот гормон называется холецисто-
кинином («приводящий в движение пузырь», греч.).
Секреция холецистокинина стимулируется жиром, который вместе с желудочным
содержимым поступает в двенадцатиперстную кишку. Это очень полезная реакция,
поскольку желчь самой природой предназначена для эмульгирования жиров и
облегчения их переваривания. Жирная пища стимулирует повышенную секрецию
холецистокинина , который, в свою очередь, стимулирует желчный пузырь, заставляя
последний выдавливать в кишку большее, чем обычно, количество желчных солей
(эмульгаторов), которые эмульгируют жир, запуская процесс его подготовки к
перевариванию.
Я уже упомянул о том, что одним из эффектов секретина является
нейтрализация кислотности желудочного сока, поскольку вырабатываемый под действием
секретина панкреатический сок имеет щелочную реакцию. Это необходимо, потому что
энзимы панкреатического сока работают только в слабощелочной среде, и если
поступившая в кишку пища сохранит кислую реакцию, то пищеварение будет
происходить с черепашьей скоростью. Частично этот желательный ощелачивающий эффект
будет ослаблен, если желудок продолжит вырабатывать большие количества кисло-
ты после того, как пища покинет его. Насколько необходима такая секреция,
пока желудок наполнен пищей, на столько же она вредна, когда он пуст, а кислый
желудочный сок беспрепятственно поступает в кишку. Неудивительно поэтому, что
одним из многих эффектов секретина оказалась его способность подавлять
желудочную секрецию.
Правда, более действенную роль в подавлении желудочной секреции играет
другой гормон, предназначенный специально для этой цели. Несколько веществ,
присутствующих в пище, стимулируют кишечник к выработке вещества, названного эн-
терогастроном («кишечно-желудочный», греч., в названии подчеркивается, что
вещество вырабатывается в кишечнике, но действует на желудок). Энтерогастрон,
в отличие от многих других гормонов не стимулирует, а, наоборот, угнетает
функцию желудочной секреции. Было предложено называть вещества, которые во
всех отношениях ведут себя как гормоны, за исключением того, что они
подавляют, а не стимулируют какие-то функции, халонами («ослаблять» греч.). Тем не
менее, название не прижилось, и гормонами по-прежнему без разбора называют
все подобные вещества, независимо от того, возбуждают (как следует из самого
слова «гормон») они какую-либо функцию или подавляют ее.
Однако, если поступление пищи в верхние отделы кишечника стимулирует
секрецию гормонов подавляющих желудочную секрецию, то пища, находящаяся в желудке,
должна, по логике вещей, вызывать секрецию гормонов, стимулирующих выделение
желудочного сока, поскольку он нужен для переваривания этой пищи. Такой
гормон действительно был найден. Он продуцируется клетками слизистой оболочки
желудка, и его назвали гастрином («желудок», греч.).
Согласно данным исследователей, было открыто множество гормонов, которые,
так или иначе, влияют на секрецию пищеварительных соков в желудке и тонком
кишечнике. Ни один из этих гормонов не был изучен столь подробно, как
секретин, но считается, что все они - полипептиды. Единственный гормон, который в
этом отношении вызывает споры, - это гастрин. Некоторые ученые полагают, что
молекула гастрина представляет собой модифицированную молекулу одной-
единственной аминокислоты. Все упомянутые гормоны работают совместно,
обеспечивая согласованную деятельность желудка и кишечника. Всю совокупность
гормонов, регулирующих работу пищеварения, называют гормонами желудочно-кишечного
тракта.
Гормоны оказывают влияние на выработку пищеварительных соков. Это факт, но
не менее интересным фактом является то, что эти отношения обоюдны. Существуют
пищеварительные соки, которые вызывают образование в крови полипептидных
гормонов. Это открытие было сделано в 1937 году, когда группе немецких
физиологов удалось показать, что смесь сыворотки крови и экстракта слюнных желез
вызывает сокращение изолированного участка стенки толстой кишки. По отдельности
такого эффекта не оказывали ни сыворотка, ни экстракт слюнных желез. Вывод
напрашивался сам собой. Очевидно, что в слюнной железе содержится энзим,
который, попав в кровеносное русло, отщепляет небольшой фрагмент от крупной
белковой молекулы, циркулирующей в крови (пользуясь уже упомянутой аналогией,
можно сказать, что это похоже на отрывание почтовой марки от их блока). Малые
фрагменты оказались полипептидными; гормонами, которые в одних условиях
вызывали сокращение гладкой мускулатуры, а в других - ее расслабление.
Энзим был назван калликреином. Оказалось, что он и некоторые подобные ему
ферменты находятся не только в слюнных железах, но и в других тканях. Гормон,
продуцируемый под действием калликреина, был назван каллидином. Он существует
в двух очень похожих друг на друга разновидностях - каллидин I и каллидин II.
Функция каллидина в организме до сих пор полностью не выяснена. С одной
стороны, он снижает артериальное давление, расширяя мелкие кровеносные сосуды и
увеличивая их емкость. В результате сосуды становятся более проницаемыми,
что, в свою очередь, позволяет жидкости скапливаться в пораженных участках,
образуя волдыри. Белые кровяные тельца, лейкоциты, довольно легко проникают
сквозь стенки пораженных сосудов и проникают в волдыри, тоже скапливаясь там
вместе с жидкостью.
Вещество, похожее на каллидин, образуется в крови под действием некоторых
Змеиных ядов. Суммарный эффект на ткани в некоторых отношениях напоминает
воздействие на них соединения, называемого гистамином, но проявляется он
медленнее, чем при введении или выделении последнего (30 секунд против 5). Кал-
лидииоподобпое вещество, продуцируемое под действием змеиного яда, назвали
брадикинином («медленно движущий», греч.). По мере изучения брадикинин,
каллидин и подобные им гормоны были объединены под общим названием кинины. В яде
осы, например, содержатся готовые к действию кинины. Когда оса жалит, кинины
попадают непосредственно в кровоток и, по меньшей мере, отчасти объясняют
возникновение боли и отека, развивающегося вследствие нарушения проницаемости
мелких сосудов и скопления под кожей вытекшей из них жидкости.
Молекулы кинина не столь сложны, как молекулы желудочно-кишечных гормонов.
Имея в своем составе 9-10 аминокислотных остатков, эти соединения вряд ли
могут претендовать на право называться уважаемыми членами славного семейства
полипептидов. Сравнительная простота строения кининов позволила биохимикам
установить точную последовательность аминокислот в их молекулах. Оказалось,
например, что брадикинин идентичен каллидину I, и его молекула состоит из 9
аминокислот. Применяя сокращения Бранда, можно и записать их порядок:
arg pro pro gly phe ser pro phe arg.
ГЛАВА 2. ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА
ЖЕЛЕЗЫ БЕЗ ПРОТОКОВ
В медицинской латыни железы обозначаются словом glandulus, что исходно
значило «желудь».
Первоначально этим термином называли уплотнения ткани, по форме и размерам
напоминавшие «желудь». Со временем причуды терминологии привели к тому, что
этим словом стали обозначать любой орган, функцией которого является
выработка жидкого секрета.
Самыми заметными железами являются такие крупные органы, как печень и
поджелудочная железа. Каждый из них вырабатывает большие количества жидкости,
которая изливается в верхние отделы тонкого кишечника через специальные
протоки. Есть и другие, более мелкие железы, которые также выделяют свой жидкий
секрет в различные участки пищеварительного канала. Шесть слюнных желез
выделяют слюну в полость рта через свои выводные протоки. В слизистой оболочке
желудка и кишечника находятся бесчисленные крошечные желёзки, которые в
первом случае выделяют желудочный, а во втором - кишечный сок.
Каждая желёзка, несмотря на свои размеры, снабжена собственным выводным
протоком.
Кроме того, есть железы и на коже - потовые и сальные, которые через мелкие
протоки выделяют свой секрет на поверхность тела. (Молочная железа,
вырабатывающая молоко, представляет собой видоизмененную потовую железу и выделяет
молоко наружу через выводные протоки.)
Потом до ученых дошло, что в организме существуют органы, продуцирующие
секреты, которые не выделяются через протоки ни на кожу, ни в пищеварительный
тракт. Вместо этого их секрет выделяется непосредственно в кровеносное русло
путем диффузии через клеточные мембраны без помощи выводных протоков, которых
эти железы лишены. В ученом мире возникло противоречие не поводу того, что
считать критерием отнесения органа к категории желез - его способность
продуцировать секрет или наличие выводного протока. Окончательное решение было
вынесено в пользу секреции, так что теперь различают два типа желез - обычные
железы и железы без протоков (к обоим типам вполне приложим простой термин
«железы»).
Разница в природе секреции также нашла свое отражение в терминологии.
Секреция, которая сопровождается выходом секрета из железы (подобно тому, как
слова покидают гортань) на поверхность кожи или в желудочно-кишечный тракт,
называется экзокринной (от греческого слова «экзокрино» - «выделяю наружу»).
Секреция, при которой секрет покидает железу, но остается в крове циркулируя
по организму, была названа эндокринной (от греческого слова «эндокрино» -
«выделяю внутрь»). Первый из этих терминов используется редко, а второй
является весьма распространенным. Более того, термин «эндокринные железы»
практически вытеснил из обихода названия «железы без выводных протоков».
Систематическое изучение последних и их секреции получило, поэтому, название
«эндокринология» .
Желудочно-кишечные гормоны, описанные в главе 1, вырабатываются клетками
слизистой оболочки кишечника, и эти клетки практически ничем не отличаются от
соседних клеток, что затрудняет выделение из этих желез. Лучше в связи с этим
говорить просто о том, что слизистая оболочка кишечника выполняет железистые,
или гландулярные, функции. Но это исключение. Почти все гормоны выделяются в
кровь специальными железами внутренней секреции. Часто эти железы
представляют собой отдельные органы. Иногда это группы клеток, которые более или менее
отчетливо выделяются на фоне других клеток органа, который выполняет в
организме совершенно иные функции. Очень интересным примером последнего рода
являются группы эндокринных желез, нераздельно перемешанных с клетками
экзокринной железы, причем железы совершенно выдающейся. Я имею в виду
поджелудочную железу.
То, что панкреатическая железа выделяет в кишку пищеварительные соки, было
известно с XVII века, и с начала XIX века ученые стали вплотную заниматься
именно этой функцией поджелудочной железы. Панкреатическая железа
вырабатывает секрет, состоящий из такого количества пищеварительных ферментов (синоним
слова «энзим»), что этот секрет по праву считается наиболее важным
пищеварительным соком организма. Казалось, не было никаких причин думать, что
поджелудочная железа выполняет еще одну, тоже очень важную, секреторную функцию.
Однако выяснилось, что клеточное строение поджелудочной железы проявляет
любопытную неоднородность. В 1869 году немецкий анатом Пауль Лангерганс
сообщил, что среди обычных клеток поджелудочной железы располагаются мелкие
скопления клеток, выделяющиеся на фоне окружающей ткани. Число этих клеточных
скоплений огромно и варьирует от полумиллиона у одних индивидов до двух с
половиной миллионов у других. Однако эти скопления так малы, что все они вместе
едва ли составляют 1-2% от общего веса железы. Так как панкреатическая железа
человека весит около 85 граммов, то общая масса описанных клеточных скоплений
едва ли достигает 1 грамма.
Какова бы ни была функция островков, они, скорее всего, не имеют ничего
общего с обычной секрецией поджелудочной железы. Подтверждением тому явился тот
факт, что при перевязке выводного протока железы у экспериментальных животных
обычные клетки железы сморщивались и атрофировались (подобно парализованным
мышцам, которые не способны сокращаться). Напротив, клетки островков
продолжали оставаться жизнеспособными. На их функцию не влияла перевязка выводного
протока, и если островки обладали секреторной активностью, то были железами
без протоков.
Далее, если в опыте удалить поджелудочную железу у экспериментального
животного, то можно с полным основанием ожидать, что у него нарушится пищеваре-
ние. Не было никаких оснований думать, что случится что-то еще. Никто,
естественно, не ожидал, что удаление железы окажется для такого животного
фатальным . Казалось, что если кормить его полу переваренной пищей, то оно вообще не
будет испытывать никаких серьезных неудобств.
Тем не менее, когда два немецких физиолога в 1889 году удалили у собаки
поджелудочную железу, они обнаружили, что через некоторое время у животного
развилась серьезная болезнь, ничего общего не имевшая с пищеварением, но зато
до странности похожая на человеческое заболевание, называемое сахарным
диабетом. Пересадка собственной поджелудочной железы под кожу собаке сохраняла
животному жизнь, хотя было ясно, что в новом положении выводной проток не мог
работать. Поэтому профилактическую роль поджелудочной железы в предупреждении
сахарного диабета надо было искать отнюдь не в ее пищеварительном соке,
который в нормальных условиях всего лишь покидает железу через ее выводной
проток .
Когда десять лет спустя Бэйлис и Старлинг разработали концепцию гормона,
ученым показалось весьма вероятным, что островки Лангерганса как раз и
являются теми железами без выводных протоков, которые продуцируют гормон,
отсутствие которого приводит к заболеванию сахарным диабетом.
Сахарный диабет - это болезнь, известная человечеству с древнейших времен.
Это одно из распространенных заболеваний, при которых организм вырабатывает
аномально большое количество мочи, поэтому кажется, что вода, не
задерживаясь, проходит через организм. Отсюда, кстати, появилось и название «диабет»,
которое в переводе с греческого означает «проходить насквозь». Самой
серьезной разновидностью диабета всегда считали такую, при которой больной человек
начинал выделять сладкую мочу. (Вначале этот факт был подтвержден тем, что на
мочу таких больных охотно слетались мухи, но потом нашлись любопытные врачи,
которые попробовали на вкус мочу больных сахарным диабетом.) На медицинской
латыни сахарный диабет называется diabetes mellitus (второе слово происходит
от греческого слова «мед»). Очень часто в обиходе эту болезнь называют просто
«диабет», не добавляя к этому никакого определения.
Сахарный диабет довольно распространенное заболевание; в западном мире в
течение жизни сахарным диабетом заболевает 1-2% населения. Только в
Соединенных Штатах насчитывается более миллиона диабетиков. Болезнь с наибольшей
частотой поражает людей среднего возраста и чаще встречается при ожирении. Кроме
того, это одна из немногих болезней, которые развиваются у женщин чаще, чем у
мужчин. Болезнь часто поражает членов одной семьи, поэтому родственники
больного диабетом имеют больше шансов заболеть, чем люди, у которых в семейном
анамнезе нет сахарного диабета. К симптомам этой болезни относятся голод,
жажда , даже если человек много ест и пьет. При отсутствии лечения диабетик не в
состоянии усвоить пищу, которую он потребляет. Сильно повышено количество
выделяемой мочи. Кроме того, больной сильно худеет. Через некоторое время - при
отсутствии лечения - он впадает в кому и умирает.
Это заболевание до сих пор остается неизлечимым, в том смысле, что диабетик
никогда не станет здоровым человеком после проведенного курса лечения и не
перестанет в нем нуждаться. Однако он может, получая поддерживающее
пожизненное лечение, вести почти нормальную жизнь (благодаря достижениям XX века), и
это достижение ни в коем случае нельзя умалять.
ИНСУЛИН
Целое поколение ученых пыталось выделить инсулин из островков Лангерганса.
Успех пришел, наконец, к 30-летнему канадскому врачу Фредерику Гранту Бан-
тингу, который летом 1921 года работал в университете Торонто, стараясь
решить эту проблему. Ему помогал 21-летний врач Чарльз Герберт Вест. Бантинг и
Бест сделали решающий шаг: они перевязали выводной проток поджелудочной
железы у экспериментального животного и выждали семь недель, прежде чем забить
его и приступить к экстракции гормона и панкреатической железы.
Предыдущие попытки не имели успеха, потому что гормон инсулин - это белок,
а энзимы, содержащиеся в обычных клетках поджелудочной железы, предназначены
специально для их разрушения. Эти энзимы разрушали инсулин даже в тех
случаях, когда перед экстракцией инсулина ткань железы измельчали до
кашицеобразной консистенции. Перевязав проток, Бантинг и Бест добились атрофии ткани
железы, и ее обычные клетки утратили свою функцию. Теперь можно было спокойно
выделять гормон из живых островков, которым не угрожало действие расщепляющих
белки ферментов. Как только метод производства инсулина был разработан,
появилась возможность успешно лечить сахарный диабет. За свое открытие Бантинг в
1923 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Бантинг предложил назвать гормон илетином (от английского слова islet -
«островок»). Однако еще до того, как гормон был выделен в чистом виде, для
него уже было предложено название «инсулин» (insula па латинском языке
означает «остров»), - это латинизированное название и было окончательно принято.
Инсулин принадлежит к группе гормонов, которые направляют и координируют
тысячи биохимических реакций, протекающих ежесекундно в живых тканях. Все эти
реакции связаны между собой сложнейшим образом, при этом любое более или
менее значительное изменение скорости одной из них влияет на другие, которые
используют в качестве реагентов продукты первой реакции. Эти следующие
реакции таким же образом влияют на протекание следующих процессов и так далее4.
Эта взаимосвязь, эта взаимозависимость настолько велики, что когда
блокируется протекание какой-то, пусть одной, но ключевой реакции, то это нарушение
может быть фатальным и иногда закапчивается быстрой гибелью организма. Есть
яды, которые в ничтожных количествах могут быстро убить человека, потому что
обладают способностью останавливать какую-либо ключевую биохимическую
реакцию. Все это очень похоже на красиво уложенную пирамиду консервных банок или
карточный домик. Вытащите одну банку или одну карту - и вся конструкция
немедленно рассыплется. Но если общее устройство метаболизма столь уязвимо по
отношению к воздействию крошечной дозы чужеродного яда, то оно может быть
столь же уязвимым по отношению к износу под воздействием рутинных событий
окружающей среды. Продолжим нашу аналогию. Допустим, что никто не подойдет к
пирамидке банок и не вытащит одну из них из нижнего ряда. Но пирамидка может
расшататься от сотрясений из-за проехавшего мимо тяжелого грузовика, кто-то
может случайно Задеть ногой нижний ряд или толкнуть пирамидку. Допустим,
далее, что продавцы внимательно следят за состоянием и пирамидки и поправляют
ее, если какие-то банки смешаются или вся пирамидка опасно теряет равновесие.
Было бы еще удобнее, если бы существовал магнитный механизм, который
автоматически возвращал бы на место сместившиеся банки.
Наш метаболизм, то есть обмен веществ, организован намного лучше и
рациональнее , чем оформление витрины самого шикарного магазина. Давайте рассмотрим
это на примере. После еды углеводы, содержащиеся в пище, расщепляются до
простых Сахаров, по большей части до глюкозы («сладкий», греч.). Глюкоза
проникает сквозь стенку кишки и всасывается в кровь.
Если бы кровь принимала всю всосавшуюся глюкозу и дело на этом
заканчивалось бы, то вскоре кровь превратилась бы в густой сироп от всей накопившейся
в ней глюкозы. В этом случае сердце, каким бы мощным оно ни было, в конце
концов, отказалось бы проталкивать по сосудам густую массу и остановилось бы.
Именно об этой невероятной по своей сложности упорядоченной совокупности биохимических
реакций мы говорим, произнося слово «метаболизм» (от греческого «метаболо» - «бросаю и разные
стороны»).
Но этого, по счастью, не происходит. По короткому сосуду (воротной вене)
глюкоза попадает в печень, которая фильтрует глюкозу из крови и превращает в
запас нерастворимого, крахмалоподобного вещества, которое называется гликоген
(«рождающий сахар», греч.) и хранится в печеночных клетках. Кровь, покидающая
печень сразу после еды, содержит не более 130 мг% глюкозы5 в результате
работы печени. В дальнейшем содержание глюкозы в крови быстро падает до 60-90
мг%, что соответствует уровню глюкозы в крови натощак.
Глюкоза является первичным топливом клетки. Каждая клетка поглощает всю
нужную ей глюкозу только из крови, а потом расщепляет ее в своем
энергетическом котле в ходе последовательности сложных реакций до углекислого газа и
воды. В результате этого процесса высвобождается необходимая клетке энергия.
Поскольку каждая клетка зависит от глюкозы, то всей глюкозы, содержащейся в
крови, хватило бы на считанные минуты. Но этого не происходит, потому что
печень постоянно расщепляет накопленный в ней гликоген на молекулы глюкозы и
выбрасывает ее в кровь. При этом количество высвобождаемой из печени глюкозы
точно соответствует количеству глюкозы, потребленной клетками.
Итак, получается, что печень вовлекается в поддержание постоянного уровня
глюкозы в крови двумя противоположными друг другу путями, которые включают в
себя множество сложным образом взаимосвязанных реакций. Когда поступление
глюкозы превышает ее расход, как это бывает после еды, глюкоза запасается в
печени в виде гликогена. Когда же поступление глюкозы временно становится
меньше потребления, как это бывает в промежутках между приемами пищи, то
гликоген расщепляется до глюкозы, которая высвобождается в кровеносное русло,
восстанавливая равновесие. Конечным результатом является (у здоровых людей)
поддержание глюкозы в определенных, довольно узких пределах. Концентрация
глюкозы никогда не поднимается до такого опасного уровня, когда повышается
вязкость крови и никогда не опускается ниже того уровня, на котором
начинается голодание клеток.
Но что именно поддерживает такое равновесие. Еда может быть обильной и
скудной, принимать ее можно с разными интервалами. Иногда мы подолгу не
принимаем пищу. Физические нагрузки тоже могут большими или меньшими, поэтому
потребности организма в энергии все время изменяются. Ввиду всех этих
непредсказуемых колебаний, что заставляет печень поддерживать концентрацию глюкозы
в крови с такой удивительной эффективностью?
Это делает, по крайней мере, отчасти, инсулин.
Присутствие в крови инсулина приводит к уменьшению в ней концентрации
глюкозы. Если по какой-либо причине уровень глюкозы в крови неожиданно
повышается выше нормы, то этот показатель крови при ее прохождении через
поджелудочную железу стимулирует секрецию дополнительного количества инсулина, и
концентрация глюкозы возвращается к обычному уровню. По мере того как содержание
глюкозы в крови приходит в норму, снижается и секреция инсулина. По
достижении нормального уровня устанавливается равновесие, и секреция инсулина
перестает снижаться. Естественно, в крови присутствуют ферменты, которые
разрушают инсулин. Эти инсулиназы следят за тем, чтобы не осталось лишнего инсулина,
который может снизить концентрацию глюкозы до опасного уровня.
Это соотношение демонстрирует принцип работы системы по механизму обратной
связи. Параметр, подлежащий контролю, сам стимулирует работу контролирующего
механизма. По мере выравнивания параметров исчезает и сам стимул, приводящий
в действие систему.
При сахарном диабете островки Лангерганса полностью или частично утрачивают
способность отвечать на стимул, то есть на повышение уровня глюкозы в крови.
(Почему так происходит, неизвестно, но известно, что предрасположенность к
5 1 мг% соответствует содержанию 1 мг вещества в 100 мл крови.
диабету передается по наследству.) В результате повышение концентрации
глюкозы после еды встречает весьма слабое противодействие, соответственно степени
повреждения островкового аппарата. Действительно, врачи могут на ранней
стадии заболевания поставить диагноз впервые выявленного сахарного диабета,
измерив концентрацию глюкозы в крови после введения больному большого
количества глюкозы. Эта проба проводится очень просто: больному с подозрением на
сахарный диабет дают выпить натощак раствор глюкозы. Кровь на сахар берут до
проведения исследования и в некоторые промежутки времени после дачи глюкозы.
Если при проведении такого теста на толерантность к глюкозе, подъем
концентрации глюкозы в крови круче, чем должен быть в норме, а возвращение к
обычному уровню замедлено, то можно говорить о большой вероятности у данного
человека ранней стадии сахарного диабета.
Если болезнь не выявлена и продолжает прогрессировать, островки Лангерганса
начинают работать все хуже и хуже. Поступление инсулина снижается, а
концентрация глюкозы остается все время высокой и продолжает повышаться. Когда
содержание глюкозы в крови поднимается выше 200 мг% (что в два раза выше
нормы) , концентрация ее в крови достигает почечного порога и глюкоза появляется
в моче. Конечно, это пустая трата ценного питательного вещества, по организм
выбирает меньшее из зол. Если предоставить глюкозе накапливаться в крови, то
она может стать слишком вязкой, а это иногда может закончиться фатально.
Обычно в моче содержатся следы глюкозы, вероятно, меньше 1 мг%. Если диабет
не лечить, то содержание глюкозы в моче повышается в тысячи раз, и ее
становится легко обнаружить. Однако само появление глюкозы в моче говорит о том,
что болезнь зашла уже довольно далеко.
Островки Лангерганса, отказав один раз, уже не могут восстановить свою
функцию. Человечество до сих пор не придумало для этого подходящего
лекарства . Тем не менее, больной может получать недостающий инсулин извне. Инсулин,
извлеченный из поджелудочных желез крупного рогатого скота, так же эффективно
снижает сахар, как и собственная поджелудочная железа больного. Для лечения
достаточно 1-2 мг инсулина в сутки.
Трудность, однако, заключается в том, что, что когда пациент с сахарным
диабетом был здоров и островки его поджелудочной железы функционировали
нормально, то инсулин выделялся в кровь постоянно, но в точно соразмеренных
количествах, в зависимости от потребностей. При назначении инъекций инсулина
больной начал получать его определенными порциями и в установленные врачом
часы. При этом потребность в инсулине может быть определена лишь весьма
приблизительно. Настройка организма на потребности метаболизма при этом
происходит неравномерными толчками. Глюкоза крови то резко падает после инъекции
инсулина, то поднимается слишком высоко перед следующей инъекцией. Похожая
картина получится, если вы переведете термостат своей отопительной системы на
ручное управление, перемещая регулятор вверх и вниз, чтобы добиться
сохранения постоянной температуры.
Именно по этой причине диабетик, даже если он получает инсулин, должен
соблюдать строгую диету, чтобы не подвергать лишним нагрузкам механизмы
контроля уровня сахара в крови. (Вы сможете точно так же довольно успешно
контролировать температуру в своем доме вручную, если не будет резкого похолодания.)
Недостатком лечения инсулином является также необходимость вводить его в виде
подкожных инъекций. Инсулин нельзя принимать внутрь, так как, будучи белком,
он моментально расщепляется на неактивные фрагменты под действием ферментов
желудочного сока.
Вероятно, выход можно найти, если подойти к проблеме с другого конца. Есть
лекарства, которыми можно вывести из игры инсулиназу, разрушающую инсулин.
Эти лекарства, которые можно принимать внутрь, позволят малому количеству
вырабатываемого в организме больного дольше циркулировать в крови, что, по
крайней мере, в некоторых случаях позволит избежать подкожных инъекций.
СТРУКТУРА ИНСУЛИНА
Очень легко наблюдать, как инсулин снижает уровень глюкозы в крови. Сам же
этот уровень достигается в результате сложного переплетения множества
биохимических реакций. Каким образом инсулин так действует на эти реакции, что
происходит снижение концентрации сахара в крови? Действует ли он только на
одну реакцию, на несколько или на все сразу?
В поисках ответа на этот вопрос биохимики в первую очередь заподозрили одну
реакцию, катализируемую ферментом, называемым гексокиназой. Это подозрение
явилось результатом работ, выполненных супругами-американцами чешского
происхождения, Карлом Фердинандом Кори и Герти Терезой Кори, которым удалось
выяснить некоторые детали различных реакций, вовлеченных в расщепление глюкозы.
За эти работы супруги Кори получили в 1947 году Нобелевскую премию по
медицине и физиологии. Супруги Кори выяснили, что в обычных условиях гексокиназная
реакция подавлена, и это подавление снимается под действием инсулина. Они
смогли показать, каким образом одна эта реакция отвечает за снижение
концентрации глюкозы в крови.
Представляется, однако, что это было бы слишком простым объяснением.
Метаболические расстройства при диабете носят весьма разнообразный характер. Хотя
возможно, конечно, объяснить все это многообразие нарушением протекания одной
единственной реакции (тоже включенной в сеть метаболических превращений),
выведя все связанные с диабетом расстройства здоровья из одной гексокиназной
реакции, но это требует таких сложных рассуждений, что доверие к ним
уменьшается по мере возрастания их сложности. Последние исследования позволяют
предположить , что инсулин оказывает свое действие непосредственно на клеточные
мембраны. Скорость, с какой клетка поглощает глюкозу, отчасти зависит и от
разницы концентраций глюкозы внутри и вне клетки, а также от природы
клеточных мембран, через которые должна пройти глюкоза.
Давайте для наглядности прибегнем к аналогии. Представьте себе дом. С улицы
в него входят люди. Отчасти количество вошедших в дом людей будет зависеть от
числа людей, стремящихся в него попасть. Кроме того, этот поток зависит от
ширины входной двери или от количества открытых дверей. Когда толпа людей,
жаждущих попасть внутрь, достигнет определенного критического уровня,
количество тех, кто попадает в дом за одну секунду, станет постоянным, вне
зависимости от размеров толпы. Однако если привратник быстро откроет еще две двери,
то поток увеличится в три раза.
Инсулин по отношению к мембранам мышечных клеток ведет себя как привратник,
повышая проницаемость мембран для глюкозы. (То есть он как бы открывает для
нее дополнительные двери.) Мы остановились на том, что во время еды в кровь
поступает большое количество глюкозы, что приводит к повышению секреции
инсулина в поджелудочной железе. Как следствие, открываются «мембранные двери», и
концентрация глюкозы в крови стремительно падает, так как она быстро уходит в
клетки, где, либо утилизируется, либо запасается. При диабете глюкоза изо
всех сил стучится в двери мембран, но они оказываются по большей части
запертыми. Глюкоза не может войти в клетки и, следовательно, накапливается в
крови. Очевидно, что любой фактор, который позволит глюкозе войти в клетки,
сможет отчасти заменить собой недостающий инсулин. Один из таких факторов -
физическая нагрузка, поэтому врачи, как правило, рекомендуют диабетикам
регулярно заниматься физическими упражнениями.
Но в этом случае неизбежно возникает вопрос: что особенного делает инсулин
в клетке, отчего повышается проницаемость ее мембраны для глюкозы? Биохимики
потратили много усилий для расшифровки строения молекулы инсулина именно в
надежде (отчасти, правда, из элементарного любопытства) понять механизм его
действия.
Молекула инсулина представляет собой полипептид, подобный молекулам
желудочно-кишечных гормонов, но более сложный. Например, молекула секретина
состоит из 36 аминокислотных остатков, а молекула инсулина - из 50. Поскольку,
однако, структура секретина до сих пор точно не установлена, резонно
предположить , что точное строение молекулы инсулина тоже пока не известно. Но надо
учесть, что стремление разрешить проблему в случае инсулина, недостаток
которого лежит в основе самой серьезной метаболической болезни, намного превышает
стремление установить структуру гастроинтестинальных гормонов, которые не
имеют такого клинического значения. Кроме того, инсулин доступен для
биохимических исследований в гораздо больших количествах.
В конце 40-х годов было установлено, что молекулярный вес инсулина немногим
меньше 6000. (Молекулы инсулина имеют склонность объединяться в группы,
поэтому в некоторых ранних сообщениях указывалось, что его молекулярный вес
равен 12 и даже 36 тысячам дальтон.) Далее, было установлено, что молекулы
инсулина состоят из двух аминокислотных цепей, соединенных между собой цистино-
выми мостиками. Когда цепи были разделены, выяснилось, что одна из них (цепь
А) состоит из 21, а другая (цепь В) из 30 аминокислотных остатков.
Полипептидные цепи были легко расщеплены на индивидуальные аминокислоты, и
биохимики установили, из каких именно аминокислот состоит каждая из цепей.
(Определение аминокислотного состава было выполнено методом, который
называется бумажной хроматографией. Метод был изобретен в 1944 году и произвел
подлинную революцию в биохимии. Если вас интересуют подробности этого метода, то
вы можете найти их в главе «Победа на бумаге» моей книги «Всего триллион»,
вышедшей в 1957 году.) Но, как я уже заметил в предыдущей главе, знание
аминокислотного состава - это лишь первый шаг. Надо также знать
последовательность , в какой расположены в цепи белка аминокислотные остатки. Двадцать одну
аминокислоту в цепи А инсулина можно расположить 28'1014 способами. Для 30
аминокислотных остатков цепи. В это число еще больше и равно приблизительно
51 1025.
Проблему определения точной последовательности аминокислот в бычьем
инсулине взялась решать группа биохимиков под руководством британского ученого
Фредерика Сенджера. Для этого использовали метод расщепления цепей на мелкие
фрагменты под действием кислот или специфических ферментов. Полученные
фрагменты не были аминокислотами, а представляли собой короткие цепи из двух,
трех или четырех аминокислотных остатков. Эти фрагменты были выделены, и
ученые определили в них точную последовательность аминокислот.
(Две аминокислоты могут быть расположены двумя способами - А-В или В-А. Три
аминокислоты могут быть расположены шестью способами - А-В-С, А-С-В, В-С-А,
В-А-С, С-А-В и С-В-А. Даже четыре аминокислоты можно расположить всего лишь
двадцатью четырьмя способами. Можно проанализировать все возможные
последовательности в малых фрагментах и выбрать правильный, не столкнувшись с
непреодолимыми трудностями. По крайней мере, гораздо легче иметь дело с двумя
возможностями из пары десятков, чем с двумя из пары квинтильонов возможных
вариантов .)
Когда, таким образом, были обработаны все малые фрагменты, наступило время
собрать их воедино. Предположим, что цепь А имеет в своем составе некую
аминокислоту , которую мы обозначим q, в единственном числе. Предположим далее,
что нам удалось выделить две короткие цепочки по три аминокислоты в каждом -
r-s-q и q-p-o. Поскольку в цепи аминокислота q присутствует только в одном
экземпляре, то в исходной молекуле должна присутствовать последовательность
из пяти аминокислотных остатков r-s-q-p-o. Тогда, в зависимости от места
расщепления исходной цепи, действительно получится два возможных фрагмента - г-
s-q и q-p-o.
Для решения этой головоломки Сэнджеру и его коллегам потребовалось восемь
лет. К 1955 году им удалось подогнать друг к другу полученные фрагменты и
получить структуру нативной белковой молекулы. В истории науки это был первый
случай, когда ученым удалось полностью определить структуру естественной
белковой молекулы. В 1958 году Сэнджер был удостоен Нобелевской премии по химии.
Формула молекулы инсулина в записи символами Бранда выглядит следующим
образом :
Структура инсулина
К сожалению, знание структуры молекулы ни на йоту не приблизило биохимиков
к пониманию механизма действия инсулина на клеточные мембраны.
Представлялось возможным подойти к проблеме с другого конца и попытаться
сравнить структуру инсулинов разных видов животных. Свиной инсулин так же
эффективен у диабетиков, как и бычий. Если два инсулина отличаются своим
строением, то, видимо, следует обратить пристальное внимание лишь на тот участок
молекулы, который обеспечивает общие свойства, сузив тем самым поле поиска.
Когда был проанализирован свиной инсулин, выяснилось, что он отличается от
бычьего тремя аминокислотными остатками. Эти три аминокислоты, если можно так
выразиться, зажаты в углу между двумя цистиновыми мостиками.
В бычьем инсулине в этом месте находятся ала-нин-серин-валин, а в свином -
треонин-серин-изо-лейцин. Состав этого и только этого участка варьирует у
других видов животных. У овец в данном участке находятся аланин-глицин-валин,
у лошадей - треонин-глицин-изолейнин, а у китов - треонин-серин-изолейцин. У
этих трех видов аминокислота слева может быть аланином или треонином, в
середине - серином или глицином, и справа - валином или изолейцином.
Хотя аминокислотный состав инсулина множества других видов животных пока не
определен, представляется маловероятным, что отличия окажутся разительными.
Более того, любые изменения химической структуры, кроме самых незначительных,
приводит к утрате биологической активности молекулы инсулина. Каким бы ни
было действие, оказываемое инсулином на клеточную мембрану, для его
осуществления требуется участие целой интактной молекулы. Это почти все, что можно на
сегодняшний день об этом сказать, по крайней мере, пока.
ГЛЮКАГОН
Если есть гормон, проявляющий какое-то однонаправленное действие, как,
например, инсулин, вызывающий снижение содержания глюкозы в крови, то разумно
предположить, что может существовать гормон, вызывающий противоположный
эффект. Это не простое ослабление действия первого гормона, а именно
противоположный эффект, с помощью которого можно тонко и точно регулировать
концентрацию сахара в крови, сдвигая его содержание в ту или другую сторону. Вы сами
можете убедиться в этом, если представите себе качающуюся лестницу, которую
надо установить в устойчивое положение. Это очень удобно сделать двумя
руками, надавливая на лестницу с обеих сторон в противоположных направлениях.
Такой гормон-антагонист действительно существует, и синтезируется он все в
тех же островках Лангерганса. Об этом гормоне мало кто знает, потому что с
ним не связаны какие-либо распространенные заболевания, сравнимые по значению
с сахарным диабетом.
Островки Лангерганса содержат две разновидности клеток - альфа-клетки и
бета-клетки. (Ученые часто, пожалуй, даже слишком часто, идут по пути
наименьшего сопротивления, различая однородные элементы присвоением им первых
нескольких букв греческого алфавита.) Альфа-клетки крупнее и расположены на
периферии островков, составляя около 25% его клеточной массы. В центре
островков расположены более мелкие бета-клетки. В бета-клетках синтезируется
инсулин, альфа-клетки продуцируют гормон с противоположным действием.
Этот второй гормон был обнаружен вскоре после открытия Бантингом инсулина.
Выяснилось, что иногда при введении инсулина вначале отмечался подъем
содержания глюкозы в крови, а потом начиналось ожидаемое снижение ее концентрации.
Надо было, следовательно, найти вещество, проявлявший нежелательный эффект.
Таким образом, был найден гормон, ускорявший расщепление гликогена в печени.
Гликоген расщепляется до глюкозы, которая поступает в кровеносное русло. В
результате и происходит повышение концентрации глюкозы в крови.
Когда присутствие гормона подтверждается только его эффектом, то его во
многих случаях и называют по этому эффекту. Новый гормон из этих соображений
был назван гипергликемическим гликогенолитическим фактором, что в переводе с
греческого означает «повышающий содержание глюкозы в крови и расщепляющий
гликоген». Так как биохимики тоже люди и не любят длинных слов, то вновь
открытый фактор стали называть ГГФ, а недавно придумали более короткое
наименование - глюкагон, которое и стало общеупотребительным.
В 1953 году очищенный глюкагон был выделен в кристаллической форме. Удалось
без труда показать, что это полипептид, состоящий из единственной цепи,
содержащей 29 аминокислотных остатков. Сначала думали, что глюкагон - это
фрагмент молекулы инсулина, но при более внимательном рассмотрении оказалось, что
это не так. В 1958 году методом Сэнджера была установлена последовательность
аминокислот в глюкагоне. Гистидин-серин-глютамин-глицин-треонин-фенилаланин-
треонин-серин-аспарагинат-тирозин-серин-лизин-тирозин-лейцин-аспарагинат-
серин-аргинин-аргинин-аланин-глютамин-аспарагинат-фенилаланин-глютамин-
трипт о ф ан-лейцин-метионин-аспарагин-треонин.
Как вы можете сами убедиться, эта цепь не имеет ничего общего ни с одной из
цепей инсулина. Действительно, некоторые аминокислоты, представленные в
молекуле глюкагона, отсутствуют в инсулине (например, метионин), а другие
аминокислоты (например, изолейцин) присутствуют в инсулине, но отсутствуют в глю-
кагоне. Нет никаких сомнений в том, что инсулин и глюкагон - это два
совершенно разных гормона.
АДРЕНАЛИН
Инсулин и глюкагон ни в коем случае не являются единственными гормонами,
регулирующими обмен глюкозы, что проявляется повышением или снижением ее
концентрации в крови. Есть еще один гормон, влияющий на метаболизм глюкозы. Этот
гормон вырабатывается двумя маленькими, желтоватого цвета органами, имеющими
пирамидальную форму и вес около 10 г каждый. Эти образования прилегают к
верхним полюсам обеих почек и являются первыми из упомянутых мной органов,
которые выполняют в организме чисто эндокринные функции.
В связи со своим положением эти органы называются надпочечными железами,
или надпочечниками. Каждый надпочечник состоит из двух частей - внешней и
внутренней, которые имеют различный клеточный состав, функцию и
происхождение. У примитивных рыб две части надпочечной железы вообще представлены
разными органами, Те клетки, которые у нас образуют наружную часть железы, у рыб
формируют продольный тяж, расположенный между почками и приблизительно равный
им по длине. Те же клетки, которые у нас образуют внутреннюю часть железы,
формируют тонкую цепь, вдвое превышающую по длине почку у земноводных,
пресмыкающихся и птиц. Материал железы расположен более компактно, и оба вида
клеток расположены вперемежку. У млекопитающих эта компактность достигает
своего предельного выражения - формируются два четко очерченных плотно
прилегающих друг к другу слоя клеток.
Внешняя часть железы, составляющая около 90% ее веса, называется корой
надпочечника. Внутренняя часть носит название мозгового вещества (по аналогии с
костным мозгом). Гормон, который мы сейчас обсуждаем, вырабатывается в
мозговом веществе надпочечника.
Еще в 1895 году стало известно, что экстракт надпочечников резко повышают
артериальное давление. В 1901 году японский биохимик Иокичи Такамине выделил
из ткани железы чистое вещество, которое в ничтожных дозах приводило к
значительному повышению артериального давления. Это вещество получило название
адреналин - от латинских слов ad («у») и г en («почка») . Однако это только одно
из множества его коммерческих наименований. Правильнее называть это вещество
эпинефрином - от греческих слов epi («над») nephron («почка»).
Через год после успеха Такамине Бэйлис и Старлинг продемонстрировали
возможность чисто химической регуляции функций организма при отсутствии нервной
деятельности. Когда это стало ясно, то отпали последние сомнения - эпинефрин
был признан гормоном. Это был первый гормон, который удалось выделить в
чистом виде, и у которого была определена химическая формула. Это достижение
было не столь значительным, как могло бы показаться на первый взгляд, так как
из всех гормонов эпинефрин имеет самое простое строение.
В то время как секретин, инсулин и глюкагон являются полипептидными цепями,
состоящими из нескольких десятков аминокислот, эпинефрин, по сути своей,
представляет собой несколько видоизмененную единственную аминокислоту -
тирозин. Это очень ясно видно при сравнении их химических формул. Вы увидите это
сходство, даже если вы незнакомы с химической символикой и не понимаете, из
каких функциональных групп состоят эти молекулы:
он
Структурная формула адреналина (слева) и тирозина (справа).
Биохимикам не составило особого труда установить, что в мозговом веществе
надпочечников эпинефрин вырабатывается именно из тирозина.
В том, что касается воздействия на метаболизм углеводов, эффект эпинефрина
напоминает таковой глюкагона, под действием эпинефрина ускоряется расщепление
гликогена, вследствие чего происходит повышение содержания глюкозы в крови.
Разница заключается в следующем: глюкагон работает и обычных условиях, а
эпинефрин в экстремальных ситуациях. Можно сказать, что глюкагон поддерживает
более или менее стабильный уровень концептрации глюкозы в крови
(противодействуя эффекту инсулина) в условиях нормальных колебаний доставки и
потребления глюкозы. Напротив, эпинефрин вступает в игру, когда человек испытывает
гнев или страх, когда организму требуется сразу много глюкозы, чтобы
обеспечить энергетические потребность для осуществления реакции борьбы или бегства.
Кроме того, в то время как глюкагон мобилизует только печеночные запасы
гликогена (предназначенные для использования всем организмом), эпинефрин
также способствует расщеплению гликогена мышцах, которые сами используют эту
энергию для борьбы или бегства.
Эпинефрин оказывает на организм и другие эффекты, кроме мобилизации
резервов глюкозы. Одним из важнейших эффектов эпинефрина является его способность
повышать артериальное давление (именно благодаря этой способности он был
открыт) и увеличивать частоту сердечных сокращений и дыхания. Два последних
эффекта осуществляются в тесном взаимодействии с нервной системой, о чем более
подробно расскажу в главе 9. Хочу, однако, отметить, что химическая (гормоны)
и электрическая (нервы) регуляция функций организма не являются независимыми,
но тесно переплетаются одна с другой.
Между прочим, ситуация, когда единственная модифицированная аминокислота
выступает в роли гормона, не исчерпывается рассмотренным случаем. В качестве
примера можно привести вещество, называемое гистамином. Это соединение по
структуре сходно с аминокислотой гистидином, что показывает приведенная на
рисунке формула.
О
Структурная формула гистамина (слева) и гистидина (справа).
В малых концентрациях гистамин стимулирует секрецию соляной кислоты
железами слизистой оболочки желудка. Некоторые биохимики считают, что гастрин (один
из гастроинтестинальных гормонов, упомянутых в предыдущей главе) является
гистамином. Впрочем, окончательного ответа на этот вопрос до сих пор нет.
Так же как и эпинефрин, гистамин действует на артериальное давление и на
другие физиологические параметры организма. (Кинины по своему действию в чем-
то сходны с гистамином.) Считается, что гистамин несет ответственность за
такие неприятные симптомы аллергии, как насморк, набухание слизистой оболочки
носа и глотки и спазм мелких бронхов. Очевидно, чужеродные белки или другие
вещества, запускающие аллергическую реакцию, стимулируют высвобождение гиста-
мина. Лекарства, которые противодействуют этой стимуляции (антигистаминные
препараты), существенно облегчают симптомы аллергии.
Есть еще один гормон, представляющий собой модифицированную аминокислоту.
Правда, если строение немного сложнее, чем строение эпинефрина или гистамина.
Для того чтобы сохранить ясность изложения, я начну с представления нового
органа. Хрящ, выступающий на передней поверхности шеи, именуемый в народе
адамовым яблоком, правильнее называть щитовидным хрящом. Щитовидным его
называют потому, что своей удлиненной формой и вырезкой в верхней части он
напоминает щиты, которыми пользовались в бою греческие воины гомеровских времен
(кстати, у этих щитов в верхнем крае были вырезки для подбородка). Вы и сами
можете прощупать эту вырезку, если проведете пальцами по своей шее.
У нижнего края щитовидного хряща располагается скопление мягкой желтовато-
красной железистой ткани высотой в два дюйма, шириной чуть больше двух дюймов
и весом в унцию или немного меньше. Это скопление состоит из двух долей,
расположенных симметрично с обеих сторон трахеи и соединенных узким перешейком,
расположенным впереди трахеи как раз в месте соединения ее со щитовидным
хрящом. При взгляде спереди эта железа похожа на букву «Н». Несколько столетий
назад железа позаимствовала свое название от хряща, который она обнимает, и
стала именоваться щитовидной железой, хотя сама она нисколько не похожа на
щит.
ГЛАВА 3. ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА
ИОД
4,*тоиид^ая и чаэаи/юви£.наи железы
Ни тобидной
Lit
Схема шеи человека, показывающая расположение щитовидной железы.
Функция щитовидной железы оставалась неизвестной вплоть до самого конца XIX
века. Было замечено, что у женщин она, как правило, выступает больше, чем у
мужчин, на основании чего бытовало мнение, что щитовидная железа - это всего
лишь средство придания формы шее, особенно женской, которую небольшой зоб
делает изящной и привлекательной. В некоторых областях Европы щитовидная железа
у многих людей (опять-таки больше у женщин) отличалась большим размером, и
эта припухлость шеи расценивалась как признак утонченной красоты. Увеличенную
щитовидную железу называют зобом.
Косметические достоинства зоба утратили свою привлекательность к началу XIX
века, когда люди поняли, что безобидная с виду припухлость на шее может
сочетаться с весьма неприятными симптомами. Обескураживало то обстоятельство, что
люди с зобами могли страдать двумя исключающими друг друга типами
заболеваний. Некоторые индивиды были вялыми, заторможенными и апатичными, их
подкожная клетчатка отличалась мягкостью и отечностью, кожа становилась холодной и
сухой, а пульс замедленным и редким. Другие больные, напротив, отличались
повышенной возбудимостью, нервностью, неустойчивым поведением, горячей влажной
кожей и частым пульсом. И, наконец, как вы и сами, должно быть, уже
догадались, были люди, у которых зоб не сопровождался никакими симптомами и которые
в остальном ничем не отличались от здоровых людей, не предъявляя никаких
жалоб .
То, что сочетание увеличенной щитовидной железы и, по меньшей мере, одного
из упомянутых выше набора симптомов не является случайным совпадением, было
отчетливо продемонстрировано в 1883 году, когда группа швейцарских хирургов
удалила зобы сорока шести больным, у которых зоб достиг таких размеров, что
начал сдавливать окружающие ткани шеи. (Надо отметить, что Швейцария - одна
из стран, где зоб является весьма распространенным заболеванием.) К
несчастью, у всех этих больных возникли или усилились симптомы первого рода, то
есть заторможенность, вялость и апатия. Оказалось, что полное удаление
щитовидной железы представляет опасность для пациента.
В 1898 году германский химик Э. Бауман обнаружил в щитовидной железе йод.
Его оказалось немного. Даже самый современный анализ содержания этого
элемента в щитовидной железе показывает, что этот орган содержит не более 8 мг
йода . Но это количество в четыре раза превышает общее количество йода во всех
остальных тканях и органах. Однако вес остальной части тела во много раз
превышает вес щитовидной железы, поэтому резонно было предположить, что такое
распределение не случайно. Действительно, было показано, что концентрация
йода в щитовидной железе в 60 ООО раз превышает его концентрацию в других
частях тела.
Определенно, что сейчас это звучит очень внушительно, но в 1896 году никто
так не думал. Никому не приходило в голову искать йод в тканях организма, и
находку сочли случайной. То, что йод в щитовидной железе находился в
ничтожных количествах, казалось, лишь подтверждало эту мысль, тем более что в 1896
году никто еще не знал, что существуют «жизненно важные следовые элементы»,
входящие в состав гормонов и ферментов, следовательно, необходимые для
нормальной жизнедеятельности и поддержания жизни, несмотря на то, что в
организме они содержатся в едва определимых концентрациях.
Прошло еще десять лет, и в 1905 году Дэви; Марин, американский врач, только
что закончивший к тому времени медицинский факультет, всерьез воспринял
открытие Баумана. Марин начал практиковать на Среднем Западе, куда приехал с
Востока, и заинтересовался вопросом, не связана ли повышенная заболеваемость
зобом на Среднем Западе с пониженным содержанием йода в местных почвах6. Мо-
6 Йод - довольно редкий элемент, в морской воде его содержание выше, чем в почве. Главным
источником йода являются водоросли, так как эти растения активно Захватывают йод из воды. На
сушу йод попадает во время штормов, когда ветер приносит на побережье брызги воды, которая,
испаряясь, оставляет на Земле мельчайшие крупинки йодистых солей. Эти соли ветры потом
уносят во внутренние участки суши. Морская соль содержит йод, и при прочих равных условиях его
жет быть, думал Марин, йод все не случайная примесь, а необходимая составная
часть щитовидной железы, без которой она не может нормально функционировать и
реагирует на недостаток йода образованием зоба.
Марин провел опыты на животных, скармливая им рацион, не содержавший йода,
и показал; что у животных увеличивалась щитовидная железа, они становились
вялыми и апатичными. После добавления к корму небольших количеств йода
наступало выздоровление. В 1916 году, будучи уверенным в своей правоте, Марин
провел пробное лечение девочек, страдавших зобом. Врачу удалось показать, что
добавление к пище следовых количеств йода уменьшает заболеваемость людей
зобом.
Еще десять лет прошло в спорах с людьми. Марин пытался убедить их в
необходимости добавлять небольшие количества йодистых соединений в воду городского
водопровода и в поваренную соль. Возражения были столь же яростными, как и
возражения против фторирования воды в наши дни. Тем не менее, Марин победил,
воду и соль стали йодировать, и в настоящее время - по крайней мере, в
Соединенных Штатах - зоб стал редким заболеванием.
Симптомы, сочетающиеся с зобом, зависят от того, развился он вследствие
недостатка йода или нет. Щитовидная железа состоит из миллионов мельчайших
пузырьков - фолликулов, наполненных коллоидным (желеобразным) веществом,
которое для простоты называют просто коллоидом. Коллоид, как и гормон, который в
нем образуется, содержит йод.
Если поступление йода в организм находится на нормальном уровне, и если по
каким-то причинам щитовидная железа увеличивается в размере, то число
активных фолликулов может возрасти в десять, а то и в двадцать раз, и железа
начинает продуцировать ненормально высокие количества гормона. Человек становится
нервным, легковозбудимым и напряженным. Такое состояние называется гипертире-
озом. Если, напротив, в организм поступает мало йода, то возникает его
дефицит, то есть недостаток, и, чтобы компенсировать его, щитовидная железа
увеличивается в размерах. Но напрасны усилия, это увеличение не приводит к
излечению. Не важно, сколько новых фолликулов возникнет в железе и сколько
коллоида в них накопится - тиреоидный гормон не может синтезироваться без йода.
В таких случаях, несмотря на формирование зоба, выработка гормона остается на
низком уровне и больной становится вялым, апатичным и малоподвижным. Такое
состояние называется гипотиреозом7.
Эти две формы зоба различаются и названиями. Форма, связанная с
гипотиреозом, называется эндемическим зобом. Форма, связанная с гипертиреозом,
называется экзофтальмическим зобом (экзофтальм в переводе с греческого означает
«пучеглазие»), потому что самым заметным симптомом такого зоба является
выпячивание глазных яблок. Это заболевание называют также болезнью Грейвса в
честь описавшего ее в 1835 году ирландского врача Роберта Джеймса Грейвса.
При гипотиреозе дряблый отек тканей создает впечатление, что они
пропитываются слизью, поэтому эту болезнь называют микседемой, что в переводе с
греческого означает «слизистый отек».
Симптомы как гипо-, так и гипертиреоза могут иметь различную степень
выраженности. Рациональный способ определения выраженности симптоматики того или
иного заболевания щитовидной железы предложил в 1895 году германский врач
Адольф Магнус-Леви. Его открытие произошло отчасти благодаря случаю. В то
содержание в прибрежных почвах будет выше, чем в почвах областей, удаленных от моря.
7 Префикс «гипер» происходит от греческого слова, означающего «сверх», а «гипо» - от
греческого слова, означающего «ниже». Первый префикс указывает на повышенную активность какого-
либо органа или на повышенную продукцию какого-либо биологически активного соединения.
Второй префикс указывает на противоположное состояние, то есть состояние какой-либо
недостаточности . Очень жаль, что слова, обозначающие противоположные состояния, Звучат так похоже, Это
иногда приводит к путанице, но уже поздно менять правила древнегреческого языка.
время физиологи разработали метод измерения потребления кислорода организмом
человека. Представлялось, что на основании этого критерия можно судить об
интенсивности обменных процессов. Естественно, потребление кислорода
увеличивалось при физической нагрузке и уменьшалось в покое. Минимальную потребность в
кислороде определяли у бодрствующих людей, находившихся в лежачем положении в
теплой комнате, в состоянии максимально возможного расслабления, натощак.
Уровень обмена веществ в таком состоянии назвали основным обменом, сокращенно
00. Основной обмен - это тот уровень метаболизма, при котором человеческий
организм работает, так сказать, на «холостых оборотах».
Магиус-Леви принялся измерять 00 у всех больных в госпитале, где он
работал , чтобы посмотреть, как различные заболевания влияют на этот показатель.
Очевидно, что если бы такое влияние действительно имело место, то определение
00 могло бы стать ценным диагностическим инструментом в наблюдении за
течением болезней. К несчастью, большинство болезней никак не влияло на 00, за
одним важным исключением. Больные гипертиреозом отличались значительно
повышенным 00, а больные гипотиреозом - наоборот, сниженным. Чем тяжелее протекало
соответствующее заболевание, тем выше (или, напротив, ниже) был 00.
Таким образом, было выявлено общее воздействие тиреоидного гормона на
организм. Этот гормон управляет уровнем основного обмена, то есть регулирует
скорость «холостых оборотов». При гипертиреозе, употребляя автомобильную
метафору, двигатель организма работает на повышенных оборотах, а при гипотиреозе -
на пониженных. Такой подход позволял объяснить два диаметрально
противоположных ряда симптомов. Если в организме ускорены все биохимические реакции, то
человек, скорее всего, будет нервным, напряженным, излишне подвижным и
легковозбудимым. Если же реакции замедленны, то человек будет вялым, заторможенным
и апатичным.
ТИРОКСИН
Поиск настоящего гормона щитовидной железы начался сразу после того, как
ученые осознали важность йода для нормальной деятельности щитовидной железы.
В 1899 году из железы был выделен белок, содержащий йод. Этот белок имел
свойства, присущие семейству белков, называемых глобулинами, и был, поэтому,
назван тиреоглобулином. Этот белок мог уменьшать выраженность симптомов
гипотиреоза в меньших дозах, чем высушенная измельченная ткань целой щитовидной
железы, поэтому разумно было предположить, что этот белок и является
гормоном.
Однако тиреоглобулин - это крупный белок, и, как мы сейчас знаем, его
молекулярный вес равен почти 700 ООО. Он слишком велик, чтобы в исходном виде
проникнуть сквозь мембрану клетки, где он образовался, и выйти в кровеносное
русло. По этой причине вскоре стало ясно, что тиреоглобулин - это хранилище
гормона, а то соединение, которое выходит в кровоток, представляет собой лишь
мелкий фрагмент молекулы тиреоглобулина.
Йод привлекал все большее внимание биохимиков по мере того, как они
углублялись в проблему. Хотя щитовидная железа, по сравнению с остальными частями
тела, содержит много йода, его содержание в ней равно приблизительно 0,03%.
Изолированный тиреоглобулин содержит в 30 раз больше йода, содержание
которого в нем доходит до 1%. Более того, после расщепления тиреоглобулина на более
мелкие фрагменты выяснилось, что те осколки молекул, в которых остается йод,
содержат его в концентрации 14%. Ясно, что ключом к разгадке был йод.
Оказалось, что можно добавить йод к обычному белку, например к казеину (основному
белку молока), приготовив, таким образом, йодированный белок, который также в
какой-то степени проявлял свойства тиреоидного гормона.
Наконец, в 1915 году американский химик Эдвард Кальвин Кендалл выделил мел-
кую молекулу, обладавшую всеми свойствами тиреоидного гормона, и получил его
в концентрированной форме. Оказалось, что молекула гормона представляет собой
единственную аминокислоту. Поскольку это соединение было найдено в щитовидной
железе и поскольку оно контролировало потребление кислорода организмом, это
соединение было названо тироксином.
Еще десять лет ушло на выяснение точной химической формулы этой
аминокислоты . Оказалось, что она похожа на тирозин, отличаясь от него двумя боковыми
цепями, что ясно видно на приведенной ниже формуле.
Самым необычным в структуре молекулы тироксина является тот факт, что она
содержит четыре атома йода, обозначенного в формулах символом I. (Если из
молекулы тироксина удалить йод, то останется соединение, называемое тиронином.)
Атомы йода чрезвычайно тяжелы, они намного тяжелее, чем весь углерод,
водород, азот и кислород, входящие в состав молекулы. (Из всех атомов,
необходимых для поддержания жизни, самыми тяжелыми являются атомы йода. Четыре самых
распространенных в организме элемента отличаются весьма малым атомным весом.
Так, если вес атома водорода принять за единицу, то веса атомов углерода,
азота и кислорода будут равны 12, 14 и 16 соответственно. Для сравнения
укажем, что атомный вес йода равен 127). По этой причине йод составляет 83% веса
молекулы тироксина.
Очевидно, щитовидная железа захватывает те следовые количества йода,
которые содержатся в пище, присоединяет его атомы к молекуле тирозина, удваивает
ядро молекулы и после добавления еще двух атомов йода превращает ее в
тироксин, (То же самое можно сделать искусственно, добавив йод к казеину, о чем я
уже упоминал выше.) Тироксин, присоединяясь к другим, обычным аминокислотам,
включается в крупную молекулу тиреоглобулина. При необходимости молекула
тироксина отщепляется от тиреоглобулина и поступает в кровеносное русло.
В течение тридцати пяти лет после этого открытия именно тироксин считался
тиреоидиым гормоном. Только в 1951 году британскому биохимику Розалинд Питт-
Риверс и ее коллегам удалось выделить в чистом виде похожее на тироксин
соединение, в котором вместо четырех атомов йода присутствуют только три. Это
соединение, названное трийодтиронином, оказалось намного более активным, чем
тироксин. По этой причине впредь я буду употреблять термин «тиреоидный
гормон» , не конкретизируя его точное химическое название.
При тяжелом дефиците тиреоидного гормона основной обмен может снизиться до
половины своего нормального уровня, а при избытке повыситься в два и даже в
два с половиной раза. Таким образом, под действием гормонов щитовидной железы
уровень метаболизма может пятикратно изменяться в обоих направлениях.
Однако что именно делают тироксин, трийодтиронин и родственные им
соединения, чтобы произвести такие поистине драматические изменения? Какую реакцию
но
H2N
ОН
Структурная формула тироксина.
или какие реакции они стимулируют, чтобы повысить уровень обмена веществ?
Какую роль играет в этом процессе йод? Возможно, это самый завораживающий
вопрос, поскольку ни одно соединение, не содержащее йод, не обладает
активностью тиреоидпого гормона. Более того, ни в одном из соединений,
присутствующих в нашем организме, за исключением различных форм тиреоидного гормона, нет
атомов йода.
Вас уже не должен удивлять тот факт, что ответов на эти вопросы до сих пор
нет. Ответ, когда мы его получим, должен будет объяснить не только повышение
уровня основного обмена, поскольку это ни в коем случае не является
единственным эффектом тиреоидных гормонов. Они играют большую роль в процессах
роста, психического развития и полового созревания.
Иногда случается так, что дети рождаются с недоразвитой щитовидной железой
(или она совершенно отсутствует). Такие дети выживают, по это единственное,
что можно о них сказать. Если болезнь не лечить введением тиреоидных
гормонов, то больные перестают расти в возрасте семи-восьми лет. Они, кроме того,
не достигают половой зрелости и страдают задержкой психического развития.
Часто они бывают глухонемыми. (Всю эту симптоматику можно воспроизвести,
удалив щитовидную железу у молодых животных. Более того, именно благодаря таким
опытам было установлено, что эти симптомы связаны с недостаточностью функции
щитовидной железы.)
Несчастных, лишенных, по сути дела, щитовидной железы, называют кретинами.
Слово происходит из южно-французского диалекта и означает «христианин». Здесь
нет следов нападок на религию, скорее это выражение жалости. Вместо этого, мы
могли бы назвать их беднягами. Возможно, в этом названии отразились пережитки
более ранних времен, когда примитивные племена считали, что умственная
отсталость говорит о том, что страдальца коснулась рука Божья. (Разве мы сами не
называем иногда сумасшедшего «тронутым умом»?)
Неспособность детей, страдающих гипотиреозом, развиться до взрослого
состояния подтверждается свидетельствами, полученными на низших позвоночных. У
амфибий переход от юного состояния к взрослому представляет собой полный
метаморфоз, в ходе которого хвост заменяется конечностями, а жабры - легкими.
Этот метаморфоз не может остановиться на полпути у живого головастика. Он
либо проходит все стадии, либо не начинается вовсе.
Если у головастика удалить тиреоидную ткань, то метаморфоз не начинается.
Животные растут, но остаются головастиками. Если же в воду, где они обитают,
добавить экстракт щитовидной железы, то головастики превращаются в лягушек.
Более того, если добавить экстракт в воду, где находятся юные головастики, у
которых еще нет собственных тиреоидных гормонов, то процесс метаморфоза
происходит. Из таких головастиков получаются маленькие лягушки, намного меньшие,
чем особи, претерпевшие метаморфоз в обычных условиях.
Есть существа, называемые аксолотлями. Это земноводные, которые, если можно
так выразиться, всю жизнь остаются головастиками. Эти животные обитают в
воде, дышат жабрами и сохраняют хвост. Единственное, чем они отличаются от
обычных головастиков, - это своей способностью к половому созреванию и
размножению. Совершенно очевидно, что эти создания исходно гипотиреоидны, но в
процессе эволюции они выжили и приспособились к своему жребию. Если же
аксолотлю ввести экстракт щитовидной железы, то животное претерпевает не
свойственный ему в природе метаморфоз. Вместо хвоста отрастают нижние конечности,
жабры замещаются легкими. Аксолотль выползает на сушу, навеки оторвавшись от
своего биологического вида8.
Аксолотль — личиночная форма некоторых видов амбистом, Земноводного из семейства амбисто-
мовых. Особенность аксолотля состоит в том, что он достигает половозрелости и становится
способным к размножению даже не превратившись во взрослую форму, не претерпев метаморфоза
Чувствительность амфибий к тиреоидному гормону так высока и специфична, что
их использовали для тестирования активности лекарственных экстрактов
щитовидной железы.
ТИРЕОТРОПНЫЙ ГОРМОН
Надо ожидать, что тиреоидиый гормон вырабатывается щитовидной железой в
соответствии с потребностью в нем организма. Когда интенсивность обмена веществ
возрастает, как, например, во время физической нагрузки, тиреоидный гормон
потребляется с повышенной скоростью, и, соответственно, организму требуются
большие его количества. Обратное верно, когда потребность в гормоне низка,
например во время ночного сна.
В случае инсулина регулятором выработки гормона является уровень глюкозы,
который меняет уровень инсулина в крови по механизму отрицательной обратной
связи. Но тиреоидный гормон не может предложить организму такой выбор. Во
всяком случае, мы не знаем такого химического соединения, на концентрацию
которого оказывал бы действие тиреоидный гормон, как не знаем мы соединения,
которое при изменении его концентрации в крови влияло бы на уровень
тиреоидного гормона.
Концентрация тиреоидного гормона в крови должна меняться сама по себе. Если
метаболизм повышается и увеличивается потребление гормона щитовидной железы,
то его концентрация в крови должна упасть. Если же метаболизм снижен, то
уровень гормона в крови должен, наоборот, повыситься. Может показаться, что
щитовидная железа сама реагирует на содержание своего гормона в протекающей
через железу крови. Но это, очевидно, опасный вариант регуляции. Поскольку
щитовидная железа сама вырабатывает гормон, то концентрация его в крови,
текущей в непосредственной близости от железы, будет выше, чем в других областях
тела, и железа получит неверную информацию о гормональном балансе
периферических областей. (Нечто похожее делают на некоторых фирмах начальники,
окружающие себя раболепными прихлебателями.)
Выход можно найти, если сделать регулятором вторую железу, - железу,
расположенную в другой области организма. И такая железа действительно существует.
Это маленький эндокринный орган, расположенный у основания головного мозга, -
гипофиз. По-латыни он называется питуитарной (то есть слизистой) железой. В
Средние века ученые считали, что, поскольку гипофиз находится непосредственно
над носовыми ходами, то он отвечает за образование слизи, вытекающей из носа.
Этот взгляд сохранял свою силу вплоть до начала XVII века.
Однако гипофиз, разумеется, не имеет никакого отношения к образованию
слизи. Секрет, который он продуцирует, поступает прямо в кровь. Греческое
название , прижившееся за последние пятьдесят лет, - гипофиз, то есть нижний вырост
мозга, является, по крайней мере, точно описательным.
У человека гипофиз представляет собой яйцевидное образование длиной около
полдюйма и весом около одного грамма. По размерам он не превосходит концевую
фалангу мизинца, но пусть это обстоятельство не вводит вас в заблуждение. В
каком-то смысле это самая главная железа в человеческом организме. Об этом
говорит даже местоположение железы - в самом центре головы, создается такое
впечатление, что природа решила спрятать ее в самое безопасное место. Тонкой
ножкой железа связана с головным мозгом, а основная ее часть расположена в
углублении костного основания черепа.
Гипофиз разделен на две части, которые (как и в случае с надпочечными
железами) функционально не связаны между собой. Они имеют даже разное происхожде-
(явление, называемое неотенией). У этих личинок хорошо развита щитовидная железа, но их
ткани обычно не реагируют на её индуцирующий метаморфоз гормон. - Прим. ред.
ние. Задняя доля гипофиза происходит из вещества основания головного мозга, и
именно задняя доля связана с мозгом тонкой ножкой. Передняя часть, или
передняя доля, в эмбриональном развитии происходит из тяжа клеток, отшнурованных
от одного из жаберных карманов. Передняя доля в ходе внутриутробного развития
теряет связь с глоткой и постепенно сближается с задней долей, с которой
входит в тесное соприкосновение. Объединение двух долей, таким образом,
происходит чисто случайно. (У некоторых видов есть еще промежуточная доля гипофиза,
но у человека она практически отсутствует.) Обе доли гипофиза вырабатывают
полипептидные гормоны. В передней доле гипофиза образуются шесть гормонов,
которые были выделены в чистом или почти чистом виде. Всю эту группу называют
гормонами передней доли гипофиза. (Предполагают, что в ней образуются еще
несколько гормонов.)
Один из шести гормоном передней доли гипофиза стимулирует деятельность
щитовидной железы. Это очень легко показать в эксперименте, так как удаление
гипофиза, среди прочих нежелательных эффектов, приводит к атрофии щитовидной
железы. Ту же картину мы наблюдаем у людей при заболевании, называемом гипо-
питуитаризмом, когда выработка гормонов гипофиза уменьшается ниже уровня,
необходимого для поддержания нормального Здоровья. Симптомы этого заболевания
(весьма удручающие, потому что болезнь, как правило, поражает молодых женщин
и приводит к раннему старению) были описаны германским врачом Моррисом Сим-
мондсом, в честь которого и само нарушение носит название болезни Симмондса.
У медали есть и положительная сторона. Введение экстрактов гипофиза
животным приводит к увеличению веса и повышению активности щитовидной железы.
Разумно в связи с этим предположить, что, по меньшей мере, один из гормонов
передней доли гипофиза отвечает за функцию щитовидной железы. Этот гормон был
выделен, и его назвали тиреотропным гормоном, что по-гречески означает
«питающий щитовидную железу». (По смыслу здесь следует употреблять термин «ти-
реотрофный», поскольку «тропный» означает «вращающий», что в данной ситуации
не имеет смысла. По несчастью, звучание обоих слов сходно, а биохимики мало
беспокоятся по поводу правильного употребления греческих слов. Термин «тирео-
Ь
Иллюстрапня:
вил нормального гипофиза
тропный» уже получил широкое распространение и, видимо, будет употребляться
еще шире.)
Два гормона уже могут вступать между собой в реципрокные отношения по
механизму отрицательной обратной связи. Снижение концентрации тиреоидного гормона
в крови стимулирует повышение выработки ТТГ, а повышение концентрации
тиреоидного гормона угнетает секрецию ТТГ. Напротив, повышение секреции ТТГ
стимулирует выработку тиреоидного гормона, а снижение концентрации ТТГ угнетает
деятельность щитовидной железы, секретирующей тиреоидный гормон.
Предположим, что в результате усиления обмена веществ увеличилось
потребление тиреоидного гормона, и уровень его в крови снизился. Когда кровь
протекает через переднюю долю гипофиза, снижение уровня тиреоидного гормона
стимулирует секрецию дополнительного количества ТТГ, и его концентрация в крови
возрастает . Когда кровь протекает через щитовидную железу, повышенный уровень
ТТГ стимулирует выработку дополнительного количества тиреоидного гормона, что
позволяет удовлетворить потребности организма в условиях повышенного обмена
веществ.
Если же в этих условиях тиреоидного гормона окажется больше, чем нужно
организму, то его уровень в крови повысится. Избыток тиреоидного гормона
угнетающе подействует на выработку ТТГ, и его секреция снизится, что, в свою
очередь, снизит продукцию тиреоидного гормона. В результате отрегулированной
совместной деятельности двух желез уровень тиреоидного гормона поддерживается
на относительно стабильном уровне, несмотря на меняющиеся потребности в
гормоне .
Работа «тиреоидно-гипофизарной оси» может, естественно, давать сбой. Даже
тот простой факт, что в регуляцию вовлечена вторая железа, означает, что в
этой связке есть еще одно звено, которое может выйти из строя. Например,
может случиться так, что гипертиреоз разовьется не от нарушений в самой
щитовидной железе, а от заболевания гипофиза. В результате такого заболевания
продукция ТТГ может оказаться патологически высокой. Избыток ТТГ, в свою
очередь, стимулирует щитовидную железу к повышенной выработке ненужного и даже
вредного количества тиреоидного гормона. (Передняя доля гипофиза является
железой, регулирующей по описанному механизму деятельностью еще нескольких
желез внутренней секреции. Можно сказать, что гипофиз - это железа-дирижер
организма .)
ТТГ пока не выделен в чистом виде, поэтому информация о нем является
неполной. Считают, что его молекулярный вес приблизительно равен 10 ООО, что
позволяет утверждать, что его полипептидная цепь состоит примерно из 100
аминокислотных остатков. Однако есть данные о том, что исходная молекула может
расщепляться на более мелкие фрагменты без утраты биологической активности.
Способность сохранять активность при расщеплении на мелкие участки показана и
для некоторых других гормонов, хотя это правило, как представляется, не
распространяется на инсулин.
ПАРАТИРЕОИДНЫЙ ГОРМОН
Позади щитовидной железы расположены четыре уплощенных участка розоватой
или красноватой ткани размером около трети дюйма каждый. Два участка
расположены справа от трахеи, два - слева. Эти участки расположены попарно у
верхушки и у основания щитовидной железы. Эти мелкие образования называются параши-
товидными железами, то есть железами, расположенными возле щитовидной железы.
Паращитовидные железы были впервые найдены у носорогов в середине XIX века,
и в течение нескольких десятилетий не привлекали внимания ученых. Если врачи
и анатомы и вспоминали о них, то считали их частью щитовидной железы. Однако
все чаще повторялись случаи, когда во время частичного или полного хирургиче-
ского удаления щитовидной железы случайно удаляли и эти участки ткани. Такая
досадная неосторожность имела драматические последствия. Удаление щитовидной
железы в ряде случаев приводило к развитию тяжелой микседемы, но больные, по
крайней мере, оставались живы. Напротив, удаление паращитовидных желез
приводило к скорой смерти, которая следовала за периодом мучительных мышечных
судорог. Удаление паращитовидных желез у экспериментальных животных, которые
более чувствительны к нему, чем люди, вызывало состояние судорожного
сокращения мышц, или тетании - от греческого слова «судорога». Это состояние
напоминало заболевание, развивающееся при низком содержании в крови иона кальция.
Некоторые атомы или группы атомов склонны терять один или несколько
электронов , составляющих их электронную оболочку. Или, напротив, некоторые атомы или
группы атомов склонны захватывать электроны и присоединять их к своей
исходной электронной оболочке. Поскольку электроны несут отрицательный заряд,
постольку атомы, которые их теряют, приобретают положительный заряд, а те,
которые захватывают электроны, приобретают отрицательный заряд. Заряженные
атомы можно заставить двигаться в электрическом поле, почему они и получили
название «ионы», от греческого слова «ион», что значит «путник». Свойства ионов
кардинально отличаются от свойств незаряженных атомов. Так, атомы кальция
образуют активный металл, который в чистом виде может оказать вредное влияние
на живые ткани, в то время как действие ионов намного мягче, и они являются
необходимыми составными частями тканей. Ионы кальция не обладают
металлическими свойствами, они относятся к классу веществ, которые называются солями.
Разница в свойствах отражается и в химической символике. Атомы обыкновенного
кальция обозначаются символом Са, а ионы кальция, несущие двойной
отрицательный заряд, обозначаются символом Са++. При этом было обнаружено, что уровень
ионов кальция действительно снижается крови у животных с удаленными паращито-
видными железами. По мере развития тетании состояние животного ухудшалось, и
вскоре наступала смерть либо от полного истощения, либо от спазма мышц
гортани. Животное душило себя и погибало от асфиксии (удушья). К 20-м годам XX
века хирурги стали очень аккуратно удалять щитовидную железу и старались при
этом не задеть паращитовидные железы.
Как выяснилось, паратиреоидный гормон играет в обмене кальция такую же
роль, как глюкагон в обмене глюкозы. Глюкагон мобилизует запасы гликогена в
печени, стимулирует его расщепление на молекулы глюкозы, которая поступает в
кровь, а паратиреоидный гормон мобилизует запасы кальция в костях,
стимулирует ионизацию кальция, который в таком виде поступает в кровеносное русло.
В крови содержится 9-11 миллиграмм-процентов ионов кальция. Ион кальция
жизненно необходим для осуществления процесса свертывании крови и для
нормального функционирования нервов и мышц. Для того чтобы нормально
поддерживать эти функции, содержание ионов кальция должно изменяться в довольно узких
пределах. Если концентрация ионов кальция оказывается либо слишком высокой,
либо слишком низкой, то расстраивается весь ионный баланс организма, нервы и
мышцы перестают работать, и организм умирает. Чтобы этого не случилось,
необходима правильная работа паращитовидных желез. Таким образом, общее
содержание ионов кальция в крови составляет около 250 мг, в то время как в костях
скелета его содержание приближается к 3 кг. Это означает, что в костях
кальция содержится приблизительно в 12 ООО раз больше, чем в крови, то есть
скелет является практически неисчерпаемым резервуаром запасного кальция. Значит,
небольшого количества кальция, удаленного из костей, - столь малого, что это
не скажется на прочности скелета, - хватит на то, чтобы надолго обеспечить
достаточный уровень содержания ионов кальция в крови.
Под действием паратиреоидного гормона активируются клетки, ответственные за
растворение костной ткани. Кость начинает рассасываться с несколько большей
скоростью, и освобожденные ионы кальция начинают поступать в кровеносное рус-
ло. Как только это происходит, в кровь тотчас начинает поступать ион фосфата,
который связан с ионом кальция в костях. Ни один из этих ионов не может быть
высвобожден без другого. Фосфат не задерживается и крови, а выводится из
организма с мочой. Возможно, что паратиреоидный гормон одновременно стимулирует
выведение фосфатов с мочой.
Скорость секреции паратиреоидного гормона контролируется уровнем кальция в
крови, так же как секреция инсулина находится под контролем уровня глюкозы
крови. Так, если в пищевом рационе содержится мало кальция и существует
угроза снижения концентрации иона кальция в крови, то в игру вступает паратирео-
идный гормон, который стимулирует рассасывание костной ткани. Если содержание
кальция в пищевом рационе нормальное, то увеличение концентрации кальция в
крови подавляет секрецию паратиреоидного гормона и рассасывание костей
приостанавливается. В 1963 году в научной печати появилось сообщение о том, что
паращитовидная железа продуцирует еще один гормон, кальцитонин, эффект
которого противоположен действию паратиреоидного гормона, так же как эффект
инсулина противоположен действию глюкагона. Кальцитонин снижает уровень иона
кальция в крови. Кроме того, происходят другие процессы (в которых участвует
витамин D, но это уже другая история), которые восстанавливают утраченную
костную ткань. Весь избыток кальция при этим выводится с мочой.
В некоторых случаях паращитовидные железы продолжают активно
функционировать, несмотря на высокий уровень иона кальция в крови. Это происходит,
например, при опухолях паращитовидных желез, когда ее клетки бесконтрольно
продуцируют гормон. Такое состояние называется гиперпаратирсозом. В этих случаях
бесконтрольно происходит и разрушение костей, поскольку под действием гормона
происходит постоянное поступление кальция в кровь из костных депо, и избыток
кальция для выживания организма безвозвратно теряется, выводясь с мочой. Со
временем кости размягчаются настолько, что начинают ломаться от
незначительных нагрузок. Такие «беспричинные» переломы часто бывают первыми симптомами
развившегося заболевания, на которые обращают внимание больные и врачи.
В 1960 году паратиреоидный гормон был выделен в чистом виде. Это небольшая
белковая молекула весом около 9500, цепь которого состоим из 83
аминокислотных остатков. Молекулу можно расщепить на более мелкие фрагменты, и один из
них, состоящий из 33 аминокислотных остатков полностью имитирует действие
целого гормона. Зачем же тогда нужны еще 50 аминокислот? Проще всего
предположить, что остальные 50 аминокислотных остатков служат для повышения
устойчивости всей молекулы. (По аналогии можно сказать, что в ноже важно только
лезвие, потому что оно режет, но для того, чтобы ножом можно было пользоваться,
необходима и рукоятка.)
Точный порядок расположения аминокислотных остатков в молекуле
паратиреоидного гормона пока не выяснен.
ГОРМОНЫ ЗАДНЕЙ ДОЛИ ГИПОФИЗА
Теперь, разобравшись с механизмами действия гормонов, которые (как инсулин
и глюкагон) поддерживают на стабильном уровне концентрации органических
веществ (глюкозы) в крови, и гормонов, которые (как паратиреоидный гормон)
поддерживают на стабильном уровне концентрации неорганических веществ (ионы
кальция) в крови, нам стоит рассмотреть гормон, поддерживающий стабильный
уровень концентрации в крови воды, в которой растворены органические и
неорганические вещества. Вода поступает в организм и выводится из него различными
путями. Мы принимаем воду внутрь, когда едим пищу и когда пьем жидкости
(часто саму воду). Теряем же мы воду с потом, выдыхаем в виде водяного пара,
выводим с фекалиями и мочой. В зависимости от условий потери воды могут
становиться то больше, то меньше. Наибольшее количество воды при повышении темпе-
ратуры окружающей среды и при интенсивной физической нагрузке мы теряем с
потом. Чтобы восполнить эти потери, мы выпиваем дополнительное количество воды.
Таков грубый контроль. Есть еще и тонкий контроль, который позволяет
организму постоянно контролировать в узких пределах небольшие колебания и
изменения водных потерь. Не будь этого тонкого механизма, мы были бы рабски
привязаны к водопроводному крану. Тонкую регуляцию водных потерь осуществляют
почки. Кровь, проходя через почки, фильтруется. Отходы и вредные вещества
покидают кровеносное русло и переходят в почечные канальцы. «Переходят» - это
весьма слабое выражение, отходы вымываются в канальцы таким количеством воды,
какое мы не можем позволить себе потерять. Мы и не теряем ее. Когда фильтрат
попадает в канальцы, большая часть воды всасывается обратно, говоря научным
языком, реабсорбируется. В результате в мочевой пузырь вливается относительно
немного воды. Если организму не хватает воды, то обратное ее всасывание
достигает максимума, моча становится скудной, концентрированной и темной. (У
некоторых животных, обитателей пустынь, механизм сохранения воды развит до
такой степени, что они выделяют мочу в совершенно ничтожных количествах. Люди,
к сожалению, лишены такого таланта.) Если же, напротив, мы выпиваем больше
воды, чем требуется организму, то обратное всасывание воды в канальцах
подавляется в необходимой степени, и моча становится разведенной, обильной и
светлой .
В начале 40-х годов было обнаружено, эта способность контролировать
обратное всасывание воды в канальцах для сохранения необходимого организму
количества воды определяется гормоном. Экстракты задней доли гипофиза, как
выяснилось, сильно воздействуют на степень обратного всасывания воды. Эти
экстракты, известные под собирательным названием «питуитрин», усиливали обратное
всасывание моды и, следовательно, уменьшали количество выводимой мочи. Любой
фактор, который увеличивает количество мочи, называется диуретическим
(«мочегонный», греч.). Экстракт задней доли гипофиза, который оказывал
противоположный эффект, по-видимому, содержал антидиуретический гормон, который
обозначили аббревиатурой АДГ.
Кроме того, оказалось, что питуитрин обладает еще двумя важными свойствами.
Он повышает артериальное давление, потому что вызывает сужение кровеносных
сосудов. Такое действие назвали вазопрессорным (по-латыни это означает
«сжимающий сосуды»). Но это еще не все. Питуитрин вызывает сокращение мускулатуры
беременной матки, когда настает время вытолкнуть на свет божий созревший
плод. Это действие назвали окситоцинным («быстрые роды», греч.).
Действительно, препараты питуитрина оказались полезными в тех случаях, когда необходимо
по медицинским показаниям усилить сокращения маточной мускулатуры, например
для стимуляции родовой деятельности. Питуитрин также вызывает сокращение
мышечных волокон, окружающих сосок, стимулируя выделение молока. Стимуляция же
выработки питуитрина происходит, когда младенец начинает сосать грудь матери.
Американскому биохимику Винсенту дю Виньо с коллегами удалось выделить из
задней доли гипофиза два чистых вещества. Одно из них обладало выраженным
сосудосуживающим действием, и было названо вазопрессином, а другое, вызывающее
сокращение маточной мускулатуры, - окситоцином. Искать третий гормон,
оказывавший антидиуретическое действие, не пришлось, потому что им сполна обладает
вазопрессин. К середине 50-х годов термин «антидиуретический гормон» исчез из
медицинского словаря, его вытеснил вполне достаточный термин «вазопрессин».
Дю Виньо открыл, что окситоцин и вазопрессин являются необычно мелкими
пептидами с молекулярным весом чуть больше 1000. Было не трудно проанализировать
их с помощью метода, разработанного Сэнджером. Дю Виньо нашел, что оба
гормона состояли не более чем из восьми аминокислотных остатков. Был найден и
порядок их расположения в молекулах.
Структурная формула окситоцина.
Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly
Структурная формула вазопрессина.
Как вы видите, строение этих пептидов весьма сходно. Они отличаются между
собой двумя аминокислотными остатками из восьми. Тем не менее, этого
достаточно, чтобы их свойства были совершенно различны, и чтобы показать, какое
значение для функции гормонов имеют даже такие минимальные изменения боковых
цепей.
Дю Вииьо, определив структуру этих двух гормонов, сделал еще один шаг
вперед. Он синтезировал полипептиды, расположив аминокислотные остатки в
порядке, выявленном при анализе. В 1955 году он представил синтезированные
молекулы, обладавшие полными свойствами окситоцина, вазопрессина и
антидиуретического гормона. Таким образом, дю Виньо стал первым ученым, сумевшим
синтезировать белок (хотя и очень маленький), обладавший естественной биологической
активностью. За это достижение он в том же году был удостоен Нобелевской
премии по химии.
Иногда случается так, что у какого-то индивида вазопрессин не синтезируется
в достаточных количествах. Когда это происходит, вода перестает должным обра-
зом всасываться в канальцах и количество мочи резко увеличивается. В
некоторых особенно тяжелых случаях, когда вода вообще перестает всасываться в
канальцах, ее потери могут составить от 20 до 30 кварт в сутки. Чтобы
восполнить такую потерю, больному приходится выпивать такие же гигантские
количества воды. Эта болезнь, проявляющаяся прохождением через почки такого объема
воды, вполне заслуживает названия «диабет».
Так как количество шлаков, выводимых с мочи не увеличивается, то они просто
распределяются в огромном объеме мочи, и она у этих больных прозрачна
настолько, что по составу мало отличает от водопроводной воды. В отличие от
нормальной мочи, такая моча лишена запаха и янтарного цвета. В отличие же от
переполненной сахаром мочи больного сахарным диабетом, она лишена и всякого
вкуса. Поэтому заболевание, обусловленное недостаточностью задней доли
гипофиза и сниженной выработкой вазопрессина, назвали несахарным диабетом. На
латинском языке это заболевание называется diabetes insipidus (insipidus означ.
«безвкусный»).
ГЛАВА 4. КОРА НАДПОЧЕЧНИКОВ
ХОЛЕСТЕРИН
Все гормоны, которые мы обсуждали до сих пор, являются производными
аминокислот . Молекулы тироксина, адреналина и гистамина суть не что иное, как
химические модификации тирозина для первых двух гормонов и гистидина для
последнего . Другие гормоны представляют собой цепи аминокислотных остатков -
пептиды, содержащие от восьми до сотни таких остатков. Есть, однако, гормоны,
не похожие по своему строению на аминокислоты. Их история начинается с весьма
болезненного и вовсе не романтического состояния - желчно-каменной болезни.
В 1814 году химики получили из желчных камней белое, жироподобное, похожее
на замазку вещество, получившее название холестерин (от греческих слов «холе»
- желчь и «стерон» - твердый, то есть «твердая желчь»). Название было вполне
логичным, так как камни выпадают из желчи, и, следовательно, их можно
рассматривать как отвердевшую желчь. В течение ста лет химики безуспешно
пытались установить строение молекулы холестерина. Единственное, что удалось
установить после нескольких десятилетий бесплодных усилий - это то, что в
молекуле присутствует гидроксильная группа -ОН. Эта функциональная группа
характерна для спиртов - алкоголей. К концу XIX века химики договорились
обозначать спирты терминами с суффиксом -ол. По этой причине холестерин был
переименован в холестерол, а весь класс соединений, к которому он относится, было
решено именовать стеролами. Со временем было обнаружено, что многие
соединения, родственные холестеролу, не имеют в своем составе гидроксильную группу
и, следовательно, не могут иметь и суффикс -ол в названии. В 30-х годах для
обозначения этого класса соединений был предложен более общий термин -
стероиды (подобные стеролу).
К этому времени химикам, наконец, удалось расшифровать структуру молекулы
холестерола. Как выяснилось, его молекула состоит из 27 атомов углерода, 4 6
атомов водорода и всего 1 атома кислорода. 17 атомов углерода образуют
структуру из четырех колец, соединенных между собой следующим образом.
Атомы углерода образуют три шестичленных кольца и одно пятичленное,
соединенные между собой как показано на рисунке. В каждом углу находится один атом
углерода. Линии представляют собой связи, соединяющие углеродные атомы.
Кольца обозначают буквами от А до D, а углы пронумерованы от 1 до 17. Это
обозначение было принято всеми химиками мира, а сама структура получила название
стероидного ядра.
/
■16
нет3
4
б
Структурная формула холестерола.
Каждый атом углерода обладает четырьмя валентностями, с помощью которых он
может образовать четыре связи с другими атомами. Например, атом углерода в
положении 2 уже использовал две свои валентности для соединения с атомами
углерода 1 и 3. У второго атома остаются еще две свободные валентности, с
помощью которых он может присоединить два атома водорода. В таких схематических
формулах, какие я использую в этой главе, для простоты и удобства не
обозначают атомы водорода. Поэтому в тех местах, где вы видите незанятые
валентности углерода, как, например, в случае углерода-2, находятся именно атомы
водорода . (Атом водорода во всех соединениях проявляет валентность, равную 1.
Что же касается углерода в положении 10, то он использует три из своих
валентностей для связи с тремя атомами углерода - 1, 5 и 9. В распоряжении уг-
лерода-10, таким образом, остается одна незанятая валентность, то есть этот
атом может образовать еще одну и только одну связь.
Иногда атом углерода соединяется с соседним атомом углерода, используя две
валентности. В таких случаях речь идет о двойной связи. Предположим, что
двойная связь существует между углеродами в положениях 5 и 6. В этом случае
углерод-5 соединен двумя связями с углеродом-6, третьей связью с углеродом-
10, а четвертой - с углеродом-4. Все валентности оказываются занятыми.
Но вернемся к холестеролу. Из его 27 атомов углерода 17 образуют стероидное
ядро. Остаются еще 10. Из них один присоединен к единственной свободной связи
углерода-10, а один к единственной свободной связи углерода-13. Последние
восемь атомов образуют цепь (детальной структурой которой мы не станем
заниматься) , присоединенную к углероду-17. Кроме того, атомы углеродов в
положениях 5 и 6 соединены между собой двойной связью.
А где же одинокий атом кислорода? Он присоединен к углероду-3. Атом
кислорода двухвалентен и, следовательно, может образовывать две связи. Одна
израсходована на соединение с углеродом-13, а вторая соединяет кислород с атомом
водорода. При этом образуется гидроксильная группа -ОН, характерная для
спиртов . Теперь мы можем представить целиком структурную формулу молекулы
холестерола .
Мы так подробно разбирались со строением холестерола по двум причинам. Во-
первых, это очень важное соединение само по себе. Во-вторых, его молекула
является родоначальницей других, не менее важных, молекул. О важности
холестерола можно судить по одному простому факту - в организме его очень много. В
организме человека весом 70 кг содержится приблизительно 230 г этого вещест-
ва. Добрая толика этого количества находится в нервной системе (еще одна
причина подробно остановиться на холестероле). Около 3% веса головного мозга
приходится на холестерол. Учитывая, что головной мозг на 80% состоит из воды,
мы можем смело утверждать, что холестерол составляет 15% или 1/6 часть сухого
веса мозга.
Но и в других частях организма холестерола тоже достаточно много. Желчь,
которую секретирует печень, содержит 2,5-3% растворенных веществ, 1/20
которых составляет опять-таки холестерол. В желчном пузыре, где желчь хранится
некоторое время, она концентрируется, и содержание холестерола в ней,
соответственно, увеличивается. Нельзя сказать, что его там очень много. Как уже
было сказано, концентрация холестерола в желчи составляет около 0,1%, но
иногда он сможет стать причиной серьезных неприятностей со здоровьем. Раствор
холестерола в такой концентрации является для него почти насыщенным, так как
это соединение не слишком хорошо растворяется в жидкостях организма. Не так
уж редко в желчи выпадают в осадок кристаллы холестерола. Иногда эти
кристаллы образуют конгломераты - желчные камни, которые могут блокировать желчный
проток, по которому желчь в норме поступает в тонкую кишку. Именно такая
блокада желчевыводящих путей является причиной болей в животе, столь хорошо
знакомых людям, страдающим желчно-каменной болезнью.
Холестерол по весу составляет около 0,65% всех веществ, растворенных в
крови. Этого тоже достаточно для возникновения некоторых заболеваний. Холестерол
имеет склонность выпадать в виде кристаллов на внутренней поверхности
артерий, суживая их просвет и нарушая гладкость стенок. В результате развивается
атеросклероз - убийца номер один в Соединенных Штатах. При этом атеросклероз
чаще убивает мужчин, нежели женщин.
Холестерол плохо растворяется в воде, но зато прекрасно растворяется в
жирах, поэтому его очень много в пищевом жире. Животные жиры гораздо богаче хо-
лестеролом, чем растительные. Кроме того, есть доказательства того, что
организм человека лучше усваивает и перерабатывает холестерол, если в пищевом
рационе содержатся жиры, в молекулах которых присутствуют несколько двойных
связей между атомами углерода. Эти соединения называются полиненасыщенными
жирами и по большей части содержатся в растительных жирах. В животных жирах
их значительно меньше. По этой причине в последние годы в пищевых
пристрастиях американцев произошел резкий сдвиг. Люди переключились с животных жиров на
растительные.
Тем не менее, осознание опасности атеросклероза не должно ввести нас в
заблуждение и заставить думать о холестероле только как об источнике всяческих
опасностей и болезней. В действительности он просто необходим для нормальной
жизнедеятельности. Холестерол - универсальная составляющая всех живых тканей.
Без него не может обойтись ни одна клетка. Удручает тот факт, что биохимики
пока имеют довольно смутное представление о том, что именно делает холестерол
в живых тканях.
ДРУГИЕ СТЕРОИДЫ
В организме существуют и другие стероиды, которые могут либо
синтезироваться из холестерола, либо образовываться одновременно с ним в ходе похожих
химических реакций. Например, желчь содержит стероиды, называемые желчными
кислотами. Концентрация их в желчи в 7-8 раз превышает концентрацию
холестерола. (В отличие от последнего, желчные кислоты не приводят к заболеваниям, так
как хорошо растворяются в воде и не выпадают в виде камней в осадок.)
Молекулы желчных кислот отличаются от холестерола главным образом тем, что
в ней от восьмиуглеродной цепи, присоединенной к 17-углеродному атому
холестерола , от пятого ее атома, отщепляется трехуглеродный фрагмент, а сам пятый
атом углерода становится частью карбоксильной группы (-СООН). Именно этой
группе и обязаны желчные кислоты своим названием.
К классу желчных кислот относятся несколько соединений. Одно из них,
подобно холестеролу, содержит гидроксильную группу у третьей) углеродного атома. У
другой желчной кислоты в молекуле есть еще одна гидроксильная группа,
присоединенная к углероду-12, а у еще одной имеется и третий гидроксил у седьмого
атома углерода. Через карбоксильные группы желчные кислоты могут связываться
с аминокислотой глицином или серосодержащим веществом таурином. Эти новые
вещества образуют новый класс соединений, которые называются желчными солями.
Желчные соли обладают одним весьма интересным свойством. Большая часть их
молекулы растворима в жирах, а карбоксильная группа и связанные с ней
соединения растворимы в воде. Таким образом, соли желчных кислот имеют склонность
собираться на границе водной и жировой фаз, причем жирорастворимая часть
погружена в жир, а водорастворимая - в воду.
На границе раздела фаз накапливается энергия, которая силой поверхностного
натяжения стремится сократить площадь соприкосновения фаз до минимума.
Энергия поверхностного натяжения больше чем энергия, накопленная в какой-то
одной, отдельно взятой жидкости организма. Поэтому на границе раздела фаз вода
и масло (жир) распределяются в виде тонкой пленки. Если энергично встряхнуть
смесь, то либо пузырьки масла появятся в воде, либо пузырьки воды в масле.
Энергия встряхивания перейдет в энергию образования новых границ раздела фаз.
После прекращения встряхивания силы поверхностного натяжения вновь приведут к
образованию тонкой пленки на границе раздела фаз.
Присутствие солей желчных кислот, однако, уменьшает энергию, накопленную в
месте раздела фаз, и уменьшает поверхностное натяжение. Это означает, что
поверхность соприкосновения фаз может быть легко расширена. Пища измельчается
под действием перистальтических сокращений тонкой кишки, и кусочки жира легко
разбиваются на мелкие пузырьки, а те, в свою очередь, на еще более мелкие.
(Чем меньше диаметр пузырьков, тем больше площадь соприкосновения жира и воды
для данного веса жира.) Более того, образовавшиеся пузырьки не имеют
склонности распадаться, так как соли желчных кислот проникают во все вновь
формирующиеся пленки разделы фаз, попадая в «оболочку» каждого пузырька.
Микроскопические пузырьки жира расщепляются пищеварительными ферментами гораздо
быстрее, чем крупные куски жира, потому что ферменты не растворяются в жирах и
могут осуществлять свое действие только на их поверхности.
Весьма радикальные изменения в строении стероидов часто происходят под
воздействием ультрафиолетового излучения. Разрывается связь между 9-м и 10-м
атомами углерода, и кольцо раскрывается. Строго говоря, образовавшееся
вещество по своему строению не является больше стероидом, поскольку перестало
существовать стероидное ядро. Однако молекула сохраняет химическое родство со
стероидами и обычно рассматривается как член группы этих соединений.
Многие из таких «расщепленных стероидов обладают биологической активностью
витамина D. Это означает, что они каким-то образом сохраняют нормальное
строение костной ткани. Действительно, нормальное формирование костей
невозможно без витамина D. Правда, расщепленный стероид, образовавшийся
непосредственно из холестерола не обладает свойствами витамина. Тем не менее, холе-
стерол всегда встречается в организме в близком соседстве с небольшим
количеством очень похожего на него стерола, который отличается от самого
холестерола тем, что имеет еще одну двойную связь между седьмым и восьмым атомами
углерода. Именно это соединение, будучи расщепленный ультрафиолетовыми лучами,
обладает свойствам витамина D. В слоях подкожного жира находятся как холесте-
рол, так и его спутник с двумя двойными связями. Ультрафиолетовое излучение
проникает под кожу и, воздействуя на стерол, преобразует его в витамин. По
этой причине витамин D называют витамином солнечного света, что не означает,
что этот (или любой другой витамин) сам является солнечным светом.
Если бы витамин D образовывался в организме или если бы он секретировалея в
кровь каким-либо специализированным органом, то его с полным нравом можно
было бы назвать гормоном. Его можно было бы даже считать гормоном, который,
подобно недавно открытому кальцитонину, противодействует эффектам паратиреоид-
ного гормона, усиливая отложение неорганических веществ в костной ткани
(паратиреоидный гормон способствует вымыванию кальция из костей), так же как
глюкагон противодействует проявлению эффектов инсулина. Но поскольку организм
не продуцирует витамин D прямо, но только под действием солнечного света, а
при отсутствии инсоляции должен получать с пищей следовые количества этого
вещества, то его назвали витамином.
Некоторое количество стероидов, которые не образуются в человеческом
организме , обнаруживаются в тканях представителей других биологических видов. Эти
стероиды почти всегда оказывают сильное воздействие на физиологические
функции человеческого организма, если их ввести даже в малых количествах. Такие
стероиды содержатся, например, в семенах и листьях пурпурной наперстянки.
Пурпурные цветки выглядят как наперстки, откуда растение и получило свое
название. По-латыни это растение называется Digitalis purpurea (от латинского
слова digitus - «палец», на который, естественно, надевают наперсток).
Стероиды наперстянки похожи по строению на желчные кислоты. Есть, правда, и
отличие . Карбоксильная группа боковой цепи образует связь с другой частью этой
цепи с формированием пятого кольца, не являющегося частью стероидного ядра.
Этот пептациклический стероид, вступая в связь с некоторыми сахарами,
образует вещества, называемые гликозидами («сахароподобные», греч.). Эти соединения
используются для лечения некоторых заболеваний сердца и называются, поэтому,
сердечными гликозидами.
В адекватных дозах сердечные гликозиды полезны и иногда могут даже спасти
человеку жизнь, но в больших дозах они яды, и могут даже послужить причиной
смерти.
Стероиды, похожие на стероиды сердечных гликозидов, обнаружены в слюнных
железах жабы. Эти гликозиды называют жабным ядом. Есть группа стероидов,
обнаруженных в растениях. Эти стероиды называются сапонинами (sapo - «мыло»,
лат.), так как образуют в воде мыльные растворы. Эти гликозиды тоже ядовиты.
Но почему стероиды оказывают такое выраженное воздействие на физиологические
функции и таких малых дозах? Потому что многие из них, подобно солям желчных
кислот, действуют на границе раздела фаз. Очень многие физиологические
эффекты зависят от процессов, происходящих на границе раздела. Изменяя природу
поверхностей, стероиды изменяют поведение веществ и их физиологические эффекты.
Для живых тканей самой важной границей раздела фаз является граница между
клеткой и окружающей средой. Клетка заключена в очень тонкую мембрану. Они
так тонки, что только в 50-х годах, с помощью лучших на тот момент
электронных микроскопов, удалось приступить к изучению клеточных мембран. Оказалось,
что мембрана состоит из двойного слоя содержащих фосфор жироподобных молекул
(фосфолипидов), а этот слой с обеих сторон покрыт слоем белковых молекул.
Именно через этот тонкий слой вещества поступают в клетку и покидают ее. Вход
и выход веществ может осуществляться через поры, либо существующие в
мембране , либо образующиеся заново в процессе перехода. Но транспорт веществ через
клеточную мембрану, каким бы ни был его механизм, не может быть чисто
пассивным процессом. Некоторые атомы и молекулы могут проходить сквозь мембрану с
большей легкостью и быстрее, чем другие атомы и молекулы таких же размеров. В
такой избирательности большую роль может играть тот факт, что мембраны
построены из фосфолипидов и белков. Фосфолипиды хорошо растворимы в жирах, а
белки - в воде. Возможно, что способ, которым какое-либо вещество может (или,
наоборот, не может) проникнуть через мембрану, зависит от его относительной
растворимости в жирах и в воде.
В главе 1 я упомянул теорию, согласно которой гормоны проявляют свое
действие, изменяя проницаемость мембраны для перехода сквозь нее определенных
веществ . Можно представить себе пептидную молекулу, которая, распластавшись по
поверхности мембраны, так изменяет ее свойства, что она начинает активно
пропускать в клетку глюкозу, скорость поступления которой внутрь клетки,
естественно , при этом возрастает, что, в свою очередь, приводит к снижению
концентрации глюкозы в крови. (В этом, как вы помните, и заключается эффект
действия инсулина.) Представляется вполне разумным предположить, что если белковые
молекулы изменяют свойства водо-растворимой части мембраны, то есть ее
белковой части, то стероиды, являясь жирорастворимыми молекулами, могут изменять
строение фосфолипидной части мембраны. Возможно, именно таким способом
витамин D изменяет строение фосфолипидной части мембран костных клеток, и
последние начинают с большой скоростью пропускать внутрь себя ионы кальция. Таким
же образом можно объяснить и механизм действия других стероидов, которые не
только выполняют гормонально подобные функции, как витамин D, но и
действительно являются гормонами, поскольку секретируются в кровь
специализированными эндокринными железами.
Действительно, гормоны распадаются на два и только два класса. Они либо
являются по природе белками или аминокислотами и предположительно влияют на во-
до-растворимую часть клеточной мембраны, либо они являются стероидами и
предположительно влияют на жирорастворимую часть клеточной мембраны.
КОРТИКОИДЫ
Одной из желез, вырабатывающих стероидные гормоны, является кора
надпочечников .
Важная роль, которую играет в организме кора надпочечников, была впервые
осознана в 1855 году, когда английский врач Томас Аддисон подробно описал
клиническую симптоматику поражения этого органа (иногда надпочечники
поражаются при туберкулезе). Основным симптомом было нарушение пигментации кожи,
которая неравномерно окрашивается в бронзовый, с сероватым оттенком цвет,
вследствие повышенной выработки кожного пигмента меланина. Характерны также
анемия, мышечная слабость и нарушения функции желудочно-кишечного тракта.
Современные методы исследований добавили к этой картине нарушения распределения
воды в организме, концентрации глюкозы и различных неорганических ионов в
крови, Так, в крови падает концентрация иона натрия, вследствие его
повышенного выведения с мочой, и повышается концентрация иона калия, который в
больших количествах выходит из клеток. Болезнь неуклонно прогрессирует и
неизбежно приводит к смерти, которая наступает через два-три года после начала
болезни, если не начать лечения. Поскольку эту болезнь, возникающую от
недостаточности коры надпочечников, впервые тщательно описал Аддисон, то ее с тех
пор называют болезнью Аддисона.
Сомнения, касающиеся жизненной необходимости коры надпочечников для
нормальной жизнедеятельности организма, были развеяны опытами на животных.
Животные , которым удаляли кору надпочечников, начинали страдать нарушениями,
характерными для тяжело протекающей болезни Аддисона, и погибали в течение
двух недель.
В 1929 году были разработаны методы приготовления экстрактов из коры
надпочечников , которые позволяли продлить жизнь адреналэктомированных животных
(животных, которым удалили надпочечники). К тому времени биохимики накопили
достаточный опыт работы с гормонами и были уверены, что экстракт, названный
кортином, содержит хотя бы один гормон. Несколько исследовательских групп
приступили к поискам.
В течение 30-х годов на след удалось напасть двум группам - американской,
под руководством Эдварда Кендалла, и швейцарской, под руководством выходца из
Польши Тадеуша Рейхштейна Успех этих исследований был отмечен Нобелевской
премией по медицине и физиологии, которую Кендалл и Рейхштейн получили в 1950
году.
К 1940 году из коры надпочечников было получено более двух десятков
различных кристаллических соединений. Это была поистине нелегкая задача, поскольку
из тонны надпочечников, извлеченных из настоящей гекатомбы быков, было
получено всего пол-унции нужного соединения. Поначалу никто не знал химической
природы полученных соединений, и Кендалл называл их просто «соединение А»,
«соединение В» и т. д. Рейхштейн делал то же самое, но вместо слова
«соединение» употреблял слово «вещество». Исследование продвигалось вперед, и было
выяснено, что все без исключения соединения (или вещества) являются по своему
строению стероидами. Их объединили в одну группу, обозначив собирательным
термином адренокортикосткероиды или, сокращенно, кортикоиды.
Стероидная природа различных веществ, содержащихся в коре надпочечников,
сразу решила, по крайней мере, одну проблему. Кора надпочечников очень богата
холестеролом, богаче любого органа, кроме головного мозга. Раньше это
казалось головоломкой, но теперь стало ясно, что холестерол - это запас сырья, из
которого надпочечники синтезируют различные кортикоиды.
Все биологически активные кортикоиды имеют одинаковый углеродный скелет,
который отличается от углеродного скелета холестерола главным образом тем,
что цепь атомов углерода, присоединенная к 17-му атому, укорочена на шесть
атомов и содержит вместо восьми атомов углерода всего два. Таким образом,
кортикоиды содержат по 21 атому углерода, а не 27, как холестерол.
Ниже приведена формула одного из кортикоидов, продуцируемых корой
надпочечников . Все атомы в формуле пронумерованы с 1 до 21.
21 СН20Н
20 С = 0
Структурная формула стероидного гормона.
Обратите внимание, что этот кортикоид содержит в молекуле не один, как
холестерол, а целых четыре атома кислорода. Два атома кислорода входят в состав
гидроксильпых групп. Другие два соединяются с молекулой стероида двойной
связью. Группа С=0 была впервые обнаружена в простом органическом соединении -
ацетоне. По этой причине все соединения, обладающие такой группой атомов,
имеют в своем названии суффикс -он. Так как все важные кортикоиды несут в
положении эту группу (вместо гидроксильный группы в молекуле холестерола), все
они имеют в своих названиях суффикс -он. Соединение, приведенное выше
(Кендалл назвал его соединением В, а Рейхштейн - веществом Н), называется теперь
кортикостероном.
Одним из эффектов этого гормона является поддержание запасов гликогена в
печени. Такое действие напоминает действие инсулина и противоположно эффекту
глюкагона, показывая сложность гормонального баланса, регулирующего уровень
глюкозы в крови.
Есть и другие кортикоиды, действие которых на организм похоже на действие
кортикостеропа. Один из них - это тот гормон, который Кендалл называл
соединением Е, а Рейхштейн - веществом Fa. В отличие от кортикостерона в его
молекуле содержится 5-й атом углерода, присоединенный к 17-му атому углерода в
форме гидроксильной группы. Кроме того, один из атомов кислорода присоединен
к 11-му атому углерода не в виде гидроксильной группы, как в кортикостероне,
а в виде карбонильной (СО). Для химика такое различие определяется названием
- 17-гидрокси-11-дегидрокортикостерон. Когда это вещество стали применять в
клинической практике по причинам, которых я вкратце коснусь, потребовалось
более удобное название, и оно было найдено - на свет родился кортизон.
У двух кортикоидов в положении 11 отсутствует атом кислорода. Один из таких
кортикоидов, который Рейхштейн выделил из надпочечников быка, отличался от
кортикостерона именно отсутствием этого атома кислорода. Но вполне разумным
причинам это соединение было названо дезоксикортикостероном или, сокращенно,
ДОК. ДОК не занимается хранением глюкозы в печени, поле его деятельности
поддержание водного и электролитного равновесия. Этот гормон стимулирует реаб-
сорбцию соли в почечных канальцах и задерживает калий в клетках, поддерживая
тем самым должный уровень внеклеточной жидкости.
Кортикоиды разделяют на две группы - на те, которые, подобно кортикостерону
и кортизону, имеют в положении 11-й атом кислорода и называются глюкокорти-
коидами, поскольку регулируют содержание гликогена в печени, и на те,
которые, подобно ДОК, не имеют атома кислорода в 11-м положении и называются ми-
нералокортикоидами, поскольку регулируют минеральный обмен.
Минералокортикоиды играют более важную роль в поддержании
жизнедеятельности, чем глюкокортикоиды, поскольку было показано, что введение адреналэкто-
мированным крысам ДОК позволяет дольше поддерживать их жизнь, чем введение
кортикостерона.
В 1955 году, больше чем через десять лет после открытия четырех глюкокорти-
коидов и двух минералокортикоидов, произошло сенсационное открытие. Из
надпочечников был выделен еще один минералокортикоид. Он вырабатывается корой
надпочечников в очень малых количествах, чем и объясняется такая задержка с его
открытием. Однако это очень мощный минералокортикоид. При испытаниях на адре-
налэктомированных крысах было показано, что он в 25 раз мощнее, чем ДОК.
Новый минералокортикоид отличался и необычным строением. Во всех других
кортикоидах атом углерода в 18-м положении связан с тремя атомами водорода,
образуя метильную группу. Было выяснено, что в новом соединении углерод-18
связан с атомом кислорода и атомом водорода. Эта группа называется
альдегидной, поэтому соединение было названо альдостероном.
Кроме того, в отличие от других минералокортикоидов, альдостерон содержит
кислород в положении 11. Это должно делать альдостерон глюкокортикоидом, но
такого не происходит благодаря тому, что альдегидная группа у 18-го атома
связывается кислородом в 11-м положении и нейтрализует его. Видимо, в этом и
заключается смысл существования альдегидной группы в положении 18.
Вся ситуация может показаться странной. Зачем помещать в положение 11
кислород, а потом конструировать молекулу таким образом, чтобы нейтрализовать
этот атом? Почему бы просто не удалить этот атом? Почему это так, мы пока не
знаем, но мы знаем, что присутствие атома кислорода в 11-м положении и его
последующая нейтрализация позволили создать более мощный минералокортикоид,
чем те, у которых нет атома кислорода в 11-м положении.
Различные кортикоиды - все вместе и по отдельности - можно использовать при
недостаточности коры надпочечников, так же как используется инсулин при
сахарном диабете. Это не делает кортикоиды столь же важными, как инсулин,
поскольку заболевания надпочечников не так распространены, как диабет.
Естественно, что после выделения кортикоидов началось их всестороннее
изучение и попытки применить при различных болезнях обмена веществ.
Действие гормонов бывает иногда столь разнообразным, что никогда нельзя
заранее сказать, не окажет ли он какое-то непрямое действие, которое сможет
облегчить те или иные симптомы, если не обеспечить излечение. Никто не замечал
в кортикоидах ничего необычного до 1948 года, когда кортизон стал доступен в
больших количествах. Американский врач Филипп Шоуэлтер Хенч, работавший в
группе Кендалла, попробовал лечить кортизоном ревматоидный артрит. К его
удивлению, кортизон оказал выраженный эффект. С его помощью удалось облегчить
состояние и самочувствие больных.
Было о чем подумать. Артрит - это обездвиживающее и весьма мучительное
заболевание. Он может поразить любого человека, и не существует методов его
излечения. Всякое вещество, которое сможет облегчить боль и сделать возможными
движения в суставах, прославится в веках, даже если и не наступит полного
выздоровления. В связи с этим Хенч в 1950 году вместе с Кендаллом и Рейхштейном
получил Нобелевскую премию по медицине и физиологии.
Кортизон используется также для лечения кожных заболеваний, при лечении
подагры. Его применяют и как противовоспалительное средство. Несмотря на это, в
отличие от инсулина, кортизон так и не заслужил почетного звания спасителя
человечества. При его применении всегда существует опасность развития
нежелательных побочных эффектов. Врачи должны применять его с большой
осторожностью. Наиболее консервативные из докторов вообще не применяют кортикоиды,
если можно избежать их назначения.
Поскольку молекулы кортикоидов просты по сравнению со сложными белковыми
цепями, появилась возможность экспериментировать и создавать синтетические
стероиды, не существующие в природе. Вот только один пример. Был синтезирован
стероид, в котором к атому углерода в положении 9 был присоединен атом фтора,
в результате чего был получен глюкокортикоид в 10 раз более активный, чем
любой из природных глюкокортикоидов. К сожалению, побочные эффекты при
применении этого синтетического вещества тоже встречаются намного чаще и являются
намного более выраженными.
АКТГ
Выработка кортикоидов не контролируется петлей обратной связи, как,
например, выработка инсулина, которая управляется уровнем глюкозы, который
определяется воздействием инсулина, или выработка паратиреоидного гормона, который
регулирует высвобождение из костей кальция, который, в свою очередь,
управляет содержанием гормона в крови. Напротив, так же как в случае с тиреоидным
гормоном, для регуляции синтезам высвобождения кортикоидов в дело вступает
вторая железа, и опять-таки это передняя доля гипофиза.
В 1930 году было замечено, что у животных, которым удаляли гипофиз,
атрофировалась кора надпочечников. Было также выявлено, что если таким животным
вводить экстракт передней доли гипофиза, то в них начинало стремительно
падать содержание холестерола, который уходил на образование кортикоидов.
Эта же связь имеет место и во взаимодействии гипофиза со стрессом, то есть
с внезапными неблагоприятными изменениями в окружающей среде, Экспозиция к
холоду или механическая травма, кровотечение или бактериальная инфекция - все
это примеры стресса. В этих условиях организм должен быстро и радикально
перестроить обмен веществ, чтобы выжить, и главное бремя по осуществлению таких
изменений лежит на кортикоидах. Во всяком случае, под воздействием стресса
содержание холестерола в надпочечниках резко падает, а значит, в это время
синтезируются кортикоиды, готовые во всеоружии встретить стресс.
У животных с удаленным гипофизом такая реакция на стресс отсутствует. Даже
если кора надпочечников нормально функционирует, то все равно ничего не
происходит. Очевидно, в передней доле гипофиза содержится какое-то вещество,
стимулирующее работу коры надпочечников.
Гормон, выполняющий эту миссию с полным основанием называется адренокорти-
котропным (то есть питающим кору надпочечников) или, сокращенно, АКТГ. В
конце 40-х годов, когда было обнаружено, что кортизон эффективно подавляет боль
при ревматоидном артрите, было сделано еще одно открытие - оказалось, что
АКТГ делает это не менее эффективно. Он делает это не сам, он стимулирует
кору надпочечников, а та вырабатывает дополнительное количество кортикоидов,
которые и облегчают страдание. Новое название попало на передовые газетные
полосы; все только и говорили о чудодейственном лекарстве, особенно, видимо,
потому, что его аббревиатуру было так легко произнести.
Ученые начали исследовать молекулярную структуру нового соединения, и в
начале 50-х годов был установлен молекулярный вес АКТГ. Он оказался рапным 20
ООО. Это кажется слишком много для полипептидного гормона, и вскоре было
обнаружено, что если расщепить исходную молекулу кислотой или протеолитическими
ферментами, то можно получить фрагменты, обладающие полноценной биологической
активностью исходного целого гормона. Такие фрагменты получили название кор-
тикотропинов. Выяснилось, что один из них содержит 39 аминокислотных
остатков , расположенных в такой последовательности:
ser tyr ser met glu his phe arg try gly lys pro val gly lys lys arg arg pro
val lys val tyr pro asp gly ala glu asp gluNH2 leu ala glu ala phe pro leu
glu phe
Кортикотропин
Этот кортикотропин, полученный из надпочечника свиньи, можно укоротить еще
больше без потери биологической активности. Полноценную активность сохраняет
даже фрагмент, состоящий из первых 24 аминокислотных остатков. В 1963 году
сообщили о фрагменте из 17 аминокислотных остатков, который обладал одной
десятой частью стимулирующей синтез кортикоидов активностью нативного АКТГ, но
некоторые его другие свойства новый фрагмент сохранил в полном объеме.
Однако, если удалить с левого конца один-единственный остаток серина, то всякая
кортикотропная активность исчезает полностью.
Взаимоотношения между АКТГ и кортикоидами такие же, как между ТТГ и тирео-
идными гормонами. Падение уровня кортикоидов ниже потребностей организма
стимулирует выработку АКТГ, который, в свою очередь, повышает выработку
кортикоидов . Слишком высокий уровень кортикоидов, напротив, подавляет выработку
АКТГ, что, в свою очередь, приводит к снижению синтеза и высвобождения в
кровь кортикоидов.
Стресс стимулирует выработку АКТГ, который, в свою очередь, стимулирует
синтез и высвобождение кортикоидов. Стресс не действует на кору надпочечников
непосредственно. Стимуляция секреции АКТГ при стрессе происходит, по-
видимому, отчасти под воздействием адреналина, который секретируется в
некоторых стрессовых ситуациях. (Это еще один пример сложного взаимодействия
различных гормонов.)
Когда гипофиз (возможно, в результате опухоли) постоянно вырабатывает слиш-
ком большие количества АКТГ, то одновременно наблюдается повышенная продукция
кортикоидов, приводящая к заболеванию, в чем-то сходному с сахарным диабетом.
При постоянной стимуляции секреции кортикоидов происходит повышение уровня
сахара в крови. Высокое содержание глюкозы в крови приводит к избыточному
отложению подкожного жира, что приводит к гротескному ожирению. Первым такую
болезнь детально описал американский нейрохирург Харви Кушинг, и с тех пор
заболевание носит название болезни Кушинга.
Подобные симптомы могут возникнуть, когда развивается опухоль из ткани коры
надпочечников, и та опухоль начинает продуцировать избыточное количество
кортикоидов даже без стимулирующего воздействия АКТГ. Такие надпочечниковые
опухоли могут привести к преждевременному половому созреванию у детей или к
избыточной маскулинизации у женщин. Последнее состояние называется вирилизмом
(мужеподобием).
АКТГ обладает способностью усиливать пигментацию кожи у животных и даже у
людей. По мере того как снижается секреция кортикоидов при прогрессирующем
поражении надпочечников при болезни Аддисона, секреция АКТГ повышается, и
концентрация его в крови становится чрезмерно высокой (хотя и бесполезной). В
этих случаях развивается усиленная пигментация кожи.
Известно, что у низших животных, особенно у амфибий, существует специальный
гормон, который оказывает действие на клетки, продуцирующие пигмент. Поэтому
такие животные могут менять окраску в течение нескольких минут. Этот гормон
вырабатывается в задней доле гипофиза, на границе с передней долей. Так как
этот участок называют иногда промежуточным (по-латыни intermedium), то и
гормон получил название интермедии. Несколько лет считалось, что ничего похожего
на интермедии не существует у млекопитающих. Однако в 1955 году биохимики
Орегонского университета выделили из гипофиза млекопитающих гормон, который
стимулировал деятельность меланоцитов - клеток, которые продуцируют кожный
пигмент меланин. Гормон был назван меланоцитстимулирующим гормоном или
сокращенно, МСГ. Молекула этого гормона, полученная из свиного гипофиза, содержит
в своем составе 18 аминокислотных остатков, расположенных в следующем
порядке :
asp glu gly pro tyr lys met glu his phe arg try gly ser pro pro lys asp
МСГ
Если вы сравните молекулу МСГ с молекулой АКТГ, приведенной на странице
119, то увидите что они содержат одну общую последовательной; из семи
аминокислотных остатков - met glu his phe arg try gly.
Обладание этой общей последовательностью может объяснить некоторое
перекрывание в свойствах, что видно хотя бы по способности АКТГ стимулировать
деятельность меланоцитов. Выработка МСГ гипофизом стимулируется, как и секреция
АКТГ, низким уровнем кортикоидов в крови. При болезни Аддисона оба гормона
продуцируются в больших, чем в норме, количествах, и МСГ играет в
гиперпигментации более значительную роль, чем АКТГ.
Коль скоро мы заговорили о пигментации, то можно упомянуть еще один
маленький железистый орган, окруженный некой завесой таинственности. Это
конусовидное красновато-серое образование прикрепленное, как и гипофиз, с помощью
ножки к основанию головного мозга. Поскольку своей формой эта железа напоминает
сосновую шишку, то ее назвали шишковидной железой (в русской литературе эта
железа чаще называется эпифизом). Она меньше, чем гипофиз, и находится на
противоположной от него части мозга, которая, направляясь вниз, переходит в
спинной мозг. Гипофиз находится на передней поверхности этого расширения
мозга, а шишковидная железа - на задней.
J
J
{
Расположение эпифиза (указывает красный прямоугольник).
Славные времена настали для шишковидной железы в XVII веке, когда
влиятельный французский математик и философ Рене Декарт, находясь под впечатлением
того, что шишковидная железа обнаружена только у человека и не найдена ни у
одного животного, утверждал, что шишковидная железа есть вместилище
человеческой души. Это утверждение не надолго пережило своего создателя, поскольку
вскоре было выявлено, что эпифиз присутствует у всех позвоночных, а у
некоторых видов он даже более выражен, чем у человека.
Еще более волнующим для зоологов оказался тот факт, что шишковидная железа
не всегда была так глубоко спрятана в глубинах черепа, как это наблюдается
сейчас у человека и большинства современных позвоночных. Были времена, когда
она располагалась на ножке и достигала макушки, выглядывая на поверхность и
выполняя функцию третьего глаза, ни больше, ни меньше. Одна примитивная
рептилия до сих пор живет на островах близ Новой Зеландии с «шишковидным
глазом» , который почти полноценно функционирует. Некоторые ученые даже
высказывают предположение о том, что, располагаясь на своде, снаружи черепа,
шишковидный глаз подвергался непосредственному воздействию солнца и служил
термостатом, регулирующим температуру тела. Возможно, это было первым шагом к
теплокровности млекопитающих.
Но обратимся к человеку. Какова у него функция шишковидной железы? Это
образование действительно похоже на железу, и предполагалось, что из него
удастся выделить гормон, который, конечно же, назвали бы шишковидным. Однако
самые тщательные усилия не дали никаких результатов, породив лишь сомнения.
Возможно, эпифиз - это действительно просто рудиментарный третий глаз,
который остановился в своем развитии, как червеобразный отросток, и не выполняет
никакой функции? Появилась даже тенденция не называть эпифиз железой, а
присвоить ему наименование «шишковидного тела». Ученые, открывшие МСГ,
окрыленные своим успехом, решили в конце 50-х годов снова заняться эпифизом. Они
переработали добытые на бойне эпифизы 200 ООО быков и, наконец, получили
крошечное количество вещества, которое вызывало депигментацию кожи у
головастиков. Вещество оказалось гормоном, эпифиз был снова торжественно поименован
железой, а гормон назвали мелатонином. Тем не менее, этот гормон, как
выяснилось , не оказывает ни малейшего действия на меланоциты человека.
ГЛАВА 5. ПОЛОВЫЕ ЖЕЛЕЗЫ И РОСТ
ГОРМОНЫ РАСТЕНИЙ
Гормоны, которые мы до сих пор обсуждали (за исключением желудочно-
кишечных) , призваны обеспечивать стабильность условий, в которых
функционирует организм, или, по меньшей мере, допускать их изменения в очень узких
границах. Инсулин, глюкагон, адреналин и глюкокортикоиды, соединяя свои усилия,
поддерживают уровень концентрации глюкозы крови в таких пределах, чтобы эта
концентрация наилучшим образом соответствовала текущим потребностям
организма. Паратиреоидный гормон, кальцитонин и витамин D делают то же самое с
содержанием в крови ионов кальция. Минералокортикоиды поддерживают стабильное
содержание в крови нескольких неорганических ионов. Тиреоидный гормон
поддерживает на стабильном уровне интенсивность и скорость обмена веществ.
Вазопрессин делает то же самое с содержанием в организме воды.
Но, при всей необходимости поддержания такого постоянства, организм отнюдь
не является равновесной системой, которая в своем существовании лишь то и
дело отклоняется от некоторого среднего положения, оставаясь, все время,
одинаковой .
В нашей жизни существует довольно длительный период, когда мы существуем в
явно неравновесных условиях. Процессы жизнедеятельности в этот период не
являются цикличными, нет, они носят прогрессивный характер, перемещаясь не
туда-сюда, а вперед и выше.
Короче, ребенок должен расти и развиваться. В действительности за этой
простой фразой кроется неимоверная сложность.
Рост единственной клетки - биохимически достаточно сложный - в физическом
аспекте представляется весьма простым. Клетка поглощает питательные вещества,
все больше и больше их превращается в компоненты клетки, ее объем
увеличивается, и одновременно увеличивается площадь ее мембраны. Со временем
увеличение объема настолько опережает рост мембраны, что клетке начинает не хватать
кислорода, который поступает в нее путем простой диффузии, и эта нехватка
запускает процесс клеточного деления.
В многоклеточных организмах к этим процессам добавляется еще одно
измерение. Отдельные клетки организма тоже растут и делятся, но теперь этот процесс
должен быть координированным и хорошо согласованным. Организм не может
позволить одной группе клеток расти и развиваться за счет другой группы, столь же
необходимой для отправления функций целостного организма. Рост всех групп
должен быть четко сбалансированным, чтобы каждая группа клеток могла
эффективно выполнять свою функцию, не испытывая «притеснений» со стороны других
групп.
Например, в человеческом организме некоторые клетки, такие, как нервные,
вообще не размножаются после рождения. Клетки некоторых органов и тканей
начинают размножаться в ответ на какие-то экстраординарные стимулы. Например,
костные клетки начинают интенсивно размножаться для замещения утраченной
костной ткани после перелома, а клетки печени размножаются, чтобы заместить
ткань, удаленную хирургом во время операции. (Такие процессы называются
регенерацией.) Есть в организме и такие клетки, которые растут и размножаются в
течение всей жизни человека. Лучшим примером таких клеток служат клетки кожи,
которые растут всю жизнь для образования мертвого, но надежного защитного
слоя - эпидермиса. Такова судьба клеток кожи - вечно отшелушиваться и вечно
возрождаться.
Процесс координированного роста требует тонкой подгонки и регуляции работы
биохимических механизмов индивидуальных клеток и тканей. Свидетельством
сложности такой регуляции является тот факт, что биохимикам до сих пор не извест-
ны детали инициации роста и контроля его процессов. Если этот критерий
сложности кажется вам слишком субъективным, то я могу сказать, что о сложности
системы говорит тот факт, что зачастую некоторые наборы клеток (ткани)
выходят из повиновения управляющих центров и начинают бесконтрольно и
неограниченно размножаться.
Неконтролируемый рост не обязательно бывает быстрым и страшным, нет, его
опасность заключается именно в его бесконтрольности. Беда в том, что
отказывает механизм, способный остановить рост и размножение клеток в нужный
момент. Клетки в таких случаях начинают делиться до бесконечности, отягощая
организм своим весом, сдавливая нормальные ткани, постепенно выводя их из строя
и лишая возможности нормально работать. Массы неконтролируемых клеток
достигают таких размеров, что им перестает хватать кислорода, и они начинают
разрушаться, отравляя организм. Одичавшие клетки иногда отрываются от общей
массы, прорываются в кровеносное русло, переносятся в другие участки организма
и, начиная расти там, продолжают свою анархическую деятельность.
Любой ненормальный рост такого рода, в каком бы участке организма он ни
происходил, называется опухолевым ростом, то есть ростом, приводящим к
образованию опухоли. В некоторых случаях такой рост бывает все же ограниченным.
Возникают папилломы или бородавки, которые причиняют некоторые неудобства и
косметические дефекты, но не представляют реальной опасности для жизни. Такие
опухоли называют доброкачественными. Если же аномальный рост не ограничен
ничем, и когда растущие клетки прорастают в соседние ткани и распространяются
по организму, то такие опухоли называют злокачественными. Галей, врач времен
Римской империи, описал опухоль молочной железы, которая, прорастая в вены,
становилась похожей на краба, распространяя свои щупальца в разные стороны от
центрального очага. С тех пор злокачественные опухоли начали называть раком.
В наше время рак получил большее распространение, чем когда-либо прежде, по
трем причинам. Во-первых, улучшились методы диагностики, и, когда человек
умирает от рака, мы знаем это, а не приписываем смерти иную причину. Во-
вторых, на протяжении XX столетия резко уменьшилась встречаемость других
заболеваний, особенно инфекционных. Те люди, которые в прежние времена умирали
бы от дифтерии, тифа или холеры, живут достаточно долго, чтобы стать жертвами
рака. В-третьих, наша передовая технология ударила нас, как неумело брошенный
бумеранг, так как мы отравили окружающую среду, которая и привела к
увеличению заболеваемости раком. Среди вредных факторов можно отметить рентгеновское
и радиоактивное излучение, загрязнение атмосферы синтетическими химическими
веществами, выхлопными газами автомобилей, промышленными дымами. Пагубную
роль играет и повсеместное распространение курения табака.
Вернемся, однако, к нормальному росту.
Учитывая тот факт, что гормоны столь тонко регулируют химические процессы в
организме, было бы странно предполагать, что они не участвуют в контроле
такого важного процесса, как рост. Есть еще один аспект универсальной природы
роста, который говорит о важной роли гормональной регуляции. В процессах
роста гормоны играют важную роль даже в царстве растений.
На рост растений природа накладывает гораздо меньшие ограничения, чем на
рост животных. У животных ограниченное количество конечностей, они имеют
определенную форму и растут только в определенных местах, имея при этом
заданные размеры. Напротив, ветви дерева отрастают в относительно неограниченном
количестве, их форма и размеры не фиксированы с такой строгостью, как в
животном царстве. Но, тем не менее, контроль роста необходим и у растений.
Вещества, способные ускорять рост растений, присутствуя в растворах в очень
небольших количествах, были впервые выделены в чистом виде в 1935 году. Эти
вещества были названы ауксинами («увеличение», греч.). Самым известным и
хорошо изученным ауксином является соединение, называемое индолил-3-уксусная
кислота (ИУК). Этот гормон является модифицированной аминокислотой. В данном
случае модифицированной аминокислотой, из которой растение синтезирует (ИУК),
являе т ся трипт о ф ан.
Ауксины образуются в кончиках побегов растений и продвигаются вниз, к
основному стволу, и стимулируют не размножение клеток, а их удлинение. Многие
движения растений управляются ауксинами. Например, большие количества
ауксинов накапливаются в той части ствола растения, которое удалено от солнца. Эта
часть растет быстрее, ее клетки удлиняются, и растение изгибается в сторону
солнца. Подобным же образом ауксины скапливаются в нижней части лежащего
горизонтально стебля, который вследствие этого начинает загибаться кончиком
вверх.
Гормоны растений, как и гормоны вообще, могут приводить к заболеваниям,
если имеются в избытке. Один из самых мощных ауксинов был открыт именно при
исследовании болезней растений. Японские крестьяне, выращивая рис, заметили,
что иногда растение дает странные побеги, которые вырастают очень высокими, а
потом начинают чахнуть и слабеть. Японцы назвали такие побеги «баканеэ»,
глупыми саженцами. В 1926 году - японские фитопатологи установили, что эти
побеги поражаются определенным видом грибка. В 1938 году у этого грибка был
выделен фактор роста, который и заставлял глупые побеги вырастать до немыслимой
высоты. Этот гриб оказался принадлежащим к роду Gibberella, поэтому новое
стимулирующее рост вещество было названо гиббереллином.
Структура гиббереллинов (поскольку существует несколько схожих
разновидностей) была установлена только в 1956 году и оказалась весьма сложной.
Молекулы этих соединений состоят из пяти колец атомов. Гиббереллины были выделены и
из других растений, например из бобовых, что говорит о том, что их можно
рассматривать как нормальные ауксины. Гиббереллины, как, впрочем, и ауксины
вообще, можно использовать для ускорения прорастания, цветения и плодоношения.
Короче говоря, с помощью ауксинов можно заставить растение бежать по жизни
бегом, разумеется, к нашей выгоде.
Ауксиноподобные соединения могут, конечно, загнать растение до смерти,
опять-таки к нашей выгоде. Есть синтетическое вещество, которое называется
2,4-дихлорфеноксиуксусной кислотой, сокращенно 2,4-D, обладающее ауксинопо-
добными свойствами. Если опрыскать растение этим соединением, то оно начинает
так интенсивно расти, что не выдерживает такого темпа и погибает. Можно
считать это состояние индуцированным раком растения. Растения с широкими
листьями поглощают гербицид в больших количествах, чем растения с узкими листьями.
В результате первые погибают, а последние продолжают нормально расти.
Человеку чаще надо культивировать растения с узкими листьями - травы и злаки, в то
время как сорняки, забирающие у культурных растений свет, воду и питательные
вещества, почти всегда обладают широкими листьями. Поэтому в последние годы
2,4-D завоевало широкую популярность в борьбе с сорняками.
Существуют растительные гормоны, которые стимулируют деление зрелых и в
норме неделящихся клеток. Такие соединения оказываются полезными в тех
случаях, когда необходимо стимулировать рост массы растения после какого-то
внешнего их повреждения. Соединения, которые оказывают такое заживляющее
действие, назвали весьма драматически - раневыми гормонами. В качестве примера
можно привести вещество, молекула которого содержит цепь из 12 атомов
углерода с карбоксильными группами (СООН) на каждом конце и двойной связью между
вторым и третьим атомами углерода. Это соединение называется «травматической
кислотой».
ГОРМОН РОСТА
Что же касается животных, и тем более человека, то у них такой сложный фе-
номен, как рост, нельзя свести к действию какого-то одного гормона.
Недостаточность функции любого гормона, участвующего в регуляции биохимических
реакций, так или иначе, приводит к нарушению роста. Самый разительный пример
такого воздействия я уже упоминал. Врожденное отсутствие тиреоидного гормона
приводит к карликовости и кретинизму.
Естественно было бы ожидать, что гипофиз, который управляет деятельностью
нескольких желез внутренней секреции (из которых мы уже обсудили работу
щитовидной железы и надпочечников), участвует и в регуляции процессов роста.
Действительно, еще в 1912 году было замечено, что животные, которым удаляли
гипофиз , переставали расти. Более того, этот эффект не был всецело обусловлен
атрофией других желез, обусловленной отсутствием стимуляции со стороны
передней доли гипофиза. В 20-х и 30-х годах были проведены опыты, показавшие, что
инъекции экстракта гипофиза растущим молодым крысам и собакам вызывают
продолжение роста после достижения животными нормальных размеров тела.
Длительные инъекции приводили у подопытных животных к гигантизму. Более того,
действие этих экстрактов на рост продолжалось даже после того, как они были
очищены от всяких примесей. ТТГ и АКТГ переставали действовать на периферические
эндокринные железы. Действие на рост оказалось присущим самому гипофизу.
Очевидно, передняя доля гипофиза вырабатывает гормон, который не действует
на другие железы (уникальный в этом плане), а непосредственно влияет на ткани
организма, стимулируя их рост. Гормон назвали очень просто и выразительно -
гормон роста. Есть у него и более мудреное научное называние - соматотропин
или соматотропный гормон, сокращенно СТГ.
О строении гормона роста известно гораздо меньше, чем о строении других
гормонов гипофиза. Гормон, выделенный из гипофизов крупного рогатого скота,
имеет необычно большой для белковых гормонов молекулярный вес - около 45 ООО.
Представляется, что молекула гормона роста состоит из 370 аминокислотных
остатков, организованных в две полипептидные цепи. Обычно белковые гормоны,
полученные от разных видов позвоночных, весьма мало отличаются друг от друга и
обладают перекрестным действием. Так, инсулин крупного рогатого скота
несколько отличается от инсулина свиньи, но оба они проявляют свое
специфическое действие у человека, и применяются для лечения сахарного диабета. Однако
гормон роста, выделенный из гипофизов быков или свиней, не оказывает никакого
действия на человека. На рост человека влияет только гормон роста человека и
гормоны роста обезьян. Молекулярный вес гормона роста приматов меньше и равен
25 ООО. Представляется вероятным, что молекулы гормонов роста других
биологических видов могут быть расщеплены на фрагменты без существенной утраты
физиологической активности.
Гормон роста оказывает многообразное воздействие на обмен веществ (хотя
конкретные биохимические механизмы его действия пока неизвестны). Одно из
таких воздействий заключается в стимуляции включения аминокислот в белковые
цепи в процессе, который совершенно естественным образом сопровождает любой
тканевой рост. Кроме того, при введении избыточного количества гормона роста
экспериментальным животным у них в крови увеличивается концентрация глюкозы и
снижается уровень инсулина. Возможно, это обусловлено тем, что постоянно
продолжающийся рост накладывает такие требования на обмен веществ и
энергетическое хозяйство организма, что продуцирующие инсулин клетки не выдерживают
такой нагрузки и погибают, вследствие чего и развивается сахарный диабет.
Гормон роста стимулирует рост костей во всех направлениях. Секреция гормона
роста наиболее интенсивна в детстве и юности, когда организм (и в особенности
скелет) активно растет, и подавляется в позднем подростковом периоде, когда,
естественно, заканчиваются процессы интенсивного роста. Если секреция гормона
роста подавляется в ранней юности, до окончания подросткового периода, то
кости формируются раньше срока и рост останавливается. У таких людей, хотя их
рост может иногда не превышать трех футов, и они могут сохранять детские
черты, не развиваются уродства и умственная отсталость. Иногда они даже
достигают половой зрелости и представляют собой уменьшенные копии обычных взрослых
людей. Самым знаменитым человеком такого рода был Чарльз Стюарт Страттон,
которого обессмертил П.Т. Барнум в книге «Мальчик с пальчик». Чарльз имел рост
около трех футов, но при этом был сложен абсолютно пропорционально. Умер этот
человек в 1883 году в возрасте 45 лет.
Избыточная выработка гормона роста в детском и юношеском возрасте или
продолжение секреции после достижения возраста, когда в норме выработка гормона
ослабляется, приводит к избыточному росту, или гигантизму. Недавний пример
такого рода - Роберт Уодлоу, родившийся в 1918 году в Иллинойсе. Мальчик с
детства рос удивительно быстро. Есть фотография, на которой он запечатлен
рядом с отцом - мужчиной среднего роста. Роберт, сохранив мальчишеские черты
лица, уже тогда был на голову выше своего папы. Роберт умер в возрасте 22
лет, достигнув роста восемь футов и девяти с половиной дюйма.
Иногда случается так, что гипофиз взрослого человека, который давно
перестал расти, вдруг по какой-то причине начинает вырабатывать повышенные
количества гормона роста. Кости к этому времени уже затвердевают и не могут расти
в длину. Несмотря на это, некоторые кости конечностей даже во взрослом
состоянии сохраняют в какой-то степени способность к росту и отвечают на
воздействие гормона роста. Происходит увеличение кистей и стоп. То же самое
происходит и с костями лицевого скелета, особенно с нижней челюстью. В
результате этой болезни, которая называется акромегалией («большие конечности»,
греч.), происходит гротескное изменение черт лица больного.
МЕТАМОРФОЗ
Рост - это не просто процесс, в ходе которого происходит удлинение,
расширение и утолщение тканей и органов. В течение жизни большинства животных в
определенный период наступает момент, когда количественные изменения
переходят в качественные. Когда такое внезапное качественное изменение является
разительным, приводя к радикальным изменениям формы и строения животного, то
говорят о метаморфозе («смена формы», греч.). Выло бы разумно предположить,
что метаморфоз происходит под контролем одного или нескольких гормонов. У
позвоночных самым типичным примером метаморфоза является превращение
головастика в лягушку. В главе 3 я писал, что этот процесс у земноводных
контролируется тиреоидным гормоном.
Метаморфоз наблюдается также у многих беспозвоночных животных, особенно
заметно он протекает у насекомых. Превращение гусеницы в бабочку столь же
живописно и хорошо известно, как и превращение головастика в лягушку. У насекомых
на личиночной стадии развития рост происходит, если можно так выразиться,
скачкообразно. Внешний скелет препятствует постепенному росту, характерному
для позвоночных с их мягкими кожными покровами. Вместо этого периодически
происходит сбрасывание жесткой внешней оболочки, и на ее месте вырастает
новая , больших размеров, позволяющая насекомому совершить новый рывок роста.
Процесс смены старой оболочки на новую называется линькой. Иногда этот
процесс называется малоупотребительным термином «экдизис»
Линька насекомых происходит под контролем гормона, вырабатываемого передней
грудной железой, расположенной в передней части головогруди. Этот гормон
называется экдизоном. Он накапливается и хранится в небольшом органе близ
сердца. В мозге насекомого находится группа клеток, которая управляет
высвобождением экдизона. Это высвобождение происходит периодически, вызывая линьку.
Поэтому экдизон часто называют гормоном линьки насекомых.
После серии линек насекомое вступает в период покоя, в течение которого и
происходит метаморфоз. В результате радикальных изменений происходит
формирование взрослого половозрелого насекомого. Гусеница, завернувшаяся в кокон,
через некоторое время выходит оттуда в виде бабочки. Это типичный, известный
всем пример метаморфоза.
Однако возникает законный вопрос: после какой по счету линьки должен
наступить метаморфоз? Логично было бы предположить, что этот момент определяется
гормоном, который в нужный момент времени нейтрализует действие экдизона,
прекращает серию линек и инициирует метаморфоз. Однако в действительности
имеет место обратное. В голове насекомого существует парная железа, которая
постоянно секретирует один гормон. Этот гормон предотвращает метаморфоз.
Насекомое продолжает расти и периодически линять. Когда образование этого
гормона уменьшается, а его концентрация падает ниже некоторого критического
уровня, следующая линька не происходит, и начинается метаморфоз.
Поскольку этот предупреждающий метаморфоз гормон продлевает личиночную
стадию развития насекомого, его назвали личиночным, или ювенильным, гормоном. (В
термине «ювенильный» есть некое очарование, кажется, что само это слово
окружено ореолом вечной юности. Нет нужды говорить, что ювенильный гормон
насекомых не оказывает никакого воздействия на человека.) Правда, химики пока не
выяснили строение ни одного гормона насекомых.
Человеческие существа не претерпевают метаморфоз в такой драматичной форме,
как гусеницы или головастики, и, тем не менее, в жизни людей наступает такой
момент, когда мальчики превращаются в мужчин, а девочки - в женщин. Конечно,
это совсем не то, что переход от жаберного дыхания к легочному или от
ползания к полету. Но все же удивительно, когда на гладкой коже мальчики начинают
расти жесткие волосы, а на плоской груди девочки начинают расти молочные
железы.
Эти изменения, сочетающиеся с половым созреванием, но не связанные напрямую
с процессами размножения, называются вторичными половыми признаками. Такое
развитие представляет собой смягченный вариант человеческого метаморфоза.
Надо ожидать, что он находится под контролем одного или нескольких гормонов.
В прошлом делались случайные наблюдения связи между изменениями,
наступавшими в юношеском периоде, и перестройкой, которая одновременно происходила в
вилочковой железе. Вилочковая железа расположена в верхней части грудной
клетки перед легкими и над сердцем, достигая области шеи. У детей она мягкая
и розовая, состоит из нескольких долей и имеет большие размеры. К возрасту 12
лет вилочковая железа достигаете веса 40 г. Однако по достижении полового
созревания, по мере взросления индивида, его вилочковая железа начинает
атрофироваться и уменьшаться в размерах. У взрослых на месте железы остается
небольшой кусочек жира, пронизанного волокнистыми тяжами соединительной ткани.
Возникает соблазн считать, что, вероятно, вилочковая железа (еще ее
называют «тимус») вырабатывает некий гормон - подобие ювенильного гормона
насекомых, который предохраняет ребенка от слишком раннего полового созревания.
Потом, когда железа атрофируется, выработка гормона прекращается и наступает
время созревания. Однако, несмотря на все усилия, исследователям не удалось
идентифицировать такой гормон. Удаление тимуса у экспериментальных животных
не приводит к быстрому созреванию, а инъекции тимусовых экстрактов не
вызывают его задержку. Соблазнительная теория была оставлена и забыта.
Оставалась, однако, еще одна возможность. Тимус состоит из лимфоидной
ткани, подобно селезенке, нёбным миндалинам и лимфатическим узлам. Представилось
вероятным, что вилочковая железа функционирует как лимфоидная ткань и
участвует в процессах борьбы с бактериальными инфекциями. Возможно, она
продуцирует антитела (белковые молекулы, предназначенные для нейтрализации бактерий,
бактериальных токсинов и вирусов), и если это так, то роль тимуса трудно
переоценить , так как нет задачи важнее, чем обеспечивать иммунитет организма.
Эта теория получила подтверждение в 1962 году, когда Жак Миллер, работавший
в Лондоне, показал, что тимус не только вырабатывает антитела, но и является
органом, который в организме делает это первым. Со временем клетки тимуса
мигрируют в другие части организма, например в лимфатические узлы. К
наступлению периода полового созревания вилочковая железа исчезает не потому, что
ее функция исчерпалась, а потому, что ее ткань распределилась по другим
органам.
Эту точку зрения подкрепляет тот факт, что мыши, которым вскоре после
рождения удаляли тимус, погибали спустя несколько месяцев, потому что у них
оказывались недоразвитыми некоторые ткани, участвующие в иммунных процессах.
Если же тимус удаляли по прошествии трех недель после рождения, то такого
неблагоприятного эффекта не наблюдали. Очевидно, к этому времени достаточное
количество клеток тимуса успевает мигрировать в лимфатические узлы,
обеспечивая способность животного отвечать на вторжение инфекционных агентов.
Вероятно, распространение клеток тимуса по организму стимулируют те гормоны,
которые обусловливают половое созревание, поскольку тимус подвергается быстрой
атрофии после 12-13 лет.
Удаление тимуса вскоре после рождения животного делает его способным не
отторгать пересаженные от других особей органы и ткани. В обычных условиях
кусочки пересаженной кожи отторгаются организмом хозяина, который реагирует
образованием антител на чужеродный белок. Если пересадить лишенной вилочковой
железы мыши тимус другого животного, то она вновь обретает способность
отторгать трансплантат и продуцировать антитела. Если тимус пересажен от какой-
либо определенной линии мышей, то животное-реципиент не отторгает кожные
трансплантаты мышей этих линий. Есть отдаленная надежда, что в будущем с
помощью частичной пересадки вилочковой железы удастся решить проблему пересадки
органов и тканей у человека9.
АНДРОГЕНЫ
Органы, непосредственно связанные с появлением вторичных половых признаков,
состоят из клеток, необходимых для размножения. К таким органам относятся
яички, вырабатывающие сперму у мужчин, и яичники, вырабатывающие яйцеклетки у
женщин. Эти железы объединяются термином «гонады» («порождающие», греч.),
хотя чаще их называют половыми железами. Связь между гонадами и изменениями,
связанными с созреванием представляется настолько логичной, что ее можно
принять без доказательств.
Когда-то, на заре истории, пастухи, вероятно сначала в результате случайных
наблюдений, заметили, что самцы, которым вскоре после рождения удаляли тести-
кулы (кастрировали), доживали до взрослого состояния, но выглядели совершенно
не так, как особи, сохранившие половые железы. Кастрированные животные не
были способны к оплодотворению и не проявляли никакого интереса к половой
активности. Кроме того, такие животные становились менее агрессивными, и их
было гораздо легче заставить работать, чем некастрированных самцов. После
кастрации самый свирепый бык превращался в кроткое, смирное животное,
необузданный жеребец становился терпеливым мерином, а самый жилистый петух - жирным
каплуном.
Увы, было бы наивно полагать, что ту же операцию не применяли к людям.
Кастрированные мужчины, евнухи («стерегущие ложе», греч.), назывались так
потому, что их главной обязанностью было охранять гаремы состоятельных людей, а
кастрировали несчастных, чтобы они не смогли воспользоваться выгодами своего
столь завидного положения.
9 Мы уже живем в этом «будущем». - Прим. ред.
Если кастрация выполняется в раннем детстве, перед появлением вторичных
половых признаков, то они не развиваются. У евнухов не росла борода, хотя на
голове волосяной покров сохранялся, и, более того, евнухи не лысели.
(Облысение у мужчин является отчасти вторичным половым признаком и имеет отношение к
концентрации половых гормонов в крови, хотя для того, чтобы быть полноценным
мужчиной, не обязательно становиться лысым.)
У евнухов остается маленькой гортань, поэтому голос их навсегда остается
по-женски высоким. В христианскую эпоху, когда полигамия и гаремы ушли в
прошлое, евнухи начали цениться за свои голосовые данные. Они могли петь
сопрано. Такт певцы (их так и называли - кастратами) высоко ценились в дни
становления оперного искусства. Кастраты пели в хорах. Только в 1878 году римский
папа Лев XIII запретил этот бесчеловечный способ пополнения папской капеллы.
Жир на теле евнухов распределяется по женскому типу. У них нет полового
влечения, и развиваются (возможно, это было так в связи с работой в гаремах)
личностные черты, характерные для женщин. Однако интеллект у евнухов не
страдает. В исторической литературе приводится масса примеров злокозненности
евнухов и их склонности к участию в придворных интригах. По крайней мере,
доподлинно известно, что один евнух, византийский полководец Нарсес, был
способным государственным деятелем и умелым военачальником, разбившим
высадившихся в Италии готов и франков. В конце XIX и в начале XX века химики начали
работать с экстрактами яичек и выяснили, что «ведение их кастрированным
животным предупреждает развитие эффектов кастрации. У каплунов отрастал
царственный гребень полноценного петуха.
По мере накопления знаний стало ясно, что тестикулы (мужские половые
железы) , кроме выработки клеток спермы, вырабатывают также гормоны, вызывающие
появление вторичных половых признаков. Эти гормоны были названы андрогенами
(«порождающие мужчин», греч.). Их также можно называть тестикулярными
гормонами, или мужскими половыми гормонами.
В начале 30-х годов было показано, что вещества, обладающие андрогенными
свойствами, являются стероидами. Это было достигнуто благодаря работам
германского химика Адольфа Бутенандта, который в результате разделил Нобелевскую
премию 1939 года со швейцарским химиком югославского происхождения Леопольдом
Ружичкой, который также работал в этой области. (Нацистское правительство
запретило Бутсиандту получить премию, и он получил ее лишь в 194 9 году, после
войны, которую ему, в отличие от нацистского правительства, удалось
благополучно пережить.) Известны два андрогена - андростерон и тестостерон.
Андрогены отличаются от других стероидов, о которых уже шла речь в книге,
тем, что у них вообще отсутствует углеродная цепь, присоединенная к 17-му
атому углерода стероидного ядра. (Вы, вероятно, еще помните, что у
холестерола к этому атому присоединена цепь из восьми атомов углерода, у желчных
кислот - из пяти, а у кортикидов - из двух атомов углерода.) Андрогены
оказывают эффект, в чем-то схожий с эффектом гормона роста, так как они тоже
стимулируют включение аминокислот в растущие белки. Однако есть и разница.
Гормон роста оказывает свое действие во всем организме, а андрогены
избирательно, преимущественно в местах, так или иначе связанных с органами,
вовлеченными в процессы размножения и формирования вторичных половых признаков.
Надо, правда, сказать, что они не лишены общего влияния на организм. До
наступления полового созревания девочки и мальчики мало отличаются ростом и
весом, но после его наступления мальчики под воздействием мужских половых
гормонов приобретают больший рост, вес и мышечную массу, нежели девочки.
Тестостерон в десять раз активнее андростерона; это означает, что тот же
эффект он производит в дозе в десять раз меньшей. В природе не существует ан-
дрогенов более активных, чем тестостерон, но такой гормон был синтезирован в
лаборатории. Он называется метилтестостерон. Он отличается от природного гор-
мона тем, что в его молекуле к 17-му атому углерода, кроме уже существующей
гидроксильной группы, присоединяют одноуглеродную метильную группу (-СН3) .
Оказалось возможным также создать синтетические андрогены, сохраняющие
свойство стимулировать синтез белка, но не оказывающие маскулинизирующего
воздействия. Примером такого соединения является 19-нортестостерон,
отличающийся от естественного тестостерона отсутствием углерода в положении 19.
ЭСТРОГЕНЫ
Приблизительно и то же время, когда изучались гормоны, вырабатываемые
мужскими половыми железами, ученым удалось выделить гормоны, продуцируемые
яичниками. Так как яичники надежно спрятаны в полость малого таза, то их
удаление было трудной задачей для древнего человека. Удалить выставленные наружу
яички было несравненно легче, поэтому кастрировали исключительно самцов. При
проведении опытов на животных было показано, что в результате удаления
яичников у молодых самок, у них не развиваются вторичные половые признаки. Не
осталось никаких сомнений, что яичники вырабатывают женские (или овариальные)
гормоны, похожие по структуре на андрогены мужских особей.
Экстракты яичников, введенные самкам крыс, стимулировали у них половую
активность. Обычно такая активация происходит периодически, во время течки,
которая по-латыни называется estrus. Поэтому женские половые гормоны были
названы эстрогенами («порождающими течку», греч.). Большинство гормонов,
продуцируемых яичниками, имеет в своем корне буквосочетание «-эстр-». (Андрогены и
эстрогены вместе называются половыми гормонами.)
Эстрогены отличаются от андрогеиов в основном тем, что в кольце А
стероидного ядра (расположенного в нижней левой части формулы) содержится три
двойные связи.
О
Структурная формула эстрогенов.
Такое кольцо на химическом языке называется бензольным. Атом углерода в
десятом положении, который вы видите в формуле, не имеет ни одной свободной
валентной связи. Одна связывает его с углеродом, две с углеродом-5 и одна с уг-
леродом-9. Не остается свободной валентности для присоединения углерода-19,
который отсутствует в молекуле эстрогенов. У 19-нортестостерона тоже
отсутствует углерод-19, но это соединение не является эстрогеном, потому что в его
кольце А отсутствуют три двойные связи.
Одним из наиболее полно изученных эстрогенов является эстрон, формула
которого приведена ниже:
р
Структурная формула эстрона, одного из эстрогенов.
Два других эстрогена - эстрадиол (у которого оба атома кислорода
присутствуют в молекуле в виде гидроксильиых групп) и эстриол (у которого в молекуле
имеется третий атом кислорода, присоединенный к углероду-16).
Так же как и в случае с андрогенами, самыми мощными эстрогенами являются их
синтетические производные. Так, например, существует соединение 17-
этинилэстрадиол, в котором к атому углерода-17, помимо гидроксильной группы,
присоединена цепь из двух атомов углерода. Эта цепь 1 содержит тройную связь.
Такая группа называется этинильной, поэтому весь синтезированный эстроген был
назван этинилэстрадиолом. При приеме внутрь этинилэстрадиол оказывает в
десять раз более мощное воздействие, чем его естественный аналог.
Другим синтетическим веществом этой группы является стильбэстрол, названный
так потому, что в его молекуле содержится группа, которая называется стильбе-
ном. Это не такой мощный эстроген, как этинилэстрадиол, но и он обладает в
три - пять раз более мощным действием, чем естественные гормоны. Стильбэстрол
является необычным соединением, так как не является стероидом. Это очень
полезное свойство, так как стильбен гораздо легче синтезировать, чем стероид.
Поэтому стильбэстрол дешевле и доступнее, чем естественные гормоны или
синтетические стероидные эстрогены.
Эстрогены и андрогены весьма сходны по химическому строению. Например,
молекула эстрона отличается от молекулы андростерона только наличием трех
двойных связей и отсутствием атома углерода-19. Из-за такой схожести в строении
возникает соблазн считать, что гормоны этих двух групп оказывают на организм
сходное действие. (Во всяком случае, этого требует здравый смысл.) Однако в
биологических системах часто случается так, что какое-то соединение, похожее
на другое соединение, ингибирует (подавляет) его действие, так как
связывается с теми же ферментами. Фермент ловится на удочку схожести и принимает
ложный субстрат за настоящий и связывается с ним. Таким образом, нормальная
работа фермента будет блокирована из-за незначительной разницы в строении
субстратов. Такое подавление называется в биологии конкурентным ингибированием.
Половые гормоны двух групп, вполне возможно, настолько похожи по строению,
что могут конкурировать между собой за одни и те же места связывания на
клеточных мембранах. Ход обменных процессов может радикально измениться и пойти
в любом направлении, в зависимости от того, какая группа гормонов выиграла
конкурентную борьбу за места связывания.
Эффекты эстрогенов и андрогенов противоположны, и при добавлении гормонов
одной группы настолько же уменьшается действие гормонов другой группы.
Например, введение эстрогенов петуху превращает его в каплуна точно так же, как и
кастрация. Точно так же введение андрогенов самке вызовет такой же эффект,
как овариэктомия (удаление яичников). Эти соединения оказались полезными при
лечении целого ряда заболеваний, поражающих ткани наиболее чувствительные к
воздействию половых гормонов. Например, эстрогены нашли применение в лечении
рака предстательной железы. Андрогены стимулируют рост предстательной железы,
а эстрогены его подавляют, иногда даже в случаях злокачественного роста.
Андрогены и эстрогены настолько похожи друг на друга, что было бы нелогично
думать, что орган, который способен продуцировать андрогены, не сможет
вырабатывать эстрогены, и наоборот. Действительно, выяснилось, что тестикулы и
яичники вырабатывают гормоны обеих групп. Самец является самцом не потому,
что его половые железы вырабатывают только андрогены, а потому, что они
вырабатывают преимущественно андрогены. То же самое верно и в отношении самок и
эстрогенов. Мужские признаки являются следствием не только увеличения
продукции андрогенов, но и повышенного выведения из организма эстрогенов. Например,
богатым источником эстрогенов является моча жеребцов.
Есть еще одна железа, помимо половых, которая продуцирует стероиды. Эта
железа - кора надпочечников, также вырабатывает половые гормоны, в особенности
андрогены. По этой причине гормонально активные опухоли надпочечником часто
вызывают маскулинизацию у женщин.
Быть женщиной намного сложнее, чем быть мужчиной. Когда мужчина достигает
половой зрелости, он начинает без всяких перерывов производить сперматозоиды
- половые клетки. Напротив, организм взрослой женщины претерпевает регулярные
циклические изменения, в ходе которых каждые четыре недели или около того в
яичниках созревает одна яйцеклетка. Все изменения, происходящие в этот
период, обусловлены действием циклически выделяемых гормонов. Выглядит вполне
разумным, что эти гормоны вырабатываются теми же органами, в работе которых
созревают половые клетки.
Яйцеклетка созревает в яичниковом фолликуле, который при этом достигает
размеров булавочной головки и разрывается (таким образом, яйцеклетка получает
возможность попасть в фаллопиеву трубу, а из нее в матку), приобретая
желтовато-красный цвет. Фолликул превращается в желтое тело (по-латыни corpus
luteum). Это желтое тело вырабатывает особый гормон. Главным результатом
действия этого гормона является разрастание слизистой оболочки матки и ее
подготовка к приему оплодотворенного яйца. Так как этот гормон готовит почву для
вынашивания возможной беременности (по-латыни gestatio), то этот гормон был
назван прогестином. Когда была показана его стероидная структура, он был
переименован в прогестерон.
Прогестерон больше похож на кортикоиды, чем эстрогены. Так же как у
кортикоидов, к его 17-му атому углерода присоединена цепь из двух атомов углерода,
а в кольце А отсутствуют двойные связи. Основным отличием прогестерона от
кортикоидов является присутствие гидроксильной группы у 21-го атома углерода
у последних и ее отсутствие у прогестерона. Если не считать отсутствия гидро-
ксила в этом положении, строение прогестерона ничем не отличается от строения
дезоксикортикостерона (ДОК). Однако это отсутствие одного-единственного атома
кислорода придает этим гормонам совершенно различные функциональные свойства.
Если оплодотворения яйцеклетки не происходит, то желтое тело атрофируется,
и прогестерон перестает образовываться. Функциональный слой слизистой
оболочки матки вместе с кровеносными сосудами отслаивается, и начинается
менструация. Приблизительно через две недели происходит следующая овуляция (то есть
созревание следующей яйцеклетки) , и цикл повторяется. Если на этот раз
произойдет оплодотворение, то яйцеклетка имплантируется в слизистую оболочку
матки, которая продолжает разрастаться под действием гормона желтого тела,
которое в этом случае не рассасывается. Прогестерон не только стимулирует
развитие функционального слоя слизистой оболочки матки, он также стимулирует
образование плаценты (детского места) - органа, с помощью которого происходит
питание развивающегося плода. Роль прогестерона в этом отношении была
выяснена в работах на экспериментальных животных. Если крольчихе удалить яичники
сразу после наступления беременности, то происходит выкидыш. Если же таким
овариэктомироваиным животным вводить экстракты желтого тела, то беременность
протекает нормально и заканчивается обычными родами.
Хотя образующаяся плацента тоже продуцирует прогестерон, желтое тело
продолжает полноценно функционировать до последних месяцев беременности. На
поздних ее сроках, когда увеличивается выработка прогестерона в плаценте,
удаление яичников не приводит к прерыванию беременности.
Очевидно, что на время вынашивания беременности циклы созревания яйцеклеток
должны прерваться. Остановка этого процесса созревания яйцеклеток каждые
четыре недели на время вынашивания беременности обусловлена действием
прогестерона .
На этом основан метод пероральной контрацепции. Обладающие свойствами
прогестерона соединения, которые можно легко синтезировать в лабораторных и
промышленных условиях, при приеме внутрь делают женщину бесплодной. (К счастью,
только на время приема препаратов.) Если бы не было побочных эффектов и
религиозных запретов, то пероральные контрацептивы могли бы стать самым
практичным методом регулирования неконтролируемого роста населения, который
наблюдается в последние годы. Такие практически безопасные аналоги прогестерона были
синтезированы и успешно прошли клинические испытания.
ГОНАДОТРОПИНЫ
Так же как кортикоиды и тироксин, половые гормоны выделяются в тесном
взаимодействии с гипофизом. Это очень легко показать в эксперименте, так как
удаление гипофиза приводит к атрофии половых желез, невозможности забеременеть
или к прерыванию беременности, если она наступила до удаления гипофиза. Кроме
того, если у животного имеет место лактация, то прекращается и она.
Совсем не удивительно, что из передней доли гипофиза удалось выделить
несколько гормонов, которые влияют на половое развитие. Каждый гормон выполняет
свою специфическую функцию, все они объединены (вместе с веществами, имеющими
сходную функцию, но вырабатываемыми другими органами) под общим названием го-
надотропины («питающие половые железы», греч.). Один из этих гонадотропонов
замечателен тем, что стимулирует рост и развитие фолликула, готовя его к
созреванию яйцеклетки. Этот гормон, естественно, был назван фолликулостимули-
рующим гормоном, сокращенно ФСГ. Не думайте, однако, что этот гормон
функционирует только у женщин. У самцов мужчин он стимулирует рост эпителиальных
клеток определенного участка яичек, который вырабатывает сперматозоиды.
Второй гормон начинает работать, когда заканчивается действие ФСГ. У женщин
этот гормон стимулирует финальную стадию созревания фолликула, его разрыв,
высвобождение яйцеклетки и прекращение остатков фолликула в желтое тело. По
этой причине (надеюсь, вы помните, как на латинском языке называется желтое
тело?) этот второй гормон был назван лютеинизирующим гормоном, сокращенно ЛГ.
У мужчин этот гормон стимулирует деятельность клеток, вырабатывающих
тестостерон. Эти клетки (так же как аналогичные клетки яичников, на которые этот
гормон тоже действует) называются интерстициальными. По этой причине он имеет
еще одно название - гормон, стимулирующий интерстициальные клетки.
Хотя второе название длиннее, оно предпочтительнее, так как могла
возникнуть терминологическая путаница с третьим гипофизарным гонадотропином,
который берет на себя функции второго из рассмотренных гормонов, поддерживая
существование уже образованного желтого тела и стимулируя выработку
прогестерона. Этот третий гормон называется лютеотропным гормоном. Он функционирует
после окончания беременности в тесном взаимодействии с эстрогенами, стимулируя
рост молочных желез и лактацию. Эта функция была выявлена раньше, чем
воздействие на желтое тело. Старое наименование гормона - лактогенный гормон
(«продуцирующий молоко», греч.), или пролактин («перед лактацией», лат.).
Стимулирует пролактин и другие стороны жизнедеятельности, связанные с по-
слеродовым периодом. Если молодым самкам крыс вводить пролактин, то они
начинают заниматься обустройством гнезда, даже если у их нет потомства. С другой
стороны, если мышам удалить гипофиз накануне родов, то такие самки не
проявляют никакого интереса к своим мышатам. Газеты когда-то окрестили пролактин
гормоном материнской любви.
Взаимодействие между эстрогенами (или андрогенами) и различными половыми
гормонами имеет чрезвычайно сложную природу. Управляющие этим взаимодействием
прямые и обратные связи пока до конца не выяснены. В целом выработка гонадо-
тропинов стимулируется низким содержанием в крови половых гормонов и
подавляется высокими их концентрациями.
Более выраженное воздействие на выработку пролактина оказывает сосание. Это
усиливает выработку пролактина, а следовательно, и молока. Несомненно, те
случайные сообщения о том, что у коров лактация увеличивается, если в
коровнике играет тихая приятная музыка, могут иметь под собой основания, так как
стимуляция секреции пролактина происходит в обстановке, которая придаст
животному чувство благополучия и безопасности.
При таком тесном взаимодействии гипофиза и половых желез не удивительно,
что недостаточность гипофиза приводит к такому же эффекту, как кастрация
самцов или удаление яичников у самок. Гипофизарная недостаточность у молодых
проявляется карликовостью, ожирением и остановкой полового созревания. Эти
симптомы были описаны в 1901 году австрийским неврологом Альфредом Фрелихом и
с тех пор получили название синдрома Фрелиха. (Слово «синдром» составлено из
греческих корней, означающих «бегущие вместе». Так обозначают совокупность
симптомов, каждый из которых может затрагивать не связанные между собой
органы, но встречаются они вместе, так сказать, «бегут одной группой».)
Из всех трех гипофизарных гонадотропинов только лактогенный гормон был
выделен в относительно чистом виде. Все гонадотропные гормоны, естественно,
являются белками (гипофиз вырабатывает только белки) с молекулярным весом от 20
ООО до 100 ООО. Препараты ФСТ и ЛГ, как выяснилось при их анализе, содержат
сахар, но насколько это важно для их функциональной активности, пока не ясно.
Плацента вырабатывает собственный гонадотропин, который несколько
отличается от гонадотропинов гипофиза. Этот гормон называется хорионическим гонадо-
тропином человека, сокращенно ХГ («Хорион» - греческое название оболочек
плода.) Уже на второй - четвертой неделе беременности ХГ продуцируется в
количествах, достаточных для того, чтобы надежно прикрепить плаценту к стенке
матки. Небольшая часть ХГ экскретируется с мочой. Выделение ХГ с мочой достигает
пика на втором месяце беременности.
ХГ способен воспроизводить у экспериментальных животных некоторые эффекты
гипофизарных гопадотропинов. Если введение экстракта мочи женщины вызывает
такое действие на крыс, мышей или лягушек, то ясно, что в моче содержится
много ХГ и, значит, у женщины имеет место беременность. На основе таких
эффектов разработаны новые рутинные тесты на беременность, которые дают
надежный ответ за несколько недель до того, как врач сможет выявить беременность с
помощью несколько более грубых манипуляций.
ГЛАВА 6. НЕРВЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ИОНЫ
В пяти первых главах этой книги я описал механизм, с помощью которого
сложная жизнедеятельность организма координируется и упорядочивается путем
выработки и распада крупных и мелких молекул, которые иногда работают
согласованно, а иногда противодействуя друг другу, ради достижения какого-либо эффекта
(хотя это не всегда определенно ясно), который реализуется изменением свойств
клеточных мембран, взаимодействующих с этими молекулами. Такая форма
координации, присутствующая во всех организмах с момента зарождения жизни, очень
полезна и практична, но имеет один недостаток - она работает слишком
медленно. Гормональное воздействие должно ждать, пока произойдет сборка нужной
молекулы, пока сложатся друг другом необходимые для этого атомы. После этого
продукт реакции выделяется в кровь и доставляется во все уголки организма,
хотя подействует он, быть может, только в одном-единственном месте. Когда же
миссия гормона заканчивается, он распадается и теряет активность, а его
остатки фильтруются в мочу и удаляются из организма ночками.
Есть, однако, еще одна система координации деятельности организма, которая
имеет перед гормональной системой неоспоримое преимущество в точности,
эффективности и скорости передачи информации. Для своей работы эта система не
требует больших и сложных молекул, в ней действуют атомы и частицы намного
меньшие, чем атомы. Эти атомы и частицы движутся не по кровеносным сосудам, а по
специальным каналам со скоростями большими, чем скорость, с которой вязкая
кровь может продвигаться по топким кровеносным капиллярам. Более того, эти
каналы идут от определенных органов или, наоборот, к ним, передавая
электрический по природе сигнал точно по адресу, не распыляясь по всему телу и не
оказывая побочных действий, столь характерных для гормонов.
Разница в интенсивности жизненных процессов у растений и животных по
большей части обусловлена именно тем фактом, что животные, в дополнение к
химической системе передачи сигналов, обладают системой передачи электрических
сигналов , а растения - только химической. Давайте, однако, начнем сначала.
Когда анатом вскрывает тело животного, то в разных местах он обнаруживает
тонкие белые нити. Они выглядят как струны. Слово «нерв», которым обозначают
эти структуры, происходит от санскритского слова «снавара», что и означает
«струна» или «шнур». Действительно, поначалу этот термин применяли для
обозначения любой структуры тела, похожей на струну, например к сухожилиям.
Кстати, сначала именно сухожилия, которыми мышцы прикрепляются к костям, и
называли нервами.
Александрийские греки во времена Юлия Цезаря поняли разницу - сухожилия
представляли собой прочные соединительные волокна, но были другие струны,
более хрупкие и жироподобные по строению. Одним концом эти струны, как и
сухожилия, прикреплялись к мышцам, но, в отличие от сухожилий, другой конец этих
топких струн не направлялся к костям. Гален, римский врач, живший за двести
лет до нашей эры, впервые применил термин «нерв» для описания именно этих не
сухожильных волокон, и мы до сих пор следуем его примеру.
Тем не менее, следы старого употребления слова «нерв» преследуют нас на
каждом шагу даже в настоящее время. Когда мы делаем какое-то очень большое
усилие, то говорим, что у нас напряжены все нервы, хотя в данном случае имеем в
виду сухожилия, которые действительно напряжены и натянуты сократившимися
мышцами. Полный словарь английского языка дает в качестве первого значения
слова «жилистый» слово «нервный». Сказать в наше время «нервическая рука» -
значит, иметь в виду слабую дрожащую руку, хотя в старые времена это могло
значить «сильная рука».
В древности и в Средние века нервы считали полыми, как кровеносные сосуды,
а их функцией, по мнению ученых того времени, был (как и для кровеносных
сосудов) перенос жидкости. Для обоснования такого толкования функции нервов
были разработаны весьма сложные теории. Среди авторов этих теорий был Гален и
другие знаменитости. Они считали, что жидкости трех различных родов текут по
венам, артериям и нервам соответственно. Жидкость, текущую по нервам,
называли животным духом и считали самой тонкой и разреженной из всех трех.
Эти теории действия нервов, лишенные наблюдательной базы, на которой можно
было бы построить настоящую теорию, утонули в болоте невежества и мистицизма
и, в конечном счете, были оставлены. Однако, как выяснилось, древние в чем-то
все же попали в цель.
По нервам действительно течет некий флюид, флюид более эфирный по своей
природе, нежели кровь, наполняющая сосуды, чем воздух, наполняющий легкие и
переходящий в артерии. Действие этого флюида наблюдали за несколько столетий
до Галена. В 600-е годы до новой эры греческий философ Фалес обнаружил, что
если потереть янтарь материей, то он приобретает способность притягивать
легкие предметы. Ученые обращались к этому феномену не раз на протяжении
столетий, назвали его электричеством (от греческого слова «электрон», что означает
«янтарь»), но, находя его весьма интересным, так и не поняли его природу.
В XVIII веке был найден способ накапливать электричество с помощью прибора,
называемого лейденской банкой. (Этот прибор особенно интенсивно изучали в
университете голландского города Лейдена.) Когда лейденская банка была
полностью заряжена, ее можно было разрядить, если прикоснуться к металлическому
шарику на ее верхней части. Электричество отскакивало от этого набалдашника в
виде искры, очень похожей на молнию. При этом раздавался и треск,
напоминавший пародию на гром. Люди начали думать об электричестве как о жидкости,
которая вливается в лейденскую банку, а потом изливается оттуда.
Американский ученый Бенджамин Франклин первым популяризовал представления
об электричестве как о жидкости особого рода, которая может образовывать
электрические заряды двух различных типов, в зависимости оттого, присутствует
ли избыток (положительный заряд) жидкости или ее недостаток (отрицательный
Заряд) . Более того, Франклин в 1752 году смог показать, что искры и треск
лейденской банки не просто напоминают гром и молнию, но представляют собой то
же самое природное явление. Запуская воздушного змея во время грозы и
присоединяя его к банке, он сумел зарядить ее электричеством.
Открытие взволновало научный мир, и ученые начали ставить над
электричеством опыт за опытом. Итальянский анатом Луиджи Гальвани в 80-х годах XVIII
века тоже занялся электричеством. Он, также как и другие, обнаружил, что если
воздействовать электрическим разрядом лейденской банки на изолированную
мышцу, иссеченную из лапки лягушки, то эта мышца сократится. Однако он пошел
дальше и открыл еще один феномен (правда, отчасти благодаря счастливому
случаю) . Он обнаружил, что мышца сократится, если к ней прикоснуться
металлическим предметом в тот момент, когда разряжается лейденская банка. При этом
было совершенно не обязательно, чтобы искра коснулась мышцы. Потом Гальвани
открыл, что мышца сокращается, если к ней прикоснуться двумя предметами из
разных металлов. Это происходит даже в том случае, если поблизости вообще нет
никакой лейденской банки.
Гальвани решил, что мышца сама по себе является источником флюида, похожего
на электричество, с которым экспериментировали другие ученые. Он назвал
новый, по его мнению, вид электричества «животным электричеством». Ученые
быстро показали, что Гальвани был настолько же не прав в своих выводах, насколько
тонок в своих наблюдениях.
Соотечественник Гальвани Алессандро Вольт в начале XIX века показал, что
источником электричества была не мышца, а два металла. Он особым образом
соединял между собой две полоски металлов и получал - при отсутствии животных
тканей - электрический ток. Он первым сконструировал электрическую батарею и
получил постоянный ток.
Оказалось, что электрический ток обладает свойством стимулировать животные
ткани. Вскоре было показано, что, хотя ток может вызвать сокращение мышцы при
непосредственном воздействии на нее, он гораздо аффективнее делает это, если
его приложить к нерву, идущему к возбуждаемой мышце. В течение XIX века
постепенно утвердилось мнение, что нерв проводит стимул к мышце и что это про-
ведение осуществляется в форме электрического тока.
Природа возникновения тока в молнии, батарее Вольта и в нерве не была
понята до открытия строения атома в начале XX века. На пороге этого века было
выяснено, что атом состоит из множества более мелких, субатомных частиц,
большинство из которых несет электрический заряд. В особенности это касается
внешней области атома, той области, в которой вращаются вокруг атомного ядра
электроны, несущие заряд, который Франклин когда-то, совершенно произвольно,
описал как отрицательный. В центре атома находится атомное ядро, которое
несет положительный заряд, уравновешивающий отрицательный заряд электронов.
Если рассматривать атом как единое целое, то два типа электрических зарядов
уравновешивают друг друга, и в целом атом является электрически нейтральным.
Однако атомы взаимодействуют друг с другом и обладают склонностью отбирать
друг у друга электроны. В любом случае, теряет ли атом электрон или
приобретает его, нарушается равновесие зарядов и атом перестает быть электрически
нейтральным. Атом приобретает заряд и превращается в ион. Электроны
перетекают с одного набора атомов к другим, подобно флюиду Франклина, за исключением
того, что Франклин направил этот поток в противоположном, неверном,
направлении (но пусть это не тревожит нас).
Атомы натрия и калия очень легко отдают по одному электрону. В результате
образуются ионы калия и натрия, каждый из которых песет единичный
положительный заряд. Напротив, атомы элемента хлор охотно присоединяют один электрон к
своей внешней электронной оболочке, становясь при этом отрицательно
заряженными ионами хлора.
В организме содержится очень много натрия, калия и хлора, но все эти
элементы неизменно присутствуют в нем в виде своих ионов10.
Кроме того, в организме содержится множество других ионов. Кальций и магний
существуют в нашем теле в виде ионов, несущих двойной положительный заряд.
Атомы железа образуют ионы, которые имеют либо двойной, либо тройной
положительный заряд. Атомы фосфора соединяются кислородом и водородом, образуя
сложные ионы, несущие суммарный отрицательный заряд. Группы атомов,
образующие боковые цени аминокислот, из которых построены белки, в некоторых случаях
присоединяют электроны, а в некоторых - отдают (иногда, правда, они не делают
ни того, ни другого), в результате по поверхности белковой молекулы рассеяны
положительно и отрицательно заряженные группы.
Положительно заряженные частицы отталкивают другие положительно заряженные
частицы, а отрицательно заряженные частицы отталкивают другие отрицательно
заряженные частицы. Напротив, положительно заряженные и отрицательно
заряженные частицы притягиваются друг к другу. Силы притяжения и отталкивания
приводят к тому, что в растворе заряды существуют в виде равномерной смеси. В
любом объеме разумных размеров (например, в объеме, видимом в световом
микроскопе) все заряды нейтрализованы, так как положительные и отрицательные
заряды сближаются на минимально возможное расстояние и нейтрализуют друг друга.
Требуется весьма значительная энергия для того, чтобы разделить даже
небольшое количество разноименных зарядов, а когда заряды разделены, они снова
стремятся образовать нейтральную смесь. Это может иметь катастрофический
характер, например, при разряде молнии, или выглядеть скромнее, как разряд
обкладок лейденской банки. В химической батарее разделены очень небольшие заря-
В действительности натрий и калий существуют в неживой природе тоже только в виде ионов.
Нейтральные атомы натрия и калия образуют очень активные металлы, которые можно получить
только и лабораторных условиях, приложив немало усилий. Если после этого не предпринять
специальных мер, то атомы этих металлов немедленно прекращаются в ионы. То же самое можно
сказать и о хлоре, атомы которого в нейтральной форме объединяются в пары и образуют ядовитый
газ «хлор», который в свободном виде на Земле не встречается, За исключением лабораторий,
где его изготовляют химики.
ды. Это разделение всегда существует в металлах. Электрический ток - это
попытка электронов течь из одного металла в другой, чтобы восстановить
нейтральность .
Если по нервам течет электрический ток, какой бы то ни было природы, то,
значит, есть и разделение зарядов. Ответ на вопрос о природе такого
разделения скрыт в строении клеточной мембраны.
КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА
Клетка окружена полупроницаемой мембраной. Она называется полупроницаемой,
потому что одни вещества могут проходить через нее свободно, а другие не
могут пройти вообще. Первое обобщение, которое мы можем сделать, касается того,
что такие мелкие молекулы, как вода или кислород, могут свободно проходить
сквозь клеточную мембрану, а такие крупные молекулы, как крахмал или белок, -
не могут. Самое простое объяснение механизма такой избирательности
заключается в том, что и мембранах имеются мелкие субмикроскопические отверстия,
которые так малы, что пропускают только очень мелкие молекулы.
Предположим, что это так и что есть мелкие молекулы, которые бомбардируют
извне клеточную мембрану. По чистой случайности некоторые из этих молекул
время от времени попадают точно в середину отверстий и проходят внутрь
клетки. Такие молекулы попадают в клетку в результате процесса, называемого
диффузией (от латинского слова, означающего «протекать»). Частота, с которой
молекулы попадают в клетку в результате диффузии, зависит от количества
молекул, попадающих в отверстия в единицу времени. Это количество, в свою
очередь, зависит от общего числа молекул, ударяющихся о поверхность клетки. А
эта величина зависит от концентрации молекул вне клетки. Чем больше
концентрация, тем больше число молекул, ударяющихся о мембрану, и тем больше число
попадающих внутрь, Короче говоря, скорость диффузии в клетку зависит от
концентрации молекул вне клетки.
Если молекулы, о которых мы говорим, содержатся и внутри клетки, то они
также будут бомбардировать мембрану, только изнутри. По случайности некоторые
из них тоже будут попадать и отверстия, и выходить наружу, из клетки, в
окружающую среду. В этом случае также скорость диффузии зависит от концентрации
молекул, только внутри клетки. Если концентрация молекул снаружи клетки выше,
чем их концентрация внутри, то скорость диффузии, направленной внутрь,
окажется выше скорости диффузии, направленной наружу. Суммарный ток молекул
окажется направленным внутрь. Чем больше разница в концентрациях (или
концентрационный градиент), тем большим будет этот суммарный поток. В общем случае,
суммарный поток молекул направлен из области с высокой концентрацией в
область с низкой концентрацией, по направлению снижения концентрации. Так
автомобиль с выключенным двигателем движется вниз по склону горы. С течением
времени концентрация молекул возрастает там, где она была низкой, и уменьшается
там, где она была высокой. Концентрационный градиент становится все более и
более пологим, суммарный поток уменьшается, и это продолжается до тех пор,
пока концентрации по обе стороны мембраны не сравняются между собой, и не
исчезнет концентрационный градиент11. Продолжая аналогию с автомобилем, можно
сказать, что когда он выезжает на ровную поверхность, то через некоторое
время останавливается.
Все эти процессы должны иметь место при простой пассивной диффузии, и, дей-
С установлением концентрационного равновесия по обе стороны мембраны молекулы, конечно,
продолжают двигаться, входя в клетку и выходя из нее. Однако входящий и выходящий ток имеют
равные скорости, поэтому сдвига концентрации не происходит. Такое положение называют
динамическим равновесием.
ствительно, все сказанное верно в отношении многих типов молекул. В некоторых
случаях, правда, складывается впечатление, что клетка не может ждать, пока
Завершится процесс простой диффузии. Клетка начинает торопить события.
Например, глюкоза входит в клетку с большей скоростью, чем та, какой можно было бы
ожидать, если бы она входила туда по законам простой диффузии. (Автомобиль
тоже может ехать под горку с включенным двигателем.) Точный механизм такого
ускорения пока не установлен.
Но давайте приложим описанный механизм к ионам. Клеточная мембрана свободно
проницаема для ионов натрия и калия, которые состоят из одиночных атомов,
которые размерами не превышают молекулы воды. Можно ожидать, что если
существует какая-то разница в концентрациях этих ионов внутри и снаружи клетки, то в
результаты диффузии эти концентрации должны через короткое время стать
одинаковыми внутри и снаружи клетки. Именно так все и происходит в мертвых
клетках .
В живых же все обстоит иначе!
В живых тканях ион натрия почти целиком находится вне клеток, представляя
собой главный катион внеклеточной жидкости. Концентрация иона натрия вне
клетки в 10 раз больше его концентрации внутри клетки. Ион калия, напротив,
находится почти целиком внутри клеток, во внутриклеточной жидкости.
Концентрация иона калия внутри клетки в 40 раз больше его концентрации вне клетки.
Более того, в обычных условиях эта разница не имеет никакой тенденции к
сглаживанию .
Такое неравномерное распределение ионов, несмотря на мощный
концентрационный градиент, требует для своего сохранения больших энергетических затрат со
стороны клетки. Это все равно как если вы будете постоянно растягивать
эспандер - приспособление с пружинами, которое гимнасты используют для тренировки
мышц. В первоначальном положении пружины сжаты, и в растянутом состоянии их
можно держать, лишь постоянно прикладывая мышечную силу к его концам. Если вы
по какой-то причине перестанете силой растягивать эспандер - устанете или
какой-нибудь шутник пощекочет вас по ребрам, - то пружины немедленно
сократятся. Когда клетка погибает и перестает расходовать энергию, концентрации ионов
по обе стороны мембраны быстро выравниваются.
Клетка поддерживает неравномерное распределение ионов, выталкивая ионы
натрия наружу, прочь из клетки, сразу, как только он путем диффузии проникает в
клетку, или, быть может, клетка отталкивает его от мембраны еще до того, как
он поступает внутрь. Таким образом, ион натрия вынужден перемещаться против
градиента концентрации, подобно автомобилю, вынужденному ехать в гору. (Такой
автомобиль не может двигаться сам по себе, он, по необходимости, должен
расходовать энергию, чтобы двигаться, и то же самое относится к клетке.)
Перемещать ион натрия против градиента - это, если прибегнуть к другому сравнению,
то же самое, что выкачивать воду из ямы. И физиологи назвали механизм,
выталкивающий ионы натрия из клетки, натриевым насосом. Правда, никто до сих пор
точно не знает, как работает этот насос.
Когда положительно заряженный ион натрия выталкивается из клетки, на
внутренней поверхности мембраны формируется отрицательный заряд, а на внешней,
соответственно, накапливается заряд положительный. Положительно заряженные
ионы калия отталкиваются положительным зарядом, накопленным на внешней
стороне мембраны, и притягиваются отрицательным зарядом, имеющимся на внутренней
стороне мембраны. Значит, как сила притяжения, так и сила отталкивания
заставляет ион калия оставаться внутри клетки. Калиевого насоса, способного
преодолеть эти силы, не существует, и калий, находящийся в клетке, не
покидает ее, а остается внутри. Не проникают ионы натрия через мембрану и по
законам диффузии, преодолевая силу натриевого насоса, так как внутри клетки их
удерживает распределение электрических зарядов. Входящий ток калия не спосо-
бен полностью нейтрализовать отрицательный заряд внутренней среды клетки.
Напротив , на фоне протекающих в клетке процессов в покое постоянно сохраняется
небольшая разница в зарядах - внутри клетки преобладают отрицательные заряды,
а снаружи - положительные.
Затрачивая энергию на работу натриевого насоса, организм достигает сразу
трех целей. Во-первых, сохраняет разницу в концентрациях ионов натрия и обе
стороны клеточной мембраны, противодействуя диффузионным силам
концентрационного градиента, стремящимся уравновесить концентрации натрия. Во-вторых,
поддерживает также трансмембранную разность концентраций ионов калия. В-третьих,
и это самое главное, поддерживая работу натриевого насоса, организм
производит разделение зарядов, противодействуя естественным силам, стремящимся
сблизить противоположные заряды.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ И ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ
В тех случаях, когда имеет место разделение зарядов и положительные заряды
расположены в одном месте, а отрицательные в другом, физики говорят о
поляризации заряда. Физики употребляют термин по аналогии с разноименными
магнитными силами, которые скапливаются на противоположных концах, или полюсах
(название дано потому, что свободно двигающаяся намагниченная полоска указывает
своими концами в стороны географических полюсов) полосового магнита. В
обсуждаемом случае мы имеем концентрацию положительных зарядов на одной стороне
мембраны и концентрацию отрицательных зарядов на другой стороне мембраны, то
есть мы можем говорить о поляризованной мембране.
Однако в любом случае, когда имеет место разделение зарядов, немедленно
возникает и электрический потенциал. Потенциал является мерой силы, которая
стремится сблизить разделенные заряды и ликвидировать поляризацию.
Электрический потенциал, поэтому, называют также электродвижущей силой, которая
сокращенно обозначается ЭДС.
Электрический потенциал называется потенциалом именно потому, что он в
действительности не приводит в движение заряды, так как существует
противодействующая сила, удерживающая противоположные электрические заряды от сближения.
Эта сила будет существовать до тех пор, пока расходуется энергия на ее
поддержание (что и происходит в клетках). Таким образом, сила, стремящаяся
сблизить заряды, обладает лишь возможностью, или потенцией, сделать это, и такое
сближение происходит только в том случае, когда энергия, затрачиваемая на
разделение зарядов, ослабевает. Электрический потенциал измеряют в единицах,
названных вольтами, в честь Вольта, человека, создавшего первую в мире
электрическую батарею.
Физики сумели измерить электрический потенциал, существующий между двумя
сторонами клеточной мембраны. Он оказался равным 0,07 вольт. Можно сказать
также, что этот потенциал равен 70 милливольтам, так как милливольт равен
одной тысячной вольта. Конечно, это очень маленький потенциал по сравнению со
120 вольтами (120 000 милливольт) напряжения в сети переменного тока или по
сравнению с тысячами вольт напряжения в линиях электропередачи. Но это все же
удивительный потенциал, учитывая материалы, которые имеет в своем
распоряжении клетка для построения электрических систем.
Любая причина, прерывающая деятельность натриевого насоса, приведет к
резкому выравниванию концентраций ионов натрия и калия по обе стороны мембраны.
Это, в свою очередь, автоматически приведет к выравниванию зарядов. Таким
образом, мембрана станет деполяризованной. Конечно, это происходит при
повреждении или гибели клетки. Но существуют, правда, три вида стимулов, которые
могут вызвать деполяризацию, не причиняя клетке никакого вреда (если,
конечно, эти стимулы не слишком сильны). К таким стимулам относятся механические,
химические и электрические.
Давление - это пример механического стимула. Давление на участок мембраны
приводит к а расширению и (но пока по не попятным причинам) вызовет в этом
месте деполяризацию. Высокая температура приводит к расширению мембраны,
холод сокращает ее, и эти механические изменения тоже вызывают деполяризацию.
К такому же результату приводит воздействие на мембрану некоторых
химических соединений и воздействие на нее слабых электрических токов. (В последнем
случае причина деполяризации представляется наиболее очевидной. В конце
концов , почему электрический феномен поляризации нельзя изменить с помощью
приложенного извне электрического потенциала?)
Произошедшая в одном месте мембраны деполяризация служит стимулом для
распространения деполяризации по мембране. Ион натрия, хлынувший в клетку в
месте, где произошла деполяризация, то есть прекратилось действие натриевого
насоса, вытесняет наружу ион калия. Ионы натрия меньше размерами и более
подвижны, чем ионы калия. Поэтому в клетку входит больше ионов натрия, чем
выходит из нее ионов калия. В результате кривая деполяризации пересекает нулевую
отметку и поднимается выше. Клетка снова оказывается поляризованной, но с
обратным знаком. На какой-то момент клетка приобретает внутренний положительный
заряд, благодаря присутствию в ней избытка ионов натрия. На внешней стороне
мембраны появляется маленький отрицательный заряд.
Противоположно направленная поляризация может служить электрическим
стимулом, который парализует работу натриевого насоса в участках, примыкающих к
месту первоначального стимула. Эти примыкающие участки поляризуются, потом
происходит поляризация с обратным знаком и возникает деполяризация в более
отдаленных участках. Таким образом, волна деполяризации прокатывается по всей
мембране. В начальном участке поляризация с обратным знаком не может
продолжаться долго. Ионы калия продолжают выходить из клетки, постепенно их поток
уравнивается с потоком входящих ионов натрия. Положительный заряд внутри
клетки исчезает. Это исчезновение обратного потенциала в какой-то степени
реактивирует натриевый насос в этом месте мембраны. Ионы натрия начинают
выходить из клетки, и в нее начинают проникать ионы калия. Данный участок
мембраны вступает в фазу реполяризации. Так как эти события происходят во всех
участках деполяризации мембраны, то вслед за волной деполяризации по мембране
прокатывается волна реполяризации.
Между моментами деполяризации и полной реполяризации мембраны не отвечают
на обычные стимулы. Этот период времени называется рефракторным периодом. Он
длится очень короткое время, малую долю секунды. Волна деполяризации,
прошедшая через определенный участок мембраны, делает этот участок невосприимчивым
к возбуждению. Предыдущий стимул становится в каком-то смысле единичным и
изолированным. Как именно мельчайшие изменения зарядов, участвующие в
деполяризации, реализуют такой ответ, неизвестно, но факт остается фактом - ответ
мембраны на стимул изолирован и единичен. Если мышцу стимулировать в одном
месте небольшим электрическим разрядом, то мышца сократится. Но сократится не
только тот участок, к которому было приложено электрическое раздражение;
сократится все мышечное волокно. Волна деполяризации проходит по мышечному
волокну со скоростью от 0,5 до 3 метров в секунду, в зависимости от длины
волокна, и этой скорости достаточно, чтобы создалось впечатление, что мышца
сокращается, как одно целое.
Этот феномен поляризации-деполяризации-реполяризации присущ всем клеткам,
но в некоторых он выражен больше. В процессе эволюции появились клетки,
которые извлекли выгоды из этого явления. Эта специализация может пойти в двух
направлениях. Во-первых, и это происходит весьма редко, могут развиться
органы, которые способны создавать высокие электрические потенциалы. При
стимуляции деполяризация реализуется не мышечным сокращением или другим физиологиче-
ским ответом, а возникновением электрического тока. Это не пустая трата
энергии. Если стимул - это нападение врага, то электрический разряд может ранить
или убить его.
Существует семь видов рыб (некоторые из них костистые, некоторые относятся
к отряду хрящевых, являясь родственниками акул), специализированных именно в
этом направлении. Самый живописный представитель - это рыба, которую в народе
называют «электрическим угрем», а в науке весьма символическим именем -
Electrophorus electricus. Электрический угорь - обитатель пресных вод, и
встречается в северной части Южной Америки - в Ориноко, Амазонке и ее
притоках. Строго говоря, эта рыба не родственница угрям, ее назвали так за длинный
хвост, который составляет четыре пятых тела этого животного, длина которого
составляет от 6 до 9 футов. Все обычные органы этой рыбы умещаются в передней
части туловища длиной около 15 - 16 дюймов.
Более половины длинного хвоста занято последовательностью блоков
модифицированных мышц, которые образуют «электрический орган». Каждая из этих мышц
производит потенциал, который не превышает потенциал обычной мышцы. Но тысячи
и тысячи элементов этой «батареи» соединены таким образом, что их потенциалы
складываются. Отдохнувший электрический угорь способен накопить потенциал
порядка 600-700 вольт и разряжать его со скоростью 300 раз в секунду. При
утомлении этот показатель снижается до 50 раз в секунду, но такой темп угорь
может выдержать в течение длительного времени. Электрический удар достаточно
силен для того, чтобы убить мелкое животное, которыми питается эта рыба, или
чтобы нанести чувствительное поражение животному более крупному, которое по
ошибке вдруг решит съесть электрического угря.
Электрический орган - это великолепное оружие. Возможно, к такому
электрошоку с удовольствием прибегли бы и другие животные, но эта батарея занимает
слишком много места. Представьте себе, как мало животных имели бы крепкие
клыки и когти, если бы они занимали половину массы их тела.
Второй тип специализации, предусматривающий использование электрических
явлений, протекающих на клеточной мембране, заключается не в усилении
потенциала, а в увеличении скорости распространения волны деполяризации. Возникают
клетки с удлиненными отростками, которые представляют собой почти
исключительно мембранные образования. Главная функция этих клеток - очень быстрая
передача стимула от одной части тела к другой. Именно из таких клеток состоят
нервы - те самые нервы, с рассмотрения которых началась эта глава.
НЕЙРОН
Нервы, которые мы можем наблюдать невооруженным глазом, конечно же, не
являются отдельными клетками. Это пучки нервных волокон, иногда в этих пучках
содержится очень много волокон, каждое из которых представляет собой часть
нервной клетки. Все волокна пучка идут в одном направлении и, ради удобства и
экономии места, связаны между собой, хотя отдельные волокна могут выполнять
совершенно разные функции. Точно так же отдельные изолированные электрические
провода, выполняющие совершенно разные задачи, для удобства объединяют в один
электрический кабель. Само нервное волокно является частью нервной клетки,
которую также называют нейроном. Это греческое производное латинского слова
«нерв». Греки эпохи Гиппократа приложили это слово к нервам в истинном смысле
и к сухожилиям. Теперь этот термин обозначает исключительно индивидуальную
нервную клетку. Основная часть нейрона - тело практически мало, чем
отличается от всех остальных клеток организма. Тело содержит ядро и цитоплазму. Самым
большим отличием нервной клетки от прочих клеток является наличие длинных
выростов из тела клетки. От большей части поверхности тела нервной клетки
отходят выросты, которые ветвятся на протяжении. Эти ветвящиеся выросты напомина-
ют крону дерева и называются дендритами (от греческого слова «дерево»).
На поверхности тела клетки есть одно место, из которого выходит один,
особенно длинный, отросток, который не ветвится на всем своем (иногда огромном)
протяжении. Этот отросток называется аксоном. Почему он так называется, я
объясню позже. Именно аксонами представлены типичные нервные волокна нервного
пучка. И хотя аксон микроскопически тонок, его длина может составить
несколько футов, что представляется необычным, если учесть, что аксон - это всего
лишь часть единственной нервной клетки.
Когда нейрон активируется приходящим к нему возбуждающим
импульсом, волна деполяризации временно меняет знак мембранного
потенциала . По мере распространения волны деполяризации вдоль аксона
последовательные участки аксона тоже претерпевают эту временную
реверсию. Потенциал действия можно описать как поток
положительно заряженных ионов натрия (Na+), переходящих через мембрану
внутрь нейрона.
Возникшая в какой-либо части нервной клетки деполяризация с большой
скоростью распространяется по волокну. Волна деполяризации, распространяющаяся по
отросткам нервной клетки, называется нервным импульсом. Импульс может
распространяться по волокну в любом направлении; так, если нанести стимул на
середину волокна, то импульс будет распространяться в обе стороны. Однако в живых
системах практически всегда получается так, что импульсы распространяются по
дендритам только в одну сторону - к телу клетки. По аксону же импульс всегда
распространяется от тела клетки.
Скорость распространения импульса по нервному волокну была впервые измерена
в 1852 году немецким ученым Германом Гельмгольцем. Для этого он наносил
стимулы на нервное волокно на разных расстояниях от мышцы и регистрировал время,
через которое мышца сокращалась. Если расстояние увеличивалось, то удлинялась
и задержка, после которой наступало сокращение. Задержка соответствовала
времени , которое требовалось импульсу, чтобы пройти дополнительное расстояние.
Довольно интересен тот факт, что за шесть лет до опыта Гельмгольца
знаменитый немецкий физиолог Иоганнес Мюллер в припадке консерватизма, столь
характерного для ученых на склоне их карьеры, категорически заявлял, что никто и
никогда не сможет измерить скорость проведения импульса по нерву.
В разных волокнах скорость проведения импульса не одинакова. Во-первых,
скорость, с которой импульс движется по аксону, грубо зависит от его толщины.
Чем толще аксон, тем больше скорость распространения импульса. В очень
тонких волокнах импульс движется по ним довольно медленно, со скоростью двух
метров в секунду и даже меньше. Не быстрее, чем, скажем, распространяется
волна деполяризации по мышечным волокнам. Очевидно, чем быстрее должен
реагировать организм на тот или иной стимул, тем желательнее высокая скорость
проведения импульсов. Один из способов достижения такого состояния - это
увеличение толщины нервных волокон. В теле человека самые тонкие волокна имеют
диаметр 0,5 микрона (микрон - это одна тысячная часть миллиметра), а самые
толстые - 20 микрон, то есть в 40 раз больше. Площадь поперечного сечения
толстых волокон в 1600 раз больше площади поперечного сечения тонких волокон.
Можно подумать, что поскольку млекопитающие обладают лучше развитой нервной
системой, чем другие группы животных, то нервные импульсы распространяются у
них с наибольшей скоростью, а нервные волокна толще, чем у всех остальных
биологических видов. Но в действительности это не так. У низших животных,
тараканов12 , нервные волокна толще, чем у людей.
Самыми толстыми нервными волокнами обладают самые развитые из моллюсков -
кальмары. Крупные кальмары вообще, вероятно, являются самыми развитыми и
высокоорганизованными животными из всех беспозвоночных. Учитывая их физические
размеры, мы не удивляемся тому, что им требуется высокая скорость проведения
импульсов и очень толстые аксоны. Нервные волокна, идущие к мышцам кальмара,
называются гигантскими аксонами и достигают в диаметре 1 миллиметра. Это в 50
раз больше диаметра самого толстого аксона млекопитающих, а по площади
поперечного сечения аксоны кальмара превосходят аксоны млекопитающих в 2500 раз.
Гигантские аксоны кальмара - это дар божий для нейрофизиологов, которые могут
легко ставить на них опыты (например, измерять потенциалы на мембранах
аксонов) , что очень трудно делать на чрезвычайно тонких аксонах позвоночных.
Тем не менее, почему все-таки беспозвоночные превзошли позвоночных толщиной
нервных волокон, хотя позвоночные обладают более развитой нервной системой?
Ответ заключается в том, что скорость проведения импульсов по нервам у
позвоночных зависит не только от толщины аксонов. Позвоночные животные получили
в свое распоряжение более изощренный способ повышения скорости проведения
импульсов по аксонам.
У позвоночных нервные волокна на ранних стадиях развития организма попадают
в окружение так называемых сателлитных клеток. Некоторые из этих клеток
называются шванновскими (по имени немецкого зоолога Теодора Шванна, одного из
основоположников клеточной теории жизни). Шванновские клетки обертываются
вокруг аксона, образуя все более и более плотную спираль, одевая волокно жиро-
подобной оболочкой, которая называется миелиновой оболочкой. В конечном
счете, шванновские клетки образуют вокруг аксона тонкую оболочку, называемую
неврилеммой, которая, тем не менее, содержит ядра исходных шванновских
клеток. (Кстати, сам Шванн и описал эти неврилеммы, которые иногда в его честь
называют шванновской оболочкой. Мне кажется, что очень немузыкально и
оскорбительно для памяти великого зоолога звучит термин, которым обозначают
опухоль, исходящую из неврилеммы. Ее называют шванномой.)
Одна отдельная шванновская клетка окутывает только ограниченный участок
аксона. В результате шванновские оболочки охватывают аксон отдельными секциями,
между которыми расположены узкие участки, в которых миелиновая оболочка
отсутствует . В результате под микроскопом аксон выглядит как связка сосисок.
Участки, не покрытые миелином, сужения этой связки, называются перехватами
Ранвье, в честь французского гистолога Луи Антуана Ранвье, который описал их
Необходимо Заметить, что насекомые находятся на самом верху своего эволюционного древа,
также как млекопитающиеся находятся на самом верху другого эволюционного древа. - Прим. ред.
в 1878 году. Таким образом, аксон похож на тонкий стержень, продетый сквозь
последовательность цилиндров вдоль их осей. Axis на латинском языке означает
«ось», отсюда происходит и название этого отростка нервной клетки. Суффикс -
он присоединен, видимо, по аналогии со словом «нейрон».
Функция миелиновой оболочки не вполне ясна. Самое простое предположение
относительно ее функции состоит в том, что она служит своеобразным изолятором
нервного волокна, уменьшая утечку тока в окружающую среду. Такие утечки
возрастают по мере того, как волокно становится тоньше, и присутствие изолятора
позволяет волокну оставаться тонким без увеличения потери потенциала.
Доказательства в пользу такого факта основаны на том, что миелин преимущественно
состоит из липидных (жироподобных) материалов, которые действительно являются
превосходными электрическими изоляторами. (Именно этот материал придает нерву
белый цвет. Тело нервной клетки окрашено в серый цвет.)
Однако если бы миелин выполнял только функции электрического изолятора, то
с этой работой могли бы справиться и более простые жировые молекулы. Но как
выяснилось, химический состав миелина очень сложен. Из каждых пяти молекул
миелина две - молекулы холестерола, еще две - молекулы фосфолипидов (жировые
молекулы, содержащие фосфор), а пятая молекула - цереброзид (сложная жиропо-
добная молекула, содержащая сахар). Присутствуют в миелине и другие необычные
вещества. Представляется весьма вероятным, что миелин выполняет в нервной
системе отнюдь не только функции электрического изолятора.
Типичная структура нейрона
Дендрит
Концевая ветвь
(терминаль) аксона
^jfjj^- Кпеточ ное тело
^ Перехват Ранвье^^Г^д
с Миелиновая оболочка
Ядро
Ж/}\ Аксон 1 Клетка Шванна
Высказывалось предположение, что клетки миелиновой оболочки поддерживают
целостность аксона, поскольку он вытянут на такое большое расстояние от тела
нервной клетки, что, вполне вероятно, может утратить нормальную связь с ядром
своей нервной клетки. Известно, что ядро жизненно необходимо для поддержания
нормальной жизнедеятельности любой клетки и всех ее частей. Возможно, ядра
шванновских клеток берут на себя функцию нянек, которые питают аксон на тех
участках, которые они окутывают. Ведь аксоны нервов, даже лишенных миелина,
покрыты топким слоем шванновских клеток, в которых, естественно, есть ядра.
Наконец, миелиновая оболочка каким-то образом ускоряет проведение импульса
по нервному волокну. Волокно, покрытое миелиновой оболочкой, проводит импульс
намного быстрее, чем волокно такого же диаметра, но лишенное миелиновой
оболочки. Вот почему позвоночные выиграли эволюционную схватку с беспозвоночны-
ми. Они сохранили тонкие нервные волокна, но значительно увеличили скорость
проведения импульсов по ним.
Миелинизированные нервные волокна млекопитающих проводят нервный импульс со
скоростью около 100 м/с, или, если угодно, 225 миль в час. Это довольно
приличная скорость. Самое большое расстояние, которое приходится преодолевать
импульсам в нервах млекопитающих, - это 25 метров, которые отделяют голову
синего кита от его хвоста. Нервный импульс проходит этот неблизкий путь за
0,3 с. Расстояние от головы до большого пальца ноги у человека импульс по
миелинизированному волокну проходит за одну пятидесятую долю секунды. В том,
что касается скоростей передачи информации в нервной и эндокринной системах,
видна огромная и вполне очевидная разница.
При рождении ребенка процесс мнелинизации нервов в его организме еще не
завершен, и различные функции не развиваются должным образом до тех пор, пока
нужные нервы не будут миелинизированы. Так, ребенок сначала ничего не видит.
Функция зрения устанавливается только после мнелинизации зрительного нерва,
которая, к счастью, не заставляет себя ждать. Точно так же нервы, идущие к
мышцам рук и ног, остаются немиелинизированными в течение первого года жизни,
поэтому координация движений, необходимая для самостоятельного передвижения,
устанавливается только к этому времени.
Иногда взрослые люди страдают так называемой «демилиенизирующей болезнью»,
при которой происходит дегенерация участков миелина с последующей утратой
функции соответствующего нервного волокна. Лучше всего изучено одно из таких
заболеваний, известное как рассеянный склероз. Такое название дано этой
болезни потому, что при ней в различных участках нервной системы появляются
очаги дегенерации миелина с замещением его более плотной рубцовой тканью.
Такая демиелинизация может развиться в результате действия на миелин какого-то
белка, присутствующего в крови больного. Представляется, что этот белок
является антителом, представителем класса веществ, которые в норме обычно
взаимодействуют только с чужеродными белками, но часто становятся причиной
симптомов состояния, которое мы знаем как аллергию. По сути дела, у больного
рассеянным склерозом развивается аллергия к самому себе, и эта болезнь, быть
может , является примером аутоаллергического заболевания. Поскольку чаще всего
поражаются чувствительные нервы, то самыми распространенными симптомами
рассеянного склероза являются двоение в глазах, утрата тактильной
чувствительности и другие расстройства чувствительности. Рассеянный склероз чаще всего
поражает людей в возрасте от 20 до 40 лет. Болезнь может прогрессировать, то
есть могут поражаться все новые и новые нервные волокна, и, в конце концов,
наступает смерть. Однако прогрессирование заболевания может быть медленным, и
многие больные живут больше десяти лет с момента установления диагноза.
АЦЕТИЛХОЛИН
Ни один нейрон не существует в одиночестве, предоставленный самому себе.
Обычно он контактирует с другим нейроном. Это происходит путем переплетения
аксона одного нейрона (ветвей, выходящих из конца аксона) с несколькими денд-
ритами другого. Ни в одном месте отростки одного нейрона не сливаются с
отростками другого. В любом случае между отростками контактирующих нейронов
существует микроскопическая, но четко определимая щель. Эта щель называется
синапсом («синапс» по-гречески означает «соединение», хотя это слово в данном
случае означает то, чего в действительности нет).
Здесь возникает первая проблема. Нервный импульс действительно переходит от
одного нейрона к другому, по каким образом он преодолевает синаптическую
щель? Первая мысль - импульс проскакивает между нейронами, как искра
проскакивает через изолирующую воздушную среду, разделяющую токопроводящие поверх-
ности при достаточном электрическом потенциале. Но электрические потенциалы,
обусловливающие распространение нервного импульса (за исключением
электрических скатов, о которых мы уже говорили), недостаточно сильны для того, чтобы
провести ток через изолирующую щель. Надо искать какое-то иное решение, и
если в этом нам не поможет электричество, то придется обратиться к помощи
химии .
В процессе эволюции, на ранних ее стадиях, природа выработала способ
стимуляции нервного волокна путем воздействия на него веществом, синтезированным
из уксусной кислоты и холина, двух веществ, присутствующих в любой клетке. В
результате этой реакции образуется ацетилхолин. Именно этот ацетилхолин
изменяет работу натриевого насоса таким образом, что происходит деполяризация и
возникает нервный импульс.
Очень легко представить себе, как ацетилхолин окутывает мембрану и изменяет
ее свойства. Такую картину многие рисуют для иллюстрации действия гормонов на
клетку вообще, и по этой причине ацетилхолин иногда рассматривают как нейро-
гормон, действующий на нервное волокно. Такое сравнение, однако, хромает.
Ацетилхолин не секретируется в кровеносное русло и не транспортируется с
кровью, как это происходит со всеми гормонами, которые я описал в первой части.
Напротив, ацетилхолин секретируется непосредственно на мембрану нервной
клетки и действует прямо на месте. Эта разница заставила некоторых исследователей
говорить об ацетилхолине как о нейрогуморе (гумором в старые времена называли
любую биологическую жидкость).
Ацетилхолин, образованный нервными окончаниями, не может долго находиться
возле нервной клетки, так как в его присутствии не происходит реполяризация.
К счастью, в нервах содержится фермент холинэстераза, который снова
расщепляет ацетилхолин на уксусную кислоту и холин. Как только это расщепление
происходит, сразу меняются свойства клеточной мембраны, и начинается
реполяризация. Образование и расщепление ацетилхолина происходят с потрясающе
высокой скоростью, и скорость этих химических изменений не уступает скорости
формирования и проведения по волокнам нервных импульсов, то есть скорости
чередования циклов деполяризации и реполяризации.
Доказательство того, что пара ацетилхолин/холинэстераза всегда присутствует
при проведении нервного импульса, не является прямым, но представляется
достаточно убедительным. Все нервные клетки содержат ферменты, катализирующие
как образование ацетилхолина, так и его расщепление. Я хочу сказать, что это
вещество можно обнаружить у всех многоклеточных организмов, за исключением
самых простых - губок и медуз. В особенности много холинэстеразы в
электрических органах электрического угря, причем потенциалы, генерируемые угрем,
прямо пропорциональны содержанию в электрических органах холинэстеразы. Более
того, любое вещество, которое блокирует действие холинэстеразы, блокирует и
проведение нервных импульсов.
Возникает представление о нервном импульсе как о координированных
химических и электрических эффектах, которые совместно проявляются в аксоне
нервного волокна. Это более плодотворно, нежели считать, что передача импульса
обусловлена только электрическими явлениями, так как, прибывая вместе с
импульсом к пропасти синапса, мы уже не чувствуем себя беспомощными оттого, что
электрический импульс не может ее преодолеть; химическое вещество легко
решает эту задачу. Ацетилхолин высвобождается в окончаниях аксона одного нерва и
действует на дендрит или на тело клетки другого нейрона, пересекая синапс, и
порождает на следующем нейроне новый нервный импульс. Электрическая волна
пойдет по следующему нейрону до синапса, где в игру снова вступит химический
эффект, и так далее. (Импульс переходит с аксона на дендрит, но не в обратном
направлении. Именно это обстоятельство заставляет нерв проводить импульсы
только в одном направлении, хотя нервное волокно обладает способностью прово-
лить его в любую сторону.)
Аксон нейрона может соединяться не только с другим нейроном, но и с каким-
либо органом, на который он передает импульс. Обычно таким органом является
мышца. Конец аксона тесно соприкасается с сарколеммой, то есть с мембраной,
покрывающей мышечное волокно. Там, в ближайшем соседстве с мышцей, аксон
ветвится. При этом каждая ветвь направляется к отдельному мышечному волокну.
Надо при этом помнить, что окончания аксона не сливаются с мышечными волокнами.
В местах их соприкосновения существует микроскопическая, но вполне различимая
щель. Это похожее на синапс соединение между нервом и мышцей называется
нервно-мышечным соединением (или мионевральным соединением).
Механизм работы синапса.
В нервно-мышечном соединении разыгрываются интересные химические и
электрические явления. Движение электрического потенциала прекращается, но
химическое вещество ацетилхолин легко преодолевает препятствие. Секреция ацетилхо-
лина изменяет свойства мембраны мышечного волокна, вызывает вход ионов натрия
в мышечную клетку и инициирует волну деполяризации, почти так же, как это
происходит в нервных клетках. Мышечные волокна, получив волну возбуждения, в
ответ сокращаются. Все мышечные волокна, к которым подходят ветви одного
нерва , сокращаются одновременно как одно целое. Такую группу волокон называют
двигательной единицей.
Любое вещество, подавляющее действие холинэстеразы и прерывающее цикл
синтеза и расщепления ацетилхолина, не только погасит нервный импульс, но
подавит также стимуляцию и сокращение мышцы. Это подавление приведет к развитию
паралича произвольных мышц конечностей и грудной клетки, а также сердечной
мышцы. При этом смерть наступит очень быстро, через 2-10 минут.
В 40-х годах германские химики, исследуя инсектициды, синтезировали
несколько веществ, которые оказались мощными ингибиторами холинэстеразы. Эти
вещества действительно смертельны. В жидком виде они проникают сквозь кожу и,
достигнув кровеносных сосудов, быстро убивают. Эти вещества оказались более
убийственными, чем те отравляющие вещества, которые использовались в Первой
мировой войне. Германия не использовала боевые отравляющие вещества во время
Второй мировой войны, но предполагается, что под названием «нервные газы» их
могут применить в третьей мировой войне, если, конечно, останется кого
убивать после нанесения первых и ответных ядерных ударов.
Природа тоже не сидела сложа руки и работала над созданием такого рода
соединений. Есть некоторые алкалоиды, которые, будучи превосходными
ингибиторами холинэстеразы, могут стать не менее превосходными убийцами. Речь идет о
кураре - яде, которым индейцы Южной Америки смазывали наконечники своих
стрел. (Когда новость об этом яде проникла в цивилизованный мир, все
заговорили о таинственном, не оставляющем следов южноамериканском яде. Волна паники
стимулировала фантазию писателей, сочинивших массу мистических триллеров на
эту тему.) Еще одним примером естественного ингибитора холинэстеразы могут
служить яды некоторых поганок, включая один, который очень метко нарекли
«ангелом смерти».
Но, тем не менее, даже нервные газы могут оказаться полезными. Иногда
случается так, что нервно-мышечные соединения человека начинают с трудом
пропускать поступающие по нервам импульсы. Это заболевание называется тяжелой
миастенией (то есть тяжелой мышечной слабостью). Болезнь проявляется нарастающей
слабостью мышц, особенно мимических. Наиболее вероятной причиной болезни
является либо недостаточное образование ацетилхолина, либо быстрое его
разрушение холинэстеразой. Лечебное воздействие ингибиторов холинэстеразы
заключается в сохранении ацетилхолина и хотя бы во временном улучшении состояния
больных .
Хотя мышечные волокна можно стимулировать непосредственно и заставить их
сокращаться, - например, прямым воздействием электрического тока, - в норме
мышца стимулируется только импульсами, передаваемыми с нервных волокон. По
этой причине любое повреждение нервных волокон, либо в результате травмы,
либо в результате такого заболевания, как полиомиелит, приводит к развитию
параличей. Подвергшийся дегенерации в результате травмы или болезни аксон может
регенерировать при условии, что его неврилемма осталась целой. Если же
неврилемма погибла или если у аксона нет неврилеммы (а это касается многих
аксонов) , то регенерации не происходит. Более того, если разрушается тело нервной
клетки, то ее восстановления не происходит. (Тем не менее, не все еще
потеряно. В 1963 году впервые была осуществлена успешная пересадка нерва от одного
человека другому. Возможно, наступит такое время, когда будут созданы «банки
нервов», и мы сможем лечить параличи, вызванные гибелью нервных клеток.)
В отдельно взятом нервном волокне не наблюдают градации импульсов. Это
означает, что слабый стимул не вызывает формирования слабого импульса, а более
сильный стимул - более сильного импульса. Нейрон сконструирован так, что
реагирует на стимулы по Закону «все или ничего». Стимул, слишком слабый для
того , чтобы вызвать возникновение импульса, называется «подпороговым».
Действительно, можно зарегистрировать малые по амплитуде мембранные потенциалы,
которые вызывают появление слабых трансмембранных токов, но эти токи быстро
угасают, не формируя нервный импульс. (Если, однако, до того, как успеет
угаснуть первый слабый стимул, на нервную клетку подействует второй слабый,
подпороговый стимул, то их действие суммируется, и импульс может возникнуть.)
Представляется, что малые токи не могут длительно существовать в нерве -
сопротивление его мембраны слишком велико. С другой стороны, достаточно
сильный стимул, способный инициировать импульс («пороговый стимул»), приводит к
электрическим и химическим эффектам, которые, не угасая, регенерируют по всей
длине нервного волокна. (Почему амплитуда потенциалов по мере прохождения
волны деполяризации по нерву не угасает, неизвестно, но полагают, что в этом
играют важную роль перехваты Ранвье.) Пороговый стимул вызывает максимальный
ответ нерва. Более сильный стимул не может вызвать более сильного ответа.
Этим можно постулировать упомянутый закон «все или ничего»: нервное волокно
либо проводит импульс максимальной силы, либо не проводит никакого импульса
вообще.
П-< I уПЛ-НМг Г:н;-ЧЦ1:.<,
■ т
ДёНДрИТ
Тйло
нейрона
Предси нап т ичесю»!
нейрон
Аксонный
■40 ,'.'в
-60 !.Н
Поысмнаптический
нейрон
Критический уровень
деполяризации
: .-«пен род для
рёГИСТрЗЦИИ
:<л ектрически)
процессов
ПиТйНЦИ .in
действия
Электрические процессы на пос1синаптической мембране
Закон «все или ничего» распространяется и на органы, которые стимулирует
нерв. Мышечное волокно, получившее стимул от нервного волокна, отвечает на
него сокращением постоянной силы. Кажется, что это противоречит повседневному
опыту. Действительно, если нервное волокно всегда проводит один и тот же
импульс (если вообще проводит) и если мышечное волокно всегда сокращается с
постоянной силой (если вообще сокращается), то каким образом нам удается по
желанию регулировать силу сокращения бицепса от едва заметного подергивания до
полного мощного сокращения?
Ответ заключается в том, что нельзя считать нервы и мышцы изолированными во
времени и пространстве. Орган не обязательно иннервируется единственным
нервным волокном, этих волокон может быть несколько десятков. Каждое нервное
волокно имеет свой порог в зависимости, например, от его диаметра. Чем толще
волокно, тем ниже его порог стимуляции. Слабого стимула вполне может хватить
для его возбуждения. Следовательно, слабый стимул может инициировать
потенциал в одних волокнах и не инициировать его в других. (Минимальным называется
такой слабый стимул, который способен инициировать возбуждение только в одном
нервном волокне.) Мышца лишь едва дернется, если сократится одна двигательная
единица под воздействием минимального стимула. При усилении стимула все
больше и больше волокон будет разряжаться, все больше и больше двигательных
единиц будет сокращаться. Когда стимул станет настолько сильным, что вызовет
возбуждение всех нервных волокон (максимальный стимул), то мышца сократится
полностью. Никакой более мощный стимул не сможет вызвать более сильного
ответа .
Сила ответа зависит также от временных факторов. Если нервное волокно
передает на двигательную единицу импульс, то она в ответ сокращается, а потом
расслабляется. Это расслабление продолжается некоторое время. Если второй им-
пульс приходит к мышце до окончания процесса расслабления, то мышца
сокращается снова, но с более высокой точки старта, поэтому сокращение будет
сильнее. Третий импульс добавит сокращению еще больше силы и так далее. Чем
быстрее будут следовать импульсы, тем сильнее будет сокращение мышцы. Число
импульсов , которое может быть проведено по нервному волокну за одну секунду,
весьма велико и зависит от длительности рефрактерного периода. Тонкие нервные
волокна имеют рефрактерный период около 1/250 доли секунды, то есть даже
такое волокно может провести двести пятьдесят импульсов в одну секунду. Толстые
миелинизированные волокна могут за то же время провести в 10 раз больше
импульсов .
В реальной жизни мышца обычно стимулируется частью нервных волокон нерва, а
каждое волокно разряжается с определенной частотой. В результате
взаимодействия этих двух переменных параметров можно, не нарушая закона «все или
ничего», тонко регулировать силу сокращения мышцы.
ГЛАВА 7. НЕРВНАЯ СИСТЕМА
ЦЕФАЛИЗАЦИЯ
Для того чтобы нервные клетки могли организовывать и координировать
деятельность множества органов, составляющих тело многоклеточного организма,
сами они должны быть организованы в нервную систему. Именно качество и
сложность устройства нервной системы, более чем что-либо другое, диктуют качество
и сложность устройства организма. Человек считает себя вершиной эволюционной
лестницы, и, хотя высокая самооценка всегда вызывает подозрение, такой взгляд
имеет под собой, по меньшей мере, одно объективное основание. Нервная система
человека намного сложнее, учитывая его размеры, чем нервная система любых
других обитателей нашей планеты (за исключением, может быть, китообразных).
Так как наша нервная система - самый явный признак нашего превосходства как
биологического вида, то мне представляется важным описать, каким образом она
достигла своего нынешнего состояния.
Самыми примитивными животными, обладающими зачатками нервной системы,
являются кишечно-полостные, из представителей которых можно упомянуть
пресноводную гидру и морских медуз. У этих животных имеется какое-то подобие нервной
системы. Нейроны более или менее равномерно распределены по поверхности тела,
и каждый нейрон с помощью синапсов соединен с ближайшими нервными клетками.
Таким образом, стимул, приложенный к любой части тела, тотчас передается ко
всем другим его частям. Такая нервная система является повторением в большем
масштабе того аппарата, который существует уже у одноклеточных организмов. У
этих последних возбудимой является сама клеточная мембрана, которая и
проводит аналог нервного импульса ко всем частям клетки. Нервная сеть
кишечнополостных делает то же самое, и в этом смысле ее можно назвать супермембраной
суперклетки. Однако такая, с позволения сказать, нервная система не является
решающим шагом вперед и не представляет животному особых преимуществ. Любой
стимул, к какому бы месту он ни был приложен, вызывает одну и ту же реакцию
всего организма. Животное либо сжимается, либо изгибается... От такой нервной
системы наивно ожидать тонкой регуляции функций. Более того, поскольку в этой
системе очень много синапсов, то есть своеобразных сужений на пути нервного
импульса, то и скорость его проведения оказывается весьма низкой.
Следующей группой более сложно устроенных животных являются плоские черви.
Хотя нервная система этих животных тоже достаточно примитивна, она все же
может служить прообразом нервной системы других, более сложно устроенных
животных. В теле плоских червей существует ткань - эквивалент мускулатуры, а для
того, чтобы эффективно ею пользоваться, нужна достаточно хорошо развитая
нервная сеть. Действительно, по сравнению с кишечно-полостными, в нервной
системе плоских червей (по крайней мере, у некоторых видов) произошли
существенные усовершенствования.
Нервные клетки этих животных сгруппированы в два нервных тяжа, которые
проходят вдоль всего тела. Через равномерные интервалы от этих тяжей отходят
нервы, которые либо проводят возбуждение от определенных участков тела к
соответствующим участкам нервной системы, либо, наоборот, проводят импульсы от
определенных участков нервной системы к соответствующим участкам тела.
Нервные тяжи - это зачаток того, что мы называем центральной нервной системой, а
нервы - зачаток того, что мы называем периферической нервной системой. Это
разделение нервной системы сохраняется у всех животных, стоящих на
эволюционной лестнице выше плоских червей, у всех, включая и человека.
У любого животного, обладающего центральной нервной системой, приложенный к
телу стимул не вызывает больше общей реакции всего организма. Напротив,
стимул, приложенный к определенному участку тела, не возбуждает соседние
нейроны, а направляется к нервным тяжам. Импульс быстро проходит по тяжу до
нужного нерва, возбуждает его, а этот нерв активирует орган или органы, которые
нужны для организации адекватного ответа на стимул.
Нервная система кишечно-полостных напоминает своим устройством телефонную
сеть, абоненты которой присоединены к одной общей линии, так что при любом
звонке все абоненты подключаются к разговору и вольны его слушать (что они,
как правило, и делают). Нервная система плоских червей напоминает телефонную
сеть с оператором, который соединяет звонящего непосредственно с желаемым
партнером. Можно видеть, что телефонная сеть с оператором намного
эффективнее, чем одна общая линия.
В процессе эволюции нервный тяж очень рано усложнился, перестав быть
простой полосой нервных клеток. Нервным тяжам пришлось усложниться даже у
плоских червей, и, вероятно, не последнюю роль в этом сыграла форма этих
животных. Плоский червь - это простейшее из многоклеточных животных, у которого
развилась двусторонняя (билатеральная) симметрия, и, вероятно, у примитивного
предшественника плоских червей этот признак появился впервые в ходе эволюции
животного царства. (Говоря о билатеральной симметрии, мы хотим сказать, что
если через тело животного можно провести воображаемую плоскость, то ее можно
расположить так, чтобы она делила его тело на две равные части, которые
служат друг для друга зеркальными отражениями.) Все животные, стоящие на
эволюционной лестнице выше плоского червя, обладают продольной билатеральной
симметрией. Мы, люди, тоже являем собой пример билатеральной симметрии.
Кажущимися исключениями являются морская звезда и родственные ей животные, которые
обладают радиальной симметрией. (В организме с радиальной симметрией подобные
органы располагаются на радиусах, исходящих из центра тела.) Радиальная
симметрия является кажущейся у морских звезд, потому что характерна только для
взрослых особей. Личинки обладают билатеральной симметрией, и только после
созревания морская звезда возвращается к более примитивной форме симметрии.
Животные, располагающиеся на эволюционной лестнице ниже плоских червей, -
например, кишечно-полостные, губки или одноклеточные, - обладают радиальной
симметрией или не обладают симметрией вообще. То же самое верно и для
растений. Лепестки цветка маргаритки являют собой пример совершенной радиальной
симметрии, а ветви деревьев располагаются на стволе не симметрично, вырастая
во всех направлениях. Это великое деление всего живого, на виды с
билатеральной симметрией и без нее, имеет очень важное значение. Животные, у которых
этот вид симметрии не выражен, при своем движении не выбирают
предпочтительного направления. Нет никакого значения, в какую сторону направится в
следующий момент один из лучей морской звезды.
Тело животного, обладающего билатеральной симметрией, вытянуто обычно вдоль
плоскости этой симметрии. Само животное, как правило, передвигается в
направлении наибольшего размера плоскости. Другие движения тоже возможны, но первое
является предпочтительным. Если животное с билатеральной симметрией избирает
какое-либо направление движения, то один конец удлиненного тела животного
постоянно сталкивается с новыми участками окружающей среды, соприкасается с
новыми поверхностями по мере движения. Этот конец, которым животное «пробует»
среду, называется головой.
Очевидно, очень важно, чтобы у организма был способ пробы окружающей среды
для выработки адекватных ответов, призванных защитить само существование
животного. Оно должно быть в состоянии определить химический состав среды,
отличить яд от пищи, воспринять вибрацию, изменения температуры, выявить то или
иное излучение и тому подобное. Органы, предназначенные для восприятия таких
ощущений, было бы разумно разместить именно в голове, поскольку это
передовая, то есть расположенная впереди, и первой сталкивающаяся с незнакомыми
условиями часть тела. Рот тоже должен помещаться в передней части тела, так как
голова первой достигает пищи. Часть тела, противоположная голове, то есть
хвост, устроена сравнительно однообразно.
Следовательно, два конца билатерально симметричного животного, в общем,
имеют различное строение, и животное такого типа имеет явно различимые голову
и хвост. Формирование такого отличия головы, несущей органы чувств и рот,
называется цефализацией («цефалон» - «голова», греч.). Процесс цефализации
оказывает воздействие на внутреннюю организацию нервной системы. Если
билатерально симметричное животное имело бы равноценные концы, то ему хватило бы
нервных тяжей, которые, естественно, имели бы равноценные передний и задний
концы. Но если есть разница между головой и хвостом, а в голове сосредоточены
специализированные органы чувств, то резонно было бы ожидать, что головная
часть нервной системы окажется у такого животного устроенной более сложно,
чем хвостовая. Нервные окончания специализированных органов чувств будут
более многочисленными, чем где бы то ни было в теле, а воспринимающие стимулы
нервные клетки расположатся, скорее всего, в головном конце тяжа, поскольку
он находится ближе всего к органам чувств.
По этой причине даже у плоских червей имеется расширение нервных тяжей и
увеличение числа их нервных клеток в головном конце. Такое расширение можно
было бы даже назвать первым и наиболее примитивным головным мозгом. Не
удивительно , что головной мозг становится сложнее по мере усложнения организмов.
Пика своего развития головной мозг достигает у представителей типа хордовых,
к которому принадлежим и мы с вами.
Особое положение хордовых в отношении устройства их нервной системы
заключается в самой природе ее структуры. Двойной нервный тяж, характерный для
плоских червей, имеется у представителей многих других типов (согласно
принятой системе классификации, принято следующее деление животных: самыми
многочисленными являются типы - например, тип хордовые; потом идет класс -
например, класс млекопитающие; потом отряд - например, отряд хищные; потом
семейство - например, семейство собачьи; потом род - например, род волки; потом
вид - например, волк степной). Тяж представляет собой плотную трубчатую
структуру и расположен вентрально, то есть ближе к поверхности живота, или,
если угодно, брюха. Только у хордовых эта схема строения претерпевает
радикальное изменение. Вместо двойного нервного тяжа возникает одиночная трубка,
имеющая вид удлиненного полого цилиндра. Трубка перемещается из вентрального
отдела в дорсальный, то есть ближе к спине. Эта единичная удлиненная нервная
трубка есть у всех представителей типа хордовых (и только у них) . И если
судить по результатам, то такая форма организации нервной системы оказалась
более эффективной, чем та, которую выработали отдаленные предки плоских червей.
ХОРДОВЫЕ
Тип хордовые делится на четыре подтипа, три из которых представлены
примитивными животными, которые не слишком успешно вписались в современную схему
жизни. У представителей этих трех подтипов нервная трубка защищена не больше,
чем у животных, не принадлежащих к типу хордовых.
У представителей четвертого, самого развитого из подтипов хордовых,
напротив, образуется защитный футляр, прикрывающий нервную трубку и состоящий из
последовательности твердых хрящевых или костных структур. Эти структуры
называются позвонками, и по этой причине все обладающие ими животные называются
позвоночными, а их подтип - подтипом позвоночных.
Только у животных подтипа позвоночных формируется заметный головной мозг.
Среди представителей трех других подтипов хордовых самым развитым (по крайней
мере, больше других напоминающим позвоночное) является одно похожее на рыбу
животное, называемое двуусткой. Впечатление от ее внешнего сходства с рыбой
(основанного по большей части на сигарообразной форме тела) при ближайшем
рассмотрении рассеивается. Во-первых, выясняется, что у двуустки, собственно
говоря, нет головы. На одном конце имеется окруженный бахромой, похожий на
присоску рот, а на другом - бахромчатый плавник. В этом заключается разница.
Оба конца имеют практически одинаковые заострения. Отсутствие цефализации
отражается и на анатомическом строении двуустки. Нервная трубка, входя в
головной конец, не претерпевает практически никаких изменений. Двуустка - воистину
безмозглое создание.
Положение, однако, радикально меняется при переходе к подтипу позвоночных.
Даже у представителей самого примитивного класса позвоночных (к которому
относятся такие животные, как миноги, организмы, у которых отсутствуют челюсти
и конечности, характерные для других классов) передний конец нервной трубки
превратился в ясно выраженный головной мозг. И это не простое утолщение или
вздутие. На самом деле их три, и называются они пузырями. Эти мозговые пузыри
дают начало трем отделам головного мозга соответственно их анатомическому
положению. Это передний мозг, средний мозг и задний мозг. Это принципиальное
деление сохраняется у всех высших позвоночных, хотя к этим трем отделам
добавляются многочисленные усовершенствования и дополнения в виде добавочных
структур.
Позвоночные появились на Земле около 500 миллионов лет назад. У самых
ранних видов тело имело костный панцирь, прикрывавший голову и переднюю часть
тела. Доспехи имели недостаток - они уменьшали скорость передвижения и
маневренность их носителя, увеличивая его вес. Во всяком случае, у позвоночных
развитие внешнего панциря не явилось залогом их выживания и способности к
конкуренции с другими видами. (К современным позвоночным, имеющим панцирь,
относятся черепаха, броненосец и ящер. Все эти виды нельзя назвать слишком
успешными.) Но головной мозг, безусловно, надо было защитить. Таким образом,
развился череп.
Позвоночные полагаются не только на пассивную защиту с помощью панциря. Эти
животные быстры, ловки и часто обладают специальными орудиями нападения.
Исключением служит центральная нервная система - головной мозг и спинной мозг.
Эти органы тщательно спрятаны в хрящевой или костный футляры. Таким образом,
нервная система получила панцирь в организме, который сам панциря не имеет.
Определенно это говорит о том, насколько важна для организма позвоночного
центральная нервная система.
Три отдела головного мозга получили дальнейшую специализацию даже у
примитивных позвоночных. Из нижней части самого переднего отдела переднего мозга
развилась пара выростов, принимающих нервы, берущих начало в ноздрях. Эти
нервные окончания воспринимают запахи и передают сигналы о них в передний
мозг, который, по этой причине, был назван обонятельным мозгом. Позади
обонятельных долей находятся еще два выроста переднего мозга, из которых
формируется кора головного мозга. Часть переднего мозга, расположенная под корой,
называется зрительным бугром. В среднем мозге расположены центры зрения,
поэтому эта часть называется зрительным мозгом.
Задний мозг образует утолщение в верхней части, примыкающей к среднему
мозгу. Это утолщение называется мозжечком. Область, расположенная за мозжечком,
постепенно суживается до того места, где она переходит, покидая полость
черепа, со спинным мозгом. Она называется продолговатым мозгом. Это мозг в том
смысле, что это мягкая ткань, расположена в костной полости и, в отличие от
других участков головного мозга, имеет удлиненную, а не пузыреобразную форму.
Такая структура лежит в основе строения головного мозга у всех позвоночных
без исключения. В строении мозга могут быть нюансы в смысле степени развития
тех или иных его участков, в зависимости, например, от того, что важнее для
данного животного - зрение или обоняние. У рыб и земноводных главным
источником информации служит запах, поэтому у них лучше развит обонятельный мозг.
Для птиц запах играет сравнительно небольшую роль, поэтому обонятельный мозг
у них небольшой, но зато сильно развит зрительный мозг.
Превращение головного мозга в именно мозг, а не в обонятельно-зрительную
машину, определяется развитием коры больших полушарий головного мозга.
Верхнее покрытие больших полушарий состоит из многочисленных нервных клеток,
которые придают поверхности серый цвет. Это кора головного мозга, или плащ. В
разговорном языке эту часть мозга часто называют серым веществом. Кора мозга
у рыб и земноводных занимается преимущественно сортировкой запахов и
направляет животное к источнику пищи или заставляет спасаться от врагов.
У пресмыкающихся большие полушария крупнее и более специализированны, чем у
рыб или земноводных. Объяснением тому может служить тот факт, что суша -
среда обитания большинства пресмыкающихся - намного более враждебна жизни,
нежели океан и пресные водоемы, где обитают более примитивные классы позвоночных.
На суше воздушная среда отличается меньшей вязкостью, чем вода, поэтому
становятся возможными быстрые движения, которые сами по себе требуют более
четкой и скорой координации мышечной активности. Кроме того, на суше сила
тяжести проявляется полностью, так как ее не нейтрализует выталкивающая сила
воды. Это подвергает организм животного дополнительным опасностям и опять-таки
предъявляет повышенные требования к эффективности мышечной деятельности.
Поэтому, хотя мозг пресмыкающихся все еще в основном занят анализом запахов
Строение головного мозга
Средний мозг
Промежуточный
мозг
и вкусов, он становится больше, а в участках мозговой коры вблизи лобной доли
появляется нечто новое. Новая часть коры называется neopallium («новый плащ»,
лат.), или, по-русски, «новая кора». В этом участке сосредоточены нервные
пути, занятые анализом ощущений, отличных от обоняния. В новой коре
осуществляется прием большей по объему информации, ее обработка и сложная координация
ответных действий. Рептилии, несмотря на силу тяжести, передвигаются с
помощью конечностей, и их тело не соприкасается с поверхностью земли. Новая кора
еще больше развилась у одной замечательной группы пресмыкающихся, которые
около 100 миллионов лет назад сменили чешую на мех, стали теплокровными и
превратились в млекопитающих - самый сложный и успешный класс позвоночных.
Продолговатый
мозг
Мозжечок
Обонятельная
доля
Зрительная
доля
Другие доли
головного мозга
Эволюция головного мозга позвоночных.
У примитивных млекопитающих мозг устроен еще сложнее, чем у пресмыкающихся,
хотя по-прежнему его основной задачей остается распознавание и анализ
запахов. По крайней мере, такой остается задача старой коры. Но у этих животных
начинает развиваться и новый плащ, который увеличивается в размерах и
покрывает корой поверхность больших полушарий головного мозга.
Чем больше размер новой коры, тем более сложную информацию может
обрабатывать мозг и тем сложнее может становиться поведение животного. В простом
мозге места может хватить на выработку только одного ответа на какой-то
определенный стимул. В сложном мозге места хватает на составление разнообразных
комбинаций множества нейронов, что позволяет различать топкие градации
стимулов , принимать в расчет условия их возникновения и формировать разнообразные
ответы, в зависимости от особенностей каждого случая. Именно способность
принимать различные решения в зависимости от меняющейся обстановки мы и считаем
мерой интеллекта. Именно большая новая кора делает млекопитающих умнее, чем
остальные позвоночные, не говоря уже о беспозвоночных.
Главной тенденцией в эволюционном развитии млекопитающих стало увеличение
размеров тела. Это подразумевает увеличение размеров больших полушарий и
новой коры головного мозга. Можно было бы ожидать, что с увеличением размеров
мозга будут возрастать и умственные способности. Но это, как выяснилось,
совершенно не обязательно. Чем больше животное, тем более совершенная
координация движений ему требуется. Эта задача часто решается за счет
интеллектуальных способностей. Информация поступает из больших объемов окружающей среды,
таким образом, становится сложнее. Чем больше и тяжелее животное, тем в
большей мышечной массе оно нуждается и тем более совершенная координация нужна
ему, чтобы адекватно управлять мускулатурой. Таким образом, если увеличение
размеров происходит без одновременного и пропорционального увеличения
головного мозга, то животное скорее поглупеет, чем поумнеет.
Разительным примером в этом отношении являются гигантские пресмыкающиеся
мезозойской эры. Некоторые из них были намного крупнее самых крупных из
современных млекопитающих, но это мало отразилось на размере их головного
мозга . Действительно, одной из самых поразительных черт этих гигантов было то,
что они носили крошечный, чуть ли не с булавочную головку, мозг над горами
плоти. Нет никаких сомнений в том, что это были на редкость тупые создания. В
худших случаях животным не хватало массы головного мозга на то, чтобы
обеспечить минимальную координацию движений мышц. Возьмем для примера стегозавра.
Это животное весило около десяти тонн, то есть больше, чем самый большой
современный слон. Мозг стегозавра, несмотря на это, размерами не превосходил
мозг маленького котенка. Природа была вынуждена создать крупные скопления
нервных клеток у основания спинного мозга, и именно эти скопления управляли
мышцами задней части тела, оставив управление передней частью поистине
жалкому головному мозгу. Действительно, этот второй спинной мозг своими размерами
превосходил головной мозг стегозавра. Примеры снижения интеллекта по мере
увеличения размеров тела можно найти и у млекопитающих, хотя эти примеры не
столь разительны. Большая корова - весьма тупое животное, интеллект которого
не идет ни в какое сравнение с интеллектом меньшей по размерам собаки.
Некоторые млекопитающие, однако, избежали этой участи. Размеры их тела
увеличивались , но одновременно увеличивалась и масса головного мозга при большем
росте площади новой коры. Однако увеличение площади коры означало, что мозг
должен был вырасти за пределы черепа, так как его емкость ограниченна.
Поэтому при увеличении массы тела недавно появившихся млекопитающих произошло
параллельное сморщивание поверхности головного мозга. Вместо гладкой
поверхности полушарий мозга, характерной для всех других животных, и даже среди
примитивных мелких млекопитающих, поверхность головного мозга больших и более
высокоразвитых млекопитающих напоминает поверхность очищенного грецкого оре-
ха. Кора больших полушарий свернулась в извилины. Серое вещество расположено
на внешних и внутренних поверхностях извилин, что позволяет увеличить его
площадь и массу.
Что касается самой массы, то наибольших значений она достигла у очень
крупных млекопитающих - слонов и китов. У этих животных самый большой головной
мозг. Более того, на поверхности его есть извилины, и самое большое число
извилин имеют мозги самых крупных китов. Не удивительно поэтому, что киты и
слоны являются одними из самых умных животных на Земле. Но все же не они
самые умные, и причина тому - слишком большие размеры тела. Большая часть их
головного мозга - слишком большая - является рабой огромной массы мышц,
которые требуют сложного координированного управления. Остается слишком мало
нервных клеток на таинственную функцию разума и абстрактного мышления.
Для того чтобы поискать рекордсменов по разуму, нам придется найти группу
животных, у которых развился крупный головной мозг без чрезмерного увеличения
массы тела, которая нейтрализует мощное развитие мозга. Другими словами, мы
хотим найти животных с наибольшим значением отношения - масса головного
мозга/масса тела.
ПРИМАТЫ
Для того чтобы найти подходящее соотношение массы тела и массы головного
мозга, мы должны обратиться к одному из отрядов млекопитающих. Этот отряд
называется приматы. Термин образован от латинского слова «первый». В таком
наименовании проявилось самомнение человека, ибо к этому отряду относимся и мы
с вами.
Около 70 миллионов лет назад приматы отделились от отряда насекомоядных.
Живущие ныне на Земле насекомоядные - это мелкие животные, такие, как
землеройки, кроты и ежи. По-видимому, ранние приматы мало отличались от
насекомоядных. Действительно, в Юго-Восточной Азии обитают представители приматов,
которые называются тупайи. Эти животные своими повадками похожи на землероек,
хотя они несколько крупнее. (Землеройки - самые мелкие на Земле
млекопитающие.) Тупайи же настолько крупны, что напоминают людям маленьких белок,
поэтому иногда местные жители называют их беличьими землеройками. Эти животные
относятся к семейству тупайевых. Их мозг устроен более совершенно, чем мозг
насекомоядных, а в анатомическом строении есть некоторые черты, по которым
зоологи больше склонны относить их к «ранним» приматам, нежели к «поздним»
насекомоядным.
Важной разницей между землеройками и тупайями является то, что тупайи, в
отличие от землероек, обитают на деревьях. Ранние приматы вели древесный
образ жизни, то есть жили на деревьях. То же самое продолжают делать они и
сейчас , за исключением самых крупных видов. Обитание на деревьях прибавляет к
недостаткам существования на суше дополнительные опасности. Суша, по крайней
мере, тверда и надежна, а ветви деревьев тесны и колеблются от веса
животного, как, впрочем, и от малейшего дуновения ветра. Опасности силы тяжести
удваиваются. Один неверный шаг и организм падает не с высоты своих лап, а с
гораздо большей.
Чтобы приноровиться к такой жизни, млекопитающим пришлось развить у себя
некоторые дополнительные приспособления.
Преимущество можно извлечь из малых размеров, ловкости и легкости.
Например, для белки подходят и тонкие ветви, опасность падения с которых сведена
до минимума. (Чем меньше животное, тем меньше ушибается оно при падении.)
Некоторые виды, например летяги, обзавелись складками кожи перепонками, которые
позволили превратить падение в полет, то есть в способ передвижения. Другим
возможным выходом является повышенная осторожность. Животное пробует на ощупь
каждую ветку, прежде чем ступить на нее или повиснуть на ней. Именно такой
стиль поведения усвоили ленивцы. Эти звери достигли значительных размеров, но
взамен превратились в медлительных «черепах».
Ранние приматы избрали путь белок. К таким приматам относятся лемуры.
(Название произведено от латинского слова «привидение». Животные были названы
так из-за умения бесшумно пробираться по кронам деревьев по ночам. Лемуры
ведут ночной образ жизни.) Вместе с тупайями лемуров относят к подотряду предо-
безьян.
Весь этот подотряд все еще несет на себе отпечаток происхождения от
насекомоядных. У представителей его вытянутая вперед морда, по бокам которой
расположены глаза, смотрящие в разные стороны. Мозг у лемуров и тупайев гладкий, а
из всех его отделов больше всего развит обонятельный. Тем не менее,
постепенно, шаг за шагом, происходят решающие изменения. Приматы медленно осваивают
трудности жизни на деревьях. Они не стали уклоняться от вызова. Они начали не
просто скользить по ветвям. У этих животных развилась хватательная лапа,
впоследствии рука, с помощью которой можно было теперь крепко ухватиться за
любой сук.
Они не стали бороться с опасностью падения, обзаведясь летательной
перепонкой. (Есть животное, которое называется летающим лемуром. Этот зверь
обзавелся перепонкой, но он относится к отряду насекомоядных, а не приматов.) У
приматов усовершенствовалась координация между зрением и мышечными движениями.
Для оценки местоположения качающейся ветки нет более важного чувства, чем
зрение, и даже у тупайев самой развитой частью мозга становится зрительный
отдел, который увеличивается за счет отдела обонятельного. Эта же тенденция
прослеживается и у лемуров.
Долгопят-приведение.
Самым специализированным видом в семействе лемуров является долгопят,
названный так потому, что обладает удлиненными костями стопы и большой пяточной
костью. Важность зрения, превосходящего по своей значимости слух, находит
новое выражение. У этих животных глаза расположены на передней поверхности
лицевого черепа, а не по бокам, как у других млекопитающих. Долгопят может
направить на предмет оба глаза, что делает зрение стереоскопическим, а значит,
животное воспринимает мир в трех измерениях и может с большой эффективностью
оценить расстояние до качающейся ветки. (Огромные на крошечном лице глаза
оказывают неизгладимое впечатление на людей, которые случайно по ночам стал-
киваются с ним в лесу. За громадные глаза долгопят получил прозвище
«призрак» .) Как только животное получает возможность захватывать пищу рукой и
подносить ее к пасти, отпадает необходимость в удлиненной морде. У долгопята
ее и нет, вместо этого у него плоское, как у человека, лицо. Исчезновение
удлиненной морды и перемещение глаз вперед «отодвигает» на задний план
обоняние , поскольку оно не столь важно для выживания долгопята.
Все остальные представители этого подотряда относятся к антропоидам, то
есть к человекообразным. Этих животных разделяют на три группы - низших
обезьян, высших обезьян и человека. У представителей всех трех групп черты
долгопята получили дальнейшее развитие. Все они обладают стереоскопическим
зрением, у всех деятельность рук в большой степени обусловлена зрением. У
всех функция обоняния отодвинута на задний план.
Из всех чувств зрение доставляет мозгу информацию с самой высокой скоростью
и в наиболее сложной форме. Использование руки предусматривает совершение
множества сложных и тонких движений - хватание, ощупывание, тяга. Для этого
требуется тончайшая координация движений. В иных ситуациях движения могут
быть еще более сложными. Для того чтобы связь глаз и рук животного
действовала с должной эффективностью, необходимо, чтобы увеличилась масса головного
мозга. Если бы у приматов не произошло такого увеличения, они бы так и
остались мелкими, неприметными и не достигшими особого успеха животными, глаза и
руки которых не нашли бы себе достойного применения. Но увеличение массы
головного мозга у приматов произошло. Ни одно другое животное размером с
мартышку не имеет такого тяжелого головного мозга. (По относительному, по
сравнению с весом тела, весу своего мозга мартышка превосходит человека.) Ни у
одного другого животного нет стольких извилин, как у обезьян.
Высшие приматы делятся на две большие группы - широконосые обезьяны и
узконосые обезьяны. У первых плоские носы, расплющенные по лицу, и ноздри
направлены вперед, хотя и четко отделены друг от друга. У представителей второй
группы нос выступает вперед, придавая лицу сходство с человеческим. Ноздри
четко разделены и направлены вниз, в точности как у нас с вами.
Широконосые обезьяны встречаются только на Американском континенте, и
поэтому их часто называют обезьянами Нового Света. Часть этих обезьян обладает
цепким хвостом. Этот хвост обвивается вокруг веток и может удерживать вес
животного даже без помощи конечностей. Эти хвостатые обезьяны - любимицы детей
во всех зоопарках мира из-за своих головокружительных акробатических трюков.
Четыре конечности длинны и приспособлены для хватания. Хвост служит пятой
конечностью. Все конечности и хвост длинны и изящны, и создается впечатление,
что в центре колеса с пятью спицами располагается маленькое тело. По этой
причине одна из широконосых обезьян так и называется - обезьяна-паук.
Все это, конечно, очень хорошо в смысле адаптации к жизни на деревьях, но
длинные руки, которые могут без труда протягиваться от ветки к ветке, и
служащий опорой хвост снижают важность зрения. Приспособление к древесной жизни
чудесно, но оказывает угнетающее действие на головной мозг. Действительно, из
всех приматов широконосые обезьяны наименее развиты интеллектуально.
Узконосые обезьяны водятся только в Восточном полушарии Земли, и поэтому их
называют обезьянами Старого Света. У узконосых обезьян нет цепкого хвоста,
что лишает их дополнительной конечности. У узконосых более мощное туловище, и
они лишены ловкости и живости своих широконосых собратьев. Недостаток
подвижности узконосые обезьяны компенсируют недюжинным умом. Узконосые обезьяны
делятся на три больших семейства. Первым надо назвать церкопитеков, хвостатых
обезьян. Как говорит название, у этих обезьян есть хвост, хотя он и не
заменяет собой конечность. Самыми потрясающими представителями этого семейства
являются павианы, которые стали настолько массивными, что им пришлось
спуститься с деревьев на землю, но у них осталась организация конечностей и зре-
ния, характерная для древолазающих обезьян. При этом они не утратили и ум.
Кроме того, эти обезьяны пасутся стаями и у них снова развились удлиненные
морды, вооруженные превосходными зубами. Но даже павианы, какими бы
интеллектуальными они ни были, должны отдать пальму первенства в этом отношении
представителям двух других групп узконосых обезьян. Представители этих последних
двух семейств начисто лишены хвостов, задние ноги у них служат больше для
опоры, чем для хватания. Складывается впечатление, что по мере развития
интеллекта количество хватающих конечностей сначала уменьшается с пяти до
четырех, а потом с четырех до двух.
ЧЕ ЛОВЕ К00БРАЗНЫЕ
ОБЕЗЬЯНЫ И ЧЕЛОВЕК
Следующим семейством узконосых обезьян является семейство гоминид, понгид
или человекообразных обезьян в прямом смысле этого слова. Это самые крупные
из приматов, и у них самый большой головной мозг. Этот фактор делает их
самыми умными из всех низших животных.
Существует четыре вида высших обезьян. Это, в порядке возрастания веса,
гиббоны, шимпанзе, орангутанги и гориллы. Гиббоны, которые делятся на
несколько видов, имеют рост меньше трех футов и вес 20-30 фунтов. Более того, в
процессе эволюции они приобрели некоторые черты широконосых обезьян. Хотя у
гиббонов нет хвостов, их передние конечности гротескно вытянуты в длину. Они
пробираются по кронам деревьев, стремительно перебирая руками, за что их
очень любят в зоопарках. Не удивительно, что длинные руки и маленькое тело не
располагают к развитию интеллекта. Действительно, в этом отношении гиббоны
уступают остальным человекообразным обезьянам.
Остальные три вида понгид приближаются своим весом к человеку или даже
превосходят его. Их объединяют названием «крупные обезьяны». Головной мозг
орангутанга весит приблизительно 340 г, мозг шимпанзе - 380 г, а мозг гориллы -
540 г. Из всех перечисленных обезьян самыми умными являются шимпанзе. У
горилл больший вес мозга нейтрализован большей мышечной массой.
Схожесть высших обезьян (особенно шимпанзе) с человеком настолько
разительна и очевидна, что понгид часто называют человекообразными обезьянами. Тем не
менее, между ними и человеком столь большая разница, что мы, не впадая в
излишнее самомнение, можем с полным правом выделить человека, представителя
узконосых обезьян, в отдельное семейство - семейство гоминид. Несколько
миллионов лет назад люди откололись от основной ветви развития приматов, которая
привела к появлению современных обезьян. Именно из этой отколовшейся ветви
развились первые гоминиды. Гоминиды полностью и окончательно овладели прямо-
хождением. Задние конечности полностью специализировались для стояния и
ходьбы, и вызывает удивление, если человек может сделать что-то с помощью своих
неуклюжих и маленьких пальцев ног. Гоминиды стали двурукими, и их передние
конечности не предназначены, как у гиббонов, для выполнения какой-то одной
функции. Произошла только одна специализация - противопоставление большого
пальца руки, которая сделала человека «мастером на асе руки».
Потеря необходимых инструментов снова поставила на повестку дня развитие
головного мозга. Своими размерами гоминиды превзошли гиббона, сравнялись или
превзошли шимпанзе. Гоминиды никогда не стали такими же тяжелыми, как
орангутанги или гориллы, но мозг их увеличился в размерах почти гротескно. Мозговой
череп стал большим, лицо съежилось.
Череп самого древнего животного, которое можно отнести к гоминидам, был
обнаружен в Танганьике в 1959 году. Этому созданию было присвоено наименование
зинджантроп (восточно-африканский человек). Череп зинджантропа намного
примитивнее , чем череп живущего ныне человека, но более развит, чем череп любой из
живущих в настоящее время обезьян. Вместе с окаменелостями зинджантропа были
найдены орудия труда. Следовательно, зинджантроп умел делать орудия и
заслуживает наименование «гоминиды» как в зоологическом, так и в культурном
смысле. В 1961 году, по скорости распада радиоактивного калия, был определен
возраст пород, в которых были найдены окаменелости древнейшей гоминиды.
Оказалось, что остаткам около 1 750 ООО лет. Это очень удивило ученый мир,
поскольку до того времени считали, что первые человекообразные существа,
изготовлявшие орудия труда, появились около полумиллиона лет назад. Однако данные
о возрасте зинджантропа противоречивы, поэтому последнее слово в этом
отношении пока не сказано.
Г"
Реконструкция зинджантропа (Zinjanthropus boisei), сейчас описан
как парантроп Бойса (Paranthropus boisei).
Зинджантроп - это пример гоминиды с маленьким мозгом. Были найдены
ископаемые остатки подобных первобытных существ, названных по местам находок
Яванским и Пекинским человеком. Мозг этих человекоподобных существ был малым
только в сравнении с мозгом современного человека, и, конечно, если бы
зинджантроп ожил, то в нашем обществе его череп казался бы нам очень маленьким.
Тем не менее, вес его головного мозга достигал килограммовой отметки, что
почти в два раза больше веса мозга любой из ныне живущих человекообразных
обезьян.
Как бы то ни было, семейство гоминид продолжало эволюционировать, причем
акцент развития был сделан на головной мозг. Наконец, на Земле появилось
существо, которое с полным правом можно назвать гоминидой с большим мозгом, и
именно это существо выжило в процессе эволюции и приняло эстафету власти над
миром. Сегодня (и это положение сложилось уже на заре истории) эти гоминиды
представлены одним-единственным видом - «гомо сапиенс», то есть человеком
разумным, которого мы называем современным человеком.
Вид «гомо сапиенс», существующий в наши дни, не является гоминидой с самым
большим головным мозгом. Рекордсменом в этом отношении можно считать
кроманьонца (скелет этого первобытного человека был впервые найден в местности Кро-
Маньон во Франции). Даже у неандертальца (скелет которого был впервые найден
в долине реки Неандер в Германии) головной мозг был тяжелее, чем у
современного человека, хотя неандерталец считается более примитивным существом, чем
мы с вами. Существует мнение, что улучшение нашего головного мозга проявилось
не в увеличении его веса, а в появлении участков, ответственных за
абстрактное мышление. Эти участки больше и лучше развиты у современного человека, чем
у неандертальца. (Есть, однако, ученые, которые считают, что мозг человека
уже достиг пика своего развития, и в настоящее время начинается его регресс.
В обоснование своей теории эти ученые выдвигают следующее объяснение. В
настоящее время все члены общества, вне зависимости от своего ума, получают
выгоды от достижений немногих интеллектуалов, которые вынуждены влачить жалкую
жизнь среди своих не слишком интеллектуальных сограждан. Давление эволюции в
настоящее время приводит к упадку интеллекта в массе населения. Это слишком
пессимистичный взгляд на вещи, во всяком случае, я на это надеюсь.)
У современного человека головной мозг при рождении весит около 350 г, что
соответствует весу головного мозга взрослого орангутанга. По достижении
зрелости человек становится обладателем головного мозга со средним весом 1450 г.
Средний вес мозга женщины приблизительно на 10% меньше веса мозга мужчины, но
при этом надо учесть, что у женщины меньше и масса тела, и нет оснований
полагать , что какой-то из полов умнее другого. Надо сказать, что среди людей
вообще существуют большие колебания веса мозга, что не отражается заметным
образом на умственных способностях. Головной мозг русского романиста Ивана
Тургенева весил более двух килограммов, а вес мозга другого, также достаточно
известного писателя, Анатоля Франса, не достигал и 1200 г.
Но это крайности. Любой мозг, который весит меньше 100 г, очевидно, не
достигает некоторой критической массы, минимально совместимой с нормальным
интеллектом, и носитель такого мозга будет, без всякого сомнения, страдать
каким-либо ментальным дефектом. С другой стороны, существуют такие больные, у
которых вес мозга нормален или даже превышает норму. Таким образом, один
только вес мозга без исследования состояния интеллекта ничего не может
сказать нам об интеллектуальных способностях человека.
Если считать средний вес тела равным 150 фунтам, а средний вес головного
мозга равным 3,25 фунта, то на каждый фунт веса мозга придется приблизительно
50 фунтов веса тела. То есть каждый фунт головного мозга управляет, если
можно так выразиться, 50 фунтами тела. Это очень необычная ситуация. Сравните
это соотношение с соотношением, характерным для человекообразных обезьян,
наших ближайших конкурентов по интеллекту. Один фунт головного мозга шимпанзе
отвечает за 150 фунтов веса тела шимпанзе. Можно сказать, что соотношение
мозг/тело у шимпанзе равен 1/150, в то время как у гориллы этот индекс
снижается до 1/500. Надо сказать, что некоторые мелкие обезьяны, и даже колибри,
обладают куда большим индексом мозг/тело. У некоторых мартышек это
соотношение доходит до 1/17,5. Если бы эти обезьяны были размером с человека, то их
головной мозг весил бы около 8,5 фунта. В действительности мозг таких обезьян
настолько мал, что они не обладают, в силу недостаточной массы коркового
вещества, высокими интеллектуальными способностями, несмотря на высокое
отношение массы мозга к массе тела.
У двух типов животных головной мозг весит значительно больше, чем у
человека. У самых больших слонов вес головного мозга достигает 6000 г, а у самых
крупных китов вес мозга может доходить до 9000 г. Однако этим мозгам
приходится управлять телами громадной массы. Мозг слона весит всего лишь в четыре
раза больше мозга человека, в то время как сам слон превосходит человека
весом, вероятно, в сто раз. В то время как один фунт нашего мозга управляет 50
фунтами нашего тела, мозг слона управляет почти половиной тонны тела. Крупные
киты находятся в еще худшем положении - каждый фунт их мозга приходится
приблизительно на пять тонн веса тела.
Человек в этом отношении попал точно в золотую середину. Любое животное,
мозг которого весит больше, имеет настолько большое тело, что их интеллект не
может сравниться с нашим. Напротив, у животных, у которых отношение мозг/тело
больше нашего, обладают таким маленьким мозгом, что он не способен обеспечить
их интеллектом, сравнимым с нашим.
По интеллекту нам нет равных в природе, мы остались в полном одиночестве,
хотя, быть может, это и не совсем так. Возможно, есть одно исключение из
этого правила. Оценивая интеллект китов, мы поступаем не совсем честно,
сбрасывая со счетов более мелких представителей этого отряда млекопитающих.
Например, можно точно так же оценивать интеллект приматов по умственным
способностям гориллы, не обращая внимания на более мелкого представителя этого же
отряда - человека. Но что можно сказать о головном мозге дельфинов и морских
свиней, пигмеев по сравнению с их родственниками - гигантскими китами?
Некоторые из этих животных размерами и весом не превосходят человека, но их
головной мозг весит несколько больше (до 1700 г) и имеет больше извилин.
На основании одного только этого факта нельзя, конечно, делать вывод о том,
что дельфин умнее человека, поскольку не решен еще вопрос о внутренней
организации его мозга. Мозг дельфина (как, например, мозг неандертальца) может
быть ориентирован на решение проблем, которые мы относим к «низшим функциям».
Единственный способ правильно ответить на этот вопрос - постановка
корректного эксперимента. Некоторые исследователи, из которых стоит особо выделить
Джона К. Лилли, утверждают, что интеллект дельфина вполне сравним с нашим13,
что дельфины в своем общении употребляют такие же сложные речевые паттерны,
как и люди, и что поэтому вполне возможно установление межвидовой
коммуникации, межвидового общения. Если это так, то это будет одним из величайших
событий человеческой истории. Правда, данные исследований противоречивы, и нам
остается только ждать и надеяться.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Если мышление дельфинов отличается от нашего, а оно должно отличаться, то возможно, мы
никогда не найдем с ними контактов, даже если они и умнее нас. - Прим. ред.
Ликбез
ПРОИСХОЖДЕНИЕ МОЗГА
СВ. Савельев
ГЛАВА III. СТАНОВЛЕНИЕ
МОЗГА АМНИОТ
§ 34. Репродуктивные
стратегии амниот
К амниотам относят рептилий, птиц и млекопитающих. Группа объединена по
эмбриологическому принципу устройства оболочек зародышей. Они принципиально
отличаются от неклеточных икряных мешков или стенок икринок амфибий. У амфибий
размножение обычно связано с водой, а внезародышевые оболочки отсутствуют.
Икринки откладываются самками амфибий в воду, где они оплодотворяются
сперматозоидами самцов. В икринках развиваются эмбрионы, которые трансформируются в
личинки и переходят к самостоятельному питанию в воде (рис. III-1). Затем
следует метаморфоз с выходом на сушу или половое созревание для водных и не-
отенических форм амфибий. Оплодотворение созревших яйцеклеток в воде является
древнейшим способом размножения, характерным для первичноводных позвоночных.
У многих амфибий происходит внутреннее оплодотворение, хотя эмбрионы и
личинки по-прежнему развиваются в воде (см. рис. III-1; рис. III-2).
А 1 п,,,, т, „., а \ it, fM.f
Рис. III-1. Преобразования внезародышевых оболочек (показано
фиолетовыми стрелками) при переходе к наземному образу жизни: а —
неклеточные оболочки икры у рыб и амфибий; б — развитие в организме
матери — увеличен желточный мешок, складки амниона; в — появление аллан-
тоиса для накопления продуктов распада; г — использование аллантоиса
для обмена веществ с материнским организмом; д — схема яйца рептилий
и птиц в яйцевой оболочке.
По-видимому, у лабиринтовых предков амниот размножение отличалось от
архаичных рыб. Первоначально они могли иметь наружное оплодотворение и
откладывать икру в укромных местах своих охотничьих лабиринтов. Однако риск уничто-
жения потомства в таких условиях очень велик. Снизить гибель потомства можно
было только одним способом — носить икру с собой. Появление такой заботы о
потомстве довольно обычно у костистых рыб и неоднократно происходило в
процессе эволюции. Забота о потомстве должна была неизбежно привести к появлению
внутреннего оплодотворения с последующим вынашиванием развивающейся икры
внутри тела (см. рис. III-1; III-2).
Внутреннее
оплодотворение,
наружное или
внутреннее
развитие
Внутреннее оплодотворение
и развитие зародышей
Плацентарные,
•асе внутри»
Внутреннее
оплодо творение
и наружное
развитие икры
Наружное
или внутреннее
/ оплодотворение
и наружное
развитие икры
Рис. III—2. Возможные пути преобразования эмбрионального
развития при переходе к наземному образу жизни (показано большими
стрелками). Первичным является наружное оплодотворение и внешнее
развитие икры (а). Затем возникло внутреннее оплодотворение и
развитие (б) , которое у амфибий вернулось к исходному варианту
(в) . Живорождение при наземном образе жизни (г) первично по
отношению к яйцекладущим и плацентарным животным (д, е).
Переход к живорождению стал у лабиринтовых амфибий принципиальным шагом на
пути адаптации к наземной среде. Размножение стало отчасти независимым от
водной среды. У архаичных амфибий существовали все возможные варианты
наружного и внутреннего оплодотворения, длительного или краткосрочного вынашивания
развивающейся икры (см. рис. III-2, а-г). Наиболее успешными стали животные с
длительным вынашиванием зародышей. Судя по всему, они могли появляться на
свет уже полностью готовыми к самостоятельному существованию. При откладке
икры в воду зародыш может иметь минимальный запас желтка (см. рис. III-1, а).
Личинка рано выходит из икринки и начинает питаться самостоятельно. При
удлинении срока развития потребность в желтке или другом источнике питательных
веществ резко возрастает.
Эта проблема решается несколькими способами. Можно использовать
индивидуальный запас желтка или богатые секретом яйцеводы материнского организма.
Зародыши некоторых живородящих пластиножаберных питаются стенкой яйцеводов
вплоть до выхода из материнского организма. Однако чаще всего просто
увеличивается индивидуальный запас желтка, в результате зародыш может долго
находиться в организме матери. Он появляется на свет уже сформированным
организмом, готовым к самостоятельному питанию.
Такие варианты заботы о потомстве часто встречаются во всех группах первич-
новодных позвоночных. Ни к каким особым эволюционным достижениям такое
внутреннее развитие, казалось бы, привести не должно. Тем не менее, одна
особенность биологии отличает древних амфибий от первичноводных позвоночных.
Амфибийный образ жизни предусматривает пребывание на суше, где механические
деформации тела под действием гравитации заметнее, чем в водной среде.
Механические воздействия на репродуктивные органы, ещё не защищенные
специализированными элементами скелета, неизбежно должны были привести к развитию
компенсаторных демпферов — дополнительных оболочек (см. рис. III-1, б). Если бы
зародыш находился вне организма матери, то никаких специальных внезародышевых
оболочек не понадобилось, но на суше деформационные воздействия на
органогенез внутри яйцеводов весьма велики.
Это связано с тем, что на ранних стадиях развития позиционная информация в
морфогенетически активных зачатках эмбриона кодируется при помощи механогене-
тических процессов. Суть этого явления состоит в изменении проницаемости ме-
ханозависимых ионных каналов при формообразовании. Они обеспечивают каждой
клетке индивидуализированный позиционный сигнал, который биомеханически
интегрирован со всем зачатком или растущим органом. Благодаря этим
взаимодействиям клетка периодически получает управляющий позиционный сигнал и запускает
региональные гистогенетические процессы. Надо отметить, что этот механизм
регуляции раннего эмбрионального формообразования характерен для всех
позвоночных и предопределяет необходимость биомеханической защищённости развития.
Понятно, что столь ненадёжный механизм весьма уязвим. Даже при незначительных
статичных деформациях зародыша легко возникают множественные аномалии
развития , и эмбрион погибает. Любой переход к внутреннему развитию икринок должен
предусматривать снижение механической нагрузки на зародыш. У первичноводных
позвоночных сама среда создаёт биомеханически благоприятные условия для
внутреннего развития икринки. Зародыш, как и материнский организм, находится в
механически компенсированной водной среде.
При переходе на сушу зто условие перестаёт соблюдаться. Обойтись простой
неклеточной оболочкой уже практически невозможно. Неизбежно начинают
формироваться внезародышевые оболочки (см. рис. III-1, а-в). Первоначально они
возникают как демпферные структуры, окружающие зародыш. Самым простым способом
механической защиты зародыша в яйцеводе становятся увеличение количества
желтка и создание многослойной оболочки вокруг зародыша (см. рис. II1-1, в,
г) . Судя по всему, амниотические оболочки и желточный мешок формировались в
эволюции параллельно. Амниотические оболочки происходят из эктодермы, а жел-
точный мешок — из энтодермы. Через амниотические оболочки обеспечивается
обмен амниотической жидкости, омывающей зародыш. Желточный мешок служит для
хранения питательных веществ зародыша, является источником первичных половых
клеток и содержит клетки-предшественники форменных элементов крови.
Чем больше становился зародыш при внутреннем развитии архаичных рептилий,
тем актуальнее становилась утилизация продуктов метаболизма эмбриона. Внутри
тела матери пространство вокруг зародыша замкнуто, что требует некоего
хранилища отходов или способа их выведения. На первом этапе эволюции внезародыше-
вых оболочек эта проблема была решена просто: сформировался дополнительный
мешок — аллантоис. Это энтодермальное выпячивание вентральной поверхности
эмбриональной задней кишки.
При развитии зародыша в аллантоисе накапливаются мочевина, мочевая кислота
и азотистые продукты обмена. Любой из этих компонентов может летально
изменить осмотический баланс вокруг зародыша, поэтому они изолированы друг от
друга. Однако в аллантоисе не только накапливаются продукты жизнедеятельности
зародыша. Через него у рептилий и птиц происходит газообмен при помощи
специализированных кровеносных сосудов. У современных амниот все перечисленные
оболочки окружены хорионом, или серозой, которая в зоне слияния с аллантоисом
носит название хориоаллантоиса. Она также участвует в газообмене у
современных рептилий и птиц.
Современные рептилии и птицы откладывают яйца в оболочках или обладают
живорождением (см. рис. III-2, г, д). Дальнейшее развитие этих оболочек у
млекопитающих привело к появлению хориоаллантоисной плаценты. Через неё
происходит не только дыхание зародыша, но и обмен веществ, синтез гормонов и многие
другие процессы (см. рис. III-2, е). Следует отметить, что у многих
современных рептилий выявлена примитивная плацентация. Она не столь совершенна, как у
млекопитающих, но имеет ряд свойств, позволяющих использовать её для питания
развивающихся зародышей рептилий.
Происхождение амниотических оболочек у зародышей архаичных рептилий может
быть обусловлено внутренним оплодотворением и развитием. На это указывает
отсутствие в палеонтологической летописи убедительных доказательств способности
примитивных рептилий откладывать яйца на протяжении всего палеозоя, что
позволяет допустить несколько иной вариант развития событий.
На первом этапе возник вариант внутреннего оплодотворения с
непродолжительным вынашиванием икры в родительском организме. В этот период дополнительные
внезародышевые оболочки были развиты слабо (см. рис. III-1, а; III-2, б, в).
В среде лабиринтов удлинение времени внутреннего развития привело к различным
формам живорождения. Следствием этого стало появление внезародышевых
оболочек, которые создавали вокруг зародыша стабильную среду, обеспечивали запасом
пищи и отводили продукты катаболизма. Пока зародыш был незначительных
размеров, такое решение было очень успешным. Архаичные рептилии вынашивали своё
потомство внутри себя до рождения сформированных особей. При этом не надо
было решать сложную проблему яйцевых оболочек, терморегуляции и газообмена. Все
компоненты успеха, за исключением внезародышевых оболочек, были унаследованы
от первичноводных позвоночных, которые обладают живорождением. С такой формой
размножения уже не было никакой необходимости в водоёмах или особых местах
для откладки яиц.
По-видимому, древние рептилии быстро расселились на суше благодаря
живорождению, а не развитию способности откладки яиц с прочными оболочками (см. рис.
III-2, г) . Косвенным свидетельством в пользу этого вывода являются
ихтиозавры, которые обитали в водной среде около 220 млн. лет назад. Эти вторичновод-
ные рептилии сохранили воздушное дыхание и были живородящими. Вынашивание в
материнском организме крупных эмбрионов могло стать причиной появления
специализированных участков оболочек, которые обеспечивали газообмен и отвод
продуктов метаболизма, что известно для многих современных видов рептилий.
Специализированный участок аллантоиса обеспечивал газообмен, а скопившиеся
продукты жизнедеятельности зародыша могли выходить в материнский организм по
законам осмоса. Увеличение складчатости внезародышевых оболочек привело к
повышению площади обмена, а затем и к появлению прообраза плаценты — трофобла-
стического аллантоиса, или трофоаллантоиса.
Трофоаллантоис был аналогом плаценты только в отношении газообмена.
Кислород поступал к зародышу, а углекислый газ выводился в материнский организм.
Продукты метаболизма зародыш передавал матери через трофоаллантоис, а
питательные вещества получал из запасов желтка. Следовательно, значительная часть
рептилий могла обладать смешанным желточно-трофоаллантоисным обменом
зародышей при сохранении внутреннего развития. Такой вариант давал заметные
биологические преимущества архаичным рептилиям. Появлялась неограниченная
возможность перемещений без привязки к местам размножения. Сформировалась
дополнительная защита зародыша при его внутреннем развитии. Организм матери
гарантировал активную терморегуляцию, мать могла вынашивать крупных потомков,
которые становились конкурентными сразу после рождения. Внутреннее оплодотворение
привело к перестройке половой системы и полового поведения, что повлекло за
собой развитие особых центров мозга.
Появление яйцекладущих рептилий явно было следующим этапом эволюции амниот
(см. рис. III-2, д). В независимом от материнского организма яйце нет
необходимости создавать многослойные демпферные оболочки и механически защищать
зародыш. Если бы яйцекладущие рептилии появились, минуя этап внутриутробного
развития, то следовало бы ожидать намного более упрощённого варианта строения
внезародышевых оболочек. Сложные оболочки у всех амниот косвенно подтверждают
существование продолжительного этапа внутреннего развития зародышей, который
возник задолго до появления яиц с твёрдой оболочкой или плаценты
млекопитающих .
Плацента млекопитающих представляет собой вариант трофоаллантоиса, где
функции газообмена и экскреции продуктов метаболизма дополнены поступлением
питательных веществ через разветвлённую сосудистую сеть. Собственно говоря,
плацента является трофоаллантоисом с расширенными функциями. У большинства
млекопитающих сохранён желточный мешок, хотя и в рудиментарном виде.
Появление механизмов питания зародыша за счёт организма матери принципиально
отличается от трофоаллантоисного типа развития. У млекопитающих впервые с помощью
плаценты были сняты ограничения, связанные с размерами зародыша. Он мог быть
любого размера, который смогла бы обеспечить ему мать. Источником питательных
веществ стал не ограниченный желточный мешок, а активный организм матери.
Таким образом, причиной появления внезародышевых оболочек было внутреннее
развитие эмбрионов у амфибий и архаичных рептилий, вышедших на сушу. Они
являются биомеханической защитой ранних этапов развития, хранилищем питательных
веществ и местом накопления продуктов метаболизма. У архаичных рептилий
происходили внутреннее оплодотворение и развитие эмбрионов. Это стало причиной
формирования трофоаллантоисного обмена и расселения рептилий. Яйцекладущие
рептилии возникали неоднократно, но уже после трофоаллантоисного этапа
эволюции. Вторично возникшая возможность не вынашивать зародыши, а откладывать
яйца связана у рептилий с развитием специальных прочных наружных оболочек.
Зародыши стали развиваться в замкнутой среде яйца, как в индивидуальном
изолированном водоёме. Биологическая вместимость такого персонального водоёма
ограничена, а зависимость от внешней среды довольно велика. По-видимому,
преобладание яйцекладущих рептилий было одной из причин их вымирания. Однако из
трофоаллантоисной системы питания зародышей рептилий возникла плацента
млекопитающих. С её помощью были сняты заложенные в объёме желтка ограничения на
размеры зародыша и время вынашивания плода.
§ 35. Многообразие
низших амниот
Объединение амниот в общую систематическую группу выглядит довольно
искусственно , хотя полностью исключать их монофилическое происхождение не стоит.
Наиболее вероятно предположение о полифилическом возникновении амниот от
различных групп амфибий. Если попытаться выделить из них наиболее древнюю
группу, то невольно придётся проводить аналогии с современными рептилиями. Однако
название «рептилии» очень трудно применить даже к экзотической группе
современных «рептилий». В неё входят крокодилы, черепахи, змеи, ящерицы, хамелеоны
и гаттерии. Состав группы столь глубоко различается как по строению, так и по
происхождению, что их систематическое объединение весьма условно. Объективно
их можно было бы назвать животными, которые не являются амфибиями, птицами и
млекопитающими. Тем не менее, поскольку название закреплено в систематике и
истории науки, их придётся называть рептилиями или преся^шкающимися, понимая
всю абстрактность этих названий.
При первом взгляде на современных пресмыкающихся заметно, что они
отличаются от амфибий структурой кожи. Кожа всегда образует твёрдые роговые чешуи,
иногда с окостенениями внутри. Обычно конечностей две пары, хотя встречаются
виды с одной передней парой или с одной зачаточной парой конечностей. У змей
и безногих ящериц ног нет вовсе. Эта сводная группа холоднокровных амниот,
традиционно называемых рептилиями, освоила огромные территории благодаря
своей независимости от воды в период размножения, эффективному строению скелет-
но-мышечной системы, сердца, лёгких, органов чувств и мозга. Современные
рептилии являются скромной тенью разнообразия этой группы в прошлом (рис. III-
3) .
Первоначально это были относительно небольшие животные — от нескольких
десятков сантиметров до метра длиной. К ним относят наиболее архаичных анапсид
типа Hylonomus (покровный череп анапсид не имеет отверстий, а кости плотно
сращены друг с другом). Наиболее примитивные рептилии (капториноморфы)
просуществовали относительно недолго и исчезли в конце юрского периода. За
относительно небольшой период они эволюционировали в довольно крупных парейазавров.
К началу верхней перми растительноядные парейазавры уже достигали 3 м и
весили около тонны. Примитивные рептилии исчезли, но от этой группы сохранился
интересный эволюционный след, представителями которого являются черепахи. Их
панцирь оказался самым эффективным приспособлением для выживания и
процветания на протяжении почти 250 млн. лет. Возникнув в эпоху котилозавров,
они освоили сушу и вторично завоевали водную среду. Мозг черепах является
своеобразной посылкой из эпохи архаичных амниот. Надо отметить, что мозг
черепах внешне мало отличается от организации мозга крокодилов, ящериц и змей,
но его цитоархитектоника, по-видимому, не подверглась серьёзным
морфологическим перестройкам.
Совершенно иные события развивались в группе синапсид (череп синапсид имел
одно отверстие, которое расположено между заглазничной и чешуйчатой костями)
и эвриапсид (череп с одним отверстием, расположенным выше заглазничной и
чешуйчатой костей). Синапсиды появились в позднем карбоне почти одновременно с
котилозаврами. Синапсиды были относительно небольшими животными типа
Protoclepsydrops и Archaeothyris, которых находят в стволах растений. Среди
мелких синапсид уже в нижней перми появляются крупные хищные (Dimetrodon,
Ophiacodon) и растительноядные (Edaphosaurus) пеликозавры. По-видимому,
хищные пеликозавры — сфенакодонты дали начало терапсидам, а последних сменили
млекопитающие. Однако потомков архаичных синапсид до наших дней не
сохранилось .
Примерно такая же судьба постигла и эвриапсид. В эту группу обычно включают
рептилий, населявших водную среду: ихтиозавров, плезиозавров, нотозавров и
плакодонтов. Их история также начиналась с относительно небольших животных,
едва ли достигавших метрового размера. Наиболее известен Claudiosaurus,
которого позиционируют как возможного представителя предковой группы для
нотозавров и плезиозавров. Архаичные эвриапсиды были небольшими полуводными
существами, по-видимому, часто возвращавшимися на сушу. К началу юры они стали
гигантскими водными хищниками, достигавшими 15 м {Elasmosaurus). Среди звриап-
сид особое положение занимают ихтиозавры. Их длина превышала 12 м, они были
полностью водными существами и явно живородящими. Несмотря на свою
гиперспециализацию и эффективность размножения, ихтиозавры исчезли, как и все
эвриапсиды.
Рис. III—3. Появление первых амниот привело к невероятному
разнообразию жизненных форм. За относительно непродолжительный
период были освоены суша, воздушная и водная среда обитания. Такой
прогресс смогли обеспечить совершенный набор физиологических
адаптации и головной мозг с новыми принципами организации.
Контуры тел исчезнувших и современных рептилий дают представление о
видовом разнообразии этой группы.
Среди архаичных амниот выделяется обширная группа диапсид (диапсиды имеют в
черепе два височных отверстия с каждой стороны выше и ниже чешуйчатой и
заглазничной костей). К диапсидам относят архозавров и лепидозавров,
представители которых сохранились до наших дней. К архозаврам относят летающих ящеров,
динозавров и крокодилов, а к лепидозаврам — мозазавров, ящериц и змей.
Диапсиды появились в позднем карбоне и к началу юры стали доминирующей группой.
Начало эволюции диапсид, как и других архаичных амниот, было более чем
скромным. Наиболее древний представитель этой группы Petrolacosaurus был похож на
ящерицу и явно не превышал в длину полуметра. Однако диапсиды оказались
весьма удачливой группой, которая дала массу ветвей рептилий и бесчисленное
количество вариантов морфологического строения. Останавливаться на изменчивости
ящеротазовых и птицетазовых динозавров не имеет смысла, поскольку им
посвящена обширная научная и популярная литература. Следует остановиться только на
тех особенностях, которые могут пролить свет на пути эволюции нервной системы
рептилий.
Именно среди динозавров встречались наиболее крупные наземные позвоночные.
При массе тела 18 т мозг ящеротазового динозавра Diplodocus весил всего 90-
160 г. Ещё более крупный брахиозавр [Brachiosaurus) длиной более 22 м и
массой около 40 т имел мозг около 200 г. Следовательно, у самых крупных животных
отношение массы головного мозга к массе тела составляло примерно 1:150000-
1:200000. Не исключено, что такая пропорция массы тела и мозга сохранялась и
у более крупных форм, которые известны только по фрагментам скелетов или
следам (Ultrasaurus, Breviparopus, Seismosaurus). При размерах тела более 40 м и
массе около 100 т эти животные обладали головным мозгом не больше мозга
современной крупной собаки.
Основные физиологические проблемы этих гигантов решались не головным, а
спинным мозгом, на уровне автономной нервной системы. Приблизительные оценки
массы спинного мозга показывают, что его размеры и масса намного превышали
аналогичные показатели головного мозга. По-видимому, у крупных (более 5 м)
рептилий головной мозг не превышает 1/10-1/15 массы спинного мозга. Примерно
треть массы спинного мозга приходится на плечевое и поясничное утолщения,
которые хорошо развиты у современных рептилий (рис. II1-4) . Вполне допустимо
предположить, что у большинства динозавров спинные и поясничные утолщения
имели терминальные желудочки, как у современных птиц и медведей. Это
позволяло эффективнее осуществлять метаболизм в наиболее функционально активных
участках спинного мозга.
Однако спинной мозг является исполнительной частью нервной системы. Он
только осуществляет набор автономных программ, но не принимает решения. Вся
поведенческая активность контролируется головным мозгом. У архаичных рептилий
он имел невероятно скромные размеры, но позволял им находить пищу,
размножаться и конкурировать с другими видами. Проводя глобальные аналогии, можно
сказать, что относительная масса мозга динозавров была намного меньше, чем у
современных насекомых. То же заключение можно сделать и в отношении амфибий.
Однако они не смогли достигнуть уровня расцвета рептилий. Это позволяет
сделать вывод о принципиальном эволюционном изменении в конструкции мозга при
появлении древних амниот.
Таким образом, разнообразие форм исчезнувших и современных рептилий
практически не имеет аналогов в истории позвоночных. На этом фоне однотипность
строения их мозга выглядит парадоксально. Принципы его конструкции
практически не изменялись как у архаичных, так и у современных рептилий.
Анатомические различия внешнего строения мозга в основном связаны с количественными, а
не качественными изменениями. В соответствии с адаптацией к конкретной среде
обитания может преобладать тот или другой отдел мозга, но принципы его
строения сохраняются неизменными, а количественное (макроанатомическое) представи-
тельство анализаторов или моторных центров варьирует в широких пределах. Эти
изменения меньше отражаются на внешней форме мозга, чем у первичноводных
позвоночных (см. рис. III-4). Стабильность конструкции головного мозга рептилий
говорит о ряде принципиальных приобретений, которые оказались настолько
универсальны, что не нуждались в качественной перестройке миллионы лет. Новые по
сравнению с амфибиями свойства мозга рептилий дали этой группе значительные
эволюционные (поведенческие) преимущества, позволившие освоить всю сушу,
воздушную и водную среду.
Рис. 111-4. Внешний вид головного, спинного мозга и плечевого
нервного сплетения рептилий на примере современных диапсид: а, б —
аллигатор; в — варан. Оба вида принадлежат к различным группам диапсид:
аллигатор относится к архозаврам, а варан к лепидозаврам.
Конструкция их головного и спинного мозга принципиально не отличается от
«рептилийного» архетипа.
§ 36. Общий план строения
нервной системы рептилий
При масштабном освоении суши мозг рептилий изменился. Однако его
морфологические перестройки, на первый взгляд, не были столь принципиальными, как у
амфибий. Поверхностный анатомический анализ показывает, что древний
«амфибийный» архетип строения центральной нервной системы не подвергся радикальным
изменениям (см. рис. III-4; рис. III-5; III-6).
Рис. III—5. Голова геккона (Gekko gekko) с вписанным в неё головным
мозгом и гистологические срезы через основные отделы: а — полушария
переднего мозга; б — промежуточный мозг; в — средний мозг; г —
задний мозг; д — каудальный конец продолговатого мозга; е — спинной
мозг. Срезы соответствуют уровням расположения и обозначениям
сечений на схеме.
Этот поверхностный взгляд на морфологию нервных центров рептилий может
ввести в заблуждение. Только рептилии смогли эффективно освоить сушу,
доминировать в воде, подняться в воздух и стать первой доминирующей группой
позвоночных. Основой для такой широкой и полиморфной радиации был не только
бесконечный пищевой ресурс, но и эффективная система управления организмом — мозг.
Рис. 111-6. Головной мозг современных рептилий различных
систематических групп и схема мозга анамний и холоднокровных амниот: а —
хамелеон (Chamaeleo lateralis); б — красноухая черепаха (Pseudemys
scripta); в — аллигатор (Alligator mississippiensis); г — сетчатый
питон (Python reticulatus); д — схематическое изображение мозга
рептилий; е — схема мозга амфибий. Голубые и зелёные стрелки показывают
связи между отделами мозга. Грибовидные расширения над двойной
полосой обозначают ассоциативный центр, а под полосой — адаптивное
увеличение размеров отдела. Красные стрелки показывают связи
ассоциативного отдела с другими отделами мозга.
При появлении рептилий произошёл ряд существенных перестроек нервной
системы, которые затем стали базовыми для всех амниот. По-видимому, эти изменения
были схожими, хотя и могли возникать совершенно независимо. Основная
трудность состоит в том, что первичный архетип строения нервной системы был
замаскирован дальнейшими адаптивными специализациями. Его реконструкция
возможна только при выделении ключевых и повторяющихся структурных элементов в
организации мозга рептилий. К сожалению, современные рептилии скромно
представлены довольно специализированными видами. Это несколько затрудняет поиск
древних конструкций мозга, принадлежавших их далёким предкам.
Рис. III—7. Гистологическое строение рептилий и ассоциативных
центров головного мозга: а — фронтальный срез через полушарие переднего
мозга с основными ассоциативными кортикальными структурами,
расположенными между маркёрами границ; б — срез через многослойную крышу
среднего мозга геккона; сагиттальный срез через теменной глаз (в) и
лабиринт (г) Lacerta agills; д — сагиттальный срез через эмбрион L.
agllis перед вылуплением. Объём головного мозга новорождённой
ящерицы может достигать 1/5 объёма тела, что отражает его значимость для
молодого животного.
Рассмотрим общий план строения нервной системы рептилий. Их нервная система
развита значительно лучше, чем у амфибий и первичноводных позвоночных.
Спинной мозг имеет цилиндрическую форму с плечевым и поясничным утолщениями,
соответствующими поясам конечностей. Сзади спинной мозг продолжается,
постепенно сужаясь, в начало хвостового отдела позвоночника. Головной мозг более
широк и массивен, чем у амфибий, особенно у крокодилов и черепах. Для рептилий
характерны изгибание ствола и стремление крупных полушарий надвинуться на
лежащие позади промежуточный и средний мозг (см. рис. II1-6; рис. III-7; III-
8). Полушария переднего мозга без резких границ переходят в обонятельные
луковицы, от которых начинаются обонятельные нервы.
Кора переднего Крыша среднего мозга
©
Обонятельные
Рис. III—8. Сагиттальный (а) и горизонтальный (б) гистологические
срезы через голову ящерицы (Lacerta agilis) в конце эмбрионального
развития. Относительный размер мозга в несколько раз больше, чем у
амфибий. К моменту вылупления рептилии обладают эффективным
вестибулярным аппаратом, зрением, слухом и обонятельной системой.
Увеличение размеров полушарий переднего мозга связано с появлением зачатков
коры — одного или нескольких слоев клеток, расположенных под поверхностью
мозга (см. рис. III-7, а). В этой зоне переднего мозга осуществляется
вторичный анализ информации, поступающей от органов обоняния. Промежуточный мозг
почти совсем закрыт сверху передним мозгом, так что на дорсальную поверхность
выходит только париетальный (парапинеальный) орган. У многих ящериц этот
орган сохраняет строение неинвертированного глаза беспозвоночных (см. рис. III-
5-1II-8) . Как и у других позвоночных, промежуточный мозг рептилий имеет
воронку , переходящую в гипофиз. Средний мозг представлен хорошо развитым
двухолмием, которое выполняет функции зрительных центров (см. рис. III-5; III-
6). Однако у змей зрительное двухолмие несколько редуцируется, и впервые
появляются небольшие парные задние бугорки — среднемозговые центры слуха (у рыб
и личинок амфибий они обслуживали органы боковой линии). Двигательные отделы
включают в себя задний и продолговатый мозг. Это крупный комплекс мозга с
почти закрытым IV желудочком. Он прикрыт сверху мозжечком, который может
иметь вид полоски, треугольника или овала, как у крокодилов (см. рис. II1-6) .
Черепно-мозговые нервы представлены 12 парами, которые преимущественно
обособлены друг от друга. Большинство нервов рептилий не связаны друг с другом и
выходят из мозга по отдельности. Только у змей лицевой нерв иногда тесно
связан с узлом тройничного нерва. Обонятельный нерв (I) снабжает своими ветвями
обонятельный мешок и якобсонов орган (см. рис. III-8, в). Расположенный рядом
терминальный нерв (0) иннервирует зтмоидную часть головы. Зрительные нервы
(II) образуют в основании черепа перекрест, называемый хиазмой, при этом у
ящериц волокна одного зрительного нерва проходят сквозь щель другого. Лицевой
нерв (VII) представляет небольшую, слаборазвитую ветвь. Блуждающий нерв (X)
является одним из наиболее длинных черепно-мозговых нервов. Это обусловлено
тем, что сердце, желудок и лёгкие сильно удалены от головы. К блуждающему
нерву прилежит добавочный нерв (XI), а подъязычный нерв (XII), начинаясь
несколькими корешками от передней части спинного мозга, выходит из черепа через
одно или несколько специальных отверстий.
Органы чувств рептилий обладают рядом уникальных особенностей, связанных с
ороговением покровов. Несмотря на ороговение, в чешуйках кожи многих рептилий
найдены осязательные пятна, а под чешуйками существует развитая сеть
осязательных телец с нервными окончаниями. Специализация нервных окончаний, иннер-
вирующих кожу, является прообразом развитых соматических рецепторов
млекопитающих. Огромное значение как осязательный орган имеет язык. У многих змей
и ящериц он постоянно находится в движении. Вкусовыми органами служат
луковицеобразные тельца в слизистой стенке языка и нёба. Орган обоняния у рептилий
представлен двумя системами: основной (обонятельный эпителий носовых мешков)
и добавочной (якобсонов орган) (см. рис. III-8) . Носовая полость парная,
сообщается с ротовой и глоточной полостью через хоаны. У ящериц и змей часто
встречается парная полость, лежащая книзу от носовой и открывающаяся особым
отверстием в ротовую полость. На дне полости расположены хемочувствительные
карманы — якобсонов орган, в который рептилии вкладывают раздвоенный на конце
язык. Слуховой аппарат рептилий состоит из внутреннего и среднего, а иногда и
из зачатков наружного уха. Лабиринт более развит, чем у амфибий (см. рис.
III-7, г, III-8), а у крокодилов появляются признаки улитки.
У некоторых змей имеются терморецепторы очень высокой чувствительности. Они
могут улавливать с расстояния 15 см инфракрасные волны от мыши, температура
тела которой выше, чем температура окружающей среды. Так как терморецепторы
расположены в лицевых ямках, гремучие змеи могут определять направление на
источник теплового излучения. Глаза рептилий обычно несколько крупнее по
отношению к голове, чем у амфибий. Глазное яблоко шаровидной формы, а вокруг
роговицы у многих ящериц и черепах формируется склеротикальное кольцо из кос-
тяных пластинок. Аккомодация у большинства рептилий достигается при помощи
мышцы, расположенной вокруг хрусталика. Эта мышца сжимает хрусталик, делая
его толще, и тем самым даёт возможность рассматривать близко расположенные
предметы. Только у змей аккомодация происходит в результате перемещения
хрусталика, как у амфибий. В цветных фоторецепторах (колбочках) рептилий и птиц
находятся специальные цветные масляные капли, которые сужают кривые
спектральной чувствительности рецепторов и уменьшают их взаимное перекрытие.
Масляные капли в 2-5 раз увеличивают число различимых цветовых оттенков. Многие
черепахи обладают хорошим цветовым зрением. В сетчатке одного из
исследованных видов (Pseudemys scripta) было найдено несколько типов фоторецепторов,
отвечающих за восприятие цвета и освещённости: палочки, красные колбочки,
красно-зелёные двойные колбочки, одиночные красные и зелёные колбочки.
Фоторецепторы работают в различных условиях освещённости фона и объекта, что
позволяет черепахам использовать 4 механизма цветовосприятия.
Поведение рептилий построено на врождённых реакциях, которые заметно
индивидуализируются в процессе жизни. Этому способствует продолжительность
приобретения индивидуального опыта. Крупные черепахи живут до 150-250 лет, змеи и
ящерицы — 7-25 лет, а крокодилы — до 70-80 лет. У многих рептилий очень
большую роль играет обучение. Они легко приручаются и быстро осваивают лабиринт
или зрительные условные сигналы. Черепахи, принадлежащие к древнейшим анапси-
дам, могут вторично узнать фигуру, нарисованную сплошной линией, даже если
она очерчена пунктиром или повёрнута на небольшой угол. Ящерицы и змеи
способны к некоторому прогнозированию развития событий. Это позволяет им
преследовать добычу уже после того, как она скрывается из виду. Однако водяные ужи,
обученные правильно проходить Т-образный лабиринт, после линьки всё забывают.
Аналогично ведёт себя шипохвост, который, привыкнув к новой территории,
забывает её после кратковременного охлаждения. Крокодилы проявляют довольно
изощрённую Заботу о потомстве. Они готовят кучи из земли, листвы и веток, куда
откладывают яйца. Пока зародыши развиваются, крокодилы косвенными способами
контролируют температуру и охраняют кладку, а затем выкапывают вылупляющихся
потомков.
У рептилий известна иерархическая организация компактных групп.
Доминирующей игуане уступают место не только на своей территории, но и на соседних,
когда она направляется на охоту в общие нейтральные зоны. Иерархия у
гигантских черепах Галапагосских островов выражается в строго установленном порядке
следования друг за другом во время миграций. Групповая организация рептилий
является одной из сложных форм общественного поведения, которая была
достигнута у холоднокровных животных. Перечисленные особенности современных
животных только косвенно отражают зоопсихологические достижения вымерших рептилий.
Однако всё разнообразие их поведения базируется на головном мозге общего
архетипа, который заслуживает отдельного рассмотрения.
§ 37. Ассоциативный
центр мозга рептилий
Рассмотрев общий план строения нервной системы, следует отдельно
остановиться на новых принципах организации и работы мозга, впервые реализованных у
рептилий. Нервная система архаичных амниот стала логическим развитием
строения удачной амфибийной конструкции. Однако мозг амфибий практически выполнял
функцию сложного рефлекторного аппарата, а его интеллектуальные возможности
остались невостребованными. Эволюция амфибий решалась мышцами, зубами,
линейными размерами и масштабами размножения. Шло элементарное освоение пищевых
ресурсов, где для развития сложного поведения не было ни места, ни
биологической необходимости. Со следами этого периода эволюции позвоночных мы сталки-
ваемся, пытаясь выработать условные рефлексы у различных представителей
современных амфибий. Крайне низкая обучаемость и отсутствие долговременной
памяти для накопления индивидуального опыта показывают, что сложных
поведенческих задач перед древними амфибиями никогда в их эволюции не стояло.
Особенности развития органов чувств и признаки сложного поведения рептилий
базируются на особенностях структурной организации головного мозга. Мозг
рептилий отличается от мозга амфибий, как в количественном, так и в качественном
отношении. До появления амниот стратегии поведения или реакция на конкретный
раздражитель выбирались по принципу доминантности (см. рис. II1-6, е) . Этот
принцип состоит в том, что выраженного крупного ассоциативного центра мозга у
многих первичноводных позвоночных или амфибий нет (см. рис. II1-6, е) . Выбор
формы поведения происходит на основании сравнения активностей примерно
равноценных отделов мозга, обслуживающих различные органы чувств. Решающее
значение играет уровень возбуждения мозговых аналитических центров одного из
анализаторов . Представительство органа чувств, достигшее в мозге наибольшего
возбуждения, и становится основной областью для принятия решения. После
выбора одной из инстинктивных реакций происходит её поведенческая реализация.
Этот процесс осуществляется под контролем того же простого сравнения доми-
нантностей. Если в процессе осуществления реакции возникает новое
раздражение, которое изменяет соотношение возбуждений органов чувств, то
поведенческая реализация инстинктивного процесса останавливается. Каждая
конкретная ситуация отличается от предыдущей, но задействуется тот же набор органов
чувств. Если наибольшее возбуждение достигается в той же сенсорной системе,
то поведение сохраняется, а если в другой, то изменяется. Поскольку абсолютно
идентичные условия в естественной жизни практически не встречаются, поведение
даже самых примитивных анамний будет бесконечно разнообразно. Следовательно,
поведение каждой особи будет индивидуальным с довольно высокой динамической
адаптивностью.
Первые признаки ассоциативного центра появились ещё в мозге амфибий. У них
таким центром мог стать средний или промежуточный мозг. Для этого были все
основания. В промежуточном мозге находятся нейроэндокринные центры,
контролирующие половое поведение, миграции и энергетический баланс организма анамний.
Через активизацию центров промежуточного мозга запускаются инстинктивные
программы поведения, которые контролируют работу других отделов мозга. Казалось
бы, промежуточный мозг мог стать аналитическим центром поведения анамний, а
затем и амниот. Однако в этом случае система реализации поведенческих реакций
состояла бы не только в работе нервной системы. Каждый раз любое
поведенческое событие приводило бы к стимуляции работы нейроэндокринных центров.
Гормональная регуляция поведения реализуется долго, а неврологическая — быстро.
При быстрой смене форм поведения наступал бы конфликт между инертными
гормональными и динамичными нейральными программами поведения. У насекомых этот
конфликт был решён в пользу нейрогормональных центров и чисто инстинктивного
поведения.
С первичноводными позвоночными и амфибиями сложилась довольно нестабильная
ситуация. С одной стороны, роль гормонально-инстинктивной регуляции поведения
у амфибий очень велика и явно доминирует при выборе стратегий поведения. С
другой стороны, нейроморфологический субстрат развит вполне достаточно для
небольшой индивидуализации поведения при реализации этих стратегий. Возникла
оригинальная система гормонально-доминантного выбора форм поведения из
стандартного инстинктивного набора. У амфибий стратегия поведения определяется
нейрогормональным состоянием особи. При реализации выбранной формы поведения
она адаптируется к конкретным условиям при помощи сравнения доминантностей,
которое было описано выше. В такой схеме контроля поведения анамний не
остаётся места для ассоциативного центра. Он мог бы понадобиться только тогда,
когда возникла бы потребность в быстрой адаптивной индивидуализации
поведения. Такая ситуация может сложиться только в том случае, когда
последовательная реализация инстинктивных форм поведения будет прямо зависеть от постоянно
меняющейся ситуации.
В таких нестабильных условиях окружающей среды оказались архаичные
рептилии. По-видимому, требования к быстрой индивидуализации поведения и памяти
возросли, а реализация гормонально-доминантного принципа выбора из
стандартного инстинктивного набора форм поведения стала неэффективной. Возник
совершенно новый тип принятия решений, который сохранился в мозге современных
рептилий, принадлежащих к отдалённым систематическим группам. Их всех объединяет
одно принципиально новое качество мозга — выраженный ассоциативный центр (см.
рис. III-7).
Основной ассоциативный центр рептилий сформировался в крыше среднего мозга
(см. рис. III-5, в; III-6; III-7, б) . Он возник на базе нескольких органов
чувств, которые имели представительство в этом отделе головного мозга.
Основную часть крыши среднего мозга занимает представительство зрительной системы.
Зрительные нервы после прохождения хиазмы перекрещиваются и поднимаются к
крыше среднего мозга. Аксоны ганглиозных клеток сетчатки оканчиваются на
нейронах крыши среднего мозга, которые организованы в стратифицированные
структуры (см. рис. III-5, в; III-7, б). Существует чёткая топографическая связь
между определённым участком сетчатки и зоной крыши среднего мозга. При этом
соблюдаются форма изображения и взаимное расположение его элементов. Довольно
долго переднюю часть крыши среднего мозга считали исключительно мозговым
центром зрительного анализатора. Однако функционально-морфологические
исследования показали, что это далеко не так.
Наряду с представительством зрительной системы в крышу среднего мозга
приходят информация о соматической (кожной) чувствительности, двигательном
анализаторе, вестибулярные и слуховые сигналы (см. рис. III-6, д) . Слуховой
анализатор у рептилий значительно увеличивает своё представительство в этом
центре. В результате у многих рептилий в задней части крыши среднего мозга
появляются малозаметные парные выпячивания — задние или нижние бугорки. Крыша
среднего мозга становится не однородным анатомическим образованием, как у
анамний, а четверохолмием. В ней сосредоточивается представительство
практически всех основных дистантных и контактных анализаторов. Даже обонятельная
система имеет своё представительство в крыше среднего мозга. За исключением
обонятельной системы, практически все сенсорные проекции в крышу среднего
мозга рептилий носят топологический характер. Это означает, что информация от
каждого конкретного участка тела представлена в строго определённом участке
крыши среднего мозга. Сохраняется принцип карты тела, которая точечно
переносится в мозг.
Таким образом, в крыше среднего мозга рептилий сосредоточена разнообразная
информация о состоянии собственного организма и окружающего мира, которая
объединена по топологическому принципу. Рассмотрим, что происходит в крыше
среднего мозга, если передняя правая конечность рептилии просто стоит на
необычной поверхности. При оценке такой ситуации в крыше среднего мозга
осуществляется сравнительный анализ соматической, сенсомоторной, слуховой и
зрительной информации. Это легко сделать, поскольку все сигналы концентрируются
в одном центре, а зачастую и друг над другом, как в слоистом пироге. Средний
мозг проводит комплексный анализ многих факторов одного явления, что
позволяет выбрать наиболее адекватную реакцию. Для этого идеально подходит
стратифицированная структура крыши среднего мозга.
Предельно упрощая реальную ситуацию, можно сказать, что в крыше среднего
мозга представительство различных сенсорных систем расположено на условных
«этажах», организованных в горизонтальной плоскости. Каждый этаж занимает
своеобразная карта. Она может быть сиюминутной информационной картой рецеп-
торных сигналов от поверхности тела, изображением на сетчатке или
акустическим полем. Все эти карты ориентированы на своих «этажах» так, что отражают
примерно одно и тоже направление в пространстве. Слуховой сигнал от передней
правой конечности лежит под её зрительной картой и над соматическим сигналом
от кожи стопы. Специализированные «этажи» соотнесены между собой при помощи
вертикальных связей, которые позволяют быстро оценить конкретную ситуацию и
принять адекватное решение. Эта схема работы крыши среднего мозга позволяет
понять рефлекторное быстродействие мозга рептилий. По-видимому, именно это
быстродействие стало основной причиной эволюционного успеха архаичных
рептилий .
Появление у рептилий совершенного рефлекторного центра принятия решений
привело к нескольким важным последствиям. С одной стороны, возможность
быстрого выбора решений бессмысленна, если общий уровень метаболизма будет
оставаться на прежнем уровне. Следовательно, развитие среднего мозга
сопровождалось повышением обмена. С другой стороны, увеличение размеров крыши среднего
мозга создало необходимый клеточный субстрат для развития памяти.
Индивидуальный опыт животного стал базой для сравнения событий, разнесённых во
времени . Переоценить это событие трудно. Впервые возникли реальные основы для
индивидуализации поведения, построенной на сравнении различных событий. Надо
отметить, что эти нейробиологические преимущества мозга рептилий обычно даже
не рассматриваются при реконструировании ранней эволюции амниот.
Архаичные рептилии вслед за развитием центра рефлексологического анализа
получили материальный субстрат для запоминания различных событий. Им стало
доступно воспроизведение индивидуального опыта, что служит основой обучения.
С самообучаемыми архаичными рептилиями амфибии уже не могли конкурировать.
Гормонально-инстинктивные принципы поведения амфибий, рыб и беспозвоночных
сделали их кормом для рептилий с развитым рефлекторно-ассоциативным средним
мозгом.
Все перечисленные преимущества строения головного мозга рептилий не могли
возникнуть сами собой. Для столь глубокой качественной перестройки мозга
должны были сложиться крайне жесткие и неординарные условия. Архаичные
рептилии должны были оказаться в своеобразной среде с очень высокими требованиями
к аналитическим свойствам мозга и индивидуальной памяти.
§ 38. Условия
возникновения
мозга рептилий
Ассоциативный мозговой центр не может возникнуть случайно. Энергетические
затраты на содержание ассоциативного центра мозга и цена смены стратегий
поведения всегда очень высоки (см. главу I) . Должна быть причина для подобных
биологических затрат, которые могут привести вид на грань исчезновения. Иначе
говоря, морфо-функциональная адаптивная эволюция основных систем организма
должна быть полностью исчерпана в данной конкретной ситуации. Тогда могут
начаться качественные преобразования нервной системы как крайне рискованный, но
и чрезвычайно эффективный способ решения многих биологических проблем. При
эволюционной перестройке нервной системы в первую очередь начинают
трансформироваться органы чувств и сенсомоторная система. Поведенческие адаптации
сначала обеспечиваются на количественном уровне и путём развития
периферической части анализаторов. У рептилий есть все свидетельства этого этапа
эволюционной адаптации. Их зрительная, слуховая, вестибулярная, обонятельная и
сенсомоторные системы развиты в несколько раз лучше, чем у амфибий.
Надо отметить, что развитие периферических анализаторов рептилий принципи-
ально не отличается от аналогичных систем птиц и млекопитающих. По-видимому,
уже у архаичных амниот органы чувств достигли высокой организации,
свойственной современным рептилиям и в дальнейшем мало изменились (см. рис. III-8).
Иначе говоря, на заре появления рептилий органы чувств быстро достигли
пределов своего морфо-функционального совершенства. Их дальнейшее развитие было
возможно только За счёт аналитических мозговых центров. Аналогичные изменения
произошли и в эффекторных системах.
Все глубокие адаптивные перестройки органов чувств, управления скелетной
мускулатурой и развитые мозговые центры не могли сформироваться без
настоятельной необходимости. Такая необходимость могла возникнуть только в условиях
жесточайшей конкуренции, когда ресурсы были ограничены, а возможности скелет-
но-мышечных и метаболических адаптации исчерпаны. Судя по всему, архаичные
рептилии начали свою эволюцию не с растительной пищи и не с охоты за
беспозвоночными .
Эта разнообразная группа сформировалась в результате истребления амфибий и
архаичных рептилий. Они конкурировали друг с другом в охоте на амфибий, а
затем и на ближайших исторических родственников. Только при агрессивной и
бескомпромиссной охоте на себе подобных могли начать эволюционировать мозг и
дистантные органы чувств.
Первые архаичные амниоты, по-видимому, сложились к концу карбона, около 280
млн. лет назад. На протяжении примерно 30 млн. лет до этого момента
происходили события, приведшие к появлению столь успешной группы. Вполне правомерен
вопрос о причинах появления амниот.
Подходящей средой для формирования нервной системы рептилий могли стать
хорошо известные гигантские каменноугольные завалы, состоящие преимущественно
из плаунов (Stigmaria, Sigillaria), хвощей (Catamites) и папоротников
(Medullosa, Psaronius) (рис. III-9) . В таких многометровых завалах из
прогнивших или полых стволов деревьев могли сложиться идеальные условия для
эволюции рептилий. Современные залежи каменного угля прямо свидетельствуют о
том, что такие завалы из стволов деревьев были очень широко распространены и
могли стать масштабной переходной средой амфибий к рептилиям. На это
указывает и размер архаичных рептилий самых различных групп. Они в большинстве
случаев были менее метра. Для животных таких размеров многометровые завалы из
полых стволов деревьев представляли прекрасное место для укрытия, размножения
и охоты.
Чтобы воспользоваться биологическими преимуществами древесных завалов,
требовалось приобрести несколько специфических качеств.
Во-первых, было необходимо научиться хорошо ориентироваться в трёхмерной
среде. Для амфибий это непростая задача, поскольку их мозжечок весьма
небольшой. Даже у специализированных древесных лягушек, которые являются тупиковой
эволюционной ветвью, мозжечок намного меньше, чем у рептилий. Кроме развитого
мозжечка, необходимы чувствительный вестибулярный аппарат, соматическая
чувствительность , эффективное зрение и совершенная сенсомоторная координация
движений. Эти эффекторные и рецепторные системы получили преимущественное
развитие в мозге рептилий. У всех рептилий хорошо развиты мозжечок,
вестибулярная система и её мозговое представительство. Высокое развитие этих центров
было бы невозможно без перехода к активной жизни в трёхмерной среде древесных
завалов.
Во-вторых, трудно представить себе среду обитания, где бы пропорционально
возрастали требования к развитию зрения, слуха и обоняния. Обычно развитие
слуха и обоняния сопровождается редукцией зрения или наоборот. Однако в
глубине нагромождения стволов деревьев или в самих стволах почти всегда были
сумерки, а на поверхности день сменялся ночью. Эти условия одинаково влияли на
развитие обоняния, зрения и других органов чувств. Деревья хорошо проводят
звук и колебания, что стало хорошим стимулом для развития соматической и
слуховой чувствительности.
Рис. III-9. Переходная среда, в которой могли появиться древние
амниоты. Средой для формирования древних амниот стали гигантские
многометровые завалы из полых или частично разрушенных каменноугольных
плаунов (Sigillaria), хвощей (Catamites) и папоротников (Medullosa).
Они были широко распространены в карбоне и стали удачным местом для
укрытия, размножения и охоты архаичных рептилий. Для передвижения в
трёхмерной среде должны были сложиться сложная система управления
движением и чувствительный вестибулярный аппарат. В таких условиях
необходимо в равной степени использовать зрительную, слуховую,
обонятельную и соматическую чувствительность, что стало причиной её
быстрого развития. В столь сложной среде возникла необходимость в
быстром и глобальном анализе всей информации, поступающей от различных
анализаторов. Такой эффективный аналитический центр сложился на базе
многослойной (стратифицированной) крыши среднего мозга. Увеличение
количественного обеспечения рефлекторных процессов в среднем мозге
привело к появлению возможности накопления индивидуальной информации
и её адаптивного использования. Результатом этих процессов стало
появление ассоциативного среднемозгового центра рептилий, который
позволил этой группе доминировать миллионы лет.
§ 39. Происхождение
неокортекса
Обоняние играло в жизни архаичных рептилий из карбоновых лесных завалов
почти такую же роль, как и зрение, а зачастую и преобладало над другими
органами чувств. В безопасной глубине нагромождений стволов папоротников, плаунов
и хвощей обоняние вполне могло стать ведущей системой среди анализаторов.
Особое развитие обоняния связано у рептилий с якобсоновым органом, или воме-
роназальной системой. Она впервые возникла в связи с выходом древних амфибий
на сушу. Первоначальное появление дополнительной обонятельной системы было
обусловлено необходимостью одновременного анализа химических сигналов, как в
воде, так и в воздухе, как описано выше. Вомероназальная система является
«наземным» хеморецепторным органом, который играл важную роль при выходе
амфибий на сушу через почвенные или древесные лабиринты.
По достижении независимости от водной среды разделение обонятельной системы
на воздушный и водный рецепторы формально отпало. Вомероназальная
обонятельная система архаичным рептилиям стала не нужна. Казалось бы, это недавно
появившееся эволюционное новообразование должно было редуцироваться и исчезнуть.
Однако этого не произошло. За свою недолгую историю вомероназальный орган
приобрёл одно дополнительное свойство, которое и решило его дальнейшую
судьбу. Он стал специализированной системой половой хеморецепции. В условиях
лабиринтов или многослойных лесных завалов роль полового обоняния трудно
переоценить . Оно позволяет находить партнёра, заранее определять его готовность к
спариванию, идентифицировать конкурирующих особей и следы других животных.
По-видимому, став органом полового обоняния, вомероназальная система не
потеряла способности к анализу высокомолекулярных органических соединений. Это
позволило архаичным рептилиями использовать её для поиска добычи, миграции и
дополнительной пространственной ориентации.
Подобная двухэтапная контактная хеморецепция достигается у многих
современных рептилий при помощи языка. Его раздвоенный кончик захватывает молекулы и
переносит их в парные вомероназальные ямки, открывающиеся в ротовую полость.
Таким образом, вторая обонятельная система трансформировалась в половой
рецептор, способный к анализу высокомолекулярных соединений. Однако сам по себе
дополнительный хеморецептор не даст никаких особых преимуществ, поэтому
возникло реальное основание для развития дополнительной обонятельной луковицы и
вторичных обонятельных центров в переднем мозге. Они сложились только у
архаичных рептилий. Аналитический аппарат вомероназального органа формировался на
базе уже имеющейся обонятельной системы.
В переднем мозге возникла парадоксальная ситуация. Сложилось два
аналитических центра хеморецепции, которые выполняли различные функции. Их совмещение
в одних и тех же структурах головного мозга было невозможно. У архаичных
рептилий стали развиваться дополнительные центры переднего мозга, обслуживающие
вомероназальную систему. В этот процесс были включены как древние
обонятельные ядра базальной части переднего мозга, так и структуры нового плаща.
Отдалённые последствия этих событий мы видим у современных рептилий. Если
сравнить фронтальные гистологические срезы переднего мозга амфибий и рептилий
(см. рис. 11-27, a; III-5, а), то первое очевидное отличие мозга рептилий
связано со структурами, отделёнными от прижелудочкового серого вещества
прослойками волокон. Таких цитоархитектонических элементов нет даже в
гипертрофированных полушариях переднего мозга безногих амфибий (см. рис. 11-29, а) .
Вынесенные к наружной стенке полушария переднего мозга нейроны образуют
находящие друг на друга пластинки, расположенные на дорсальной стороне полушария.
Они относятся к эволюционным приобретениям рептилий и являются прообразом
коры большого мозга млекопитающих. Слоистые структуры переднего мозга разделяют
по цитоархитектоническим признакам на 5 основных зон: старую кору (архикор-
текс), промежуточную периархикортикальную кору (периархикортекс), новую кору
(неокортекс), промежуточную перипалеокортикальную кору (перипалеокортекс) и
древнюю кору (палеокортекс). Эти зоны расположены в полушарии переднего мозга
в порядке их перечисления (см. рис. III-7, а). Медиальнее лежат старая кора и
её дериваты, а вентролатеральнее — неокортекс, палеокортекс и переходные
зоны.
Источником возникновения кортикальных структур переднего мозга рептилий
стала обонятельная и вомероназальная система. Отростки клеток из основной и
вомероназальной луковицы рептилий широко распределены между различными
отделами переднего мозга. Различными методами установлены связи между
дополнительной обонятельной луковицей вомероназальной системы, миндалевидным ядром и
латеральной корой переднего мозга. Эти связи обнаружены у большинства
рептилий, включая змей. На латеральной поверхности мозга рептилий сосредоточены
три основные структуры. В базальной части мозга расположено миндалевидное
ядро, которое переходит в палеокортекс. Несколько выше лежит небольшая
переходная зона — перипалеокортекс, которая краем подстилает зачаток неокортекса.
Неокортекс является самой латеральной частью стенки переднего мозга
(латеральная кора), а его основные афферентные волокна, через вторичные центры,
приходят из обонятельных луковиц. У современных рептилий зачаток неокортекса
получает вторичные обонятельные проекции из нескольких источников. Большая
часть волокон приходит из переднего обонятельного ядра, которое связано как с
основной, так и с добавочной (вомероназальной) обонятельной луковицей. Прямые
проекции из основной и добавочной обонятельной луковицы немногочисленны.
Однако в расположенном рядом с неокортикальным зачатком миндалевидном ядре
заканчивается до 80% волокон добавочной луковицы. По-видимому, у архаичных
рептилий прямые проекции вомероназальной системы были намного мощнее.
Следует отметить, что уже у рептилий существуют прямые связи между передним
обонятельным ядром и латеральным зачатком коры переднего мозга, расположенным
в противоположном полушарии. Следовательно, имеется опосредованная межполу-
шарная интеграция корковых зачатков, которая стала прообразом мозолистого
тела млекопитающих. Таким образом, латеральная кора архаичных рептилий обладает
всеми свойствами интегративного центра. Она расположена на пересечении связей
переднего мозга и служит своеобразной надстройкой над другими
специализированными отделами. Преобладающими источниками афферентных связей зачаточного
неокортекса являются обонятельный и вомероназальный центры. Связи с
отдалёнными отделами нервной системы гарантируют быструю адаптацию полового
поведения к изменяющимся условиям внешней среды. Это поведенческое преимущество
предопределило репродукционный успех рептилий, но заложило самое чудовищное
противоречие в структуру поведения млекопитающих.
Таким образом, возникновение неокортикального зачатка обусловлено
обонятельной и вомероназальной системой. В дальнейшем основные аналитические
функции вомероназальной системы стало выполнять миндалевидное ядро, которое
связано с древними стриарными структурами и гипоталамусом. Эти связи сохранены
не только у рептилий, но и у млекопитающих. Однако рептилии не
воспользовались потенциалом кортикальных структур переднего мозга, поскольку дальнейшее
совершенствование вомероназальной системы прекратилось. Неокортикальный
зачаток стал активно развиваться только у млекопитающих.
Появление кортикальных зачатков переднего мозга, обслуживающих
аналитическую систему вомероназального органа полового обоняния, изменило ход
неврологической истории позвоночных. Появился не гормональный, а нейральный центр
управления поведением, связанный с репродуктивной активностью. Это
приобретение дало важнейшее преимущество своим обладателям — пластичность стратегий
полового поведения. Глобальный контроль за репродукцией остался в
гормональных центрах промежуточного мозга. Однако впервые в истории позвоночных
появилась возможность его адаптации к изменяющейся ситуации. Такая адаптивность
репродуктивного поведения была возможна только на базе центров, интегрирующих
половые обонятельные сигналы с остальными органами чувств. Небольшие
кортикальные центры идеально подходят для этих целей. Они находятся между слоями
нервных волокон, что делает их легкодоступными для отростков нервных клеток,
расположенных в других отделах мозга.
Исследование этих связей неокортекса показало, что в скромных зачатках коры
имеется представительство почти всех крупных ядер центральной нервной системы
рептилий. Аксоны вставочных нейронов из сенсорных центров заднего мозга,
мозжечка, крыши среднего мозга, тегментума, таламуса и нейроэндокринных центров
промежуточного мозга оканчиваются в кортикальных структурах переднего мозга
рептилий. Нисходящие, эффекторные связи менее развиты, но они затрагивают в
основном сенсомоторные центры и ассоциативные области среднего мозга.
Следовательно, специализированное половое представительство вомероназального
органа переднего мозга превратилось в своеобразный центр сосредоточения
информации от разнообразных органов чувств. Эффекторные сенсомоторные связи
указывают на способность этой интегративной системы непосредственно воздействовать
на двигательную активность рептилий. Такой эффективной неврологической
системы контроля и ситуационной коррекции полового поведения у позвоночных ещё не
существовало.
Ситуация становится неординарной в поведенческом плане, если для
обнаружения полового партнёра необходимо использовать специализированный орган
обоняния. По-видимому, в условиях древесных завалов существовала жёсткая половая
конкуренция, а поиск репродуктивной особи противоположного пола был очень
затруднён. Такое предположение подкрепляется как значительным цитоархитектони-
ческим развитием переднего мозга, так и нервными связями новообразованных
центров. По сути дела, на базе системы управления половым поведением сложился
интегративный комплекс, аналогичный среднемозговому ассоциативному центру
рептилий. Если среднемозговой центр решал в основном адаптивные задачи,
связанные с работой органов чувств, то переднемозговой — проблемы размножения.
Поведение рептилий оказалось под контролем двух интегративных систем. Одна
связана с адаптивной специализацией, а другая — с репродукцией.
Ассоциативные центры среднего мозга не могли долго конкурировать с половыми
интегративными центрами переднего мозга. Половое поведение поддерживается
гормонами, которые могут легко подчинить себе работу всего мозга. Влияние
гормонов всегда генерализованное, их воздействию подчиняется не только мозг,
но и другие системы органов. В репродуктивный период животное может довольно
долго игнорировать пищу и обычные формы поведения, поэтому в период
размножения роль основного интегративного центра переходит от крыши среднего мозга к
зачаточной коре переднего мозга рептилий. Маловероятно, чтобы в условиях кар-
боновых завалов была заметна смена времён года или действовал другой сезонный
механизм регуляции половой активности. Архаичные рептилии могли размножаться
в любое время, за исключением периода созревания.
Последствия такой половой стратегии сказались на приоритетах развития
ассоциативных центров головного мозга. Ассоциативное доминирование половых перед-
немозговых центров становилось не периодическим, а постоянным. Средний мозг
стал использоваться как вторичный ассоциативный центр, а затем как носитель
видоспецифического инстинктивного поведения. Ассоциативные функции постепенно
полностью перешли к переднему мозгу, что привело к появлению млекопитающих.
Архаичные рептилии могли заложить основы «рассудочной» эволюции ассоциативных
центров на базе среднего мозга. Этого не произошло, а мышление птиц и
млекопитающих сформировалось на базе древних половых центров.
Следовательно, в карбоновых древесных завалах сложились условия для
появления архаичных рептилий. Там были подходящие условия для становления «репти-
лийных» органов чувств и их мозгового представительства. Остаётся открытым
вопрос об объектах питания древних амниот. По-видимому, это были в основном
различные беспозвоночные, небольшие амфибии и сами древние рептилии. Часть
архаичных рептилий могла специализироваться на растительной пище, количество
которой было практически неограниченным. Однако наибольшего прогресса в
карбоновых растительных завалах следовало ожидать от мозга всеядных или хищни-
ков. Карбоновые завалы или иные лабиринты стали для рептилий своеобразным
полем бескомпромиссной битвы за выживание. На протяжении десятков миллионов лет
эти существа оттачивали своё мастерство. В таких условиях вполне вероятна
жесточайшая конкуренция, без которой невозможно представить себе столь
быструю эволюцию мозга рептилий. Финал этого драматического периода истории
позвоночных начался тогда, когда совершенные по тем временам хищники стали
распространяться из среды своего становления (рис. II1-10).
Рис. III-10. Условия возникновения мозга и вероятная адаптивная
радиация архаичных рептилий. Первые рептилии были небольшими
животными, которые быстро эволюционировали в агрессивной среде гигантских
завалов из карбоновых плаунов, хвощей и папоротников. После
возникновения совершенного рефлекторно-инстинктивного комплекса, а затем и
ассоциативных центров на уровне среднего мозга они получили
гигантские поведенческие преимущества перед первичноводными позвоночными и
амфибиями. Это послужило основой для быстрой адаптивной радиации и
освоения всех доступных сред обитания. Дальнейшая эволюция
заключалась преимущественно в увеличении размеров тела, смене типов питания
и размножения.
§ 40. Адаптивная
радиация
архаичных рептилий
Небольшие хищные и всеядные рептилии, эволюционировавшие в агрессивной
среде растительных завалов, не были самыми крупными животными того времени. В
конце карбона размер их тела обычно не превышал нескольких десятков
сантиметров . В то время жили и намного более крупные хищники. Достаточно упомянуть о
существующих доныне акулах или позднекарбонских антракозаврах (Pteroplax),
которые достигали несколько метров. Распространение архаичных рептилий не
было связано с какими-либо преимуществами в линейных размерах. Расселяясь по
суше или возвращаясь в воду, они могли рассчитывать на новые качественные
приобретения органов и систем.
В отличие от рыб и амфибий мозг древних рептилий был способен быстро решать
многоплановые рефлекторно-инстинктивные задачи и понемногу накапливать
индивидуальный опыт. Для этих целей использовался ассоциативный центр среднего
мозга, который мог обрабатывать и сравнивать информацию, поступающую от
различных органов чувств. Дополнительное преимущество давала совершенная система
контроля полового поведения, которая могла сочетаться с внутренним
оплодотворением и развитием. Зачаточный ассоциативно-половой центр переднего мозга
позволял полностью перенаправлять активность животного на репродуктивное
поведение, что давало неоспоримые преимущества в новых средах обитания. С таким
багажом древние рептилии быстро стали доминирующей группой позвоночных на
планете. Достигнутые неврологические преимущества рептилий оказались столь
Значительными, что поставили эту группу позвоночных практически вне
конкуренции. Беспозвоночные, рыбы и амфибии стали пищевой базой для агрессивных и
совершенных хищных рептилий того периода.
Преимущество минимальной памяти и инстинктивно-ассоциативного принципа
работы мозга оказалось безграничным. Это привело к тому, что в середине мезозоя
рептилии стали доминировать на всей планете и во всех средах обитания. По-
видимому, ограничения расселения рептилий были связаны только с низкими
температурами. В остальных случаях практически неограниченные ресурсы
растительной и животной пищи стали причиной многообразия и процветания рептилий.
На суше не было развитой пищевой базы для возникновения крупных хищников.
Амфибии и беспозвоночные не могли стать причиной появления крупных хищных
динозавров. Первые крупные наземные рептилии, вероятнее всего, были
растительноядными. Крупные наземные хищники стали массово появляться только к
концу юрского периода, когда растительноядные рептилии сформировали собой
обширную пищевую базу. В водной среде условия для появления крупных хищных
рептилий были намного благоприятнее. В водоёмах обитало множество первичноводных
позвоночных и беспозвоночных животных, поэтому крупные ихтиозавры появились
уже в триасе (Cymdospondylus), а к юре это были одни из совершеннейших
обитателей водной среды (Ophthalmosaurus).
Тем не менее, биологический успех того периода состоял в быстром освоении
пищевых ресурсов и в увеличении скорости размножения. Рептилиям, вышедшим из
карбоновых завалов, при отсутствии реальных конкурентов не было никакой
необходимости поддерживать энергозатратное внутриутробное развитие потомков.
Появление яйцекладущих форм стало закономерностью. Таким способом решалась
проблема массовой репродукции каждого из видов, и обеспечивалось их быстрое
расселение. Вторым простым и быстрым способом добиться биологического
преимущества стало увеличение размеров. В конце концов, большая часть архаичных
рептилий пошла именно по этому пути. Спустя несколько миллионов лет на суше и в
воде стали доминировать хищные и травоядные гиганты, которые были обречены на
вымирание.
Самой любопытной с нейроморфологической точки зрения группой были летающие
ящеры. По-видимому, они эволюционировали в условиях невысокой конкуренции.
Вполне возможно, что птерозавры появились в верхнем ярусе карбоновых лесных
завалов как планирующие животные (см. рис. 111-10). В соответствии с
изменениями в биологии птерозавры пользовались преимущественно зрением, а не
обонянием. Следствием такой специализации стало относительное увеличение размеров
зрительных центров среднего мозга и снижение роли обоняния. Полёт птерозавров
был явно эффективен только при небольшом размере животных. Однако в
исключительных случаях они достигали довольно крупных размеров. Известны находки,
говорящие о существовании 10-килограммовых летающих ящерах с 8-метровым
размахом крыльев (Pteranodon). Самое крупное летающее позвоночное также
принадлежит к птерозаврам. Кальцекоатль (Ouetzalcoatlus) имел массу тела более 80
кг и размах крыльев 12 м. Активный полёт животного таких размеров требовал
высокого совершенства в управлении крыльями и телом. Остаётся только
догадываться, каких относительных размеров достигали сенсомоторные центры мозга
этих гигантских птерозавров. Такая крайняя специализация не позволила
птерозаврам пережить закат эпохи рептилий.
Аналогичные события произошли и с рептилиями, вернувшимися в воду. Их мозг
был специализирован по зрительному типу, как и у птерозавров. Из небольших
хищников они за короткое время превратились в гигантских морских рептилий
(см. рис. III-10). Став гигантами, они достигли высокой специализации,
которая оказалась столь же губительной для дальнейшей эволюции, как и размеры
наземных архозавров. Наземным рептилиям повезло несколько больше. Среди них
оказались не только гиганты, но и мелкие формы. Архаичные рептилии небольших
размеров оказались пигмеями среди гигантов мезозоя. Однако у них сохранилось
одно преимущество их предков — отсутствие выраженной специализации. Эта
группа стала источником эволюционных экспериментов, приведших к появлению птиц и
млекопитающих.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ МОЗГА ПТИЦ
Птицы представляют собой обособленный класс теплокровных, двуногих и обычно
летающих амниот. Они покрыты специализированными роговыми придатками —
перьями. Современные птицы лишены зубов, но обладают удлинёнными челюстями,
которые образуют клюв. Наземное передвижение обеспечивают парные задние
конечности . Передние конечности видоизменены в крылья, приспособленные для полёта.
Большинство птиц способны летать. Они могут находиться в воздухе очень долго
и перелетать на большие расстояния. Сезонные миграции могут составлять
несколько тысяч километров. В стабильном климате многие птицы не мигрируют или
перемещаются на небольшие расстояния.
Летают не все птицы. Пингвины, киви и страусы не обладали этой способностью
или утратили её вторично. Птицы — яйцекладущие животные. Все птицы
откладывают яйца, но не все их насиживают и заботятся о птенцах. Для нормального
развития зародышей необходима контролируемая температура окружающей среды. Это
достигается насиживанием яиц, устройством защищенных гнёзд или созданием
специальных конструкций, где температура поддерживается за счёт химических
реакций распада. Поведение птиц крайне сложно и разнообразно, как и их внешний
вид (рис. III-11). У птиц в разных пропорциях встречается инстинктивное и
ассоциативное поведение и сохраняется способность к обучению на протяжении всей
жизни. Многие птицы обладают хорошей памятью и могут осуществлять несложную
инструментальную деятельность. Они легко обучаются решать простые задачи и
подражать человеческому голосу. «Слова», произносимые птицами, являются
эмоциональным символом ситуационного настроения, в котором они их запомнили, а
не результатом рассудочной деятельности.
Рис. III-11. Разнообразие птиц.
В отличие от всех рассмотренных выше групп животных, птицы любят играть
друг с другом или с различными предметами. Они первые среди животных смогли
заниматься деятельностью, не приносящей непосредственной биологической
выгоды. Мозг птиц обеспечивает возможность предвидения событий. Они рассчитывают
своё поведение на несколько шагов вперёд, что уже характерно для высших
млекопитающих и человека. Это сходство сложного поведения с поведением
млекопитающих свойственно относительно небольшой группе попугаев, врановых, хищных и
некоторых других видов. Поведение большинства птиц контролируется
преимущественно врождёнными инстинктами, хотя они могут адаптировать инстинктивные
формы поведения к изменяющейся ситуации окружающей среды.
§ 41. Биологическое
разнообразие птиц
Разнообразие птиц необычайно велико (см. рис. III-11). Современные птицы
достигают массы 165 кг (африканский страус). Существуют и необычайно мелкие
виды, едва достигающие нескольких граммов (колибри). Палеонтологическая
летопись показывает, что среди птиц встречались настоящие гиганты. Найденные на
Мадагаскаре элементы скелета эпиорниса (Aepyornis), или слоновой птицы,
позволяют сделать вывод, что при высоте около 3 м он достигал массы 600 кг.
Самая крупная летающая птица обитала на территории нынешней Аргентины в позднем
миоцене. Это был хищный аргентавис (Argentavis magnificens) массой около 70
кг и размахом крыльев 7 м. Диапазон размеров птиц впечатляет несколько менее,
чем размеры млекопитающих и рептилий. Разница в 300 000 раз по массе среди
вымерших и современных, летающих и нелетающих форм очень велика. Среди птиц,
способных к полёту, разница по массе тела в 35 000 раз также убеждает в
большом биологическом успехе этой группы. Эти летающие теплокровные позвоночные
заняли доминирующее положение в воздухе, лесах, степях и на поверхности
океана .
В настоящее время класс птиц (Aves) разделяют на два подкласса:
Arhaeornithes и Neonites. В последнем подклассе принято выделять три надотря-
да, в которые входят все современные птицы: Odontognathae, Palaeognathae,
Neognathae. Чаще используется несколько иная систематика, в которой класс
птиц делят на надотряд пингвинов (Impennes) и новонёбных, или типичных птиц
(Neognathae). Это огромная группа, в которой 39 отрядов объединяют около 9000
видов птиц.
Среди птиц выделяются бескрылые нелетающие формы. Их крылья практически не
развиты или не приспособлены для полёта. Современные наземные нелетающие
птицы включают в себя африканских страусов, нанду, казуаров и киви. Их обычно
называют бескилевыми птицами (Ratitae). Если их объединяют с разнообразными
исчезнувшими видами, то всю группу обычно называют палеогнатами
(Palaeognathae). Нелетающие наземные птицы имеют множество признаков,
указывающих на то, что они обладали способностью к полёту. В раннемеловой период
палеогнаты ещё имели развитую грудину с килем и явно умели летать. Однако в
условиях изоляции и при отсутствии хищников способности к полёту у крупных
птиц быстро утрачивались, что приводило к появлению таких гигантов, как
эпиорнис, моа или михиранги. Неспособны к полёту пингвины и пингвиноподобные
птицы, вымершие в северном полушарии. Короткие крылья пингвинов
специализированы для плавания, но непригодны для полёта. Нельзя исключить, что пингвины
никогда не были летающими птицами. На это указывает строение их перьев,
видоизменённых крыльев и нижних конечностей.
§ 42. Морфологические
особенности строения птиц
Биологическое разнообразие, использование различных типов питания и
освоение всех мало-мальски пригодных для жизни территорий выглядят как большой
эволюционный успех птиц. Парадоксально, что эти преимущества были достигнуты
птицами при крайне ограниченных возможностях однотипной и специализированной
морфо-фукциональной организации.
Специализация птиц видна при самом поверхностном взгляде. У птиц тонкая
подвижная шея, компактное обтекаемое тело, крылья и удлинённые парасагитталь-
ные задние конечности. Покровы птиц представлены тонким эпидермисом, который
утолщается только на задних конечностях. Кожа практически лишена желёз,
поэтому эпидермис постоянно слущивается. Однако у куриных есть небольшая саль-
ная железа у наружного слухового прохода и у большинства птиц — крупная над-
хвостовая железа. Она представляет собой комплекс трубчатых желёз,
открывающихся в парную или непарную полость. Птицы выдавливают клювом из полости
секрет желёз и растирают его по поверхности перьев. Надхвостовая железа и
смазывание перьев особенно развиты у водоплавающих птиц. Это позволяет им
предохранять оперение от намокания. Надхвостовой железы нет у страусов, дроф и
некоторых других птиц. Такая кожа весьма уязвима и без роговых перьев
существование птиц было бы невозможно. Пуховые и контурные перья расположены
зонально, но покрывают всю поверхность тела птицы. Они выполняют защитные,
терморегуляционные, маскировочные функции и являются одним из основных
приспособлений для полёта.
Способностью птиц летать обычно объясняют почти все особенности их
морфологического строения. В первую очередь привлекает внимание облегчённость
скелета . Значительная часть костей птиц срастается, образуя непрерывные и
однородные элементы. Этим достигаются максимальная компактность и конструкционная
жёсткость скелета птиц. Практически все кости могут содержать полости, через
некоторые из них проходят специальные воздушные мешки. Пневматичность костей
птиц очень широко распространена, но киви (Apteryx owenii) не имеет полых
костей, но обладает воздушными мешками, характерными для всех птиц.
Однако похожие по морфологии зачатки воздушных мешков встречаются у
рептилий . Они наиболее развиты у хамелеонов. Воздух проникает в воздушные мешки
через довольно длинную трахею и парные бронхи. Ветви бронхов, проходя через
небольшие легкие, дают множество ветвей и оканчиваются в воздушных мешках.
Мешки различаются по расположению и форме у представителей разных видов птиц.
Чаще всего они расположены парами на шее, в грудной и брюшной областях.
Прилежащие к костям мешки проникают в полости, не занятые костным мозгом, через
специальные отверстия. У пеликанов воздушные мешки проходят под основание
дермы и окружают основания перьев. Дыхание птиц за счёт мешков организовано
таким образом, что обогащенный кислородом воздух проходит через легкие, как
на вдохе, так и на выдохе.
Строение пищеварительной системы отражает тип питания птиц, но имеет явные
признаки адаптации к полёту. Ротовая полость переходит в глотку, а затем в
пищевод. У птиц нет зубов, хотя у вымершего археоптерикса (Archaeopteryx),
ихтиорниса (Ichthyornis) и гесперорниса (Hesperornis) мелкие зубы
располагались на верхней и нижней челюсти. Несколько позднее существовали крупные
рыбоядные птицы с ложными зубами (Pseudodontornis), которые представляли собой
ряды костных выступов и служили для эффективного удержания добычи. У
современных птиц закладки зубов не возникают даже в эмбриональный период.
Для добывания пищи птицы часто используют язык, покрытый жёсткими щетинками
и сосочками. У попугаев он крупный и мягкий, а у страусов и пеликанов
рудиментарный. Пищевод обычно имеет простое расширение или значительный боковой
выступ — зоб. Проглатывание крупных фрагментов пищи требует обильной смазки
пищевода. Чаще всего смачивание пищи происходит при помощи нижнечелюстных,
угловых и нёбных слюнных желёз. Пройдя пищевод, пища попадает в железистый,
затем — в мышечный желудок. У хищных птиц сильнее развита первая, а у
растительноядных — вторая часть желудка. У рыбоядных и многих хищных птиц
пищеварительные ферменты настолько активны, что могут растворять кости жертв. В
мускульном желудке птиц находится несколько групп мышечных волокон, покрытых
защитным железистым слоем. В этом участке пищеварительной системы птиц часто
присутствуют песок и мелкие камешки, служащие для перетирания пищи. Тонкая
кишка птиц короче, чем у млекопитающих, но имеет слепые кишки. Они впадают в
тонкую кишку птиц в зоне перехода тонкой кишки в толстую. Слепые кишки у
некоторых видов могут отсутствовать, но обычно их две или одна. Дополнительные
слепые кишки свидетельствуют об определённом типе питания.
У большинства позвоночных, особенно растительноядных, пища подвергается
ферментативной обработке в желудке. У птиц ферментация пищи проходит не в
желудке, а в тонкой кишке и дополнительных слепых кишках. Толстая кишка
короткая и переходит в объёмистую клоаку, с которой связаны парные мочеточники.
Они открываются на спинной стороне клоаки и выделяют концентрированную
мочевую кислоту. Важным приспособлением к активному полёту считается отсутствие у
птиц мочевого пузыря. Надо отметить, что мочевой пузырь развит у большинства
рептилий, а у черепах он даже содержит жидкую мочу.
Кровеносная система птиц также обладает рядом особенностей, связанных с
полётом. Сердце птиц расположено довольно далеко от головы, как и у рептилий.
Если у рептилий правый и левый желудочки соединяются между собой, то обе
половины сердца птиц полностью разобщены. Однако в обоих классах есть и
исключения. У крокодилов перегородка желудочка полная, а у хорошо плавающих и
ныряющих птиц есть овальное отверстие в перегородке предсердий. Следует
отметить оригинальное артериальное кровоснабжение головного мозга птиц. У
большинства птиц от аорты отходят два артериальных ствола. Один ствол является
подключичной артерией, которая снабжает кровью крыло птицы. Второй
артериальный ствол является сонной артерией, кровоснабжающей голову и шею. Очень часто
сонная артерия у птиц непарная. Одна или две сонные артерии обычно
расположены в углублении или специальном канале на вентральной (брюшной) поверхности
шейных позвонков. Это положение сонных артерий у неплавающих птиц может
заметно варьировать.
С кровеносной системой непосредственно связана лимфатическая система птиц.
Лимфатические сосуды есть и у амфибий и рептилий. У хвостатых амфибий
небольшие лимфатические «сердца» расположены между сегментами туловищной
мускулатуры. У черепах и крокодилов появляются расширения лимфоидных сосудов, но
крупные лимфатические цистерны или мешки возникают только у птиц. Для рептилий
самым совершенным способом перемещения лимфы является работа сердца. У
кайманов расширения лимфоидных стволов ассоциированы с сердцем. Сокращения сердца
Заставляют двигаться как кровь, так и лимфу. Птицы отчасти сохранили эту
систему перемещения лимфы. Более того, у казуаров и некоторых других птиц
обнаружено своеобразное лимфатическое сердце. Это мускульный мешок, расположенный
у основания хвоста.
Столь подробное описание морфологических особенностей строения продиктовано
уже упомянутой парадоксальной специализацией птиц. Скелет, покровы,
кровеносная, выделительная и дыхательная системы имеют столько специфических
особенностей, что их вполне хватило бы для гарантированного исчезновения любой
другой группы позвоночных. Исключение составляет нервная система птиц. Во всех
систематических группах птиц она построена удивительно однотипно.
Анатомически различия обычно сводятся к размерам головного мозга (рис. II1-12), а
видовые особенности выявляются только на цитоархитектоническом уровне. Она
столь же специализирована, как и другие органы, но обладает уникальным
архетипом строения, который оказался пригодным для всех форм адаптивного
поведения и сред обитания.
§ 43. Нервная система
и органы чувств птиц
Нервная система птиц состоит из центрального и периферического отделов.
Головной мозг птиц крупнее, чем у любых современных представителей рептилий. Он
заполняет полость черепа и имеет округлую форму при небольшой длине (см. рис.
III-12). Самый крупный отдел — передний мозг. Он состоит из двух полушарий с
гладкой поверхностью или слабо обозначенными продольными углублениями. Эти
углубления не являются истинными бороздами, а отражают границы слоев внут-
ренних ядер (рис. III-13, а, в) . Только у попугаев можно заметить небольшое
морфологическое обособление височной доли полушарий. Основной объём полушарий
занимают подкорковые ядра, кора имеет рудиментарное строение и занимает
небольшую часть верхней стенки мозга. Полушария переднего мозга простираются
назад до контакта с мозжечком. Следствием разрастания переднего мозга назад,
а мозжечка — вперёд является то, что промежуточного мозга снаружи совсем не
видно, хотя его можно определить по выросту зпифиза. Эпифиз у птиц развит
незначительно, а гипофиз достаточно крупный. Средний мозг сильно развит, но из-
за бокового расположения имеет нехарактерную внешнюю морфологию. Передние
выпячивания крыши среднего мозга сдвинуты латерально. Их часто называют
зрительными долями (Lobi optici). Мозжечок состоит из массивной средней части
(червя), пересекаемой обычно 9 извилинами, и двух небольших боковых долей,
которые гомологичны клочку мозжечка млекопитающих. Задний и продолговатый
мозг имеет два резких изгиба, обусловленных ориентацией и подвижностью головы
птиц.
Рис. III-12. Головной и спинной мозг птиц. Головной мозг птиц
обладает крайне стабильной анатомией. Он укорочен в рострокаудальном
направлении, а на его поверхности видны только парные полушария
переднего мозга, крупный мозжечок и передняя часть крыши среднего мозга.
Внешняя форма головного мозга практически не отличается даже у
отдалённых видов: а, в — хохлатый осоед (Pernis ptilorhynchus); б —
серый гусь (Anser anser); г — павлин (Pavo cristatus).
Гистологическое строение головного мозга птиц существенно отличается от
такового у других групп позвоночных. Уже у амфибий можно выявить старый и
древний стриатум, септум и в зачаточном виде базальные ядра переднего мозга. У
рептилий появляется новый стриатум, который становится доминирующей
структурой переднего мозга (см. рис. III-12; III-13, а). Важно подчеркнуть, что
новый стриатум возникает у птиц вопреки развитию зачаточного неокортекса
рептилий. Иначе говоря, у рептилий получили значительное развитие структуры стриа-
тума и септума переднего мозга. Они расположены в базальных частях переднего
мозга птиц и развиты намного лучше, чем у рептилий (см. рис. II1-13, а).
Однако рептилии приобрели и зачаточные корковые структуры переднего мозга,
которые сформировались в результате развития дополнительной (половой)
обонятельной системы. Эти структуры стали выполнять у рептилий функции нового ин-
тегративного мозгового центра на базе переднего мозга. Казалось бы,
дальнейшее развитие корковой системы переднего мозга гарантировало бы птицам
необходимые поведенческие преимущества. Тем не менее, этого не произошло. У птиц
корковые структуры, впервые появившиеся в переднем мозге рептилий, носят
откровенно рудиментарный характер.
Рис. III-13. Цитоархитектоника головного мозга птиц на примере
обыкновенной неясыти (Strix aluco). Буквы сечений на схеме мозга
соответствуют обозначениям гистологических срезов. Микрофотографии
гистологических срезов сделаны в соответствии с линиями, показанными на
цветной схеме мозга с латеральной поверхности. Оранжевый цвет —
передний мозг, красный — средний мозг, фиолетовый — мозжечок, синий —
задний и продолговатый мозг.
Эволюция корковых структур переднего мозга рептилий полностью остановилась
у птиц. Зачатки палео-, архи- и неокортекса практически не играют роли в
контроле поведения, поскольку обоняние у птиц развито намного меньше, чем у
рептилий. У большинства современных птиц нет развитого обоняния, а
вомероназальная система полового обоняния у них вообще отсутствует. По-видимому, в период
отделения предков птиц из общего рептилийного ствола обоняние перестало
играть для них какую-либо роль. Крупный передний мозг остался функционально не-
востребован и стал морфологическим субстратом для возникновения ассоциативных
центров. Зачаточные корковые структуры не могли играть существенной роли на
фоне «освободившихся» от своих функций огромных ядер стриатума и септума.
Невостребованная нейронная система этих структур надолго обеспечила мозг птиц
резервами памяти и возможностями развития сложного адаптивного поведения.
Следы кортикальных структур переднего мозга птиц расположены только в
дорсальной зоне полушария, а большую часть мозга занимают стриатум, септум и не-
остриатум. Функции ассоциативного центра в переднем мозге птиц выполняют
чрезвычайно развитые структуры стриатума (рис. III-14, а). Однако
историческое название «гиперстриатум» не отражает реального происхождения этого
центра птиц. Ранее считалось, что гиперстриатум возник из стриатума и является
его гомологом. Специальные исследования кинетики пролиферации и миграции ней-
робластов у птиц позволили установить, что гиперстриатум состоит из нейронов
различного происхождения.
Они по большей части мигрируют из латеральной (paleopallium) и новой коры
(neopallium). Особенностью развития стриатума стало формирование структур
ядерного типа, а не стратифицированных корковых образований. У птиц и
рептилий разрастание стриатума приводит к экспансии дорсального внутрижелудочково-
го бугорка, который практически полностью занимает полость латеральных
желудочков (см. рис. III-14, а) . Гиперстриатум птиц (рептилии имеют его
признаки) выполняет функции новой коры. Он представляет собой высший ассоциативный
центр, который определяет принятие решений и является основной зоной хранения
индивидуального опыта. Через стриатум осуществляются контроль за
двигательными функциями и связь с лимбической системой.
Спинной мозг птиц развит очень хорошо. Он образует большие утолщения в
плечевой и поясничной области, откуда отходят нервы передних и задних
конечностей (см. рис. III-12, а) . В поясничном утолщении верхняя стенка спинного
мозга расходится, и центральный канал расширяется в ромбовидный синус,
покрытый сверху только мозговыми оболочками. Спинномозговые нервы соединяются у
птиц корешками ещё в канале позвоночного столба и выходят между дугами или
через отверстия слившихся позвонков. В плечевом сплетении обычно участвуют 4
нерва, реже 3, а у страусов — только 1 нерв. Для управления задними
конечностями у птиц существует два сплетения: поясничное и седалищное, или
крестцовое . Поясничное сплетение обычно состоит из 3, но у страусов может включать и
5 нервов. Седалищное сплетение у всех птиц состоит из 4 крестцовых нервов.
Черепно-мозговые нервы у птиц представлены 12 парами, которые начинаются по
отдельности. Обонятельный нерв (I) идет от нижней поверхности обонятельной
доли, которая спереди и снизу примыкает к полушариям переднего мозга.
Зрительные нервы (II) после хиазмы плавно переходят в средний мозг, а блуждающий
нерв, как и у рептилий, идёт из черепа далеко назад, иннервируя сердце,
лёгкие, пищевод и желудок. В отличие от рептилий, добавочный нерв (XI)
представлен тонкой веточкой блуждающего нерва, а подъязычный (XII) нерв имеет
корешки , отходящие как от продолговатого, так и от спинного мозга.
Симпатическая нервная система птиц построена по общему для всех позвоночных
принципу. Однако у птиц в шейной части расположен большой симпатический нерв,
часто называемый пограничным стволом. Он лежит в канале, образованном двукор-
невыми началами поперечных отростков позвонков. Участок этого нерва прилежит
к сонным артериям, а далее кзади симпатический нерв находится в канале,
образуемом головками и бугорками рёбер, и только в поясничной области он лежит
свободно.
Неостриатуы ГиперстриАтум Гчперстрнатум
(промежуточный) (вентральным) (добавочный)
Рис. III-14. Строение полушария переднего мозга и зрительных долей
среднего мозга птиц на примере обыкновенной неясыти (Strix aluco, а)
и сизого голубя (Columba livia, б) . Микрофотографии соответствуют
линиям, показанным на цветной схеме мозга. Оранжевый цвет — передний
мозг, красный — средний мозг, фиолетовый — мозжечок, синий — задний
и продолговатый мозг.
По строению органов чувств птицы имеют несколько отличий от остальных
животных. Осязание многих птиц (кулики, утки) сосредоточено в челюстном
аппарате, где расположены специализированные механорецепторы (тельца Гранди и Херб-
ста) . Осязательные тельца расположены в коже у основания крупных перьев и
сконцентрированы в восковице, покрывающей основание клюва. Совы обладают
особыми осязательными перьями, расположенными вокруг клюва. У дятлов, дроздов,
попугаев и глухарей осязательные функции выполняет язык, весьма богатый
нервными окончаниями; в нём присутствуют преимущественно различные типы механоре-
цепторов, а не вкусовые сосочки. Птицы пользуются языком как органом
осязания. Вкусовые рецепторы у большинства птиц развиты плохо, поскольку птицы
обычно заглатывают пищу, не измельчая её в клюве.
Зрение птиц чрезвычайно острое. Глаз способен к аккомодации и обладает
рядом морфологических особенностей, позволяющих эффективно ориентироваться,
успешно охотиться и издалека определять качество пищи. В сетчатке глаза птиц
плотность фоторецепторов намного больше, чем у других позвоночных. В
центральной части глаза расположен наклонный гребень, где сосредоточены
светочувствительные клетки. Поскольку оптическая проекция растягивается на
наклонной плоскости гребня, птицы видят эту часть изображения увеличенной в 0,25-
1,2 раза. Дополнительным приспособлением, улучшающим цветовосприятие,
являются масляные капли в колбочках сетчатки. Они функционируют, как цветовые
фильтры, что позволяет различать больше оттенков в световом диапазоне
электромагнитных волн. Зрительная система птиц позволяет воспринимать объекты,
излучающие в ультрафиолетовом диапазоне, и поляризованный свет. Некоторые
перелётные птицы могут непосредственно воспринимать направление магнитных
полей, что позволяет им ориентироваться в любой точке на поверхности Земли.
У птиц отлично развит слух. Орган слуха состоит из внутреннего, среднего и
Зачатков наружного уха. Птицы воспринимают звуковые сигналы очень широкого
диапазона. В этом отношении они могут намного превосходить многих
млекопитающих, как по диапазону, так и по чувствительности к слабым звукам. У птиц
хорошо развит вестибулярный аппарат. Он состоит из полукружных каналов,
отвечающих за рецепцию, связанную с угловым ускорением, и гравитационного
рецептора (рецептора линейного ускорения). Все эти компоненты есть и у рептилий.
Однако у птиц появился совершенный мозговой центр анализа вестибулярных и
кинестетических сигналов — мозжечок.
§ 44. Условия
возникновения
мозга птиц
Если обратиться к морфологии птиц, то условия их специализации станут
довольно очевидны. Основным сенсорным органом архаичных птиц было зрение. Этмо-
идное осязание, прекрасно развитое у рептилий, возникло у современных птиц
уже вторично, а вкусовой рецепторный аппарат практически редуцирован. По
сравнению с рептилиями у птиц получили дальнейшее развитие вестибулярный
аппарат и слуховая система. Обонятельные луковицы, составляющие до 1/3 объёма
полушарий переднего мозга у рептилий, не превышают 1/40 у современных птиц.
Только немногие виды птиц (альбатрос, попугаи) способны хорошо анализировать
запахи и использовать их для навигации и оценки качества пищи. Обоняние явно
играло второстепенную роль у рептилийных предков птиц, а вомероназальная
система редуцировалась. Невостребованность вомероназальной системы говорит о
том, что даже половое обоняние утратило для этой группы значение. Однако
нельзя утверждать, что вомероназальная система у предков птиц вообще
отсутствовала. В дорсальной части полушарий переднего мозга находится небольшой
участок, содержащий все основные фрагменты архи-, палео- и неокортекса. Это
говорит о том, что предками птиц, безусловно, были довольно совершенные
архаичные рептилии. Они явно обладали всем набором признаков, характерных для
наиболее продвинутых представителей рептилий. По-видимому, выделение предков
птиц в обособленную специализированную группу произошло к середине триаса,
около 230 млн. лет назад.
Вполне вероятно, что летающие, планирующие и бегающие птицеподобные репти-
лии с перьями возникали в этот период неоднократно. На это указывают находки
археоптерикса (Archaeopteryx) и знанциорниса (Enantiornithes). Обе группы
явно специализированы и, скорее всего, возникли независимо друг от друга и от
предков настоящих птиц. Единственным кандидатом на роль потенциального предка
настоящих птиц может быть протоавис (Protoavis texensis), который уже
существовал в позднем триасе. Это значит, что все события, связанные с появлением
птиц, происходили в начале или середине триаса. Надо отметить, что протоавис
уже обладал достаточно крупным мозгом «птичьего типа» и имел особенности
строения скелета, свойственные современным птицам. Это указывает на его явную
специализацию, которая должна быть биологически обоснована.
Рассмотрим нейробиологические характеристики и условия возникновения мозга
настоящих птиц. Архаичные птицы не пользовались обонянием, вкусовым
анализатором и развитыми зтмоидными рецепторами рептилий. Слуховая система рептилий
была сохранена, но не получила на первом этапе эволюции птиц существенного
развития. Зато птицы приобрели феноменальное зрение, которое позволяло тонко
различать цвета и оттенки, воспринимать ультрафиолетовую автофлюоресценцию и
различать детали предмета примерно в 15 раз лучше читателя.
Параллельно происходило интенсивное развитие вестибулярного аппарата и
системы координации движений. Следствием интенсивного развития координационных
сенсомоторных центров стало появление крупного мозжечка птиц со
стратифицированной поверхностью и настоящими складками — бороздами и извилинами (см. рис.
III-12; III-13, б). Мозжечок птиц стал первой структурой головного мозга
позвоночных, которая имела кору и складчатое строение. Это произошло ещё до
появления коры переднего мозга млекопитающих. Появление развитого мозжечка птиц
таит в себе скрытое противоречие. Полёт в воздухе без такого мозжечка
невозможен, а вне трёхмерной среды мозжечок возникнуть не мог. Таким образом,
стратегическим приобретением мозга птиц стали две гипертрофированных
структуры: зрительный участок крыши среднего мозга и мозжечок. Один анализаторный
аппарат был направлен на то, чтобы увидеть добычу, а другой — на точную
координацию движений при её поимке.
Ещё одним неврологическим парадоксом является координация движения крыльев.
Она не могла возникнуть из планирующего полёта животных типа археоптерикса. К
движению передних конечностей в условиях активного полёта предъявляются
требования, совершенно необычные для наземных животных. Если бы активный полёт
возник из планирования и лазанья по деревьям, то должны были бы
сформироваться дополнительные сенсомоторные структуры в ретикулярной формации
заднего мозга. Возникла бы своеобразная «полётная» сенсомоторная надстройка
над системой управления четырьмя совершенными конечностями, приспособленными
для лазанья по деревьям. Аналогичные события при выходе амфибий на сушу
привели к появлению красного ядра, управляющего движениями конечностей. Однако у
птиц принципиально новые структуры не возникли.
Центральной нервной системе вполне хватило структур, доставшихся предкам
птиц от рептилий. На это указывает относительно небольшой размер заднего и
продолговатого мозга. Количественные перестройки заднего и продолговатого
мозга не затронули «рептилийных» принципов организации сенсомоторных отделов.
Единственным исключением стал уже упомянутый мозжечок, координирующий работу
всей сенсомоторной системы, а не только одних крыльев. Это говорит о том, что
развитие специализированной иннервации передних конечностей происходило
эволюционным, а не революционным путём. По-видимому, они долго были относительно
небольшими и использовались как вспомогательный, а не основной орган
движения. Продолжительная функциональная второстепенность передних конечностей
предков птиц освободила их неврологический субстрат для новой специализации.
Морфофункциональная невостребованность передних конечностей стала одним из
основных условий для создания системы управления движением в полёте. Это оз-
начает, что архаичные нелетающие птицы были двуногими зрительными хищниками,
которые ловили добычу клювом и почти не пользовались передними конечностями.
Если бы так продолжалось долго, передние конечности трансформировались бы во
что-то подобное лапам тиранозаврид или орнитисхии (Camptosaurus).
Следует допустить, что плавное изменение нервного аппарата передних
конечностей могло быть связано с их использованием для каких-то необычных функций.
Этими функциями не мог быть активный полёт или пассивное планирование. Вместе
с тем крылья не могли возникнуть и совершенствоваться, если на них сразу было
невозможно летать. Орган начинает морфологически изменяться, если он
постоянно используется в соответствии с одной из потенциальных функций. Невозможно
представить, что передние конечности архаичных рептилий эволюционировали в
крылья, которыми долго было невозможно активно пользоваться. Для планирования
легко приспосабливаются почти любые покровы и перепонки на теле амфибий,
рептилий и млекопитающих, что хорошо известно из сравнительной анатомии. Однако
ни у одного современного вида животных не возникли крылоподобные структуры
для планирования.
Иначе говоря, оснований для подтверждения развития крыльев из адаптации к
планирующему полёту относительно немного. Совершенно иная ситуация с перьевым
покровом. По-видимому, он неоднократно возникал в связи с активной
терморегуляцией организма. Причиной могли быть как слишком низкие, так и слишком
высокие температуры. Многочисленные находки нелетающих оперённых рептилий в Китае
подтверждают эту возможность. Однако развитое оперение, в котором маховые
перья были бы асимметричны и приспособлены для активного полёта, без серьёзных
причин возникнуть не могло.
Странность эволюции птиц состоит в том, что параллельно с формированием
«дополётных» крыльев и оперения совершенствовалось сложнейшее, но совершенно
ненужное для нелетающих животных дыхание. При этом птицы беспричинно
приобрели теплокровность, а кости их скелета стали лёгкими и полыми. Следует
предположить существование довольно необычных условий для появления странноватого
набора высокоспециализированных морфофункциональных свойств. Такие масштабные
перестройки организма предшественников птиц должны были иметь очень веские
причины. Наиболее важными причинами для любой эволюции позвоночных могут быть
пища и размножение. Биологическая привилегированность, связанная с избытком
пищи и возможностью бесконечно размножаться, является основным фактором,
стимулирующим морфологические изменения. Каким именно образом осуществлялся
отбор наиболее благоприятных признаков, не очень существенно. Намного важнее
причины, вынудившие ту или иную группу животных изменить тип питания,
поведения и размножения.
Наиболее действенной причиной смены поведенческих и экологических
пристрастий является обширный источник пищи. Самым вероятным источником пищи предков
птиц стала рыба, обитающая на мелководье. На это указывают редукция зубов,
удлинение этмоидного отдела и формирование клюва. Они явно ловили рыбу,
кальмаров или других животных в неглубоких прибрежных зонах, используя длинную
шею, удлинённые нижние конечности и хорошо развитый хвост, который выполнял
функции балансира (рис. III-15, а, б). Для питания такого типа необходимо
иметь развитое зрение и хорошую сенсомоторную координацию. При охоте в
прибрежных водах обоняние не имеет никакого значения. Если предки архаичных птиц
обитали по берегам водоёмов, то разлагающиеся остатки животных и растений
создавали сомнительный фон, как для половой, так и для коммуникационной хемо-
рецепции. Неудивительно, что обоняние предков птиц осталось невостребованным,
а передний мозг стал материальной базой для эволюции поведения. Предки птиц,
практически утратив обоняние, приобрели огромный нейронный ресурс, который
стал основой для становления памяти и ассоциативно-эмоционального поведения.
Развитие памяти требует только увеличения числа нейронов, участвующих в запо-
минании (см. § 15). Этот ресурс в переднем мозге птиц огромен (см. рис.
Hill) . Передний мозг был использован птицами для развития памяти и
ассоциативных центров. Однако у современных птиц развиты не только стриатум и септум.
На базе этих структур сформировался описанный выше неостриатум, который
отсутствует у рептилий (см. рис. III-14, а).
Рис. III-15. Реконструкция наиболее вероятных событий, приведших к
возникновению мозга современных птиц. Первичной причиной
специализированного развития мозга птиц стал переход рептилий, обитавших в
карбоновых лесных завалах, к охоте в прибрежных водах (а) . Основным
типом питания стала ловля добычи на мелководье, что привело к
хождению на двух задних конечностях (б) . Такой способ питания привёл к
редукции передних конечностей (в). Необходимость в передних
конечностях возникла при переходе к нырянию и плаванию, что позволило
освоить значительные пищевые ресурсы (г, е). При плавании и нырянии
произошли облегчение скелета, развитие дыхательных мешков и изменение
системы кровообращения мозга. Плавание и ныряние позволили птицам
достигнуть богатых пищей, но холодных вод. Следствием охоты в
холодных водах стали переход птиц к откладке яиц и становление
теплокровности . Способность к полёту возникла в несколько этапов. Передние
конечности первоначально складывались как вспомогательный орган для
ныряния в воде (е) . Затем они использовались как аэродинамическое
крыло при «беге по воде» до места кормёжки и обратно (д). Это
позволило птицам долго совершенствовать систему управления крыльями,
которая стала основой для планирования и активного полёта (ж, з).
Питание архаичных птиц рыбой подтверждается строением их челюстного
аппарата . Зубы древних предков птиц играли только функции фиксатора пищи в клюве.
Они были непригодны для разрывания или разжёвывания пищи, поэтому наиболее
вероятно, что небольшая добыча заглатывалась целиком. В такой ситуации не
надо было радикально перестраивать организм древних предков птиц, достаточно
увеличить количество слюнных желёз и повысить активность желудочного сока,
что и наблюдается у современных птиц. В этом случае пища прекрасно
смачивалась и ослизнялась перед попаданием в пищевод. Активность желудочного сока
даже современных видов птиц позволяет им без остатка переваривать мелких
животных целиком.
С переходом на ловлю рыбы пищеварительная система подверглась изменениям.
Дополнительные слепые кишки обеспечивали ферментацию глубоко заглоченной пищи
уже в кишечнике, а не в желудке. Это позволяло захватывать большое количество
пищи и удерживать её в зобе или кишечнике. С адаптацией к ловле рыбы связано
и изменение выделительной системы. Накопление мочи, которая утяжеляла птиц и
требовала дополнительных расходов на согревание тела, было непозволительной
роскошью. Произошла редукция мочевого пузыря, которая сохранилась и у
современных птиц.
Надо отметить, что бипедальность среди архаичных рептилий была тривиальным
событием и возникала в истории неоднократно. Двуногость птиц легко возникла
вследствие необходимости приподниматься над неглубокой водой при ловле рыбы.
Хождение в мелкой воде на задних конечностях и ловля добычи удлинёнными
челюстями снимали функциональную нагрузку с передних конечностей будущих птиц
(см. рис. III-15, б-г). Передние конечности надолго стали помехой, а их
неврологический субстрат оказался невостребованным. В этот период истории
будущие крылья, по-видимому, значительно уменьшились и стали поджиматься к телу
архаичных птиц. Можно предположить, что их основная функция сводилась к
дополнительной терморегуляции тела. Для мелководной охоты не нужен особо
развитый вестибулярный аппарат, хотя активная двуногость предъявляет повышенные
требования к этой системе анализа положения тела в пространстве. Рецепторы
линейного и углового ускорения совершенствовались одновременно с развитием
кинематики движения шеи и клюва. Наверное, в этот период истории птиц
произошла постепенная рудиментация хвоста. Для охоты в мелкой прибрежной воде
помехой становятся передние конечности, не говоря уже о хвосте, находящемся
над водой.
В этот период существования птиц ничто не обещало им радужного будущего.
Довольно небольшая группа бипедальных рептилий с очень специализированным
зрением, рудиментарным обонянием и привязанная к определённому пищевому
ресурсу была обречена на быстрое вымирание. Однако странноватые прибрежные
рыболовы не исчезли. Развитие памяти, способности обучаться и ассоциативные
возможности архаических птиц позволили им выжить и освоить новую среду
обитания. Эти животные сохранились благодаря тому, что специализировались ещё в
большей степени, чем можно было ожидать.
Вполне возможным этапом освоения водной среды стал переход предков птиц к
питанию на глубоководных участках билатерали (см. рис. III-15, е) . Основной
причиной, как обычно, стала пища. В более глубоких зонах океанов пищи было
значительно больше или она была доступнее. Предкам птиц потребовалось или
перейти к нырянию на глубину, или исчезнуть с лица земли. Вероятнее всего,
большая часть прибрежных рыболовов исчезла, а незначительная приспособилась к
плаванию и нырянию. Допустив такое развитие событий, мы получим эволюционно
перспективную ситуацию. Длинноногие и глазастые рептилии были вынуждены
перейти к нырянию за пищей, находящейся в воде. Такой переход можно было
совершить, начав использовать для плавания передние конечности, тем более что они
долго не участвовали в активном движении. Этот ресурс был задействован для
ныряния и непродолжительного плавания. Действительно, даже маленькие крыло-
подобные передние конечности пригодны для эффективного плавания. На них ещё
нельзя взлететь, но с ними можно отлично нырнуть за добычей. В настоящее
время огромное количество птиц способны как к полёту, так и к плаванию при
помощи крыльев. Пингвины южного полушария, по-видимому, отделились от основной
ветви птиц именно в этот момент. Они полностью перешли к плаванию и никогда
не летали.
Вода намного плотнее воздуха, но плавательные движения под водой мало
отличаются от полёта. Требования гидро- и аэродинамики к крыльям и перьевому
покрову птиц практически идентичны. В плотной водной среде нагрузка на грудную
мышцу предков птиц была очень велика, что стимулировало быстрое увеличение её
размеров. Параллельно развивалась и гидродинамика перьевого покрова. В
жёстких условиях водной среды асимметрия перьев крыла могла возникнуть намного
быстрее, чем воздухе. С нырянием предков птиц связано изменение в положении и
морфологической организации сонных артерий. Редукция сонных артерий
обусловлена тем, что при нырянии основное сопротивление воды приходится на голову и
шею животного. В этой ситуации сердце должно прокачивать кровь к голове,
преодолевая давление воды, движущейся навстречу. Длинная шея предков птиц
усложняла эту гидродинамическую задачу до предела. В результате произошли редукция
числа сонных артерий и их перемещение в углубление или специальный канал на
вентральной (брюшной) поверхности шейных позвонков. Вместе с ними изменил
своё положение и симпатический нерв.
Ныряние предков птиц стало стимулом для развития центральных механизмов
координации движений в трёхмерной среде. Сформировался огромный и сложный
мозжечок, появление которого может быть связано с интеграцией кинематики
движения всего тела в трёхмерной среде. В этих условиях остаток хвоста стал
довольно существенной гидродинамической помехой. Хвост не участвовал в
плавании , но создавал турбулентность, тормозящую движение, поэтому при дальнейшем
развитии ныряния и плавания исчез окончательно.
Плавание и ныряние предков птиц предъявляли дополнительные требования к
газообмену и массе тела. Появление полых костей привело к повышению плавучести
и уменьшению массы тела. Дыхательная система птиц уникальна, поскольку лёгкие
снабжаются не обеднённым кислородом воздуха, как на вдохе, так и на выдохе.
Такая система вполне могла возникнуть в результате адаптации к условиям
ныряния в водной среде. Запас воздуха ограничивал пребывание под водой, что и
привело к столь неординарному решению проблемы. Сформировались дополнительные
дыхательные мешки и специальная система циркуляции воздуха. Ныряние и
плавание у предков птиц постепенно создали сенсомоторную и метаболическую базу для
воздушного полёта.
Охота в воде позволяет пролить свет на происхождение теплокровности птиц.
На хорошо прогреваемом мелководье температура воды и воздуха была примерно
одинакова, и добыча рыбы не вызывала особых физиологических проблем. При
переходе к нырянию и плаванию архаичные предки птиц могли попасть в холодные
воды, где было гораздо больше пищи (см. рис. III-15) . Изобилие пищи в
холодных водах стало достаточно веским стимулом развития теплокровности, тем более
что холоднокровные предки птиц должны были предельно сокращать время
пребывания в холодной воде. Только значительный запас воздуха и интенсивная моторная
активность становились гарантией возвращения на тёплое мелководье.
Краткосрочные, но энергичные ныряния в холодную и богатую пищей воду стали причиной
развития мощной мускулатуры передних конечностей будущих птиц. Она не
нуждалась в долговременном энергетическом обеспечении. Птицеподобным существам
было достаточно непродолжительных, но мощных гребков крылоподобными передними
конечностями. Для таких усилий нет необходимости развивать мускулатуру на
основе красных мышечных волокон с большой концентрацией миоглобина,
связывающего кислород. Вполне достаточно простого увеличения количества традиционной
для рептилий мускулатуры, содержащей быстрые фазические гликолитические
волокна. Мощные гликолитические волокна грудины птиц имеют очень высокую
скорость сокращения, но быстро устают. Это происходит вследствие того, что АТФ
продуцируется за счёт гликолиза, а в мускулатуре возникает кислородная задол-
женность, которая медленно восполняется. Грудная гликолитическая мускулатура
сохранилась и у современных птиц. Надо отметить, что птицы, способные к
дальним перелётам, обзавелись и быстрыми фазическими окислительными волокнами,
которые могут долго сокращаться и используют окислительное фосфорилирование
для синтеза АТф.
Мускулатура передних конечностей, адаптированная к плаванию под водой,
стала отправной точкой для перехода к активному полёту. Причин для использования
крыльев, возникших как приспособление для эффективного плавания, было
несколько .
С одной стороны, продолжительное ныряние в холодной воде и возвращение
вплавь к удалённому берегу были энергетически слишком затратны. Достигнуть
места кормёжки можно намного экономичнее, если использовать мощные крылья в
воздухе. Если допустить, что примитивные маховые движения сочетались со
своеобразным «бегом по воде», то такой способ достижения кормовых зон выглядит
вполне вероятным. Современные водоплавающие птицы часто используют
интенсивные движения крыльями в сочетании с пробежками по воде. По-видимому, такой
«бег по воде» был фазой аэродинамической поддержки тела над водой при
переходе к полёту. С другой стороны, оперение, приспособленное для плавания, могло
быть с успехом использовано и в воздухе. Воздух намного менее плотная среда,
чем вода, поэтому динамическая нагрузка на перьевой покров в воздухе стала бы
намного меньше. Переход к «бегу по воде» закрепился в поведении архаичных
птиц вскоре после начала ныряния и плавания. Однако часть птиц продолжала
специализироваться на водном образе жизни и никогда не использовала «бег по
воде». Эти пингвиноподобные архаичные птицы были широко распространены в
позднем миоцене северного и южного полушария.
Надо отметить, что переход к активному полёту был относительным упрощением
силового плавания и ныряния в холодной воде при помощи крыловидных передних
конечностей. Такой вывод косвенно подтверждается более мощным развитием
мускулатуры «водных крыльев» у современных пингвинов, чем у летающих птиц.
Перейдя к «бегу по воде», птицы стали использовать в воздухе те же движения
крыльями, что и в воде. Кинематика движений в обеих средах очень похожа, что
значительно упрощало задачу. Однако потребовалось довольно много времени для
адаптации крыльев к движениям в менее плотной среде. «Бег по воде» стал
длительным биомеханическим этапом постепенного совершенствования
специализированной мускулатуры и неврологических механизмов управления полётом птиц.
Параллельно со становлением системы дыхания, кровообращения и мускулатуры
передних конечностей у архаичных птиц возникла и теплокровность. Основной
причиной её появления стала охотничья среда предков птиц. Значительное
преимущество получали те животные, которые могли максимально долго пребывать в
холодной воде (см. рис. III-15). Понятно, что теплокровность стала огромным
достижением для птиц. Пребывая в холодной воде дольше, чем их конкуренты, они
повышали вероятность добывания пищи и снижали общие энергетические затраты. С
нырянием и плаванием в холодной воде, по-видимому, связан и тотальный переход
предков птиц к откладке яиц. При этом способе размножения животные
избавлялись от необходимости согревать и носить с собой своих будущих потомков. Это
позволяло уменьшить массу тела животного, повысить плавучесть и снизить
энергетические затраты при плавании и нырянии. Насиживаемые или охраняемые кладки
яиц можно было увеличивать постепенно. Самки могли откладывать более крупные
яйца, что привело к увеличению размеров молодых животных.
Переход к плаванию и нырянию предопределил появление крыльев, развитых
грудных мышц, исчезновение хвоста и развитие хвостовых желёз птиц. Перья,
которые позволяли сохранять тепло при плавании и нырянии, нуждались в
специальной защите от намокания. В противном случае архаичным птицам приходилось
подолгу сушить своё оперение, как и некоторым современным птицам. Не исключено,
что хвостовая железа появилась в эволюции птиц довольно поздно. Однако высока
вероятность того, что это произошло одновременно с переходом к плаванию.
Следовательно, птицы возникли в несколько этапов. На первом этапе это были
небольшие оперённые рептилии, перешедшие к питанию рыбой на мелководье. В
связи с новым типом питания протоптицы стали двуногими, а передние конечности
долго оставались невостребованными. Обоняние было в значительной степени
утрачено, а зрение стало доминирующим дистантным анализатором. На втором этапе
переход к плаванию и нырянию привёл к развитию машущих передних конечностей и
мощных грудных мышц. Охота в холодных водах и продолжительное ныряние стали
стимулом для развития сложного дыхания, теплокровности и внеорганизменного
развития эмбрионов. Передний мозг, утратив функции обонятельного анализатора,
стал структурной базой для развития памяти, обучения и ассоциативного
мышления птиц. Сложные движения в трёхмерной среде стали причиной развития
мозжечка птиц как сенсомоторного центра координации движений. На третьем этапе
архаичные птицы перешли к «бегу по воде» при активной работе крыльев. Такой
способ быстрого перемещения над водой стал предтечей свободного полёта и
создал переходные условия для медленного становления неврологических систем
контроля полёта. Свободный полёт возник после увеличения размеров крыльев и
изменения геометрии маховых перьев.
§ 45. Адаптивная
радиация птиц
В довольно разнообразную группу современных птиц входят летающие и
нелетающие птицы. Считают, что перья, пневматичный скелет, воздушные мешки,
теплокровность и другие морфологические отличия птиц сформировались в связи с
адаптацией к активному полёту, поэтому бескилевые нелетающие птицы и пингвины
чаще всего рассматриваются как вторично специализированные группы.
Предполагается, что первоначально они были летающими, а затем утратили способность к
полёту после перехода к жизни в водной среде или на земле.
По-видимому, ситуация с появлением пингвинов и нелетающих птиц намного
более запутанная, чем представлялось ранее. Все современные птицы имеют нервную
систему чрезвычайно сходного строения. Это говорит о том, что предками птиц
была одна общая группа рептилий. Они были уже настолько неврологически
специализированы, что дальнейшие преобразования мозга становились модификацион-
ными. Достигнутого уровня адаптивной специализации нервной системы архаичных
птиц было достаточно для успешного освоения любой доступной среды обитания.
Опираясь на строение нервной системы, можно предположить следующее развитие
событий. Первоначальный архетип нервной системы птиц сформировался у
нелетающих рептилий при охоте на мелководье (рис. III-16, а-в). Это событие
произошло задолго до начала активного полёта. Крупный мозг, утративший обонятельные
функции и специализированный по зрительно-ассоциативному типу, стал базовой
структурой для появления вполне конкурентных, но не летающих животных. Вполне
возможно, что часть таких архаичных птиц вернулась к жизни на поверхности
земли. Они стали наземными насекомоядными или всеядными животными, которые
никогда не были способны летать. Такие реверсии в эволюции птиц происходили
неоднократно, но достоверно говорить о современных следах этих событий весьма
затруднительно. Скорее всего, единственным примером такого рода может стать
киви (Apteryx australis), который не имеет пневматичных костей, киля и
рулевых перьев. У киви на всю жизнь сохраняются первичные перья, которые
равномерно распределены по всему телу. Зато у этой птицы 4 пальца задних
конечностей и хорошо развитое обоняние, которым она пользуется для поиска пищи.
Следовательно , предки киви могли никогда не летать, а стали реверсивной группой
в период прибрежной специализации архаичных птиц (см. рис. III-16, г).
Рис. III-16. Происхождение основных групп современных птиц. Репти-
лийные четвероногие предки птиц из карбоновых завалов перешли к
охоте на обитателей водной среды на мелководьях (а). Это привело к дву-
ногости (б) , утрате обоняния, рудиментации передних конечностей,
развитию зрения и отказу от живорождения (в). Дальнейшая
специализация привела к появлению ныряющих форм, которые утратили хвост,
сформировали специфический перьевой покров, лёгочные мешки и
теплокровность (д). Часть архаичных птиц сохранила эти свойства и никогда не
использовала крыльев для полёта. Современные пингвины являются
видоизменённым следом этих событий (е) . Другим вариантом эволюции птиц
стал возврат к наземному образу жизни (реверсия) во время периода
нелетающих мелководных охотников (в, г) . Эти бегающие птицы были не
способны к полёту, но смогли успешно адаптировать новые качества
нервной системы для конкуренции с наземными видами. Киви, страусы и
казуары могли возникнуть именно таким путём. На это указывает
примитивное строение перьев, отсутствие широкой пневматизации скелета и
киля. Только небольшая часть архаичных птиц сохранила
универсальность . Они охотились на мелководьях, плавали, ныряли и использовали
бег по воде для достижения мест кормёжки. Эта группа постепенно
перешла к бегу-планированию, а затем и к активному полёту (в, ж-л).
Нельзя полностью исключить подобный вариант эволюции для некоторых
казуаров, нанду и страусов. Страусы (Struthioniformes) с двупалыми задними
конечностями, примитивным строением перьев и закрытым тазом являются вполне
возможными кандидатами для дополётной реверсии от предковой линии птиц. Однако
строение их мозга свидетельствует о том, что это произошло явно позднее, чем
отделение предковой линии киви. Страусы сохранили намного меньше следов реп-
тилийной обонятельной системы и почти ей не пользуются, поэтому равновероятен
как реверсивный выход на сушу в дополётный период (см. рис. III-16, г) , так и
вторичная специализация после перехода к «бегу по воде» или полёту (см. рис.
III-16, в, ж, з).
Пингвины, по-видимому, возникли после перехода архаичных птиц к активному
использованию передних конечностей для плавания и ныряния (см. рис. II1-16,
д, е). На это указывают развитая грудина и грудные мышцы. Их развитие у
пингвинов даже несколько больше, чем у летающих птиц. Это косвенно подтверждает
предположение о том, что переход к плаванию и нырянию мог предшествовать
активному полёту. Однако современные пингвины являются крайне
специализированной группой. Их подключичные мышцы, поднимающие крыло, развиты больше,
чем мускул, опускающий крыло, тогда как у летающих птиц соотношение обратное.
Архаичные пингвины, судя по всему, никогда не были летающими. Они сохранили
практически все особенности строения нервной системы птиц «дополётной» эпохи.
Интересно отметить, что ни анатомическое строение, ни цитоархитектоническая
организация неостриарных центров мозга пингвинов практически не отличается от
других птиц. Этим подтверждается предположение о сформированном мозга к
моменту начала плавания и ныряния. В отличие от мозга цевка пингвинов носит
следы примитивной организации и состоит из трёх раздельных плюсневых костей.
Кости пингвинов не пневматичные, как и у киви. Оперение пингвинов состоит из
небольших перьев, имеющих преимущественно широкий осевой ствол. Перья
пингвинов и киви равномерно распределены по телу и не имеют выраженных зон, как у
настоящих птиц. Они плотно покрывают тело пингвинов и сменяются
сформированными новыми перьями, которые выдавливают своих предшественников.
Киви и пингвины представляют собой два варианта эволюции никогда не
летавших птиц. Предки современных представителей отряда Apterygiformes
возвратились к обитанию на земле в момент развития полноценной бипедальности и
редукции передних конечностей. Пингвины сформировались несколько позднее, после
перехода к активному плаванию и нырянию в холодной воде. По-видимому, именно
этим можно объяснить преимущественно антарктические ареалы обитания
пингвинов .
Эволюция настоящих птиц продолжилась довольно длительно. «Бег по воде» и
последовавший за ним активный полёт формировались постепенно (см. рис. III-
16, ж-л) . Многие птицы сохранили способность активно пользоваться крыльями,
как в полёте, так и при нырянии. Некоторые из водоплавающих птиц стали
применять для движения в воде не крылья, а перепончатые задние лапы. Примером
могут быть гагары и поганки (Gaviae, Podicipedes), отличные пловцы, которые
могут находиться под водой до 2-3 мин. Они пользуются для плавания только
Задними конечностями, а крылья прижимают к телу. Их крылья относительно
небольшие, что вынуждает делать очень длинный разбег по воде.
Завершая раздел, посвященный происхождению мозга птиц, следует отметить,
что их нервная система удивительно однообразна по морфологическому строению.
До птиц не существовало группы позвоночных со столь универсальным мозгом.
Можно сказать, что птицы являются мононеврологической группой, идеально
адаптированной к разнообразным условиям большей части планеты.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ МОЗГА
МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Основные признаки млекопитающих (Vertebrata) — волосяной покров, молочные
железы и теплокровность (рис. III-17). По меньшей мере, два из этих признаков
должны присутствовать у каждого представителя группы. У китов, моржей,
броненосцев , голых землекопов и некоторых других млекопитающих волосяной покров
развит незначительно или отсутствует. Основным отличием млекопитающих считают
специальные железы, молоком которых самки выкармливают детёнышей.
Млекопитающие имеют также сальные и потовые железы кожи. Эти железы ассоциированы с
волосяным покровом и выполняют защитные, коммуникационные и репродуктивные
функции. Молочные железы являются эволюционными производными
специализированных кожных желёз. Только у млекопитающих есть зрелые эритроциты
(красные клетки крови), лишённые ядра. У всех остальных анамний и амниот
клетки крови имеют ядра. Столь же глубокие отличия млекопитающих связаны и с
головным мозгом. В переднем мозге формируется шестислойная кора, а мозжечок
состоит из червя и парных полушарий, которые имеют все млекопитающие (рис.
III-18-III-20). Подобных образований головного мозга у других амниот нет.
Рис. III-17. Разнообразие современных млекопитающих. Современные
млекопитающие освоили практически все среды обитания и представляют
бесконечное разнообразие форм биологических адаптации, в основе
которых лежит развитие сложного ассоциативного мозга.
§ 46. Обзор
классификации
млекопитающих
Класс современных млекопитающих разделяют на два подкласса: первозвери
(Prototheria) и настоящие звери (Theria). К первозверям относят однопроходных
млекопитающих (Monotremata), которые могут откладывать яйца, но выкармливают
детёнышей молоком и имеют своеобразный волосяной покров. Настоящие звери
объединяют две обширные группы низших зверей (Metatheria) и высших зверей
(Eutheria). Низшие звери представляют собой сумчатых млекопитающих
американского и австралийского происхождения, а к высшим зверям относят всех
остальных млекопитающих, объединённых в 18 обширных и часто искусственных
отрядов (см. рис. III-17). Основным отличием низших зверей от высших является
морфофункциональный тип организации внутриматочного питания эмбрионов и
плодов. Низшие звери рождают очень небольших детёнышей, которые скорее
напоминают эмбрионов. Их дальнейшее развитие проходит в специальной сумке, куда
открываются молочные железы. Высшие млекопитающие рождают, как правило, крупных
и более сформированных детёнышей. Развитие эмбрионов и плодов высших
млекопитающих обеспечивается специальным приспособлением — плацентой. Она имеет
смешанное строение и состоит из материнской децидуальной выстилки матки и
специализированного участка оболочек плода. У высших млекопитающих плаценту
называют аллантоисной и инвазивной. В состав её стенки входят (снаружи внутрь)
эктодермальный трофобласт, не образующая сосудов соматическая мезодерма,
образующая сосуды мезодерма и знтодермальный слой клеток. Вне плаценты у высших
млекопитающих оболочку плода составляют эктодермальный трофобласт и
мезодерма , не образующая сосудов. Через внеплацентарные оболочки обычно могут
проникать электролиты и вода. Основной обмен осуществляется только через плаценту.
Между разветвлениями капилляров плодной части плаценты выбрасывается
материнская кровь. Затем происходит обмен кислорода и продуктов метаболизма.
Обогащенная кровь плода оттекает к зародышу, а материнская возвращается в
родительский организм.
У низших зверей встречается настоящая инвазивная плацента (бандикут), но в
большинстве случаев она неинвазивная, не образует капиллярной сети со стороны
плода и играет скромную роль в обеспечении плода кислородом и метаболитами. У
низших зверей плацента желточная и бывает трёх типов. Если она состоит из
трофобласта, мезодермы двух типов и стенки желточного мешка, то может
образовывать капиллярную сеть или обходиться без неё. Если желточная плацента
состоит только из трофобласта и стенки желточного мешка, она не имеет
сосудистой системы. Обмен кислорода и метаболитов происходит через обширную стенку
желточной плаценты, которая может сочетаться с инвазивной (бандикут) и неин-
вазивной аллантоисной плацентой (коала). Однако в большинстве случаев аллан-
тоисная плацента вообще отсутствует (опоссум). Желточная плацента позволяет
путём диффузии выращивать относительно небольшие зародыши внутри матки. Дора-
щивание происходит в сумке матери. У высших млекопитающих аллантоисная
плацента снимает ограничение на размер зародыша. Он зависит только от морфологии
или размера тазовых костей самки.
Среди малочисленной группы однопроходных млекопитающих наиболее интересен
утконос (Ornithorhynchus anatinus). Он имеет кожистый клюв, перепончатые лапы
и температуру тела около 25°С. Самка утконоса откладывает в норах небольшие
кожистые яйца диаметром около 15 мм, которые нужно согревать в течение 7-11
дней. Вылупившиеся детёныши питаются молоком, стекающим из простых молочных
желёз по волоскам на брюхе матери. Ехидны (Tachyglossidae) также откладывают
яйца, которые вынашивают в примитивной сумке. Их детёныши питаются молоком,
стекающим по волоскам из примитивных молочных желёз, как и у утконоса. Ехидны
имеют нестабильную температуру тела, около 30°С. Кратковременная спячка
позволяет ехиднам и утконосам переживать неблагоприятные периоды. При всех
особенностях морфологического строения и древней биологии размножения
однопроходные обладают весьма совершенной нервной системой.
Рис. II1-18. Головной и спинной мозг современных млекопитающих:
а — вскрытый головной мозг обезьяны с двумя утолщениями спинного
мозга со спинной стороны; б — крот (Talpa еигораеа) с
отпрепарированным мозгом; в — макака-резус (Масаса mulatta) с видом на
мозг с латеральной поверхности; г — сагиттальный разрез головы
свиньи (Sus scrota).
Головной мозг утконоса весит около 16 г, парные полушария переднего мозга
полностью скрывают средний мозг и часть мозжечка. Полушария переднего мозга
не имеют извилин (лиссзнцефальны), но мозжечок развит, как и у высших
млекопитающих. Утконос способен к электрорецепции и обладает рядом сложных
соматических рецепторов, не встречающихся у других млекопитающих. Ответы
электрорецепторов клюва утконоса были обнаружены при изменении напряжённости
электрического поля. Утконос воспринимает не только напряжённость, но и частотные
характеристики электромагнитного поля. Электромагнитная чувствительность и
адаптированная сенсомоторная система позволяют утконосу находить пищу в
мутной воде. Мозг утконоса представляет собой настолько глубоко
специализированную конструкцию, что не может рассматриваться в качестве примера архаичной
или примитивной организации.
Рис. 111-19. Головной мозг современных млекопитающих: а — ёж
(Erinaceus europaeus); б — кролик (Oryctolagus cuniculus); в —
домашняя корова; г — афалина (Tursiops truncatus). Головной мозг
кролика и ежа лиссэнцефальный, полушария переднего мозга коровы и
дельфина содержат большое количество борозд и извилин.
У ехидны мозг не только крупного размера, но и с развитыми бороздами и
извилинами на поверхности неокортекса (рис. III-21, а) . Иначе говоря, у
яйцекладущих млекопитающих развитый, совершенный мозг со сложноорганизованным не-
окортексом. Судя по его строению, эта группа является скромным биологическим
следом древней и обширной ветви яйцекладущих млекопитающих. Мозг ехидн сходен
по строению с мозгом крупных кенгуру или широконосых обезьян, но не с мозгом
насекомоядных или грызунов. Однопроходные настолько специализированны, что
архаичных следов нервной системы у них намного меньше, чем у Eutheria.
Единственным принципиальным отличием мозга однопроходных и сумчатых является
отсутствие мозолистого тела, которое является крупной межполушарной комиссурой
(см. рис. III-21, г, д). Поэтому не приходится надеяться, что морфологическое
строение современных однопроходных сможет оказать действенную помощь в
восстановлении истории происхождения нервной системы млекопитающих.
Нео*орте*с
Четнеро*ол*»»е среднего
Рис. 111-20. Гистологические срезы через среднюю часть полушарий
лиссэнцефального (а, б) и гирифицированного (б) переднего мозга:
а — крыса (Rattus norvegicus); б — бобр (Castor fiber); в —
медведь (Ursus arctos).
Среди первозверей обширную группу составляют американские и австралийские
сумчатые (Marsupialia). Сложная биология их размножения связана с ранним
рождением детёнышей и их длительным доращиванием в специальной сумке матери.
Детёныши присасываются в сумке к молочным железам и быстро растут. Размеры и
формы современных сумчатых очень различны. Наиболее крупные экземпляры серого
кенгуру достигают длины 3 м и массы 80 кг, а сумчатые мыши могут быть меньше
10 см и массой 50-90 г. Среди сумчатых большую группу составляют
передвигающиеся на задних конечностях кенгуру (Macropodidae). У крупных кенгуру
(Macropus, Megaleia) прыжки достигают 10 м, а скорость движения около 40
км/ч. Прыгая на задних конечностях, кенгуру используют хвост как балансир,
что требует хорошей координации движений и контроля за центром тяжести тела.
Этим задачам соответствуют развитый мозжечок и неокортекс. У большинства
мелких сумчатых лиссэнцефальный (лишённый борозд и извилин) передний мозг.
Хищные сумчатые (Dasyuridae), австралийские бандикуты (Peramelidae) и сумчатые
медведи (Phascolarctidae) имеют развитую гирификацию или одиночные извилины.
Рис. III-21. Внешний вид и разрезы головного мозга однопроходных,
трубкозубов, беличьих и приматов: а, г — проехидна (Zaglossus); б —
трубкозуб (Orycteropus afer); в — белка (Sciurus vulgaris); д —
макака-резус (Масаса mulatta). У однопроходных может быть гирифициро-
ванный неокортекс, но отсутствует мозолистое тело, соединяющее меж-
полушарными волокнами неокортекс переднего мозга. У плацентарных
могут отсутствовать извилины, но мозолистое тело развито очень хорошо.
Насекомоядные (Insectivora) представляют собой наиболее примитивную в
неврологическом отношении группу высших зверей. Строение их головного мозга
сохранило множество архаических черт. Он лиссзнцефален, имеет небольшой
неокортекс и развитые обонятельные центры (см. рис. III-18; III-19). Биология
размножения насекомоядных традиционна и достаточно прогрессивна для
млекопитающих. Она включает не только выкармливание детёнышей молоком, но и довольно
продолжительную заботу о потомстве. По-видимому, насекомоядные
специализировались на заре эволюции млекопитающих, что позволило им сохранить некоторые
признаки наиболее древних черт морфологического строения. Надо подчеркнуть,
что ежи (Erinaceidae), гимнуровые (Echinosoricidae), тенрековые (Tenrecidae)
и кротовые (Talpidae) намного примитивнее в неврологическом отношении, чем
современные сумчатые. Это делает их привлекательными объектами для
эволюционной неврологии. Представители этой группы наиболее близки к архетипу строения
мозга древнейших млекопитающих.
Среди всего разнообразия млекопитающих, кроме насекомоядных, следует
выделить грызунов и зайцеобразных, которые могут пролить свет на историю
прогрессивного развития сложной архитектуры переднего мозга (см. рис. III-18; III-
19; II1-21). Вместе с тем ни в одной группе животных до млекопитающих мозг не
достигал таких гигантских размеров, как у приматов, хоботных и китообразных
(см. рис. III-19, г; II1-22, б). Ни в одной группе позвоночных не было столь
избыточного неврологического субстрата для развития памяти, индивидуального
научения и ассоциативного мышления. В головном мозге высших млекопитающих
сложились совершенно новые принципы иерархической обработки информации в
распределённых системах, которые стали основой для мышления. Мозг высших
млекопитающих отличается межполушарной системой связей — мозолистым телом. Это
образование состоит из отростков нейронов, расположенных в одном полушарии и
передающих информацию в другое. Обычно это нейроны, принадлежащие к одной
сенсорной или моторной системе. С их помощью происходит сравнение сигналов,
приходящих в правое и левое полушарие. Учитывая размер мозолистого тела,
можно сказать, что это одно из принципиальных эволюционных приобретений высших
зверей.
Сложность поведения млекопитающих не нуждается в подробном иллюстрировании.
Тем не менее, надо ясно представлять себе реальную ситуацию с
интеллектуальными возможностями большей части представителей этой группы. Говоря о
поведении млекопитающих, обычно подразумевают приматов, китообразных, наземных
хищников или адаптированных домашних животных. Интеллектуальные возможности этих
животных, безусловно, намного выше таковых у беспозвоночных, анамний и
рептилий. Большинство из них могут прогнозировать результат своих действий,
выражать эмоции, играть, устанавливать иерархические отношения в группе,
обучаться и решать сложные экспериментальные задачи. Коллективные действия волков,
крыс и копытных, забота о потомстве, межвидовой альтруизм и заметные
индивидуальные особенности поведения конкретных особей приближают млекопитающих к
человеку. Перечисленными поведенческими возможностями обладает крайне
ограниченный круг млекопитающих с крупным мозгом. Основной массе видов свойственно
довольно примитивное поведение, которое скорее напоминает мир беспозвоночных,
чем сообщество людей. При принятии решений у большинства современных
млекопитающих преобладают инстинктивные законы, а индивидуализация поведения
достигается простой изменчивостью физиологического состояния конкретного
животного . Однако в таких ситуациях мозг архаичных млекопитающих показал себя с
наилучшей стороны. Именно в мозге млекопитающих врождённые инстинкты удавалось
наиболее адекватно приспосабливать к любой изменяющейся ситуации. В
конкуренции с рептилиями и беспозвоночными он оказался самым эффективным инструментом
выживания.
Рис. III-22. Гистологические срезы через мозг тупайи, дельфина,
неокортекс бородавочника и ствол мозга кролика: а — тупайа (Tupaia
tana); б — афалина (Tursiops truncatus); в — неокортекс
бородавочника (Phacochoerus aethiopicus); г — мозжечок, черверохолмие крыши
среднего мозга и таламус промежуточного мозга кролика (Oryctolagus
cuniculus). ВБ — верхний бугорок; НБ — нижний бугорок.
Мозг млекопитающих сформировался не для торжества сложного социального или
интеллектуального поведения, а как вынужденная мера приспособления к
агрессивной и сложной среде обитания. Он возник как устройство для решения
сиюминутных пищевых, репродуктивных и конкурентных проблем. Просто их было так
много, и они были столь неожиданными и сложными, что никакой набор
наследуемых инстинктивных программ поведения не мог исчерпать их многообразия.
Прямолинейное следование самым лучшим инстинктам — путь к вымиранию. Надо было
создать такой способ обработки информации, который бы смог адаптировать
животное к любой сложной ситуации.
В связи с этим проблема происхождения млекопитающих сводится к поиску
среды, которая удовлетворяла бы всем перечисленным требованиям. Она должна быть
очень сложной, динамически изменчивой и весьма агрессивной. Для того чтобы
представить себе эти условия возникновения млекопитающих, необходимо
рассмотреть те неврологические приобретения нервной системы млекопитающих, которые
отличают их от ранее рассмотренных амниот.
§ 47. Особенности нервной
системы млекопитающих
Центральная нервная система у млекопитающих развита больше, чем у какой-
либо другой группы животных. Диаметр спинного мозга обычно несколько больше,
чем у других тетрапод (см. рис. II1-18, а). Он имеет два утолщения в грудном
и поясничном отделах, которые связаны с поясами конечностей. В поясничном
отделе люмбальный желудочек известен только у медведей. Мощные пучки восходящих
волокон проходят по дорсальной поверхности спинного мозга млекопитающих.
Признаки этих волокон впервые появляются у рептилий и птиц, но максимальное
развитие они получают только у млекопитающих.
Задний мозг млекопитающих хорошо развит и имеет крупный мозжечок. В отличие
от мозжечка рептилий и птиц мозжечок млекопитающих состоит из центральной
части, или червя, и двух боковых полушарий. Наиболее древней частью мозжечка
является червь. Складчатость червя мозжечка хорошо развита у птиц. У
млекопитающих по бокам червя мозжечка формируются парные полушария. Однако на
развёртках поверхности мозжечок выглядит, как непрерывная и однородная
структура . Тем не менее, сохранилась старая морфологическая традиция выделять
центральную (осевую) часть, называемую червём, и парные полушария мозжечка. На
самом деле это только анатомические складки единой поверхности мозжечка.
Площадь поверхности мозжечка может достигать огромных размеров. У
человекообразных обезьян и многих копытных размеры поверхности борозд и извилин
мозжечка могут быть больше, чем коры переднего мозга. Между полушариями мозжечка
образуется система связей, которая позволяет клеткам коры мозжечка
обмениваться сигналами, приходящими как с правой, так и с левой стороны тела. Эти
волокна выходят на наружную поверхность мозга млекопитающих и меняют его
анатомическое строение. В результате на базальной поверхности заднего мозга
млекопитающих появляется мост, который отсутствует у других амниот (см. рис.
III-18; III-19). У сумчатых, грызунов и насекомоядных размер червя не
уступает каждому из полушарий, тогда как у приматов и хищных полушария мозжечка
больше.
Надо подчеркнуть, что мозжечок не является ни сенсорным, ни моторным
образованием. Он стоит в стороне от главных входных и выходных путей и
координирует двигательную активность с нервной деятельностью других отделов головного
мозга. Одной из важнейших функций мозжечка является интеграция различной
соматической информации, поступающей от поверхности тела млекопитающего.
Мозжечок также выполняет функции сенсомоторной координации, регуляции мышечного
тонуса и поддержания равновесия, входит в состав двигательной системы, но не
имеет прямых связей с чувствительными клетками и мускулатурой. Это
своеобразная «надстройка» над восходящими и нисходящими путями и центрами ромбовидного
мозга.
Мозжечок низших позвоночных соединён с задним мозгом непрерывной
пластинкой, в которой пучки волокон анатомически не выделяются. У млекопитающих эти
пучки формируют три пары столбообразных структур — ножки мозжечка. Через
ножки осуществляются связи мозжечка с остальной центральной нервной системой.
Задние ножки состоят преимущественно из афферентных волокон, которые приходят
из спинного мозга. В средние ножки входят волокна, соединяющие мозжечок и
кору переднего мозга. Передние ножки сформированы из эфферентных волокон,
соединяющих мозжечок и средний мозг. Огромный мозжечок млекопитающих возник из-
за крайней необходимости анализа сенсомоторной информации и координации
движений. Для обработки сенсомоторных и соматических сигналов сформировалась
сложная кора мозжечка, которая сопоставима по размерам с полушариями
переднего мозга.
Мою тнг roe
Рис. III-23. Основные эволюционные приобретения мозга млекопитающих
на примере домашней собаки (Cams familiaris). Неокортекс с развитыми
извилинами и появление распределённых морфофункциональных полей на
поверхности полушарий сняли ограничение на увеличение размеров мозга
(а). Формирование развитого мозжечка с огромными парными полушариями
решило проблему дифференциальной соматической чувствительности и
координации положения тела в пространстве (б).
Средний мозг представляет собой плотное небольшое тело в виде двух пар
возвышений, которые традиционно носят название четверохолмия (рис. III-22, г). У
рептилий и амфибий крыша среднего мозга состоит из двух возвышений, в
основном связанных с сетчаткой глаза. У млекопитающих они сохраняют свои функции и
расположены в передней зоне четверохолмия. Появление задних бугорков среднего
мозга обусловлено развитием слухового аппарата млекопитающих. Они являются
слуховыми центрами и отражают уровень развития слуховой системы у конкретного
вида. По соотношению бугорков четверохолмия можно судить о преобладании
одного из органов чувств. У копытных и хищных наиболее развиты передние бугорки
четверохолмия, которые связаны со зрением, а у китообразных, рукокрылых и
утконоса преобладают слуховые задние бугорки. Однако крыша среднего мозга у
зверей играет второстепенную роль в обработке как зрительной, так и слуховой
информации. Роль ведущих центров начинают выполнять специализированные поля
новой коры. Промежуточный мозг полностью скрыт под полушариями переднего
мозга. В нём хорошо развит эпифиз, а воронка, как и у всех позвоночных,
завершается крупным гипофизом. Этот отдел выполняет преимущественно нейроэндокрин-
ные функции и регулирует половую активность млекопитающих.
Внутри головного мозга находится сложная система мозговых желудочков.
Полость спинного мозга переходит в ромбовидную ямку продолговатого мозга,
которая носит название IV мозгового желудочка. Его передний край у большинства
млекопитающих прикрыт мозжечком. Спереди от мозжечка IV желудочек переходит в
сильвиев водопровод — канал, проходящий под средним мозгом и ведущий в III
желудочек. III желудочек представляет собой довольно узкое пространство между
внутренними стенками промежуточного мозга. Спереди он сообщается с двумя
боковыми желудочками через монроевы отверстия. I и II желудочки лежат внутри
полушарий переднего мозга. Впереди III мозгового желудочка вследствие
местного срастания полушарий вокруг треугольного пространства образуется так
называемый V мозговой желудочек. Этот желудочек свойствен только млекопитающим.
Разветвлённая система желудочков даёт возможность эффективно поддерживать
водно-солевой обмен головного мозга (см. § 5, 7).
Основным отличием строения мозга млекопитающих от мозга рептилий и птиц
являются крупные парные полушария переднего мозга и мозжечка (см. рис. 111-18;•
III-19). Поверхность полушарий переднего мозга млекопитающих может быть
гладкой — лиссэнцефальной или складчатой — с бороздами и извилинами. Полушария
переднего мозга млекопитающих разрастаются вбок и кзади, покрывая собой
промежуточный мозг, часто также средний мозг, а у приматов и китообразных —
продолговатый мозг (см. рис. II1-19; III-22). Полушария переднего мозга имеют
неправильную овальную форму и более или менее расширены сзади. У многих
млекопитающих самых разнообразных групп (насекомоядные, грызуны, зайцеобразные)
полушария гладкие, без борозд и извилин. У большинства высших млекопитающих в
коре формируются борозды и извилины (см. рис. III-19 - III-21). Однако
извилины бывают развиты в различной степени даже в пределах одного отряда. Мозг
низших приматов практически лишён борозд и извилин, тогда как у высших
приматов они сходны с извилинами мозга человека (см. рис. III-22). С увеличением
размеров полушарий непосредственно связано появление мозолистого тела —
обширной зоны волокон, соединяющих левое и правое полушария. Это образование
характерно для мозга высших млекопитающих, но отсутствует в мозге
однопроходных и сумчатых (см. рис. III-18 - III-21).
Полушария переднего мозга млекопитающих в процессе эволюции обычно
значительно увеличивались в рострокаудальном направлении и немного — в
латеральном, поэтому головной мозг большинства млекопитающих вытянут вдоль тела.
Единственным исключением является организация мозга у китообразных. Это
связано с тем, что у большинства китообразных передний мозг увеличивался в
латеральном направлении. В результате этих особенностей эволюции у китообразных
оказались особенно развитыми височные доли переднего мозга, что привело к
нарушению консервативной схемы расположения полей. Зрительная область, у
млекопитающих всегда расположенная на затылочном полюсе мозга, оказалась в
положении теменной доли, а соматосенсорные поля сместились в лобную долю.
Моторное
поле
Сенсоиоюрное Зрительное
попс поле
\
Обонятельная
лу*овицз
Ассоциативное
и с/>* овое поле
ЗоД»ин
и продол г on,iTt,i><
МО If
v. ""■•i.W.-Jf^
■•v,: •;• "т. •
.1 '
© ©
Рис. 111-24. Головной мозг кролика (Oryctolagus cuniculus) с
нанесёнными на поверхность полушария основными функциональными
полями неокортекса (а) и цитоархитектоника моторных и сенсорных
полей коры. Гистологический срез через моторное (б) и зрительное
поле (в) неокортекса.
У китообразных борозды и извилины достигли максимального развития (см. рис.
III-19, г; III-22, б) . При равной массе тела человека и дельфина мозговых
борозд у последнего в 2 раза больше, чем у человека. Большое количество
борозд и извилин является следствием увеличения площади поверхности коры.
Причиной таких изменений может быть простое увеличение мышечной массы животного.
У крупных животных значительная часть коры переднего мозга занята сенсомотор-
ными и моторными полями, тогда как ассоциативные и сенсорные поля
увеличиваются почти пропорционально размеру мозга, поэтому крупный мозг китообразных и
хоботных отнюдь не свидетельствует о высоком интеллекте его обладателей.
Рис. III-25. Дорсальная поверхность головного мозга
млекопитающих: а — кролик (Oryctolagus cuniculus); б — шимпанзе (Pan
troglodytes); в — лев (Panthera leo); г — обыкновенная игрунка
(Callithrix jacchus). Уровень развития поведения млекопитающих
только отчасти коррелирует с организацией борозд и извилин в
полушариях переднего мозга. Значительную роль в гирификации играют
размеры кортикальных полей различных сенсорных систем. Это
маскирует реальные ассоциативные возможности вида. Мозг кролика и
примата может быть лиссэнцефален, тогда как специализированный
хищник (лев) может обладать гирифицированным мозгом, как у
«интеллектуального» примата (шимпанзе).
Крупные полушария млекопитающих исторически возникли из боковой части
стенки переднего мозга рептилий в результате разрастания поверхностного скопления
клеток, которое носит название плаща, или коры. Небольшое скопление клеток на
латеральной стенке мозга рептилий (см. рис. III-7, а), стало источником
невероятного неврологического и интеллектуального прогресса млекопитающих. Эта
однородная полоска нейронов примордиального неокортекса рептилий
трансформировалась в новую кору млекопитающих. Она состоит из 6 чётко выделяемых слоев,
толщина которых у высших приматов доходит до 100 клеток (см. рис. III-20 -
III-22). В коре млекопитающих продублированы почти все основные функции
нервной системы, которые присутствуют на уровне заднего, среднего, промежуточного
и переднего мозга.
При анализе развития переднего мозга млекопитающих необходимо учитывать не
только его внешнее строение, но и пространственное распределение нейронов в
коре — цитоархитектоническую организацию. Кора переднего мозга млекопитающих
имеет сходное строение со слоистой крышей среднего мозга низших позвоночных.
Неокортекс млекопитающих имеет шестислойное строение. У взрослых
млекопитающих различных видов кора может значительно различаться как по толщине, так и
по выраженности отдельных слоев (см. рис. II1-22). Известно, что у животных с
лиссэнцефальным мозгом поперечник коры больше, чем у животных с полушариями
переднего мозга, имеющими борозды и извилины. Так, у бобров поперечник коры
несколько больше, чем у человека и медведя, а у дельфина афалины меньше почти
в 2 раза. При всём разнообразии вариантов строения неокортекса шестислойность
коры млекопитающих не вызывает сомнения (см. рис. III-22; рис. III—23 — III—
26) :
I — молекулярный слой (lamina molecularis, lamina zonalis) — самый наружный
слой коры, который содержит редкие клеточные тела.
II — наружный гранулярный слой (lamina granulans externa) состоит из
небольших и плотно расположенных клеточных тел. В моторных областях этот слой
может включать небольшие пирамидные клетки, которые распространяют свои
волокна на поверхности мозга или в молекулярном слое.
III — наружный пирамидальный слой, или слой наружных пирамид (lamina
pyramidalis externa). В этом слое преобладают пирамидные нейроны, которые
крупнее во внутренних зонах слоя и мельче — в наружных.
IV — внутренний гранулярный слой (lamina granulans interna). Этот слой
состоит из плотно расположенных как пирамидных, так и непирамидных клеток.
V — пирамидальный слой (lamina pyramidalis). В этом слое расположены
преимущественно клетки округлой формы, которые посылают свои волокна к
пирамидным нейронам.
VI — слой полиморфных клеток (lamina multiformis). В нём находятся верете-
новидные, округлые и модифицированные пирамидные клетки.
В неокортексе млекопитающих есть пирамидные клетки, которые отсутствуют в
мозге других позвоночных. В моторной коре находятся особенно крупные
пирамидные нейроны, носящие название клеток Беца (см. рис. III-24). Эти нейроны
посылают свои длинные отростки к мотонейронам спинного мозга и в двигательные
ядра черепно-мозговых нервов. Их гигантский размер предопределён масштабами
метаболической и функциональной активности.
Неокортекс млекопитающих различается по толщине и выраженности клеточных
слоев. Клеточные слои, образующие кору, могут сливаться вместе или
разделяться на несколько подслоев в зависимости от функциональной принадлежности поля.
Даже у относительно близких видов в функционально одинаковых полях
неокортекса можно обнаружить цитоархитектонические различия (см. рис III-26). При этом
совершенно не обязательно, чтобы кора высокогирифицированного мозга была
организована сложнее, чем мозга лиссэнцефального.
Рис. III-26. Цитоархитектоника слуховых полей неокортекса: а —
орангутан (Pongo pygmaeus); б — шимпанзе (Pan troglodytes); в — гиббон
(Hylobates lar); г — кошка (Felis catus); д — крыса (Rattus
norvegicus); е — крот (Talpa europaea). Обозначения срезов через
левое полушарие соответствуют обозначениям участков коры.
Кора млекопитающих неоднородна даже в пределах одного полушария и имеет
различный клеточный состав. Это позволило выделить в коре специфические
однотипно организованные центры — цитоархитектонические поля. Каждое
морфологическое поле коры соответствует представительству конкретного периферического
анализатора, ассоциативной или моторной зоне. Примером может служить неокор-
текс лиссэнцефального мозга кролика (см. рис. II1-24). Он содержит несколько
крупных полей, представляющих собой моторные, сенсомоторные, зрительные и
ассоциативные центры. Каждое специализированное поле коры имеет цитоархитекто-
нические особенности расположения нейронов, которые могут различаться по
форме и размеру. В моторных полях коры есть крупные пирамидные нейроны,
отсутствующие в других областях неокортекса (см. рис. II1-24).
Между сенсорными и моторными зонами коры расположены интегративные участки
коры, которые объединяют входы сенсорных и моторных областей коры и
предопределяют выполнение специализированных видоспецифичных функций. В мозге
млекопитающих выявлены ассоциативные зоны коры, которые не связаны с конкретными
анализаторами или моторными функциями. Они представляют собой «надстройку»
над остальными участками неокортекса и являются местом сосредоточения
когнитивных, мыслительных процессов и зонами хранения индивидуальной и «видовой»
памяти. Кора позволяет млекопитающим точнее и детальнее анализировать
сигналы, приходящие из внешней среды и от внутренних органов, что лежит в основе
сложного поведения и мышления человека. Однако только улучшение анализа ре-
цепторных сигналов не может быть достаточным условием для становления
сложного поведения. Необходима глубокая интеграция всей информации, поступающей в
мозг. Эти функции выполняет кора за счёт связей между расположенными в ней
нейронами. Подсчитано, что на каждый мотонейрон приходится до 2000 вставочных
нейронов, которые позволяют согласовывать активность отдельных клеток. Таким
образом, увеличение размеров коры и формирование её слоистой структуры
повысили качество обработки поступающей в мозг информации и интегрировали
активность отдельных его структур. На этом морфологическом субстрате возникло
новое качество мозга — способность к синтетической деятельности.
Надо отметить значительную изменчивость и самих полей. В зависимости от
того, какая система анализаторов доминирует у данного вида, изменяется и её
представительство в коре полушарий переднего мозга. Например, у ночных
обезьян затылочные зрительные поля достигают огромных размеров и являются
доминирующими образованиями в полушариях переднего мозга. У летучих мышей
преобладают слуховые поля. Они могут занимать значительную часть общей площади коры.
Интересно отметить, что у голоспинного листоноса (Pteronotus parnelll)
слуховая область коры сформирована тремя полями. В первичном слуховом поле частоты
от 10 Гц до 100 кГц организованы тонотопически. Это означает, что участки
поля, получающие сигналы от диапазонов различной частоты, размещены в
соответствии с числовыми значениями частот. Внутри первичного поля выделяется
подполе, где происходит анализ слуховых сигналов вблизи частоты 61,2 кГц,
поскольку в этом диапазоне осуществляется эхолокация. Рядом расположены
специализированные области, осуществляющие анализ удаленности объекта локации и
относительной скорости его движения. Этот пример показывает, что специализированные
моторные и сенсорные поля коры переднего мозга сами по себе тоже неоднородны.
Они состоят из локальных участков, которые осуществляют обработку сенсорных
сигналов от небольших участков тела или от фрагментов сенсорных органов.
Внутренняя организация полей неокортекса у животных не менее сложна, чем у
человека. Даже у лиссэнцефальных животных существуют специализированные под-
поля, обслуживающие отдельные участки сенсорных органов. Примером может быть
строение соматосенсорной коры мыши, которая отвечает за механорецепцию
вибрисс , расположенных на мордочке. Каждая вибрисса представлена соматотопически
расположенным в коре небольшим бочонком или клубочком. Аналогичным образом
организовано представительство пальцев и ладошек у енота. Каждый палец и
отдельная ладонная подушечка представлены в соматосенсорной коре
самостоятельным полем, причём большая часть полей выделяется небольшими бороздами.
Следовательно, цитоархитектоническая специализация полей неокортекса привела к
морфологическому обособлению фрагментов коры.
Таким образом, поля коры головного мозга подразделены на функциональные
зоны, которые связаны с конкретным органом или его частью. Функциональные зоны
коры имеют упорядоченное внутреннее строение. В каждой зоне или поле можно
выделить своеобразные модули вертикальной упорядоченности организации коры. В
самом обычном случае модуль представляет собой колонку или клубочек, в
который включаются клетки, расположенные по всей толщине коры. Колонкой
минимального размера обычно считают группу из 110 нейронов, расположенных между парой
капилляров, проходящих через поперечник коры. Клетки колонок связаны с
обработкой конкретного частного сигнала и рассматриваются в качестве локального
функционального модуля. Более низкий уровень организации уже связан с
межклеточным взаимодействием на уровне нейронов. Для неокортекса известны
закономерности появления шипиков на отростках нейронов при развитии животных в
обогащенной среде или при обучении. Чем богаче впечатлениями среда, в которой
развивается млекопитающее, тем больше межклеточных контактов возникает между
нейронами коры. Существование субстрата, связанного с сохранением
индивидуального опыта, показывает, что возникновение неокортекса было ключом к
расширению приспособительных возможностей млекопитающих.
§ 48. Органы чувств
млекопитающих
Органы чувств млекопитающих имеют ряд особенностей, которых нет у
позвоночных других групп. У млекопитающих хорошо развит орган обоняния. В отличие от
птиц он состоит из основного органа обоняния и вомероназальной системы.
Основной орган обоняния используется для традиционных типов хеморецепции, а
вомероназальная система (якобсонов орган) — для рецепции половых запахов.
Развитие системы полового обоняния рептилий стало причиной возникновения
корковых образований переднего мозга (см. § 39) . Эти небольшие скопления клеток у
поверхности полушарий переднего мозга не предвещали своим обладателям особых
неврологических перспектив. Однако именно у млекопитающих эти структуры стали
морфологической основой для возникновения шестислойной коры. Развитие коры
переднего мозга свидетельствует о том, что у архаичных млекопитающих
обоняние, особенно на первых этапах, играло основную роль среди дистантных хеморе-
цепторов.
Слуховая система млекопитающих хорошо развита благодаря появлению наружной
слуховой раковины, усложнению строения улитки, развитию среднемозгового и
коркового представительства акустического анализатора. У млекопитающих улитка
впервые закручивается в спираль, которая у китообразных делает 1,5 оборота, у
человека - 2,5, у кошки — 3, у свиньи — 4, а у некоторых грызунов — даже 5
оборотов. Основной аналитический аппарат слуховой системы расположен в нижних
бугорках четверохолмия (см. рис. III-22, в) и в коре переднего мозга. В не-
окортексе существуют первичные и вторичные слуховые поля, которые
обрабатывают получаемые сигналы (см. рис. III-26). Важно подчеркнуть, что в коре и
нижних бугорках четверохолмия сохраняется строгая тонотопичность
представительства слуховой системы. Это означает, что слуховые сигналы разной частоты
«раскладываются» в каждом из центров по принципу топографической карты. Таким
способом достигается максимальная дифференциальность обработки слуховых
сигналов .
Слух у некоторых позвоночных развит очень хорошо и используется для
эхолокации (летучие мыши и китообразные). У летучих мышей для локации используются
сигналы около 61 кГц, а у Зубатых китов — в диапазоне от 80 до 120 кГц.
Сигналы такой частоты возникают у дельфинов в проходе от гортани до носового
отверстия, лишённого обонятельных рецепторов. Они позволяют дельфинам
определять расстояние, размер и форму предметов. Такая специализация зубатых китов
привела, в конечном счете, к интенсивному развитию корковых слуховых полей,
которые повлияли на эволюцию и форму их головного мозга (см. рис. III-19, г).
Зрение позволяет млекопитающим различать цвет и форму объектов намного
лучше , чем животным других классов. Это достигается не сложностью или
совершенством строения глаз. Световоспринимающая система млекопитающих — сетчатка
глаза устроена довольно примитивно. В ней преобладают палочки, которые
отвечают за сумеречное зрение и не способны воспринимать цвета. Цветовосприятие
обеспечивается тремя фотопигментами, чувствительными к красному, зелёному и
синему цвету и расположенными в колбочках. Колбочки имеют высокий порог
чувствительности, поэтому в сумерках цветовое зрение у большинства млекопитающих
утрачивается. В сетчатке млекопитающих нет цветных масляных капель, которые
являются цветовыми фильтрами и позволяют рептилиям и птицам тонко различать
цвета. Сетчатка не может локально увеличивать размер изображения и не имеет
специализированных элементов, чувствительных к ультрафиолетовому излучению.
Все эти особенности говорят об ограниченности зрения млекопитающих.
По-видимому, архаичные млекопитающие долго вели сумеречный или ночной образ
жизни. Однако у млекопитающих хорошо развита аналитическая часть зрительного
анализатора. Даже у таких макросматиков, как кролик, представительство
зрительного анализатора в коре очень велико (см. рис. III-24). Следовательно,
невысокие требования к цвету и разрешению деталей периферической частью
нервной системы сочетались с развитием мощного коркового анализатора изображений.
Анализ зрительной информации доминировал над её первичным качеством. Для
архаичных млекопитающих было важнее оценить пространственное расположение и
форму предметов, чем различить детали их строения или цвета, поэтому цветовое
зрение млекопитающих сформировалось по сути дела вторично, на основе
малоподходящих структур сетчатки.
Особое развитие у млекопитающих получила соматическая и мышечная
чувствительность . Кожа млекопитающих невероятно специализированна, имеет волосяной
покров, сальные и потовые железы, богата свободными нервными окончаниями и
совершенными рецепторами тепла, холода, вибрации и давления. Такого обширного
набора специальных приспособлений в коже других позвоночных нет. В покровах
млекопитающих выделяются болевые рецепторные системы (ноцицептивные),
температурные и тактильные. Последние воспринимают простое диффузное
прикосновение, давление или вибрацию, что встречается и у других позвоночных. Однако
особое развитие получила механорецепция, позволяющая осуществлять
пространственное и временное различение сигналов. Для такого соматического восприятия
внешних сигналов в покровах млекопитающих существует множество
специализированных нервных окончаний. Свободные нервные окончания нескольких типов
ответственны за восприятие нагревания и охлаждения. Они вызывают ощущение зуда,
жгучей или острой боли. Наряду со свободными нервными окончаниями в коже
присутствуют и специализированные концевые органы, которые позволяют
дифференцировать другие типы механических воздействий на кожу. В них входят нервные
волокна, ассоциированные в своеобразные рецепторные комплексы. Например, тельце
Мейсснера чувствительно к прикосновению и вибрации частотой 30-40 Гц, а
тельце Пачини — к давлению и вибрации частотой 300 Гц. Диски Меркеля
нечувствительны к вибрации, но различают прикосновение и давление.
В волосистой коже к этому набору добавляются стержни волос и волосяные
фолликулы. Каждый из них окружён окончаниями 3-10 сенсорных нервных волокон,
которые могут внедряться в базальную пластинку волосяного стержня. Этот рецеп-
торный аппарат волос обладает самой высокой механической чувствительностью в
покровах млекопитающих. Казалось бы, такой дифференцированной системы
рецепторов вполне достаточно для формирования развитой соматической
чувствительности .
Наряду с периферическими рецепторами у млекопитающих сформировалось разви-
тое мозговое представительство соматической чувствительности. Соматическое
представительство в коре и мозжечке столь велико, что может соперничать по
размерам с моторными центрами и зрением (см. рис. III-24). Моторные центры
мозжечка и неокортекса млекопитающих развиты пропорционально соматической и
мышечной чувствительности. Если мышечная чувствительность представлена в коре
относительно слабо, то моторные центры часто доминируют на поверхности
полушарий. У большинства высших зверей они могут составлять от 20 до 35%
поверхности коры (см. рис. III-24).
Следовательно, по сравнению с рептилиями у млекопитающих наиболее развиты
обоняние, соматическая чувствительность и сенсомоторные центры. Самым
глобальным изменениям подверглась соматическая чувствительность. Она ещё никогда
в истории позвоночных не достигала такого развития, как у млекопитающих. Из
диффузного механорецептора и рецептора болевых ощущений рептилий возник
распределённый орган чувств с широким диапазоном чувствительности и значительным
представительством в коре полушарий переднего мозга. Сенсомоторная система
получила дополнительное представительство в мозжечке. Это привело к появлению
парных полушарий мозжечка и увеличению его объёма в несколько раз. Вместе с
соматической чувствительностью в коре млекопитающих максимально представлены
зрение, моторные центры и слух. По-видимому, архаичное млекопитающее должно
было обладать прекрасным обонянием, пространственным зрением, неплохим слухом
и феноменальной соматической чувствительностью. Чтобы понять причины
появления такой сенсорной специализации, необходимо попробовать реконструировать
условия их возникновения. Они могут привести нас к пониманию эволюционного
пути от рептилий к млекопитающим.
§ 4 9. Возникновение
мозга млекопитающих
Небольшие рептилийные предки млекопитающих вышли из древесных завалов
карбона с развитым обонянием, вестибулярным аппаратом, неважным зрением и
ассоциативными центрами в среднем мозге. Эти существа начали загадочный
эволюционный путь, который не отмечен внятными палеонтологическими следами на
протяжении почти 60 млн. лет. Только в позднем триасе появляются триконодонты
(Megazostrodon), которых можно считать древними, но вполне сложившимися
млекопитающими. За несколько десятков миллионов лет произошли события, приведшие
к формированию совершенной ассоциативной системы переднего мозга,
теплокровности, плацентарному развитию и кормлению детёнышей молоком.
Попробуем оценить изменения нервной системы, предварившие появление трико-
нодонтов. Карбоновые предки млекопитающих обладали набором качеств,
свойственных большинству рептилий того периода. Для того чтобы стать
млекопитающими, им надо было оказаться в такой среде, где их морфофункциональные
особенности дали бы максимальные биологические преимущества.
Большинство современных млекопитающих обладают развитым обонянием. Оно
вторично утрачено у зубатых китов и относительно мало используется хоботными,
летучими мышами и приматами. В остальных случаях млекопитающие широко
используют как основной орган обоняния, так и вомероназальную систему. Для наиболее
примитивных млекопитающих обоняние играет ведущую роль, а представительство
хеморецепторных центров в переднем мозге может превышать все остальные
структуры вместе взятые (см. рис. III-19, а). Очевидно, что на первых этапах
эволюции млекопитающих обоняние играло основную роль. Это послужило причиной
преимущественного развития полушарий переднего мозга. Следствием развития
обонятельной системы стали переднемозговые полушария, которые доминируют над
остальными отделами головного мозга. Объём парных полушарий млекопитающих
всегда больше объёма других структур нервной системы, какой бы специализацией
ни обладал конкретный вид (см. рис. III-18; III-19; III-21; III-25).
Развитие обоняния и переднего мозга стало первым крупным неврологическим
событием в истории этой группы. Можно допустить, что предки млекопитающих
использовали обоняние в качестве ведущей системы афферентации. В каких условиях
это могло произойти? Очевидная ситуация — ночная активность архаичных
млекопитающих, но для ночной охоты можно успешно применять слух, зрение, осязание
и терморецепторы. Млекопитающие предпочли использовать обоняние, хотя
остальные органы чувств не подверглись существенной редукции.
На заре эволюции млекопитающих строение переднего мозга было сходно со
строением мозга современных лиссзнцефальных представителей грызунов и
зайцеобразных (см. рис. III-18, б; III-19, а, 6; III—24, а). Архаичные
млекопитающие занимались поиском пищи, половых партнёров и ориентировались в
пространстве при помощи обоняния. С этой точкой зрения согласно большинство авторов,
занимавшихся проблемами их эволюции. На этом этапе эволюции рептилийные
предки млекопитающих были лишены возможности использовать другие органы чувств с
той же эффективностью, как обоняние. По-видимому, они обитали в темноте
нижних ярусов карбоновых завалов, где обоняние было наиболее эффективным
дистантным рецептором. Кроме обоняния, там можно было также использовать слух и
тактильную чувствительность. Зрительная система и цветовое зрение были
практически бесполезны и постепенно утратили свои исходные характеристики.
В этом состоянии архаичные млекопитающие пребывали долго. Времени хватило
для создания интегративных связей между половыми корковыми центрами
вомероназальной системы и сенсомоторными системами других отделов мозга. На базе
скромного коркового зачатка рептилийной системы полового обоняния возник
новый центр принятия решений. В него явно первоначально входили вомероназаль-
ные, моторные и вкусовые центры.
Слуховая система на первом этапе эволюции млекопитающих совершенствовалась
за счёт задних бугорков четверохолмия. Они у млекопитающих развиты больше,
чем у рептилий и птиц (см. рис. II1-22, г) . Таким образом, к моменту выхода
из карбоновых лабиринтов потенциальный предок млекопитающих обладал развитым
обонянием, слуховыми бугорками в крыше среднего мозга и зачатком коры,
интегрировавшим обонятельные половые, моторные и вкусовые центры (рис. III-27, а,
б) .
Возникает вполне естественный вопрос о дальнейшей судьбе этих существ.
Обычно предполагается, что мелкие предки млекопитающих по ночам вынюхивали
свою добычу в подстилке лесов, а днём скрывались в норах или среди корней
деревьев . Это вполне справедливое предположение, хотя объясняет только
возможность развития обоняния. Однако при таком образе жизни никаких дополнительных
стимулов для развития неокортекса и тем более полушарий мозжечка обнаружить
невозможно. Наоборот, сумеречные норные животные обладают более чем скромным
мозжечком. Для быстротечной эволюции сенсомоторных корковых центров и
мозжечка требовалась невероятно сложная трёхмерная среда, которая ранее позвоночным
никогда не встречалась. Следует допустить, что не почва, а иная среда была
причиной появления развитой соматической чувствительности.
В поисках среды эволюционирования млекопитающих значительную помощь может
оказать анализ ещё одной рецепторной системы, которую трудно переоценить —
соматической чувствительности. Покровы млекопитающих приобрели удивительный
набор механорецепторов различных типов. Они специализированы для восприятия
различных видов вибраций, давления, прикосновения, нагревания и охлаждения.
Почвенным обитателям столь разнообразный набор кожных рецепторов абсолютно не
нужен, тем более что у современных почвенных млекопитающих (голые землекопы)
редуцируется даже волосяной покров. Маловероятно, что развитая соматосенсор-
ная система и волосяной покров могли возникнуть у животных, ведущих
полуподземный образ жизни.
По-видимому, рептилийные предки млекопитающих, покинув карбоновые завалы,
переместились в кроны деревьев (см. рис. III-27, в, г) . Вертикальная
«миграция» из плохо освещенных растительных буреломов в сумеречный мир крон
деревьев выглядит вполне естественной. Этот переход не был радикальным изменением
биологии рептилийных предков млекопитающих. Сохранились аналогичная
трёхмерная жизненная среда и значение уже хорошо развитого вестибулярного аппарата.
Вполне вероятно, что переход из нижних уровней карбоновых лесных завалов в
крону деревьев происходил неоднократно, но с разными результатами. Только
после появления первичной специализации головного мозга рептилий по
обонятельному типу смогли сложиться необходимые предпосылки для формирования
«древесной» группы архаичных млекопитающих. В сумеречных кронах деревьев необходим
именно тот набор нейросенсорных, аналитических и репродуктивных приобретений,
который известен у современных млекопитающих.
Жизнь макросматиков в кронах деревьев практически исключала размножение в
гнёздах или дуплах. Для небольших животных с развитым обонянием чужая кладка
яиц была и остаётся идеальной и доступной пищей, поэтому доставшееся от
рептилийных предков живорождение получило дальнейшее развитие. Было необходимо
максимально продлить внутриутробное развитие эмбриона. Это позволяло избежать
формирования гнезда и привязки к конкретной территории. Мать перемещалась за
пищей вместе с детёнышем, что повышало вероятность их выживания.
Наиболее простой способ увеличения продолжительности внутриутробного
развития связан с отказом от питания эмбриона за счёт желтка. Запасы желтка нельзя
бесконечно увеличивать в материнской матке. Намного эффективнее использовать
простой диффузионный обмен кислорода, воды и метаболитов между стенкой
желточного мешка и маткой. По-видимому, этим способом и была решена проблема
внутриутробного развития архаичных млекопитающих. Древесные предки
млекопитающих были весьма некрупными животными. Это позволяло им при помощи
желтковой плаценты доращивать эмбрионы до вполне жизнеспособных размеров. Похожую
репродуктивную стратегию используют современные сумчатые. Однако их желтковая
плацента позволяет вырастить только небольшой эмбрион, который надо
переводить в сумку с молочными железами. Поскольку архаичные млекопитающие были
небольшими, необходимость в сумочном доращивании эмбрионов, наверное,
отсутствовала . Только с увеличением размеров животных могли возникнуть трудности с
выращиванием крупных зародышей. Низшие звери решили этот вопрос при помощи
сумки, а высшие млекопитающие — при помощи плаценты.
Вместе с развитием эффективных репродуктивных стратегий у архаичных
млекопитающих наиболее заметным изменениям должна была подвергнуться сенсомоторная
система. В кронах деревьев нагрузка на вестибулярный аппарат в несколько раз
выше, чем даже в водной трёхмерной среде. Если рыба и совершает ошибочное
движение при плавании, то это не приводит к фатальным последствиям. Опора на
воду сохраняется в любой ситуации и позволяет исправить моторную ошибку. Для
первичноводных позвоночных требования к сенсомоторной системе намного менее
критичны, чем для животных, обитающих на ветвях деревьев и не умеющих летать.
Сенсомоторные ошибки на ветвях деревьев могут приводить к фатальным
последствиям. Гравитация планеты стала жестоким экзаменатором для рептилий,
переместившихся из карбоновых завалов в верхний ярус леса. Она наложила ограничение
и на размер тела предков млекопитающих. Большие животные просто не могли бы
пережить ошибок становления совершенного вестибулярного аппарата и
сенсомоторной системы. Падение крупных животных со значительной высоты почти всегда
приводит к гибели или некомпенсируемым повреждениям, поэтому линейный размер
предков млекопитающих не мог превышать нескольких десятков сантиметров.
Небольшое и подвижное животное должно было быстро приобрести не только
совершенный вестибулярный аппарат, но и развитую соматическую чувствительность.
Этот сенсорный комплекс широко представлен в полушариях мозжечка и неокортек-
се млекопитающих.
Рис. III-27. Происхождение млекопитающих. Рептилийные предки
млекопитающих, покинув карбоновые растительные завалы, перешли к обитанию
на ветвях деревьев (а-в). Переход к обитанию на деревьях стал
ключевым событием для начала эволюции мозга млекопитающих. Ветви деревьев
стали переходной средой для развития сенсорных и моторных систем
млекопитающих. В кроне деревьев у архаичных млекопитающих
сформировалась соматическая рецепция, построенная на свободных нервных
окончаниях, оплетающих волосяные сумки и стержни волос (г). Развитие
соматической чувствительности, пространственного зрения и системы сен-
сомоторной координации движений привело к формированию коры
переднего мозга и парных полушарий мозжечка. В коре переднего мозга
сформировалось представительство соматических, сенсомоторных, зрительных,
вкусовых и слуховых центров. Эти неврологические приобретения
позволили архаичным млекопитающим освоить сушу и водную среду (в, д, ж—н,
р). На всех этапах эволюции млекопитающих происходили «возвраты» к
наземным формам жизни. Одними из первых «спустились с деревьев»
однопроходные, а затем — сумчатые (в, д, е, л) . Значительно позднее к
ним присоединились плацентарные млекопитающие. Рукокрылые с деревьев
перешли к полёту, а приматы в основном сохранили свою связь с
деревьями .
Среди рецепторов покровов выделяются рецепторы, адаптированные к различны
типам вибрации. Специальные системы с различным временем адаптации возникли
для того, чтобы воспринимать колебания. Столь разнообразные и
специализированные вибрационные рецепторы кожи были бы абсолютно не нужны, если бы предки
позвоночных искали добычу на земле и в подстилке из опавших листьев.
Наоборот , ветви и стволы деревьев идеально передают любые колебания. Эти колебания
могут содержать информацию о добыче, животном противоположного пола или о
приближении опасного хищника. Такие сигналы надо было дифференцировать с
безопасными, но разнообразными колебаниями самих деревьев, поэтому развитие
соматической чувствительности древесных рептилий было биологически вполне
оправдано . На первом этапе эволюции рептилийных предков млекопитающих
чувствительность механорецепторов покровов могла быть далеко не столь совершенной,
как у современных животных. Этот недостаток мог быть компенсирован развитием
специализированных чувствительных образований. Однако такие сложные капсули-
рованные рецепторы, как тельца Руффини, Пачини, Мейсснера или концевые колбы
Краузе, не могли возникнуть мгновенно для выполнения своих специализированных
функций.
По-видимому, на первом этапе развития соматической чувствительности были
использованы свободные нервные окончания, которые хорошо развиты у всех
позвоночных. Сложность состоит в том, что свободные нервные окончания обладают
ограниченными сенсорными возможностями. Простое увеличение их количества в
дерме не смогло бы решить сложных соматосенсорных проблем древесных предков
млекопитающих.
Повышение соматической механочувствительности было обеспечено с помощью
волос. Волосы стали своеобразным усилителем механического сигнала.
Действительно, проще всего усилить механический сигнал, создав неравноплечий архимедов
рычаг. Длинное плечо станет механическим детектором, а короткое —
ассоциированным со свободным нервным окончанием рецептором. Понятно, что
чувствительность такой системы будет определяться формой, размером и массой рычага,
его жёсткостью и чувствительностью нервного окончания. Если таких рецепторов
много, то дифференцированность соматической информации по направлению, силе и
частоте будет гарантирована. Вполне возможно, что развитие такой
специализированной соматической рецепторной системы привело к возникновению рецептор-
ного волосяного покрова. Впоследствии он стал использоваться для сохранения
тепла, что замаскировало его первичную функцию. На рецепторное происхождение
волос указывает и развитие их мышечного аппарата. Тонкая регуляция
теплообмена может осуществляться и другими физиологическими способами, но для
динамического изменения чувствительности механорецепторов, оплетающих волосяную
сумку, другого способа нет, поэтому в случае опасности волосы многих животных
рефлекторно поднимаются дыбом. Так увеличивается механочувствительность
волосяного покрова в результате напряжения рецепторного «рычага».
В далёком прошлом напряжение рецепторных волосков предков млекопитающих
повышало точность соматосенсорной информации. Это позволяло выбрать адекватную
форму поведения в ответ на возникшую ситуацию. Судя по неврологическому
обеспечению, этот механизм повышения соматической чувствительности возник ещё на
заре эволюции млекопитающих. Он сохранился до настоящего времени как
непроизвольная реакция на любое неожиданное возбуждение. Следовательно,
первичная соматическая чувствительность рептилийных предков млекопитающих сложилась
на основе свободных нервных окончаний, ассоциированных с рецепторным
волосяным покровом. Косвенным свидетельством в пользу этой точки зрения является
высокая иннервация стержней волос и волосяных фолликулов. У некоторых
животных вокруг основания волоса может группироваться до 20 сенсорных нервных
волокон. Эта механорецепторная система обладает самым низким порогом
возбуждения и чувствительна к вибрациям частотой около 35 Гц.
Самым примитивным способом, обеспечив повышение соматической
чувствительности, предки млекопитающих заложили фундамент для долговременной эволюции
совершенных капсулированных рецепторов. Они станут эффективнее свободных
нервных и ассоциированных окончаний только спустя миллионы лет. Побочным
результатом становления первичной соматосенсорной системы стал примитивный
волосяной покров. Его дальнейшее развитие уже как термоизоляционного слоя, по-
видимому, произошло значительно позднее формирования механосенсорных функций.
Параллельно с периферическим чувствительным аппаратом развивались
центральные механизмы анализа соматических и проприоцептивных сигналов. Именно
соматическая чувствительность и моторная система представлены обширными полями в
неокортексе лиссэнцефальных млекопитающих (см. рис. III-24). По-видимому,
необходимость развития коркового контроля за этими двумя системами стала одной
из основных причин эволюции переднего мозга. На это указывает параллельное
развитие неостриатума (базальных ядер) млекопитающих. Таких крупных
специализированных новообразований в вентральной части переднего мозга у других
позвоночных ранее не возникало. Интересно отметить, что эти огромные ядерные
центры обеспечивают обработку сенсомоторной и кинестетической информации,
которая поступает от других отделов головного мозга. Они избавляют сенсомотор-
ную кору от контроля за непроизвольными движениями.
Надо подчеркнуть, что параллельно с расширением представительства
соматических рецепторов в неокортексе формировались аналогичные связи кожных
рецепторов с полушариями мозжечка. Парные полушария мозжечка встречаются только у
млекопитающих в связи с развитием феноменальной соматической чувствительности
и координации сложных движений. Такое развитие мозжечка не может быть связано
ни с какими стандартными условиями в истории позвоночных до млекопитающих.
Даже трёхмерная водная среда, в которой сотни миллионов лет эволюционировали
первичноводные позвоночные, не смогла привести их сенсомоторные системы к
столь же высокому развитию, как у млекопитающих.
«Маммальный» мозжечок триконодонтов сформировался всего за 30-40 млн. лет.
Причину его появления следует искать в кронах высоких деревьев, где от
эффективности анализа соматических сигналов и координации движений всего тела
зависит жизнь любого животного. У млекопитающих вся поверхность мозжечка занята
сложно организованной корой, которая состоит из специализированных нейронов.
Каждая рецепторная поверхность тела представлена строго определённым участком
коры полушарий мозжечка. Это привело к тому, что площадь поверхности корковых
структур мозжечка млекопитающих возросла в тысячи раз по сравнению с
мозжечком рептилий. Собственно говоря, в результате латерального расширения и
появились парные полушария мозжечка. Следствием развития межполушарных
мозжечковых связей стало формирование моста заднего мозга млекопитающих, которого нет
у рептилий и птиц. Причиной формирования моста стали необходимость
постоянного оперативного сравнения соматической информации, поступающей от правой и
левой половины тела, и моторная коррекция положения тела. Выживание архаичных
млекопитающих в кронах деревьев непосредственно зависело от развития
аналитического аппарата соматической и сенсомоторной чувствительности. Мозжечок стал
своеобразным кинестетическим автоматом, который интегрировал соматические,
сенсомоторные и вестибулярные сигналы. Выполняя эти функции, он позволял
предкам млекопитающих неосознанно решать проблемы перемещения в сложной
трёхмерной среде.
Эволюция архаичных млекопитающих в кронах деревьев позволяет объяснить
специфическое развитие других органов чувств и их мозгового представительства.
Сложная трёхмерная среда потребовала от упрощённого зрения предков
млекопитающих совершенно новых способов оценки окружающего пространства. Надо было
не просто увидеть предмет, а предельно точно определить расстояние до него и
оценить его свойства. Ошибочная оценка расстояния до ветки в кроне деревьев
обычно стоит жизни. Бинокулярное зрение и корковое представительство этой
системы в переднем мозге вполне оправданны.
Надо подчеркнуть, что зрение, соматическая чувствительность, проприоцепция
и вестибулярный аппарат внутреннего уха являются основными сенсорными входами
в вестибулярные ядра ствола мозга. Интеграция этих сигналов позволяет
млекопитающим позиционировать своё тело в пространстве и контролировать точность
движений. Вестибулярные ядра млекопитающих являются уникальным образованием.
Они намного более развиты, чем у рептилий и птиц. По-видимому, такая
многофункциональная система вестибулярного и кинестетического контроля могла
сложиться только в жёстких условиях крон деревьев. В такой среде были все
условия для формирования своеобразной слуховой системы млекопитающих. Наружное
ухо, которое можно ориентировать на источник звука, могло возникнуть в
сложной акустической среде крон деревьев. Современные древесные млекопитающие
обладают именно такими наружными слуховыми раковинами.
Приобретя перечисленные особенности строения нервной системы в кронах
деревьев, млекопитающие неоднократно «спускались» на землю. К неземному
существованию первыми вернулись однопроходные (см. рис. III-27, в-е), затем
сумчатые и позднее всех плацентарные млекопитающие (см. рис. III-27, д-м) . По-
видимому , рукокрылые и приматы полностью сформировались в кронах деревьев.
Переход приматов к наземному существованию стал первым шагом к появлению
человека .
Важнейшим приобретением мозга млекопитающих, обитавших в кронах деревьев,
стала способность к прогнозированию событий. Умение предугадать событие,
результат движения, последствия охоты или внутривидового конфликта отличает и
современных млекопитающих. Способность нервной системы предсказывать
результат ещё не совершённого действия отсутствовала у других позвоночных.
Млекопитающие дорого заплатили за такую способность ошибками, совершёнными вдалеке
от земли. Вторично спустившись на землю, млекопитающие обладали не только
ассоциативными центрами рептилийного типа, но и скромной возможностью оценивать
результаты ближайших действий. Это функциональное приобретение млекопитающих
основано на переизбытке нейронов и связей, которые сформировались в неокор-
тексе. Только избыточная память и индивидуальный опыт позволили млекопитающим
занять доминирующее положение в животном мире.
ТЕОРИЯ ПЕРЕХОДНЫХ СРЕД
В основе эволюции нервной системы позвоночных лежат общие морфологические
закономерности. Они сводятся к количественным и качественным изменениям в
центральной и периферической нервной системе. Однако в отличие от других
систем организма, любые структурные изменения вызывают глубокую перестройку
поведения. Результатом становится изменение форм взаимодействия организма с
внешней средой. Новые морфофункциональные свойства нервной системы не всегда
приводят к положительным результатам. Одни из этих свойств становились
основой для кратковременного процветания группы или тупиковой специализации,
другие давали позвоночным возможность освоить бескрайние ресурсы и открывали
перспективные пути эволюции. В естественной истории нервной системы были и
остаются морфологические решения, обрекающие своих владельцев, как на
неизбежное вымирание, так и на процветание. Большинство современных животных
представляют собой образцы более или менее удачных, но тупиковых адаптации.
Их исчезновение было предопределено в момент начала структурной специализации
нервной системы.
Нервная система обладает одним примечательным свойством: она может
практически мгновенно изменить поведение животного и физиологическую активность его
органов, а затем столь же быстро восстановить исходную ситуацию. Обратимость
быстротечных и абсолютно необходимых изменений делает её бесценным
инструментом в биологическом мире. Однако диапазон возможных перестроек нервной
системы ограничен её структурой. Мозг может предоставить только тот набор
инстинктивных или ассоциативных решений, который обеспечен сенсомоторными
системами организма. Медведь не станет махать лапами, даже если реально сможет
взлететь. На такие поступки легко решается только цивилизованный человек,
поскольку его мозг почти утратил связь с реальным миром планеты. Иначе говоря,
все позвоночные животные оказываются пленниками эволюционного прошлого своей
нервной системы. Позволяя животным быстро приспосабливаться к сиюминутным
изменениям окружающей среды, мозг формирует своеобразные скрытые рамки
предельно возможных изменений. Именно эти рамки и предопределяют пределы обратимых
адаптивных изменений поведения конкретного вида.
Морфологическая эволюция нервной системы необходима как инструмент по
расширению границ адаптивных возможностей. Структурные изменения мозга снимают
ограничения с одних поведенческих реакций и формируют другие. Этот процесс
может продолжаться до тех пор, пока не возникнет слишком специализированный
для дальнейших перестроек мозг. Тем не менее, количественные или качественные
изменения нервной системы остаются единственным выходом за пределы
стандартных возможностей. Надо подчеркнуть, что количественные изменения в нервной
системе могут происходить намного быстрее, чем качественные. Именно они
являются первичным ресурсом для структурных адаптации нервной ткани. Качественные
морфологические перестройки мозга крайне затруднены и обычно требуют
специальных условий или продолжительного времени. Эта разница между
количественными и качественными изменениями нейральных структур опосредована особым
положением головного и спинного мозга в системе органов и тканей позвоночных.
Центральная нервная система не участвует в биомеханических взаимодействиях
организма с внешней средой. Это не значит, что при сокращении мускулатуры,
движении суставов, деформациях кожи или при движении пищи по кишечнику нервы
не подвергаются механическим нагрузкам. Они обладают известной прочностью и
пластичностью и могут выдерживать небольшие и краткосрочные нагрузки. Однако
речь идёт не о механических свойствах нервной системы. Наоборот, для
эволюционной морфологии наиболее интересно, что нервная система предельно защищена
от любых нагрузок, за исключением специализированных механорецепторов. Вся
эволюция головного и спинного мозга проходит внутри черепа и под защитой нев-
ральных дужек позвонков. От элементов скелета они отделены тремя мозговыми
оболочками и спинномозговой жидкостью. Однако форма центральной нервной
системы незначительно зависит от скелета. Достаточно упомянуть, что в
эмбриональном периоде развития головной и спинной мозг является индуктором диффе-
ренцировки скелета, а не наоборот. Справедливее сказать о том, что форма
черепа и невральных дужек позвонков вторична по отношению к анатомии
центральной нервной системы. Следовательно, головной и спинной мозг изменяет свою
форму независимо от каких-либо биомеханических преобразований в организме
животного .
В этом особом положении мозга заключён огромный потенциал любых структурных
преобразований. Реальным источником количественных изменений является
стабильная индивидуальная изменчивость нервной системы. Специальные
исследования, проведённые на амфибиях, рептилиях и млекопитающих, показали, что у
жизнеспособных личинок или молодых животных, полученных от одной пары родителей,
стандартной является 20-22% количественная изменчивость головного мозга.
Нейроны подсчитывали как во всех отделах мозга, так и в основных периферических
анализаторах. Был обнаружен некоторый разброс значений изменчивости в
зависимости от отдела головного мозга. Наиболее древним структурам (задний и
продолговатый мозг) была свойственна 7-13% изменчивость, а для эволюционно новых
— 18-25%. Тем не менее, количественной вариабельностью были охвачены
практически все отделы головного мозга. Выявленные пределы изменчивости установлены
в генетически однородной группе животных — потомков только одной пары
родителей .
Если использовать человека для оценки изменчивости нервной системы, то
двукратная разница по массе мозга далеко не исчерпает все встречающиеся и жизне-
способные варианты, поэтому наиболее объективным будет вывод о нормальной
внутривидовой 15-25% изменчивости головного мозга. Это означает постоянное
отличие одного животного от другого на некоторое количество нервной ткани.
Для анамний этот ресурс может составлять от нескольких тысяч до десятков
миллионов нейронов, а для амниот — от сотен тысяч до нескольких миллиардов
клеток. Учитывая, что каждый нейрон обладает множеством контактов с другими
клетками и может быть носителем памяти, мы можем предполагать заметную
разницу в поведении отдельных особей даже в самой однородной популяции. Этологиче-
ские подтверждения индивидуализации поведения многочисленны и охватывают
практически все группы позвоночных. Это означает, что в любой популяции
существуют особи, которые могут решать определённые задачи лучше или хуже, чем
другие. Если биологическая ситуация стабильна, то указанной разницей в
потенциальных возможностях мозга никто и никогда не воспользуется.
Количественные различия мозга становятся значимыми при нестабильности
окружающей среды, высокой половой конкуренции или явном, но малодоступном пищевом
ресурсе. Они оказываются решающим резервом при полной исчерпанности
инстинктивно-ассоциативных наборов видоспецифических форм поведения. Если
индивидуализированная форма поведения даёт заметный выигрыш в доступе к пище, то она и
закрепляется последующими репродуктивными преимуществами, вероятность
сохранения количественных особенностей мозга данной особи возрастает. По-видимому,
именно этот механизм лежит в основе масштабных приспособительных изменений
головного мозга большинства первичноводных позвоночных. В зависимости от типа
питания и развития органов чувств их мозг дифференциально увеличивается в
размерах (см. § 27). Этот путь в эволюции нервной системы эффективен для
решения частных адаптивных проблем в рамках существующей конструкции нервной
системы. Крупные эволюционные события, приводящие к смене среды обитания и
возникновению новых систематических таксонов высоких порядков, требуют
качественных изменений в нервной системе.
Появление в нервной системе качественно новых структур требует
продолжительного времени и совершенно особых условий. Эти условия должны отличаться
от традиционной среды обитания и обладать непреодолимой притягательностью для
позвоночных. Гарантиями такой привлекательности остаются обильная пища и
успешное размножение. Если столь биологически выгодная среда долго сохраняется,
то у животных появляется шанс обретения качественно новой нейроморфологиче-
ской структуры.
Таких экологических условий в истории позвоночных возникало немного, и все
они отмечены появлением животных с качественно новыми структурами нервной
системы. Первым событием такого рода стало возникновение хордовых. Как
описано выше, появление хордовых было довольно случайным событием, а не фатальной
эволюционной закономерностью (см. § 26). Группа похожих на турбеллярий
небольших плоских червей продолжала обитать на мелководьях, богатых пищей.
Будучи фильтраторами и ведя пассивный образ жизни, эти плоские червеобразные
существа пытались закрепиться на максимально выгодных пищевых территориях.
Для этого они погрузили заднюю часть своего тела в придонные отложения. Такое
заякоривание широко распространено среди современных придонных
беспозвоночных. Отдалёнными последствиями этих несложных адаптивных действий
древних червей стали дорсальный нервный тяж и мышечная хорда, предотвращающая его
деформацию. Сутью качественных изменений двух- или четырёхцепочечной нервной
системы червеобразных предков хордовых стали несколько последовательных
событий. При двухцепочечном варианте произошёл 90-градусный поворот червя на одну
из боковых поверхностей тела. При четырёхцепочечной схеме строения нервной
системы отмечено слияние парных дорсальных и вентральных нервных цепочек. В
обоих случаях качественная перестройка нервной системы завершилась рострокау-
дальным слиянием сегментарных ганглиев дорсальной нервной цепочки с после-
дующим образованием центрального желудочка. Параллельно произошло разделение
узлов вентральной нервной цепочки до уровня соматических ганглиев (см. § 26) .
Они стали основой для иннервации внутренних органов.
Хордовые не появились бы без специфической переходной среды. Небольшая
глубина воды, обилие пищи и подходящие для размножения условия гарантировали
процветание любых придонных фильтраторов. Среди множества вариантов адаптации
к столь благоприятной среде возникновение морфотипа хордовых было только
одним из успешных вариантов. В этой ситуации решающую роль играла богатая пищей
среда, которая стала стимулом для морфологических изменений многих видов.
Дальнейшая эволюция хордовых протекала в более разнообразных условиях и
привела к возникновению всего многообразия первично-водных позвоночных (см. §
29) .
Вторым принципиальным качественным изменениям мозг подвергся после выхода
позвоночных на сушу. Это событие привело к крупным морфологическим
перестройкам, как в нервной системе, так и других органах. Сформировались конечности,
лёгочное дыхание, специализированные покровы и ряд других признаков,
позволивших архаичным тетраподам перейти к наземному существованию. Столь обширные
морфофункциональные перестройки анализаторного и эффекторного аппаратов
нервной системы не могли произойти за короткий промежуток времени и вне особой
переходной среды. Они были особенно необходимы для качественных изменений в
нервной системе, поскольку в количественном отношении мозг амфибий явно
проигрывает специализированным первичноводным животным. При выходе на сушу в
нервной системе древних амфибий возникли вомероназальная обонятельная
система, контроль за дыханием и комплекс стволовых центров управления
конечностями. Изменениям подверглась зрительная, слуховая и вестибулярная системы.
Переходной экосистемой между водной и наземной средой обитания могли быть
своеобразные почвенные лабиринты или карбоновые лесные завалы (см. § 31). В такой
переходной среде можно было долго использовать как плавательные движения, так
и опору на плавники. При высокой влажности лабиринтов одновременно
функционировали кожное дыхание, жабры и зачатки лёгких. Развитие водно-воздушных
органов чувств и моторных систем в переходной среде было оправдано
биологическими преимуществами, которые давало освоение богатых пищей и хорошо
защищенных территорий (см. § 33) . По-видимому, и почвенные лабиринты, и карбоновые
завалы из стволов деревьев создали уникальную переходную среду для
постепенной эволюции нервной системы древних амфибий. Только при длительном развитии
морфологических изменений могли бы появиться спинномозговые центры и красное
ядро для управления конечностями, вомероназальный орган и дополнительная
обонятельная луковица, вторичные слуховые и вестибулярные центры.
Третьим историческим периодом развития нервной системы можно считать
формирование мозга архаичных рептилий. Рептилийный период стал самым плодотворным
в истории позвоночных. Рептилии заложили основные принципы структурной
эволюции мозга амниот. У рептилий в нервной системе впервые сформировался
ассоциативный отдел. Он возник на базе среднего мозга и оказался настолько успешным
приобретением, что рептилии на миллионы лет стали самой доминирующей группой
позвоночных. Ассоциативный среднемозговой центр никогда не сформировался бы
без серьёзной биологической необходимости. Она возникла ещё в начале эволюции
рептилий как способ адаптации к агрессивной среде. Архаичным рептилиям
требовалось постоянно сравнивать информацию, приходящую от различных органов
чувств, и принимать сложные решения. Решения были вызваны постоянной
адаптацией поведения к быстро меняющейся ситуации. Этими свойствами мозг первично-
водных позвоночных и амфибий не обладал. Они выбирали одну из инстинктивных
форм поведения по совершенно другим принципам. Выбор амфибий был построен на
конкуренции между мозговыми центрами представительства анализаторов (рис.
III-28). Простое сравнение уровня возбуждений было достаточным условием для
реализации одной из инстинктивных программ. Рептилии впервые стали
обладателями аналитического устройства совершенно нового типа (см. рис. III-28). Оно
действовало по принципу сравнения информации, поступающей от каждого органа
чувств. Решающую роль стало играть содержание анализаторного сигнала, а не
сам факт возбуждения (см. § 37).
Рис. III-28. Морфологическая организация мозга позвоночных
различных систематических групп. Выше горизонтальной голубой
стрелки, обозначающей древние связи между отделами мозга, расположены
грибовидные ассоциативные центры отдела, ниже — результаты
функциональной специализации. Красные стрелки показывают связи
ассоциативного центра, зелёные — древние взаимодействия между
отделами . Объяснения в тексте.
Собственно говоря, у рептилий появились основы ассоциативного принципа
поиска решений. Понятно, что мы видим самые зачаточные признаки этого
губительного свойства мозга, но они возникли именно у рептилий. История рептилий, на-
верное, была намного богаче неврологическими экспериментами, чем мы можем
себе представить. Достаточно упоминания о ещё одном историческом приобретении
рептилий — кортикальных структурах переднего мозга (см. § 39). Половая
конкуренция в сочетании с невероятным развитием обоняния и вомероназальной системы
рептилий стала основой для появления кортикальных структур. Кортикальные
структуры переднего мозга сформировались на основе нового центра,
обеспечивающего интеграцию половых сигналов с остальными органами чувств. Этот
половой интегративный центр непродолжительное время конкурировал с ассоциативной
крышей среднего мозга, но его активность проявлялась только в период
размножения. По-видимому, для успешного размножения архаичным рептилиям нужно было
подчинять все системы организма этой задаче, а любые побочные занятия вплоть
до поиска пищи должны были игнорироваться (рис. II1-29).
Ассоциативные и кортикальные центры мозга рептилий не могли бы появиться
без весьма своеобразных условий. Однако допустим, что архаичные рептилии
просто расселились по поверхности Земли. Без серьёзной конкуренции со стороны
амфибий, насекомых и растений они быстро стали бы доминирующей группой без
глубоких перестроек нервной системы. В таких условиях для её
совершенствования нельзя представить никаких реальных оснований. Тем более невозможно
отыскать внешние причины для формирования настолько гипертрофированного обоняния,
что это привело к возникновению кортикальных структур переднего мозга.
Следовательно, реальные события развивались по совершенно иному сценарию и к
идиллическому разбреданию рептилий по поверхности планеты отношения не имели.
Наиболее вероятна довольно длительная эволюция архаичных рептилий в
специализированной переходной среде. Эта экологическая ниша, очевидно, была не
приспособлена для безмятежного процветания молодой группы позвоночных. Скорее
всего, все неврологические приобретения рептилий возникли как адаптивные
приспособления к крайне сложной среде обитания и агрессивному конкурентному
окружению. Такой средой вполне могли быть карбоновые древесные завалы из
стволов растений (см. § 38) . Эту среду отчасти использовали ещё амфибии, но они
явно пришли туда за обильной и гарантированной пищей. Пищей скорее всего были
первичноводные позвоночные, которые использовали карбоновые завалы в качестве
удобных мест для размножения. Со временем они сменили места размножения или
отступила вода. Когда источник пищи по тем или иным причинам иссяк, амфибии
стали использовать в пищу себе подобных. Это привело к невиданной конкуренции
и быстрому отбору по свойствам и ассоциативным возможностям мозга.
Переходной средой для формирования рептилий стали карбоновые растительные
завалы, где трёхмерная среда предъявляла повышенные требования к
вестибулярной системе и дистантным анализаторам. Отсутствие света выводило обоняние на
качественно иной уровень морфофункционального развития. Он использовался как
важнейший дистантный анализатор и система контроля полового поведения.
Активно эволюционировала слуховая система, которая не менее эффективна для
ориентации в темноте. За несколько десятков миллионов лет жесточайшей конкуренции
в карбоновых растительных лабиринтах сложился уникальный рептилийный мозг с
довольно совершенным набором неврологических структур и эффективным
ассоциативным центром. С его помощью решались проблемы поиска пищи,
конкуренции, избегания опасности и др. Когда наступал период размножения, весь мозг
подчинялся новой корковой структуре в стенке переднего мозга. Она стала
специализированным центром управления половым поведением, которого не было ни у
кого из позвоночных до рептилий. Таким образом, мозг архаичных рептилий стал
совершеннейшей системой для решения самых главных биологических задач любого
вида — выживания и размножения. Для каждой задачи появилась собственная инте-
гративная система, которая в состоянии перенацелить весь организм рептилий на
её решение. С таким поведенческим ресурсом рептилии вышли из своей
агрессивной колыбели и очень быстро стали доминирующей группой на планете.
Рис. III-29. Переходные среды в эволюции мозга позвоночных: а—г —
происхождение хордовых в илистых мелководьях; д—ж — выход на сушу
через водно-воздушные лабиринты; з, п — возникновение амфибий и
рептилий в карбоновых растительных завалах; к—н — формирование птиц в
водной среде; п-т — появление млекопитающих в кронах деревьев; и, о
— специализация рептилий.
Возникновение мозга птиц нельзя считать принципиальным эволюционным
событием, связанным с качественной перестройкой мозга. Птицы, вероятно, должны были
исчезнуть вскоре после своего появления. Это была тупиковая адаптивная
специализация, которую спасла утрата обоняния. Огромный неврологический субстрат
обонятельной системы достался архаичным птицам из-за смены пищевых
пристрастий. Перейдя к питанию в мелководных заводях или с плавника, они перестали
использовать обоняние в качестве ведущей системы афферентации. Основной
анализаторной системой стало зрение, а дополнительной — слух (см. § 43). Добывая
пищу в воде, архаичные птицы передвигаться на задних конечностях, что
постепенно привело к значительному снижению нагрузки на передние конечности и
частичной рудиментации кисти. Роль переходной среды в этом случае играло богатое
пищей прибрежное мелководье, которое сохранило притягательность для птиц до
настоящего времени.
Хотя узкая специализация птиц гарантировала им быстрое вымирание, переход к
плаванию и нырянию за пищей привёл к развитию крылоподобных передних
конечностей. На этом этапе эволюции птиц, по-видимому, появились пингвины, которые
никогда не летали. Ныряние и плавание с использованием передних конечностей
создали физические условия для развития полых костей, мощных грудных мышц,
системы воздушных мешков лёгких и перьевого покрова. Судя по всему, добывание
пищи в холодных водах стало одним из основных стимулов к обретению
теплокровности. Крылоподобные плавательные конечности использовались не только для
плавания. Древние птицы применили машущие движения передних конечностей для
своеобразного «бега по воде», который стал переходной фазой к активному
полёту (см. § 44).
Крылья и перьевой покров сформировались для охоты в водной среде, но были
адаптированы и использованы для полёта. В этой ситуации переходной средой
стала вода. Она создала все необходимые условия для постепенного накопления
изменений в нервной системе птиц, поэтому появление крыльев и переход к
полёту не вызвали радикальных перестроек в центральной нервной системе (см. §
43). В связи с редукцией обоняния у птиц на основе базальных структур
переднего мозга сформировались ассоциативные центры. Эти центры представлены нео-
и гиперстриатумом, которые стали основой становления сложного поведения птиц,
памяти и индивидуализации поведения.
Млекопитающие представляют собой довольно странную в неврологическом
отношении группу. Преимущества их мозга возникли на основе развития интегративных
функций половой системы. Как сказано выше, основной причиной появления
кортикальных структур мозга рептилий было развитие вомероназального (якобсонова)
органа. Его центральное представительство сформировалось вне древних
обонятельных ядер переднего мозга. Основными вторичными центрами вомероназального
обоняния стали скромные кортикальные структуры рептилий (см. § 39) . На этом
морфологическом субстрате сложилась интеграция полового поведения всего
организма рептилий. Такое централизованное управление позволяло подчинять весь
организм одной задаче и эффективнее достигать успеха в размножении.
Млекопитающие пошли намного дальше рептилий. На этой репродуктивно-
интегративной морфологической структуре переднего мозга сформировался
ассоциативный центр совершенно нового типа. Он стал выполнять функции контроля за
работой уже сложившихся сенсорных систем. Автономные механизмы мозга остались
на уровне древних центров, а все сложные благоприобретённые функции
складывались на уровне коры переднего мозга. Кроме обоняния и половых
интегративных центров, для мозга млекопитающих характерно развитие сенсомоторной
системы и механизмов кинестетического контроля. Только у млекопитающих мозжечок
сформировал парные полушария. Он достиг столь гигантских размеров, что его
поверхность зачастую превосходит размеры неокортекса. Более того,
значительная, а иногда и большая, часть самого неокортекса обеспечивает соматические,
сенсомоторные и моторные функции.
Для появления столь странной специализации нужна весьма оригинальная среда.
Сами карбоновые растительные завалы были сложной трёхмерной средой для
рептилий, но их мозжечок не достиг даже развития мозжечка птиц. Переходная среда
возникновения млекопитающих должна была предъявить необычно высокие
требования к анализу положения тела и координации движений. На поверхности земли
только в ветвях деревьев могут оказаться столь жёсткие требования к
кинестетическому контролю. По-видимому, в кронах деревьев сформировались все
основные сенсомоторные, обонятельные и слуховые преимущества млекопитающих. Этой
переходной средой можно объяснить как появление неокортекса, так и развитие
соматической чувствительности, которая стала одним из основных органов чувств
(см. § 48).
Результатом становления соматической чувствительности стали рецепторные
образования дермы — волосы. Волосы, иннервированные свободными нервными
окончаниями, эффективно повысили соматическую чувствительность и затем стали
причиной появления волосяного покрова. Дальнейшее использование волос для
терморегуляции замаскировало их первичное предназначение. В кронах деревьев впервые
возникло совершенно новое требование к нервной системе (см. § 4 9). Для
архаичных древесных млекопитающих было недостаточно сравнительного анализа
информации, поступающей от различных органов чувств. Этот способ работы
ассоциативных систем не позволял сделать прогноза событий. В кронах деревьев
предвидение развития событий стало решающим условием, как для добывания пищи, так и
для элементарного сохранения жизни. Только полёт мог бы избавить
млекопитающих от этих проблем. Однако к нему прибегли лишь рукокрылые после
формирования основных принципов строения мозга млекопитающих. Основными структурными
последствиями обитания в кронах деревьев стали неокортекс, двухполушарный
мозжечок и небольшая способность прогнозирования развития событий. Эта
особенность млекопитающих после их переселения на почву и в водную среду создала
им значительные поведенческие преимущества. Способность к оценке возможных
событий стала для млекопитающих инструментом доминирования на планете.
Все перечисленные глубокие изменения в строении нервной системы позвоночных
вызваны приспособлением мозга к обитанию животных в специфической среде. Без
длительно существующей переходной среды не будет достаточного времени для
изменения структурной организации нервной системы. Она слишком качественно
консервативна и количественно пластична для быстрых и радикальных
морфологических преобразований. Предположение о существовании переходных сред может
объяснить причины возникновения мозга современных позвоночных.
Литпортал
ПОДАРКИ СЕМИЛИРАНДЫ
Борис Руденко
Брек Линар был гораздо старше своих башмаков, но редкий человек смог бы
определить это с первого взгляда. Башмаки устало разевали пасти на пыльную
улицу, на серые фасады домов и чахлые деревца вдоль деревянных тротуаров, на
собак , вяло скалившихся в ответ.
Брек сидел на скамье у входа в трактир и размышлял о том, что башмаки
дотянут лишь до Веселых Водопадов, а дальше придется идти босиком, если не
попадется по дороге богатый чудак или хорошая помойка.
- Шагал бы ты отсюда, прохожий, - мрачно посоветовал трактирщик. - Только
клиентов отпугиваешь.
Брек Линар никогда не лазил за словом в карман и в другое время непременно
нашел бы, что ответить, но сегодня он был исполнен благодушия. День был
теплый, тихий, да и в груди почти не болело.
Он вдел ноги в башмаки и поднялся.
Из-за угла с воплем выскочила орава мальчишек.
- Идет! Идет! - верещали они. - Он идет!
Вслед за ними спешили домой почтенные горожане. Повсюду хлопали калитки и
двери, скрежетали засовы.
- Домой немедленно! - орали мамаши, подтаскивая отроков за уши к родному
крову.
- Кто идет? - запоздало выкрикнул трактирщик, обращаясь к пустеющей улице.
- Семилиранда идет! - ответил десяток голосов - испуганных, любопытных,
настороженных: равнодушных не было.
- Ах, напасть какая! - закудахтал трактирщик, кинулся было закрывать окна,
двери, да не успел.
Семилиранда - вот он, тут уже. Не старый, не молодой, загорелое лицо в
мелких морщинках, на голове шляпа из желтой соломы. Невысокий, но будто из
железа .
Брек против воли заинтересовался и снова уселся на скамью. А трактирщик так
и застыл, где стоял.
- Здравствуй, трактирщик, - весело сказал человек с чудным именем.
- Здравствуй, Семилиранда, - робко ответил тот, помялся немного, потом
спросил: - Как поживаешь?
- Что мне сделается! - беспечно сказал Семилиранда. - А вы тут неважно
живете .
- Отчего же? - испугался трактирщик. - Все у нас хорошо.
Семилиранда погрозил ему пальцем:
- Не обманывай меня. Я-то знаю... Вот, подарок вам принес.
Он выудил из-за пазухи небольшую коробку, перевязанную шелковым шнурком.
- Только брать у меня его никто не хочет, - вздохнул Семилиранда. - Может,
ты возьмешь?
Изо всех окон, изо всех щелей с жадным любопытством и непонятной надеждой
смотрели на него десятки глаз.
- Нет, нет, - трактирщик быстро замахал руками. - Мне не нужно. Я. . . я не
могу.
- Сюда давай! - раздался из-за ограды мальчишеский голос и прервался звуком
смачной затрещины.
Семилиранда даже ухом не повел.
- Жаль, - сказал он. - В этот раз, значит, напрасно к вам пришел. Ну ладно,
пойду дальше.
- Ты не обижайся, - облегченно забормотал трактирщик, - ты опять приходи.
Не забывай нас.
Человек в соломенной шляпе повернулся и зашагал прочь из городка. Улица тут
же заполнилась людьми. Брек Динар изумился, как быстро все повыскакивали из
своих домов.
- До свидания! - дружно кричали они и махали вслед руками, платками,
шляпами. - Приходи к нам еще, Семилиранда!
Он остановился и тоже взмахнул шляпой.
- До свидания, - сказал. Потом нахлобучил шляпу на голову и подмигнул Бре-
ку. Только ему одному из всей толпы. Брек был убежден в этом.
Поражаясь нелепой своей уверенности, он потихоньку протолкался сквозь
толпу , и тоже зашагал по дороге. Ему и подавно нечего делать в городе.
Дорога круто повернула, и город кончился. Такие уж тут места: сейчас был, и
вдруг раз - и нет его. Только дорога, холмы да тысячи шагов, которые нужно
пройти, прежде чем увидишь человеческое жилье. По краям дороги растут дикие
абрикосы (Брек подпрыгнул, сорвал, попробовал - зеленые еще, кислые), черные
ужи греются на обочинах, а прозрачные ручейки текут по склонам холмов и
собираются у дороги в небольшие чистые озерца.
За вторым поворотом возле озерца в тени абрикоса сидел Семилиранда, а рядом
стояла коробка.
- Не торопись, - сказал Семилиранда, - набьешь еще ноги-то. Передохни
малость .
Брек Линар никак не мог понять, отчего так перепугались жители города.
Человек как человек, совсем обычный.
- И не поймешь, - засмеялся Семилиранда, будто читая мысли. - Садись лучше.
Эти штучки Бреку хоть бы хны. Навидался он всяких фокусников. Присел рядом,
закурил, разглядывая попутчика.
- Ну что? - поинтересовался Семилиранда.
- Чудной ты.
- Почему? - спросил собеседник. Не из любопытства, а так, чтобы поддержать
разговор.
- Подарки носишь, а их не берут. Предложил бы мне, я бы не отказался.
- Так уж! - усомнился Семилиранда - и опять вроде как понарошку.
- А ты предложи.
- Как раз собираюсь. Только подарки у меня с секретом.
Брек поболтал ногой и вытряхнул из башмака камешек.
- Может, у тебя башмаки новые есть?
- Башмаков сегодня нет. - Семилиранда уже развязывал свою коробку. - Вот
какой у меня подарок.
Он вытащил из коробки часы. Обыкновенный будильник.
- Это мне без надобности, - разочарованно сказал Брек Линар. - Разве на
ботинки сменять. А почему они в городе у тебя не взяли?
- Побоялись. Говорю ведь, с секретом подарок. Тому, кто возьмет, толку
никакого. Совсем наоборот. Заведи-ка их, Брек.
Брек не стал удивляться, откуда тот знает его имя. Взял и завел. И только
тут заметил, что циферблат размечен всего с девяти до двенадцати. И стрелка
только одна.
- Вся твоя жизнь тут, - грустно проговорил Семилиранда. - То, что осталось.
- Ну, это ты хватил, - усмехнулся Брек Линар. - До следующего лета я еще
протяну.
- И дольше протянешь, - подтвердил человек в соломенной шляпе. - А все же
вот она, твоя жизнь.
- А секрет-то где?
- Будет и секрет. - Семилиранда хитро подмигнул и встал. - Пойду я. Мне
пора .
И зашагал по дороге.
Брек тоже поднялся. "Чудной", - пробормотал еще раз про себя. Поразмыслил:
сразу ли закинуть никчемный будильник в канаву или подождать немного? Решил
подождать.
- Эй, прохожий! - окликнули сзади.
Брек чуть вздрогнул и повернулся.
Тяжело дыша, к нему подходил трактирщик. По истомленному жарой багровому
лицу катились струйки пота.
- Это Семилиранда подарил? - жадно спросил он, выставив вперед толстый
палец с кривым ногтем.
- Он самый, - подтвердил Брек.
- Что это, прохожий?
- А ты у него спроси, - посоветовал Брек и посмотрел в ту сторону, куда
только что направился Семилиранда. Посмотрел и от удивления разинул рот. Не
было его на дороге. Будто и не проходил вовсе.
- Ты к Веселым Водопадам идешь, прохожий? - приставал трактирщик. - Не ходи
туда, лучше возвращайся к нам.
- Вроде я у вас ничего не забыл, - подумал вслух Брек.
- Если что не так, ты извини, - сладко пел трактирщик. - Отдохнешь у меня,
поешь. Куда тебе торопиться?
- Это ты хорошо сказал, - задумчиво произнес Брек. - Разве что на тот свет.
Насчет поесть - тоже хорошо...
С фортуной у Брека сложились натянутые отношения, и он не собирался
отказываться даже от мизерных ее даров. Настоящий обед - это вам не шутовской
будильник. Впрочем, и часам Брек надеялся найти применение.
- Давно дождя не было, - сказал трактирщик.
- Так это прекрасно, - объяснил Брек. - Знаешь, сударь мой, как быстро
намокает одежда от мокрой травы?
- Жарко, прохожий, - пожаловался трактирщик. - У меня виноградники сохнут.
Хоть бы на полчаса дождичек.
- На полчаса - это можно, - согласился Брек, чтобы не обижать хорошего
человека .
Со странным выражением трактирщик осматривал небо. Вертел головой во все
стороны.
- Где же дождь? - подозрительно спросил он.
Откуда взяться дождю в такой погожий день? Небо оставалось ясным и жарким.
Вяло гудели накаленные мухи, дребезжание их пересушенных крыльев нагоняло
дремоту.
- Почем я знаю? - запоздало ответил слегка сбитый с толку Брек. Но лицо
трактирщика стало, как прежде, сладким и приветливым. Он рассмеялся мелким,
угодливым смешком:
- Нет дождя - и не надо.
Сегодня Брек не переставал удивляться. Трактирщик привел его в свое
заведение и действительно накормил. К тому времени, когда Брек заканчивал вишневый
пирог с красным вином, за ним внимательно наблюдали человек тридцать, будто
Брек президент или дрессировщик тарантулов.
Брек не возражал, не возмущался, справедливо рассудив, что такая плата за
улыбку судьбы вполне приемлема. Пускай их смотрят, от него не убудет.
После обеда трактирщик проводил его в лучшую комнату. Там был удобный стол
(Брек поставил на него свой будильник) и мягкая кровать, на которую он
повалился , не снимая грязной куртки, - не из свинства, а чтоб показать, что ему,
Бреку, на все чихать. Но самое главное - Брека ждали башмаки. Не совсем
новые , но добротно сшитые, крепкие, как раз по ноге. Брек так обрадовался, что
расхотел спать. Надел ботинки и пошел на улицу. За ним тут же повалили
ожидавшие его зеваки. Брек решил не обращать на них внимания. Он испытывал давно
забытое ощущение сытости и спокойствия. В боку покалывало, но не сильно.
Возле трактира стоял горожанин, пытавшийся разминуться с фонарным столбом.
Столб упрямо не уступал дороги, и горожанин храбро вступил с ним в поединок,
намереваясь спихнуть с пути. Брек минут пять любовался единоборством, даже
поближе подошел. Увидев его, пьяница оттолкнул столб подальше и протянул к
Бреку руки, облекая в скудные звуки крик наболевшей души.
- Нал-л-лей стакашку, - сказал он.
- Пей на здоровье, - поддержал игру благодушно настроенный Брек.
Пьяница долго пытался поймать что-то в свою пустую ладонь, согнутую
клешней, потом сплюнул, выругался и побрел своей дорогой.
- Даже этого не может... - зашелестели голоса за спиной Брека.
Брек резко обернулся и крикнул в раздражении:
- Свихнулись! Что я, колдун какой?
Из-за угла выкатил автомобиль - один из пяти, имевшихся в городе. Сынок
трактирщика сидел на водительском месте, вцепившись в баранку, чтоб не
вывалиться на ухабе. Брек отскочил в сторону, брызнули с дороги зеваки, взвыла
замешкавшаяся собачонка - и драндулет исчез в клубах пыли.
С жалобным воем собачонка скакала на трех лапах, поджимая четвертую к
брюху.
- Ах ты бедняга, - пожалел Брек, - лапу тебе отдавили.
Собачонка словно поняла, что ей сочувствуют, подбежала, прижалась к ногам.
Брек наклонился и погладил пыльную свалявшуюся шерсть:
- Ничего, заживет твоя лапа.
На короткий миг невесомым стало тело. Мир крутанулся вокруг оси по имени
Брек Линар. От неожиданности Брек охнул, покачнулся, а собачонка помчалась
как ни в чем не бывало, размахивая кренделем хвоста. На всех четырех.
- Исцелил... - прошелестело вокруг.
А Брек Линар двинулся в трактир, чтобы осмыслить, как следует происходящее,
разобраться в странностях этого дня, да посмотреть заодно, нельзя ли чего еще
перехватить у доброго хозяина. Брек был совершенно уверен, что его накормят.
Отчего - сам не знал, однако не сомневался, удивляясь в то же время
собственному нахальству.
Чудеса продолжались. Трактирщик - тот самый, что утром прогонял Брека
взашей, - сейчас ждал его у входа, суетился, беспокоился. И не один - с
супругой, с любимыми чадами и родственниками. Были тут и другие благородные люди -
аптекарь, полицмейстер, еще кое-кто. Все с семьями.
Трактирщик попытался что-то сказать, но полицмейстер не дал. Оттеснил всех
и сам шагнул к Бреку.
- Почтенный, - плачущим голосом произнес он, - подагра замучила. Вы не
поверите , какие мучения я испытываю последние семь лет.
- Я понимаю, - покивал на всякий случай ничего не соображающий Брек.
- Сделайте милость, - умолял полицмейстер.
- Дак что ж я могу? - ошарашенно спросил Брек.
- Исцели!
- Ей-богу, я не умею.
- Умеешь, умеешь! - закричали все вокруг. - Мы знаем! Ты только захоти!
- Мне не жалко, - согласился вконец растерявшийся Брек. - Подагра - это
где?
- Вот здесь и здесь, - полицмейстер попытался протянуть к нему руки и ноги
одновременно, и едва не свалился в пыль.
- Ладно, пускай больше не болит, - неуверенно проговорил Брек. - А поесть у
вас чего найдется?
И вновь он испытал головокружение и удивительную легкость членов. А
полицмейстер с радостным стоном разглядывал свои пальцы, сгибал их, разгибал,
крутил по-всякому.
Тут все как с цепи сорвались. Брек испугался, подумал: Задавят. Они кричали
в один голос про мигрени, язвы, ревматизм и гастриты, произносили другие
удивительные слова, никогда не слыханные Бреком.
В короткий срок Брек Линар излечил аптекаря от мигрени, а его жену от
хронического запора. Трактирщик пожаловался на воду в коленке, жена трактирщика
- на то, что полосы выпадают, и всех их Брек излечил тем же дурацким
способом, испытывая каждый раз головокружение.
А когда излечил всех, ему подали ужин, какого Брек давно не видел даже во
сне. Но есть уже не хотелось. Его лихорадило, и он ушел.
Он втащился в свою комнату и прилег на кровать. Громко тикал на столе
дареный будильник. Тик-так, тик-так - невидимые молоточки колотили, казалось, по
самому черепу. Брек Линар протянул руку, чтобы упрятать часы под подушку, да
так и замер. Тогда у Семилиранды, стрелка показывала без четверти, а теперь -
без десяти двенадцать.
- Идут, значит, - пробормотал озадаченно Брек и стал следить за стрелкой.
Полчаса не спускал глаз, но она больше не шевельнулась.
Он еще раз припомнил события дня и вдруг испытал смутное подозрение.
"Быть того не может!" - поразился Брек, но подозрение росло, крепло,
превращалось в тоскливую уверенность. Обещанный секрет внезапно раскрылся перед
ним с оглушающей безысходностью.
- Колдун чертов, - тоненько сказал Брек. - Что же ты натворил?
Это его, Брека, время шло к исходу, пока он пользовал почтенных подагриков.
Его, Брека, личное время, которого и так оставалось всего ничего, считанные
деньки.
Взгляд Брека посуровел, он напыжился и властно произнес: - Желаю, чтоб
грудь не болела!
И ничего не произошло.
- У меня чтоб не болела грудь! - уточнил Брек. И опять ничего не случилось.
Тогда Брек загрустил.
В дверь осторожно постучали.
- Дома нет! - крикнул Брек, потом слез с кровати и отворил дверь женщине,
одних примерно с ним лет. Кожа на ее лице была грубой, словно обугленной
солнцем, да и сама женщина гляделась высохшей от зноя, ветра и хлопот.
- Что? - с ходу спросил Брек. - Исцелиться хочешь?
- Я бы хотела, - ответила женщина, не замечая враждебности его тона,
только мне это уже ни к чему. Я насчет дочки.
- Насчет дочки, - хмыкнул Брек, - а мне плевать. Я тоже жить хочу. На
солнышко смотреть.
Женщина вздохнула и ничего не ответила.
- Нашли остолопа, - продолжал Брек. - И ведь молчали все. А этот,
Семилиранда . Благодетель! Да кто он такой?
- Он каждый год тут проходит, - сказала женщина. - Уже много лет, не упомню
сколько. Откуда, куда - никто не знает. А подарок его можешь выбросить. Того,
что ушло, не вернешь, а дальше, если хочешь, можешь от подарка избавиться.
Все так делают, когда догадываются.
- И я так сделаю, не сомневайся. А кто же это все?
- Прохожие, - объяснила женщина. - В городе-то все знают, что за подарки у
Семилиранды. Не каждому они по силам. Только если прохожий какой возьмет.
- Дурак какой, - сказал Брек. - Вроде меня.
- Ты на всех плохо не думай, - сказала женщина. - Слабы люди, от бед своих
слабы. Многим помощь нужна, вот и молчат, не рассказывают, какие они,
подарки . От слабости молчат, не от подлости.
- Трактирщик с полицмейстером тоже от слабости? - спросил Брек.
- Не знаю, - ответила женщина, - нет, наверное. Я-то всегда предупреждаю. И
остальные... Только нам уже ничего не достается.
- Какие такие остальные?
- А вон, на улице ждут...
Брек подошел к окну, откинул занавеску. На улице стояли люди, молча
смотрели на Брека через оконное стекло.
- Вон, гляди, Фатия, - негромко говорила женщина из-за его плеча. - Год
назад у нее мужа задавило на руднике, а дочке восемь лет, только она не ходит,
ног не чувствует. А вон Мерана, у нее рука сохнет. Посмотри, это Антор,
сапожник. У него грудь слабая...
- У Семилиранды и попросите, чтобы помог, - отрезал Брек.
- Он помогает, как умеет, - спокойно сказала женщина. - Он по-другому не
может. Так не бывает, чтобы всем сразу хорошо стало. Добро просто так не
дается. Кого Семилиранда одарит, тот чужую беду на себя принимает. А сам он как
ребенок малый, что от его подарков будет, того он знать не хочет. Оттого
добро его не часто до нас доходит. И никому не известно, какой он подарок в
следующий раз принесет.
- Мне чужие беды без надобности, - сказал Брек.
- Своих хватает.
- Я понимаю, - согласилась женщина. - Кому охота чужое на себя взваливать,
да еще задаром.
- Своих бед хватает, - повторил Брек. - Мне самому этой жизни осталась одна
ложка.
- Конечно, милый, - ласково сказала женщина. - Какой тебе от нас прок?
Разве хлеба кусок пополам разделим.
- Чахотка у меня, - рявкнул Брек. - Думал до следующей осени дотянуть, а
теперь куда уж с проклятым подарком.
- Да ты не беспокойся, - уговаривала женщина, - ясное дело. Что ж другим
помогать себе в ущерб?
Она не обижалась и не сердилась. Просто объясняла Бреку ей самой давно
понятное .
- Ну, змея! - отчаянно крикнул Брек и рванул на себя оконную раму.
Некоторое время он смотрел на людей, ждавших чуда от изможденного оборванца. А
потом закричал, приказывая:
- Эй, Фатия, иди сюда! И ты, Мерана. Все идите!
Меньше минуты недоставало до двенадцати на часах Семилиранды. Брек Линар
лежал в постели, хватая воздух обрывками легких. Раза четыре заглядывал
трактирщик: не пора ли выносить Брека ногами вперед? Спрашивал: "Эй, ты живой
еще?" Тогда Брек ругался черными словами, а трактирщик грозил: "Ты, бродяга,
не очень-то. Вот велю выкинуть тебя отсюда".
Брек держался. Может, оттого, что был сильно обижен. Он чувствовал себя
обманутым, и горше всего было то, что Брек никак не мог сообразить, кто его
обманул, и в чем. Может, беззаботный Семилиранда? Может, полицмейстер с
трактирщиком? Или эта вчерашняя женщина, как ее зовут, Юлина? А может, все они
вместе?
Брек Линар умирал, но от огорчения никак не мог перестроиться на
торжественный лад.
Ощущение сладкой прохлады вывело его из полузабытья. Он открыл глаза и
увидел Юлину.
- Ну, что? - прошептал Брек, изображая уголками губ ухмылку. - Опять кого
привела? Все уж. Больше ничего не умею.
Юлина еще раз провела по его лицу влажной тряпицей.
- Никого я не привела. Посижу с тобой, - сказала она. - Попить хочешь?
Она напоила Брека и села рядом.
- Чего время зря терять? - еле слышно бормотал Брек. - Ничего больше из
меня не выжмешь.
- Ничего и не надо, не беспокойся, - терпеливо отвечала Юлина. - Фатия тебе
бульон куриный принесла. У нее петух был. А твои старые башмаки Антор
починил . Ты не поверишь - ну как новые стали.
- Врешь ты все, - твердил свое Брек. - Плевать им теперь на меня. И тебе
плевать. А мне и подавно.
Юлина хлопотала подле него, отирала пот с жаркого лба. Потом в комнату
вошли Фатия, Мерана и еще люди, которые вытеснили далеко в коридор орущего
трактирщика. Каждый из них нес для Брека самую малость - все, что имел. А
Бреку ничего этого уже было не нужно, но они входили и входили, не только те,
кого Брек вчера вылечил, но и совсем незнакомые, узнавшие про человека,
который так и не расстался с подарком Семилиранды до самого конца. Знал и не
расстался. И Брек отчего-то успокоился. Ему показалось, что легче стало дышать.
"Помираю", - подумал он.
Кто-то всхлипывал возле него. Фатия или ее дочка - Брек не мог понять, а
головы поворачивать не хотелось. Он слушал и не желал поверить, что из-за
него еще могут плакать. А все-таки плакали. Его беда стала общим горем, и в это
тоже никак не мог поверить Брек.
Внезапно отчего-то все умолкли. Наступила тишина, но она была совсем иной,
не похожей на прежнюю.
Звонкое тиканье часов Семилиранды прекратилось. Брек вгляделся: стрелка
стояла на прежнем месте. За полминуты до двенадцати. Антор нерешительно
протянул к будильнику руку.
- Не трожь! - захрипел Брек, но так слаб был его голос, что Антор не
услышал . А может, Бреку только показалось, что он произнес эти слова.
- Пружина поломалась, - неуверенно сказал Антор.
Брек первым постиг смысл сказанного, и ему стало страшно по-настоящему.
Он испугался, что будет жить вечно.
Химичка
ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Станислав
Введение
Выращивание кристаллов по истине увлекательное занятие и, пожалуй, самое
простое, доступное и недорогое для большинства начинающих химиков,
максимально безопасное с точки зрения ТВ, что немаловажно для тех, кто проводит
эксперименты дома. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении
аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей
работы. Советская и современная литература по демонстрационному эксперименту
зачастую охватывает этот раздел, но авторы, как правило, не всегда указывают на
детали. Ниже я излагаю свою методику по выращиванию кристаллов, которой
пользуюсь с 1997 года. Отнесёмся к данному опыту, как к любому химическому
эксперименту, в котором также существует своя предварительная подготовка, стадии
выполнения.
1. Природа процесса
Рост кристаллов я бы разделил на пункты:
1. Естественный (образование кристаллов в природе);
2 . Искусственный:
2.1. для научно-технических целей;
2.2. на занятиях экспериментальных, практических, внеклассных работ;
2.3. случайный рост кристаллов (рис. 1) - результат был достигнут
непреднамеренно, опыт прошёл без контроля экспериментатора, имели место
неучтённые факторы или условия, имели место дополнительные химические
и (или) физические процессы (пример: испарение растворителя через
треснувшую пробку, пролонгированное окисление вещества в растворе
способствовало кристаллизации другого и др.);
а б в г
Рис. 1. Примеры, иллюстрирующие случайный рост
кристаллов: (а,б,в) - треснутая крышка способствовала
постепенному испарению воды, поскольку вещество
оказалось не очень гигроскопичным, оно
выкристаллизовалось (это могут быть и KI, РЬ(ЫОз)г и др.) ; (г)
окисление бензальдегида кислородом воздуха со
временем дало бензойную кислоту, которая в нём не
растворима: С6Н5СНО + [О] = С6Н5СООН
Выращивание кристаллов физико-химический процесс.
Растворимость веществ в любых растворителях можно отнести к физическим
явлениям со следующей позиции: происходит разрушение кристаллической решётки,
теплота при этом поглощается из окружающей среды (иногда так сильно, что это
можно ощутить тактильно, например, при растворении нитрата NH4NO3 или
роданида аммония NH4SCN, иодида калия KI, красной кровяной соли K3[Fe(CN)6] и др.) .
Это растворение называется эндотермическим.
Однако зачастую мы наблюдаем и химические процессы: гидролиз и сольватацию.
Гидролиз - (греч. «гидрос» - вода, «лизис» - разложение) разрушение веществ
под действием молекул воды, наглядный пример - в пробирку с 10 мл воды
внесите каплю концентрированного раствора соли серебра, свинца (II), олова (II)
или (IV), висмута (III) , сурьмы (III) или (V) , будете наблюдать помутнение
раствора (рис. 2) :
SnCl2 + Н20 -> Sn(OH)Cl| + НС1
Кстати, как видно, уравнение гидролиза иллюстрирует причину изменения
окраски индикаторов в растворах данных солей подобно в кислотах. Для многих
веществ, образованных сильной кислотой и слабым основанием, гидролиз обратим.
Для его предотвращения можно добавить кислоту с соответствующим соли кислот-
ным остатком. Несмотря на противоречие (химики поймут), увеличение
концентрации исходного вещества в какой-то момент подавит гидролиз, муть исчезнет и
раствор станет насыщенным и бесцветным.
Рис. 2. Примеры гидро.нпующихся солей.
В водных растворах многие вещества образуют так называемые «аквакомплексы».
К примеру, сульфат меди (II) CuSCm - белый порошок, а его кристаллогидрат -
пентагидрат сульфата меди (II) или медный купорос CuSCm • 5Н20 - голубого
цвета, а разбавленные растворы солей меди (II)- синие или голубоватые (возьмите
тот же зелёный дигидрат хлорида меди (II) CuCl2*2H20 и разбавьте посильнее
водой) . Так вот это всё образование аквакомплексов, и тот же купорос можно
записать: [Си(Н20) 5] SO4. Другой пример - растворение серной кислоты в воде,
вспомните, сколько теплоты выделяется при этом процессе:
H2S04 + пН20 = H2S04 • пН20
При растворении таких веществ (обезвоженные кристаллогидраты, щёлочи, кон-
центрированные кислоты), наблюдается выделение теплоты - экзотермическое
растворение .
2. Подготовка к
выполнению эксперимента
На графике (рис. 3) изображена растворимость некоторых солей в воде. Как
показывает практика, наиболее распространёнными веществами для выращивания
кристаллов являются: хлорид натрия NaCl, медный купорос CuS04*5H20, квасцы
(алюмокалиевые КА1 (SO4) 2 * 12Н20, хромокалиевые KCr (SO4) 2 • 12Н20 и др.). Менее
распространены, но также используемы: бихромат К2Сг207 и хромат К2Сг04 калия,
сульфат железа (II) FeS04-7H20, соль Мора (NH4) 2Fe (S04) 2 • 6Н20, перхлорат натрия
NaC104, красная кровяная K3[Fe(CN)6] и жёлтая кровяная K4[Fe(CN)6] соли,
многие соединения тяжелых металлов, органические соединения (гидрофталат калия
КНС804Н4, сахар Ci2H220n, салициловая кислота С7Н603, тиомочевина CS(NH2)2, сег-
нетова соль КЫаС^ЩОб *4Н20 (натрий-калий виннокислый или тартрат натрия-калия)
и другие различные соли органических кислот).
Границы в этом перечне нет и экспериментировать можно с любыми другими
соединениями и растворителем, заменяя воду на легко летучие спирт и эфир. Но,
поскольку, самым распространённым растворителем является вода, в
экспериментах будет использоваться она, и разговор будет идти, в основном, о
соединениях в ней растворимых.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Температура, t" С
/ - в пересчёте на безводную соль
Рис.3, Растворимость некоторых солей в граммах
на 100 грамм воды в зависимости от температуры.
Как правило, при выборе материала важны следующие факты:
• вещество не должно быть токсичным. Забавно узнать: какие кристаллы, к
примеру, даёт сульфид натрия Na2S или цианид калия KCN. Но данные
вещества легко окисляются кислородом воздуха и гидролизуются влагой, в
результате выделяются токсичные вещества, которые могут привести к отравлению
и даже смерти;
вещество должно быть стабильным. Не должно заметно или необратимо гидро-
лизоваться. Должно быть стабильно к повышению температуры, так как
многие вещества могут разрушаться в горячей воде, что характерно для
некоторых органических веществ; вещество не должно вступать в химическую
реакцию со средой (здесь имеется в виду и растворитель, и воздух) или
давать с растворителем устойчивую систему, несклонную к кристаллизации.
Попытки кристаллизовать гигроскопичные вещества, такие как щёлочи или
вещества, которые, находясь в банках, «хватают» влагу из воздуха (соли
алюминия, соли железа (III) и др.), сахарные сиропы - к успеху не
приведут;
доступность и приемлемая цена реактивов. Ставьте опыты с теми
реактивами, которые Вам по средствам, не всегда первые опыты удачны, поэтому
желательно набивать руку на недорогих реактивах. Для эксперимента Вам
понадобится много дистиллированной воды (исходный минимум 2 л), которую
иногда продают в аптеках и в магазинах автотоваров;
вещество должно быть достаточно химически чистым. Как правило, для
указания чистоты на этикетке с реактивом пишут: «технический» - самый
грязный, но и самый дешёвый, «ч» - чистый, «хч» - химически чистый, «чда» -
чистый для анализа, рекомендуемая и часто используемая марка, «осч» -
особо чистый, лучший по чистоте, но самый дорогой. Если Вы не можете
найти для опытов дистиллированную воду, то за марками «чда» и «осч»
гнаться не желательно;
способность вещества растворяться в доступном растворителе. Узнайте, как
растворяется Ваше вещество в воде с изменением температуры на малых
объёмах. Пометка «растворим в воде» не указывает количественный расход
вещества. Представьте, например, если растворимость Вашего вещества
подобна растворимости сахара: потребуется более 2 кг такого вещества, чтобы
растворить его в 1 л воды (!).
должен быть известен характер растворения вещества. Иногда приходится
наблюдать экзо- (с выделением теплоты) или эндотермическое (с
поглощением) растворение, и как вследствие этого растворимость вещества будет
меняться до тех пор, пока температура раствора не выровняется до
комнатной;
образующиеся кристаллы должны быть стабильны. Кристаллы некоторых
веществ , вынутые из раствора в течение нескольких минут или часов способны
«выветриваться» - необратимо разрушаться в результате потери влаги и
превращаться в невзрачный порошок. Это следует помнить при работе с
веществами :
- хромокалиевые и железоаммонийные квасцы,
- тиосульфат натрия,
- сульфат натрия,
- соли марганца,
- некоторые соли цинка,
- некоторые соли никеля,
- жёлтая кровяная соль.
С увеличением температуры в помещении этому подвержены алюмокалиевые
квасцы и медный купорос (!) . С последними тремя можно подстраховаться -
храните кристаллы в дверце холодильника. Но для других веществ требуется
хранение в сосудах с притёртыми пробками.
Рис. 4. Выветривание кристаллов. Пожалуй, самый печальный
момент - кристаллы превращаются в прах. Выветривание -
разрушение кристаллов в результате «потери» влаги, которая изначально
входила в структуру вещества и обеспечивала его прочность.
Бюксы - стеклянные ёмкости с притёртой пробкой на шлифе. Туда помещают
кристалл и немного (5-10% от объёма) насыщенного раствора. Их недостаток -
попавший на шлиф раствор может намертво «запаять» крышку, и открыть бюкс Вы
больше не сможете.
Эксикатор - ёмкость созданная изначально для высушивания веществ, хранения
в атмосфере какого-либо газа, приготовления очищающей хромовой смеси «хромки»
и др., принципы те же, но большие размеры позволят хранить большие кристаллы.
Рис. 5. Бюксы (слева) и эксикатор (справа)
Другой выход - используйте любую ёмкость необходимого диаметра с
прозрачными бесцветными стенками и притёртой пробкой. Если пробка резиновая, то для
предотвращения от разрушения, оберните её в полиэтилен, фторопласт или
целлофан .
Дополнение: кристаллы водорастворимых веществ очень чувствительны к сильным
перепадам температур, так как в их составе всегда остаётся какой-то процент
влаги, при частых демонстрациях могут появиться сколы и отпечатки пальцев,
острые и ровные грани оплывут, кристаллический блеск сменится матовостью, -
помните это, если уважаете свой труд. Выращивание кристалла, как и
выращивание чего-то живого - долгое и требующее терпения процедура. Научиться растить
кристаллы - задача первая, вторая задача - научиться сохранять результат
своего занятия.
Требуемое оборудование:
• химическая посуда - большие термостойкие плоскодонные стаканы от 0,05 до
3 л (и более, если такое возможно). Обратите внимание на то, нет ли
изъянов у дна и стенок;
• водяная баня (в домашних условиях это может быть старая кастрюля и
электроплита) ;
• сосуд для кипячения на водяной бане (круглодонные термостойкие колбы от
1 л и более);
• тонкие, прочные суровые нитки (на таких меньше кристаллических
наростов) ;
• фильтровальная бумага (ею может быть любая непроклеенная, тонкая бумага
промокашка, салфетки, туалетная бумага) или стерильно чистая хлопковая
вата ;
• дополнительные мелочи, которые требуются при выполнении, будут указаны
далее в тексте (воронки (это может быть срезанное горлышко пластмассовой
бутылки); стеклянные, деревянные или пластиковые палочки и т.п.);
3. Экспериментальная часть
Описание методик выращивания кристаллов (из раствора, где растворитель -
вода) можно свести к трём пунктам:
1. Выращивание больших монокристаллов (длина рёбер от 1 см и более)
соединений, растворимых в воде.
2. Получение кристаллов мало- или нерастворимых соединений в воде.
3. Получение кристаллов простых веществ (металлов и неметаллов).
3.1. Выращивание больших
монокристаллов соединений,
растворимых в воде
Основой выращивания кристаллов, как описано в любой литературе, является
насыщенный раствор соли. Однако здесь есть свои нюансы, которые следует
оговорить .
Начинающему экспериментатору рекомендую начать опыт, используя в качестве
исходного материала для получения кристаллов: медный купорос, гидрофталат
калия , красную кровяную соль, бихромат или хромат калия, алюмокалиевые квасцы
(ещё часто в литературе советуют хлорид натрия, но растить его труднее (см.
рис. 3 и методику). Крупные кристаллы с этими веществами получаются всегда,
другое дело, что может быть неправильно воспроизведена форма (см. рис. 6).
71
Л
Б
В
Г
Д
Рис.6, Геометрия некоторых монокристаллов:
А - Монокристалл медного купороса - это призма, в сечении которой лежит ромб;
Б - Монокристалл квасцов - октаэдр;
В - Монокристалл хлорида натрия (и многих галогенидов щелочных металлов) - куб;
Г- Монокристалл жёлтой кровяной соли - усечённая пирамида;
Д - Монокристалл красной кровяной соли, дигидрофосфата калия (KDP) и др. - "карандаш ".
Авторы многих книг по выращиванию кристаллов свои методики основывают:
• на приготовлении пересыщенных растворов с дальнейшей кристаллизацией в
открытом сосуде (самая распространённая методика) или закрытом. Закрытый
- промышленный метод, для его осуществления используется огромный
стеклянный сосуд с термостатом, имитирующим водяную баню. В сосуде находится
раствор с готовой затравкой, и каждые 2 дня температура раствора
понижается на 0,1°С [4], этот способ позволяет получать технологически
правильные и чистые монокристаллы. Но это требует высоких затрат электроэнергии
и дорогое оборудование (несколько млн. рублей).
• на испарении насыщенного раствора открытым способом (см. ранее пример
случайного роста KHSO4) , когда постепенное испарение растворителя,
например, из неплотно закрытого сосуда с раствором соли, может само собой
породить кристаллы. Закрытый способ подразумевает выдерживание насыщенного
раствора в эксикаторе над сильным осушителем (оксид фосфора (V) или
концентрированная серная кислота).
Я использую первый («открытый») вариант. Да! Это не поможет полностью
защитить раствор от пыли (даже накрывая фильтровальной бумагой, используя
дистиллированную воду, идеальных стерильных условий для раствора дома Вы не
создадите) , но Вы и не собираетесь растить кристалл год, верно?! К тому же примеси
будут в кристаллах всегда (другие ионы из исходного нечистого вещества или
кипячёной воды, пылинки-включения и т. п.), мы можем только слегка уменьшить
их содержание. И помните, что идеального кристалла по всем «правилам природы»
не существует, дефекты есть даже в очень правильных (однородных) кристаллах.
Ниже речь пойдёт о медном купоросе.
3.2. Выращивание монокристалла
на примере медного купороса
В каждой методике выращивания можно выделить несколько подпунктов:
• приготовление маточного раствора;
• получение кристалла-затравки;
• выращивание монокристалла.
I. Приготовление маточного раствора
Примечание: Многие авторы в своих книгах для простоты указывают таблицы
веществ , и сколько их требуется в граммах на приготовление насыщенного раствора
[8]. Я буду использовать «столовую» терминологию Вы, вдруг, скажите:
«Точность никогда не бывает лишней. Скока вешать в граммах?!» А я отвечу: «У
большинства начинающих химиков, экспериментирующих дома, лабораторные весы,
как правило, отсутствуют; во-вторых, точность массы здесь не всегда
обязательна, - вещества может требоваться очень много («комнатная температура» у
всех разная), а определить насыщенность раствора ещё проще - по прекращению
растворения вещества в сосуде». Когда вещество имеется в ограниченном
количестве (до 500 грамм), с ним получают небольшие монокристаллы (длина ребра до 2
см) , и расходуют его частями, имея запас. Так иодид калия KI вырос у меня из
50 мл концентрированного (но ненасыщенного) раствора, который находился в
открытой аптекарской бутылочке, его рост - чистая случайность: вода испарялась,
и кристалл рос. Как видите, для малых количеств методика сохраняется, но
меняются объёмы посуды и растворителя.
Самое важное условие: для выращивания кристаллов используют только
свежеприготовленные растворы!!! Так как в процессе стояния в растворах у многих
веществ накапливающиеся определённого состава комплексы (например, акваком-
плексы) меняют структуру кристалла (такие кристаллы могут начинать быстрее
выветриваться). Какие-то растворы сильно гидролизуются (их ещё можно очистить
фильтрованием). В некоторых могут начать процветать случайно попавшие споры
грибов (алюмокалиевые квасцы и чаще всего органические вещества).
Прямой способ. Для приготовления маточного раствора требуется чистый,
хорошо вымытый термостойкий стакан на 1л. В него наливают горячую (t=50°C, при
высоких температурах вещество сильно гидролизуется) кипячёную воду или, что
лучше, дистиллированную 700-800 мл. В стакан засыпают вещество небольшими
порциями (1 порция = 1 столовая ложка без горки), каждый раз, перемешивая и
добиваясь полного растворения. Когда раствор «насытится» - т. е. вещество
будет оставаться на дне, добавляют ещё две порции и оставляют раствор при
комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль, его накрывают
листом фильтровальной бумаги и оставляют в той части помещения, где
сохраняется постоянная температура, где в дальнейшем Вы будете продолжать опыт. Если
проходит отопительный сезон, то можно оставить стакан и около батареи, но
помните, что растворимость у вещества теперь будет другая. И стоит измениться
температуре, как возникнет кристаллизация - лишнее вещество выкристаллизуется
из раствора. Помните: чтобы кристаллы росли как можно правильно,
кристаллизация должна идти медленно, на бесцветных веществах, чьи кристаллы должны быть
прозрачны как стекло, скорость роста проявляется заметнее - при быстром росте
кристаллы мутнеют!!!
Возможен и обратный способ приготовления насыщенного раствора. Вы
максимально растворяете вещество при комнатной температуре, и когда растворение
достигнет предела (вещество будет оставаться на дне), добавляете ещё 1-2
порции и греете сосуд с раствором на плите до t=50-60°C. Условие этого способа -
используемая посуда должна быть термостойкой, а конфорка плиты ровной, это
может создать неудобство при нагревании объёмов, например, в 1 л. Но есть из
чего выбирать.
Примечание: Экспериментатору следует знать, что любая примесь в растворе
может стать включением в кристалле или быть источником дефекта. В итоге
вместо монокристалла появятся «химеры», состоящие из наростов и искажений (это
возникшие из-за разных центров кристаллизации микрокристаллики пробуравили
друг друга); они будут увеличиваться по мере роста кристалла. Иногда это
выглядит более эффектно, чем правильный монокристалл (вырастить который,
кстати, задача сложная). Но помните, всякое отклонение следует расценивать, как
не соблюдение каких-либо условий. В природе попадающие примеси становятся
включением в кристалле и иногда не искажают его форму: рост одних минералов в
других, явление изоморфизма для квасцов (рис. 7), насекомые, попавшие в воду
и закристаллизовавшиеся там (например, град) и т. п.
Рис. 7. Изоморфизм. «Кристалл в кристалле» - такое выращивание,
когда один кристалл растёт поверх затравки другого кристалла,
можно осуществлять с веществами одинаковой природы, например, с
квасцами общей формулы Ме^е111 (SO4) 2 * 12Н20 (Me1 = щелочной металл
и NH4+, Me111 = Al3+, Cr3+, Fe3+ и др.)
На следующий день осматривают раствор. В нём не должны плавать примеси;
если это раствор алюмокалиевых квасцов, то он должен быть бесцветным и
прозрачным. Раствор же медного купороса не должен содержать мути. На дне должен
выпасть избыток вещества в виде кристаллов. В том случае, если обнаружены
примеси, раствор подогревают на 20°С (поставьте стакан с раствором в таз с
тёплой водой на 1-2 часа) и фильтруют на воронке, внутрь которой помещают фильтр
или (что быстрее и лучше) кусочек ваты. Поскольку нам осадок не нужен, зачем
усложнять процесс фильтрования. Кусочек ваты должен лежать неплотно на дне
воронки, не затруднять ток жидкости, но и не проваливаться с нею в стакан,
иначе фильтровать придётся заново, смачивать вату водой, как фильтр не надо.
Затем повторяют охлаждение до комнатной температуры. Этот раствор будет
необходим нам в большом количестве, поэтому вы должны иметь посуду для его
хранения и по необходимости запастись им дополнительно. Хранить его можно в колбе,
либо пластиковых бутылках из-под воды, не содержащей красителей и
ароматизаторов (объём которых варьирует от 0,33 до 30 л) , с притёртой пробкой (если
пробка резиновая, то её оборачивают полиэтиленовой плёнкой, чтобы она не
взаимодействовала с раствором), на дне должны оставаться кристаллы вещества.
II. Получение кристалла-затравки
Готовый очищенный раствор аккуратно сливают с осадка кристаллов и в количе-
стве 1 л помещают в термостойкую круглодонную колбу. Туда же помещают 1
чайную ложку (с горкой) химически чистого вещества (это могут быть те же
выпавшие кристаллы). Теперь колбу нагревают на водяной бане, добиваясь полного
растворения, как правило, в окрашенных растворах окраска, из-за избытка
вещества, становится интенсивнее. Полученный раствор греют ещё 5 мин на водяной
бане при температуре не выше 60-70°С, после чего его переливают в чистый,
подогретый до температуры раствора термостойкий стакан (можно ополоснуть
кипятком) . Стакан обворачивают плотно сухим полотенцем, накрывают фильтровальной
бумагой и оставляют остывать. Сейчас раствор надо беречь от сквозняков, от
резких перепадов температур.
Резкий перепад температур, как и резкое перемешивание остывшего раствора,
могут вызвать преждевременную кристаллизацию, но кристаллы при этом получатся
мелкие и бесформенные, они плотно осядут на стенки раствора и нагревание
придётся повторять снова.
Спустя сутки, убирают полотенце, не стараясь колыхать стакан, чтобы не
вызвать незапланированную кристаллизацию. Осматривают содержимое - на дне и на
стенках должны образоваться небольшие плоские синие кристаллики-
параллелограммы :
• Если образовалось множество мелких сросшихся бесформенных кристалликов,
как после резкого охлаждения, то количество соли уменьшают и повторяют
описанную стадию.
• Если кристаллики не образовались, Ваша вина - Вы не насытили раствор как
следует и поэтому раствору следует постоять ещё сутки; либо следует
увеличить количество растворяемого вещества, повторив этап заново.
Эта стадия эксперимента должна вас обучить правильно выращивать затравку,
которая далее будет исходным кирпичиком для получения «огромной конструкции».
Отберите подходящие по структуре кристаллики (с длинной ребра от 0,3 см и
более) и храните их отдельно в банке с притёртой пробкой вдали от источников
высоких температур и света. С каким-то одним вы будете продолжать
эксперимент .
Помните: чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче
раствору (системе) подстроиться под неё (как перламутру к песчинке, попавшей
в мантию моллюска).
III. Выращивание монокристалла
Монокристалл выращивают из полученной затравки. Используя суровую нить,
плотно на 1-2 раза обвивают затравку, чтобы она не соскользнула после
намокания нити, желательно за самую длинную грань, либо выберите затравку с длинной
гранью. Придётся помучиться, создавая петельку, в которую ляжет кристалл
размером около 3-5 мм. Главное терпение, попросите кого-нибудь помочь Вам, пусть
разделяют Ваше увлечение. Это не сложнее, чем попасть ниткой в ушко иголки.
Второй конец нити можно примотать к крестовине из деревянных или пластиковых
палочек, чья длина больше диаметра стакана. Намотайте нить так, чтобы при
повороте крестовины Вы могли легко регулировать высоту подъёма затравки.
Снова готовят насыщенный раствор на основе исходного маточного. Для этого
готовый раствор ставят на водяную баню и добавляют 0,5 чайной ложки вещества.
Чем меньше Вы добавите его на этом этапе, тем лучше (можно также просто
нагреть насыщенный раствор, без добавления вещества). Греют и перемешивают. Как
только вещество растворилось, колбу вынимают, и раствор переливают в заранее
приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором ставят на выбранное место,
и дают 20-30 секунд постоять, чтобы жидкость немного успокоилась. Наш раствор
не пересыщенный, поэтому «лишние градусы» могут вызвать растворение затравки,
что нам не нужно. Если раствор тёплый, ему дают остыть до 30°С или чуть
меньше. Желателен термометр, но проверить при его отсутствии приблизительную
температуру - легко, температура нашего тела 36,6°С, поэтому всё, что кажется
теплее - выше её, наоборот - ниже. Следить за остыванием раствора следует
очень внимательно, чтобы не допустить её понижения до комнатной (обычно на
остывание раствора выделяю около двух часов). Затем затравку располагают в
тёплом растворе (температура на 5-7°С выше комнатной) таким образом, чтобы
кристаллик как бы висел в нём, на высоте 1/2 или 3/5 от дна. Поместив
затравку в раствор, понаблюдайте на просвет, не оплывают ли грани у Вашей затравки,
не создаются ли вокруг неё волнообразные завихрения. Если да - раствор ещё
тёплый для затравки, такое бывает с хорошо растворимыми в воде веществами,
надо затравку вынимать и подождать ещё. Мой обычный температурный предел
выжидания: раствор должен быть минимум на 5°С выше комнатной температуры.
Когда, наконец, разместили - всё, осталось только ждать, при этом стакан
вертеть , наклонять, перемешивать раствор не рекомендуется.
Бывает и такое: пришли на утро смотреть на затравку, а в растворе только
петля болтается и затравка лежит на дне. Если нить была толстая, она набухла,
петля увеличилась и кристалл выпал. Но стоп, трогать, вынимать что-либо, а уж
тем более расстраиваться не нужно! Читайте ниже.
Следует сказать, что можно вырастить кристалл и без нити. Для этого
требуется широкий стакан с плоским дном, так как для этой цели затравку аккуратно
укладывают на середину дна (можно помочь ей лечь нагретой стеклянной
палочкой) , и она повторит его рельеф. Здесь рост кристалла будет ограничен
стенками стакана, и преимущественно, он будет расти в стороны - это хорошо для
медного купороса и для плоских кристаллов в принципе (жёлтая кровяная соль, гид-
рофталат калия). Если такое получилось случайно, следите, чтобы на дне не
стали расти ещё кристаллы, а то они врастут в исходный. На петле со временем
тоже могут начать расти кристаллы, иногда их бывает несколько, а иногда
растёт 1-2 правильных и внешне они лучше затравки.
В случае с квасцами лучше использовать нить. Но здесь требуется следить за
тем, чтобы она не обрастала. Если такое произошло, то нить с кристаллом
вынимают, счищают лишнее и заново готовят раствор (греют, подготавливают к
температуре кристалл и т.п.). Порой нить трудно очищать, соскабливая лишние
кристаллические наросты, высок риск её разорвать. Для этого надо поднести нить к
тонкой струе горячей воды, и поводить «проблемный» участок так, чтобы вода не
задела затравку до их растворения.
Примечание 1: Некоторые кристаллы (гидрофталат калия) можно выращивать,
погрузив только один раз в раствор, в слегка тёплых растворах. При высокой (или
наоборот - низкой) температуре кристалл покрывается трещинами и мутнеет.
Идеальный кристалл гидрофталата калия - шестиугольная призма-таблетка,
прозрачная как стекло. Если вы посмотрите на химическую формулу (рис.8), которая
отражает его состав, вы поймёте, почему у кристаллов такая форма:
О
О
Рис. 8. Гидрофталат калия (С8Н5О4К)
Помните: чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без
волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5-7°С теплее комнатной
температуры. Такая нить успевает пропитаться раствором и «сливается» с
системой в единое целое. О.Ольгин советует смазать нить вазелином [1], но мне это
не помогало, при этом часто загрязнялся раствор маслянистой плёнкой. Но я не
спорю с идеей, в своей книге «Опыты без взрывов» он не преследует целей
вырастить крупный однородный кристалл, а жаль...
Затравку иногда советуют прилеплять супер-клеем, лично я не пробовал.
Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не
поднимая, не поворачивая и не сотрясая стакан с раствором, иначе эта встряска
породит в системе незапланированную, иногда мгновенную кристаллизацию.
Так многие авторы советую доливать раствор в систему по мере его испарения.
Это очень сложная операция, поскольку возникшая сильная диффузия также может
вызвать сбои в росте кристалла. В насыщенную систему растворы я не доливаю, я
готовлю большой объём вещества сразу и выращиваю кристаллы в стаканах от 1 л
и выше, когда уровень жидкости опускается до верхушки кристалла, я
переподготавливаю раствор снова и вношу подросший кристалл в новую систему. Иногда эти
повторения могут отражаться на кристалле тонкими полосками - одна полоска,
значит, раствор меняли кристаллу один раз (типа годичных колец на дереве).
Вначале вы увидите, как система будет «обживать» затравку, как они будут
подстраиваться друг под друга. По мере роста нить начнёт уходить внутрь
кристалла, получится что-то вроде кулона. В итоге вы должны получить следующее:
Примечание 2: Очень часто, вместо идеального октаэдра (т.е. тетрагональная
бипирамида) у квасцов получается усечённый октаэдр - кубоктаэдр. Поэтому
обращайте внимание на выбор затравки (кристалл создаётся по подобию затравки),
тупая грань повториться везде! Так устроена система: она влияет на рост
кристалла и сам кристалл влияет на свой рост.
Как видите, у кристаллов есть своя особенность, они должны быть гладкими и
прозрачными, как стекло. Однако, при частом прикасании к кристаллу, хранении
на открытом воздухе, на свету, мы наблюдаем его помутнение: кристалл
выветривается, т.е. теряет, всегда входящую в его состав воду. Есть несколько ве-
Рис. 9. Выращенные кристаллы медного купороса (I) и алюмокалие-
вых квасцов (II) , один кристалл - за одну неделю.
ществ, которые в моей практике превосходно сохранились и не потеряли вошедшую
в их состав воду: гидрофталат калия, красная кровяная соль, хлорид натрия.
Вода в кристалл входит в разных количествах и в красной кровяной соли, алюмо-
калиевых квасцах, к примеру, она удерживается лучше, чем в жёлтой кровяной
соли и в хромокалиевых квасцах. Избежать выветривания для кристаллов,
выращенных из растворов, сложно. Поэтому хранить кристаллы следует в герметичных
пакетах или баночках в холодильнике (см. ранее). Хромокалиевые квасцы лучше
хранить в концентрированном сотрясённом растворе в банке с плотно прилегающей
пробкой в месте, где температура может измениться максимум на 5°.
Еще примечания:
3) . Выращивание кристаллов хромокалиевых квасцов сопряжено с трудностями:
во-первых, раствор не прозрачен, во-вторых, полученные кристаллы можно
хранить только под слоем раствора при постоянной температуре или под толстым
слоем лака (бесцветный лак для ногтей) в холодильнике. Однако смеси
полученные при смешении растворов алюмокалиевых и содержащие от 5% до 30%
хромокалиевых квасцов дают растворы различного оттенка от нежно-розового до цвета
граната, выращенные из них кристаллы, также имеют форму октаэдра, и хранятся
намного дольше хромокалиевых без какой-либо защиты.
4). При выращивании кристаллов бихромата калия, в раствор добавляют немного
хромового ангидрида СгОз (количество его приходится угадывать на практике),
полученные кристаллы не совсем отвечают формуле К2Сг207, скорее формуле
К2Сг30ю (трихромат калия), и имеют вид ярко-красных параллелепипедов. А вот
для роста К2Сг04 подобные условия излишни, да и кристаллы у хромата калия -
гексагональные бипирамиды.
5) . Очень дорогая сегнетова соль может дать кристаллы-цилиндры до 30 см
длины, но раствор для этих целей должен быть очень чистым (прозрачным и
бесцветным, не жёлтым!). Если раствор имеет желтизну, обусловленную
органическими примесями, его подвергают очистке: перекристаллизации. Каждый раз
выпадающие чистые без включений кристаллы отделяют от раствора, пока не останется
осадок («грязь»), обуславливающий желтизну, который удаляют. Очистка
активированным углём не помогает.
6) . Ромбические призмы, подобные медному купоросу дают тиосульфат натрия
(фиксаж) и сульфит натрия, полученные кристаллы похожи на лёд, однако не
стабильны и на воздухе рассыпаются в белый порошок спустя несколько часов.
Хранение подобно хромокалиевым квасцам, но под лаком кристалл также мутнее.
7) . У хлорида натрия можно вырастить небольшие кубики, для получения
крупных кристаллов используют большие сосуды с затравками, поскольку
растворимость его меняется слабо. Более другой, эффективный способ - выращивание из
концентрированного раствора хлорида меди (II) СиС12, который, испаряясь,
высаливает в первую очередь хлорид натрия. Однако полученные кристаллы имеют
зелёный оттенок. И второй вариант - добавление к раствору соли мочевины (на
200 мл насыщенного раствора 3 ч/ложки карбамида) - эту методику предлагали в
своей книге Кантор Б. 3.; "Минерал рассказывает о себе", М. : Недра, 1985 г.
[5] , кристаллы будут уже крупнее - до 1 см, но октаэдрических кристаллов
NaCl, мне получить не удалось (есть какой-то авторский секрет, очевидно,
заключённый в добавке чего-то ещё). При выращивании NaCl из растворов КС1, RbCl
получаются смешанные соли.
8) . Иногда можно наблюдать и такой процесс. В насыщенном растворе с
кристаллами на дне всегда существует круговорот: вещество из кристаллического
осадка переходит в раствор и обратно. Каждый раз «возвращаясь» в кристалл
вещество его укрупняет, так спустя несколько месяцев, мелкокристаллический
осадок превращается в крупнокристаллический монолит, которые может дилетантами
восприниматься как один большой кристалл.
9). Вы также можете вырастить свои «сталагмиты» и «сталактиты» (Л.Г.
Катаева , г. Сосенский, Калужская обл.). Для этих целей готовят очень пересыщенные
растворы тиосульфата натрия ЫагЗгОз'БНгО или ацетата натрия CH3COONa. Их
наливают в заранее приготовленные стаканы (рис.10) со стеклянными трубками разной
длины (трубки должны быть тонкими, чтобы раствор через них капал!), заливают
парафином (слой 0,5 см). Трубки заклеивают кусочками пластыря, и растворы
ставят остывать при комнатной температуре. Стакан укрепляют в штативе (высота
около 30 см), перевернув трубками вниз. Под стакан ставят кристаллизационную
чашку, в которую насыпают ту же соль, из которой приготовлен раствор (тонкий
слой). Открывают отверстия трубок, удалив пластырь, следует потереть их концы
влажной чистой марлей. Раствор капает на соль, образуя искусственный
сталагмит . Чем медленнее капает раствор, тем лучше получается кристалл. За пять
учебных занятий можно получить «сталагмит» высотой 62 см.
(1 А
ft
А-
PucJO. Выращивание «сталагмитов»,
Я предлагаю заменить данный прибор хорошо отрегулированной капельной
воронкой , в которую доливать насыщенный раствор по мере его расходования удобнее.
9) . Игольчатые, пушистые кристаллы камфары или салициловой кислоты длиной
0,3-0,8 см можно получить, оставив испаряться их спиртовые медицинские
растворы (1-2%), разумеется, вдали от огня (поэтому работа с органическими
растворителями крайне не удобна: они горючи и имеют запах).
10) . Если приготовить раствор хлорида аммония NH4CI небольшой концентрации
(40-50%) и кистью нанести на чистую стеклянную пластину, то при высыхании
получится «морозный узор», такие узоры могут дать и любые другие вещества, если
работать с их разбавленными растворами.
11) . Если из нержавеющей проволоки или спичек сделать буквы, их плотно
обмотать ниткой и поместить в раствор для выращивания кристаллов, то можно
получить красивые буквы для оформления стендов. Их вынимают из раствора, сушат
и покрывают бесцветным лаком или клеем для склеивания пластмасс.
Рекомендуемые соли: поваренная соль, хромат и бихромат калия, квасцы. А вот
кристаллическая мебель (рис. 11) - пример того, что будет, если не мыслить размерами
стакана.
['tit. П. "BhipautcHiihiit стульчик" ит
яноискпго <Ui ии'тсра 'lokujin Yoshioka
Примеры выращивания
Калия гидрофталат
Формула: С8Н604К (брутто);
Химическое название: гидрофталат калия;
Описание: белый кристаллический
порошок , напоминающий сахар;
Класс соединений: кислая соль
ароматической дикарбоновой кислоты;
Тип кристаллов: шестигранная таблетка
или сильно усечённая шестигональная
пирамида .
Описание кристаллов: прозрачные, легко
царапаются;
Особенности хранения: на воздухе
устойчив , трескается при от резких перепадов
температур, особенно в растворе.
Информация по выращиванию:
Это одни из самых неприхотливых
кристаллов , легко поддающихся выращиванию,
редкость - соль. Однако данное
вещество, безусловно, имеет специфическую
форму кристаллов и способно сохраняться
без особых условий хранения длительное
время. Фото - это фотографии одних и
тех же кристаллов (не всех) с разницей
в 4 года.
Алюмокалиевые квасцы
Формула: КА1 (S04) 2 • 12 Н20 ;
Химическое название: додекагидрат ди-
суль фата алюминия-калия;
Описание: белый кристаллический
порошок, слёживается со временем;
Класс соединений: соль,
кристаллогидрат;
Тип кристаллов: октаэдр;
Описание кристаллов: прозрачные как
стекло, без цвета;
Особенности хранения: в сухом
помещении, вблизи осушителей (например, сухое
дерево, вата), при высокой комнатной
температуре способен постепенно
выветриваться, однако, из всех квасцов эти
наиболее стабильны;
Информация по выращиванию:
Кристаллы получают согласно п. 3.2.
методики .
При выращивании без нити кристалл
растёт преимущественно в горизонтальной
плоскости, на нити - формирует как ок-
таэдрические, так и других типов окта-
эдроподобных кристаллов. Как правило,
отсутствие прозрачности и
несимметричность граней - признак быстрого роста
кристалла, необходимо практически
отрегулировать концентрацию соли в
растворе, изменить скорость испарения воды,
установить не происходит ли перепад
температур для какой-то из стенок
сосуда (расположение раствора у окна или у
батареи) и т.п.
При внесении в растворы АКК других
квасцов, образуются кристаллы различных
оттенков, в результате изоморфизма,
также октаэдры. Цвет кристаллов
отличается от цвета раствора. «Гибридные»
кристаллы менее чувствительны к
выветриванию, однако только при
преобладающем содержании в их составе АКК.
АКК можно использовать для выращивания
«кристаллов в кристалле», это другой
вариант «сохранения» легко
выветривающихся квасцов, в частности, хромокалие-
вых (ХКК).
Калия бихромат
Формула: К2Сг207 ;
Химическое название: бихромат калия,
дихромат калия;
Описание: оранжевый кристаллический
порошок ;
Класс соединений: средняя соль;
Тип кристаллов: сплющенный
параллелепипед с параллелограммом в сечении.
Описание кристаллов: оранжево-красные
кристаллы;
Особенности хранения: устойчивы;
Информация по выращиванию:
Кристаллы получают согласно п. 3.2.
методики .
Если к растворам дихромата калия
добавлять хромовый ангидрид СгОз, то можно
сделать окраску кристаллов более
тёмной. Учтите, что состав кристаллов уже
будет иной: К2Сг207 • пСг03 (п=1,2...).
Эти кристаллы можно использовать в
опытах по выращиванию кристаллических бус
Красная кровяная соль
Формула: КЗ[Fe(CN)6] ;
Химическое название: гексацианоферрат
(III) калия; калий железосинеродистый;
красная кровяная соль
Описание: оранжевый кристаллический
порошок ;
Класс соединений: комплексная соль
(анионный комплекс);
Тип кристаллов:
Описание кристаллов: красные кристаллы;
Особенности хранения: устойчивы на
воздухе;
Информация по выращиванию:
Кристаллы получают согласно п. 3.2.
методики .
Жёлтая кровяная соль
Формула: К4 [Fe(CN)6] ;
Химическое название: гексацианоферрат
(II) калия; калий железистосинероди-
стый; жёлтая кровяная соль
Описание: бледно-жёлтый кристаллический
порошок;
Класс соединений: комплексная соль
(анионный комплекс);
Тип кристаллов: усечённая
тетрагональная пирамида («квадратная таблетка»),
Описание кристаллов: жёлтые прозрачные
кристаллы;
Особенности хранения: выветриваются,
хранение в бюксе в холодильнике;
Информация по выращиванию:
Кристаллы получают согласно п. 3.2.
методики .
Калия дигидрофосфат
Формула: КН2Р04 ;
Химическое название: калия
дигидрофосфат , калий фосфорнокислый двузамещён-
ный, KDP;
Описание: белый кристаллический
порошок;
Класс соединений: кислая соль;
Тип кристаллов:
Описание кристаллов: белые прозрачные
параллелепипеды, на концах которых
образуются пирамиды, в целом кристалл
похож на карандаш или обелиск;
Особенности хранения: устойчив на
воздухе;
Информация по выращиванию:
Кристаллы получают согласно п. 3.2.
методики .
Кристаллы выращены без нити, необходимо
плоское дно стакана. Интересна также
верхушка кристалла, напоминающая
пирамиду, и придающая ему вид карандаша или
обелиска.
Кобальта хлорид (II)
Формула: СоС12•6Н20 ;
Химическое название: гексагидрат
хлорида кобальта (II) ;
Описание: розовый кристаллический
порошок;
Класс соединений: средняя соль,
кристаллогидрат ;
Тип кристаллов: усечённая
тетрагональная пирамида;
Описание кристаллов: малиновые или
розоватые, зависит от толщины кристалла;
Особенности хранения: в бюксе;
Информация по выращиванию:
Кристаллы получают согласно п. 3.2.
методики .
Кристаллы выращены без нити, необходимо
плоское дно стакана.
Медный купорос
Формула: CuS04 • 5Н20 ;
Химическое название: пентагидрат
сульфата меди (II);
Описание: голубовато-белый
кристаллический порошок;
Класс соединений: средняя соль,
кристаллогидрат ;
Тип кристаллов: ромбовидные;
Описание кристаллов: тёмно-синие,
интенсивность зависит от толщины
кристалла ;
Особенности хранения: в бюксе;
Информация по выращиванию:
Кристаллы получают согласно п. 3.2.
методики .
Для выращивания кристаллов без нити,
необходимо плоское дно стакана. Эти
кристаллы со временем разрушаются.
Помните, что при наличии рядом с
кристаллом сорбирующих средств происходит их
разрушение. Храню кристаллы в дверце
холодильника в клибаксах, помещённых в
банку.
Практика
ПАЙКА ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ
- Я физик, а не лудильщик.
- А физик должен паять лучше лудильщика.
Кинофильм «Девять дней одного года».
Эта статья была написана в помощь тем, кто совсем не умеет паять, кто ни
разу не брал в руки паяльник, словом для тех, кому нужно научится правильно
паять.
Предлагаю сразу начать с практики. Кроме желания, терпения и прямых рук,
нам понадобится следующее.
Сам паяльник. Паяльники бывают разные, прежде всего, обратим внимание на
его мощность. 3-10 Вт предназначены для распайки очень мелких микросхем, 20-
40 Вт считаются бытовыми и радиолюбительскими, 60-100 ватные паяльники
покупают сотрудники автосервиса, для распайки толстых проводов, ну а 100-250
ватные используют для запайки кастрюль, радиаторов и прочего
крупногабаритного хлама.
Что нужно паять чаще всего? Тонкие проводки, резисторы, светодиоды и прочую
мелочь, поэтому приобретаем 25 ваттный паяльник. Спросите, почему не больше?
Всё просто, все радиодетали не любят перегрева, и выходят от него из строя.
Вот так, не переусердствуйте.
Подставка для паяльника. Включенный паяльник нагревается до 300 градусов.
Его надо куда-то класть, придумайте что-нибудь. Включенный паяльник кладём на
подставку, справа от себя, на краю стола. Соблюдаем правила безопасности,
контролируем его сетевые провода и предупреждаем окружающих.
Припой. Припой это сплав олова, свинца, кадмия и других легкоплавких
металлов. Существует много видов припоев. Есть совсем легкоплавкие, 65-70
градусов Цельсия, есть наоборот, тугоплавкие - им и 1000 не страшно.
Радиолюбители используют марку ПОС-61, её и покупаем. Рекомендую приобретать
в виде проволочки, толщиной со спичку - удобнее паять.
Флюс. Флюс это некое связующее, обезжиривающее и защищающее от окисления
вещество, которое помогает припою прилипать к месту пайки, без него нельзя.
Их тоже много видов. Для разных металлов, разных припоев и разных технологий.
Радиолюбители пользуются маркой ЛТИ-120 или спиртовым раствором канифоли,
обычной канифолью, на худой конец. Сделать флюс самому очень просто.
Заполняем пузырёк наполовину спиртом, насыпаем толчёной канифоли, взбалтываем
до полного растворения.
Также, рекомендую купить какой либо активный флюс. Он часто бывает полезен,
например, для пайки хромированных выводов некоторых выключателей и разъёмов.
На крайний случай, упрямый контакт можно припаять при помощи таблетки
обычного аспирина. Воняет противно - но паяет.
Ещё нам понадобится небольшой кусок тонкой фанеры, оргалита или плекса,
чтобы не испортить стол.
Инструменты. Маленькие кусачки - для проводов, выводов деталей и снятия
изоляции, напильник - для зачистки жала паяльника, пинцет - чтобы пальцы не
обжигать и медицинский скальпель.
Приборы. Настоятельно рекомендую купить цифровой тестер. Всегда полезная
вещь в хозяйстве. И напряжение померить, и сопротивление..., да и стоит
копейки.
Итак, начнём.
Если паяльник новый, его надо сначала заточить и облудить. Это просто.
Включаем в сеть, ждём. После первого включения, нередко, бывает выгорание
смазки, небольшое выделение гари, не бойтесь, это не страшно.
После прогрева инструмента, в течении 15-20 минут зачищаем рабочую
поверхность напильником, и быстро, пока медное жало не окислилась, макаем в
канифоль, потом сразу в припой.
Круговыми движениями руки помогаем процессу. Всё. Е сть паяльники с жалом из
металлокерамики, их не зачищают напильником, их протирают специальной мокрой
губкой.
По мере выгорания медного стержня, такую процедуру придётся выполнять
регулярно.
Очень важно, чтобы спаиваемые поверхности были чистыми, без краски, лака
или окислений. Если это не так - исправляем, при помощи надфиля, скальпеля
или мелкой наждачки. Наносим кисточкой немного флюса на спаиваемое место,
берём жалом паяльника немного припоя, пропаиваем. Всё просто, но требуется
навык. С первого раза красиво и качественно не получится.
К паяемым деталям прикладываем жало паяльника всей лопаточкой, для
эффективной теплопередачи. Пайка должна быть быстрой и качественной. Не
забываем про перегрев деталей. Не получилось с первого раза, даём
радиодеталям остыть. Время прогрева подбираем экспериментальным путём - если
слишком быстро, то деталь не прогреется и пайка получится плохая.
Флюс наносим непосредственно перед пайкой, когда все приготовления деталей
закончены, чтобы он не испарялся.
Хорошую пайку видно сразу, припой ложится тонким и ровным слоем, блестит.
Нет наплывов, трещин и серых мест. Дополнительную крепость соединения придаёт
предварительная скрутка проводов.
Для получения хороших результатов рекомендую потренироваться на отслужившем
магнитофоне.
Чтобы пропаянные детали не замкнулись между собой, или ещё куда либо,
надеваем кусочек изолирующей трубочки подходящего размера.
Меры предосторожности: Ох, сколько раз я обжигался об паяльник, сколько раз
ронял его себе на ногу, задев шнур... Однажды, на горячий паяльник умудрился
сесть мой волнистый попугай, вот крику было. Словом отнеситесь серьёзно,
помните, что Ваша подруга или бабушка может не знать о "коварной" сущности
этого девайса.
Флюса наносим минимальное количество. При избытке - может брызнуть, при
касании паяльником.
Припоя паяльником берём столько, сколько нужно на 1-2 пайки, излишек может
капнуть и обжечь.
Паяние печатных плат
Печатная плата сильно облегчает процесс изготовления радиосхемы. Все
электрические соединения выполнены дорожками из медной фольги. Детали надёжно
закреплены и не боятся вибраций. В соответствующей статье мы уже
рассказывали, как можно самому сделать печатную плату.
Вставляем деталь в нужное место платы и подбираем нужную глубину посадки.
Наносим флюс маленькой кисточкой.
Берем паяльником немного припоя и подносим к месту пайки таким образом,
чтобы плоскость жала была обращена к детали, а сам паяльник находился под
углом 4 5 градусов.
При хорошем флюсе, нормальном припое и нормально нагретом паяльнике пайка
одной контактной площадки занимает около секунды. Правильно выполненная пайка
не должна иметь каких либо наплывов, трещин и должна блестеть.
Торчащие ножки ликвидируем кусачками. После окончания монтажа и выполнения
пуско-наладчных работ, протираем плату спиртом. Применение ацетона не
рекомендую, некоторые детали и провода могут пострадать. Ну а элементы,
содержащие механику, такие как реле, тумблеры и подстроечные резисторы,
вообще нельзя мыть ничем, их впаивают после промывки.
> А
Для начинающих рекомендую начать с опытов на макетной плате. Она изображена
на картинке в самом низу статьи.
Подбираем оптимальное расположение деталей. Отпиливаем кусочек платы
нужного размера, впаиваем компоненты. Соединения делаем тонким проводом. Не
забываем про перегрев. Работаем аккуратно и внимательно, чтобы случайно не
замкнуть соседние контакты. Иногда полезно проверить замыкание дорожек
тестером, иногда на свет видно. Учимся и тренируемся.
А сколько приятных минут (часов, дней) Вы проведёте в поисках неправильного
соединения!
Ещё одна хитрость на последок. Расскажу, как выпаять радиодеталь из платы,
или устранить досадное замыкание контактных площадок микросхемы.
Для этого понадобится кусочек медной оплётки от экранированного провода.
Прикладываем оплётку в нужное место, капаем флюса, прижимаем паяльник, и -
вуаля! Припой впитался в неё.
Остаётся покачать все ножки пинцетом и извлечь детальку. Для этой цели есть
и специальные оловоотсосы, но мне удобнее по-старинке.
Ну, вот и все. Удачной пайки!
в♦oвi^©йcooooиclo^п<-.-.^nc-DQc-йO'^<.»йcooo^occ»oocoo■^:^o^>^эo^::
0 О С 'Z
олоолиооаооа u<.?ou -j и с j и 6<_ .• и •
QO^^^^g^^^^^^^^g со и с :> ^ ц-
►JUL -".'«. .' .', '. ■
Wnwifja-:'.':
. . . v £• о С i. J i- о с t4 v •1 • l1 0 •'■
. . i. i . t ' . С С l С С Z L. С Z D С UL' и .
Электроника
ИСТОЧНИК МОЩНЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ СВЕТА
Шаронов М.Ю., Мнёв В.В., Севастьянов Б.К.
В некоторых спектроскопических исследованиях необходимо иметь источник
света, создающий мощные световые импульсы, близкие к прямоугольным, с высокой
интенсивностью и стабильностью. В частности, такая проблема возникает в
спектроскопии возбужденных кристаллов [1], импульсном фотолизе [2]. Световые
импульсы используются либо как зондирующий свет, либо как световая накачка.
Одним из путей создания таких источников является применение дуговых ламп
высокого давления в форсированном импульсном режиме. Через дуговую лампу высокого
давления, горящую в номинальном режиме, пропускается импульс тока,
превышающий номинальный в сотни раз. Однако в таких устройствах [3, 4] отсутствует
стабилизация вершины светового импульса. Была сделана попытка [5] решить эту
задачу стабилизацией форсирующего тока, однако в схеме [5] не исключены
изменения интенсивности светового потока, связанные с нестабильностью процессов в
плазме дуги. Судить же о реально достигнутой в данном случае стабильности
параметров светового импульса невозможно, так как в статье отсутствует анализ
погрешностей.
Нами разработан источник света, создающий близкие к прямоугольным световые
импульсы с плоской вершиной длительностью ~1 мс и мощностью в импульсе ~7,5
кВт. Нестабильность плоской вершины < 2 % . Источником форсирующего тока
служит непосредственно сеть 220 В, 50 Гц без применения силовых трансформаторов
или накопителей. Для формирования импульса используется один полупериод
переменного тока сети. Плоская вершина светового импульса формируется с помощью
схемы стабилизации с обратной связью по световому потоку, причем световой по-
ток стабилизируется только в области вершины светового импульса.
Рис. 1. Принципиальная схема источника мощных прямоугольных
импульсов света. Mi, М2, М4 - К155АГ1, М3 - К155ТМ2, М5, М6 - К553УД1В; Л -
ДКсШ-200; Ti, Т5, Т6, Тц - КТ315, Т2 - КТ815, Т3, Т4, Т7, Т8, Ti2 -
КТ503, Т9, Тю, Т13 - КТ817В, Ti4 - ТК100-15 (КТ834Б) ; Дг, Д28 - ВЛ-
3(12), Д2_Д6, Д8-Д12 - КЦ405А, Д7 - Д7Ж, Д13 - КС168, Д14, Д15 - Д814Д,
Д16, Д18 - КД103, Д17 - КС191Ф, Д1э, Д20, Д22, Д23 - Д220, Д21 - ФД26К,
Д24, Д25 - КД202, Д26, Д27 - ТЧИ-100; Tpl - ТНЗЗ.
Схема устройства приведена на рис. 1. Диод Д7 выделяет положительные
полупериоды сетевого напряжения, которые поступают на формирователь-ограничитель
Т3, Т4 . От положительного перепада его выходного напряжения срабатывает од-
новибратор Mi . Длительность сформированного им импульса меньше полупериода
сетевого напряжения на ~0,5 мс. Отрицательный перепад напряжения на выходе Mi
запускает одновибратор М2, который формирует импульс длительностью 1 мс,
расположенный в середине каждого положительного полупериода сетевого напряжения.
Для выделения одного импульса при нажатии кнопки «Пуск» используются триггеры
M3-i и М3_2. Фронт этого импульса открывает тиристор Д27, подключая лампу к
сети. Своим спадом импульс запускает одновибратор М4, импульс которого
управляет включением тиристора Д26. При включении тиристора Д26 тиристор Д27
закрывается, так как напряжение на его аноде становится меньше напряжения на
катоде, и отключает лампу от сети. После закрывания Д27 лампа продолжает гореть в
непрерывном режиме. Тиристор Д26 закрывается после того, как сетевое
напряжение изменит знак. Ток через лампу в момент подачи форсирующего импульса опре-
деляется резистором Ri . Резистором R2o можно изменять длительность импульса
тока, текущего через лампу. Для симметрирования импульсов относительно
максимума сетевого напряжения служит резистор R15. Форма вершины светового
импульса повторяет форму сетевого напряжения.
Для получения плоской вершины у светового импульса разработана схема
стабилизации светового потока на вершине импульса. Схема включается переключателем
S2 • Часть светового потока от лампы попадает на фотодиод Д21 • Уровень,
относительно которого происходит стабилизация светового потока, определяется
подачей напряжения со стабилитрона Д17 через резистор R27 на инвертирующий вход
М5. Микросхема усиливает ту часть сигнала с фотодиода, которая превышает
выбранный уровень стабилизации. Сигнал с микросхемы М5 усиливается усилителем
М6 и через буферные транзисторы Ti2, ТЧз поступает на регулирующий транзистор
Т14, включенный параллельно лампе Л. Чем больше отклонение светового потока
от выбранного уровня, тем сильнее открывается транзистор Ti4, что вызывает
уменьшение тока через лампу и, следовательно, уменьшение светового потока
лампы. Это приводит к формированию стабильной плоской вершины на заранее
выбранном уровне. Транзистор Тц защищает транзисторы Ti2-Ti4 от перегрузки,
разрешая их работу только в момент форсирования лампы. Блок питания схемы
собран на транзисторах Ti и Т2 (+5 В) и стабилитронах Д14, Д15 (+12 и -12 В).
Для режима дежурной дуги можно использовать блок питания и поджига лампы
любого подходящего типа. В цепи питания лампы находится диод Д28,
предотвращающий проникновение тока форсирования в блок питания и поджига. При поджиге
лампы выключатель S4 должен быть замкнут, a S2 и S5 разомкнуты. Резисторы Ri
и R37 изготовлены из нихромовой проволоки диаметром 0,7 мм безындуктивным
способом для предотвращения самовозбуждения схемы. Трансформаторы Тр2 , ТрЗ
намотаны на кольцевые ферритовые сердечники 2000НН. Первичная и вторичная
обмотки содержат по 40 витков провода ПЭЛ-0,5. Полоса пропускания усилителей
М5, М6 должна быть >100 кГц.
Рис. 2. Осциллограммы светового импульса без стабилизации
(а) и со стабилизацией (б) вершины импульса.
Форма световых импульсов при отключенной схеме стабилизации показана на
рис. 2, а. На рис.2,6 показан импульс со стабилизированной вершиной.
Выброс в конце этого импульса соответствует включению транзистора защиты Тц.
Устройство позволяет получить практически прямоугольный импульс света
длительностью ~1 мс с фронтами 40 мкс. Интенсивность светового потока в импульсе
превышает номинальную интенсивность света дуговой лампы в ~100 раз в
диапазоне 200-250 нм и в ~50 раз в диапазоне 400-500 нм. При этом через лампу
пропускается импульс тока 150 А при номинальном токе 10 А.
Эксплуатация прибора в течение нескольких лет показала его высокую
надежность и стабильность. Так, после 5 тыс. вспышек при импульсном токе через
лампу 100 А изменений параметров световых импульсов замечено не было.
ЛИТЕРАТУРА
1. Севастьянов В.К. Спектроскопия кристаллов. М. : Наука, 1975. С. 122—
154 .
2. Портер Дж. , Вест М.А. Импульсный фотолиз, методы исследования
быстрых реакций / Под ред. Г. М. Хеммис. М.: Мир, 1977.
3. Котов Е.И., Назаренко А.В., Семин В.В. // ПТЭ, 1979. № 1. С. 247.
4. Смирнов В.С, Новиков В.П. // ПТЭ. 1978. № 3. С. 194.
5. Гришин В. П. , Плюснин В.Ф. // Журн. прикл. спектроскопии. 1988. Т.
48. № 1. С. 160.
Компьютер
РАЗБЕРЕМСЯ С КОМПОМ
А.Климов и др.
ВСТУПЛЕНИЕ
Предостережения
Если Вы всё-таки решитесь разбирать свой системный блок, то будьте
осторожны и внимательны!
Обязательно предварительно отключите питание от компьютера ПОЛНОСТЬЮ (не
только от системника, а и от монитора тоже), то есть вытяните вилку из
розетки, потому что в противном случае на АТХ-корпусах дежурное питание в 5 вольт
всё равно будет подаваться. Не забывайте убедиться, что в слоте, в который Вы
собираетесь что-нибудь вставлять, ничего нет, включая пыли. Потому что пыль
обладает определённой токопроводностью и может вызвать короткое замыкание.
Перед установкой убедитесь в правильной ориентации вставляемой детали.
Засунуть DIMM не той стороной не так невозможно, как может показаться.
Опасайтесь электростатического разряда!
При всех работах с открытым корпусом компьютера вы должны принять меры,
исключающие случайный электростатический разряд через сигнальные цепи. Ваше
тело всегда заряжено до некоторого потенциала относительно цепей компьютера, и
этот потенциал может оказаться опасным для полупроводниковых компонентов.
Прежде чем забираться руками внутрь открытого устройства, необходимо
коснуться проводящего участка его шасси, например, крышки блока питания. При этом
потенциалы тела и общего провода компьютера выравниваются. Платы адаптеров
держите всегда за металлический кронштейн, которым они крепятся к корпусу.
Кронштейн соединён с общим проводом платы, и возможный электростатический
разряд не приведёт к повреждению компонентов адаптера. Если у платы нет
металлического кронштейна (например, у системной платы), аккуратно держите её
за края, и не касайтесь установленных на ней компонентов и печатных
проводников .
Не кладите платы на проводящую металлическую поверхность!
На некоторых платах адаптеров и почти на всех системных платах установлены
литиевые или никель-кадмиевые батареи (аккумуляторы). Эти батареи весьма
бурно реагируют на короткое замыкание, которое может произойти, если вы положите
плату на фольгу. Батареи быстро перегреваются и взрываются, причём
разлетающиеся осколки весьма опасны для глаз.
Как найти причину,
если что-то не работает
Прежде всего, необходимо локализовать источник проблем. Поиски следует
начать с ответа на вопрос: с чего всё началось? Было ли время, когда подобной
проблемы не было? Что изменилось с тех пор?
• Попробуйте поставить последние драйвера на все установленные в системе
устройства, особо обратив внимание на материнскую плату и видеокарту.
Если и так стоят самые последние, можно попробовать сделать наоборот и
поставить те, что находятся на дисках, которые давались вместе с
оборудованием при покупке.
• В свойствах Системы (Панель управления) посмотрите, нет ли каких-либо
конфликтов.
• Выключите все энергосберегающие опции, в том числе и заставку экрана
(screen saver).
• Попробуйте в Setup BIOS установить более высокие значения таймингов
памяти (то есть, замедлить её).
• Поставьте для опций "Video BIOS Casheable" и "Video BIOS Shadow"
значения "Disabled".
• Увеличьте 8 и 16 bit I/O Recovery Time.
• Удостоверьтесь, что опция "Assign IRQ for VGA" имеет значение "Yes".
• Уберите все разгоны, если что-либо разогнано. Можно попробовать поднять
(НЕМНОГО, на 0,05 - максимум на 0,1 вольт) напряжение процессора.
• Проверьте работу всех вентиляторов, возможно, что какой-нибудь из них
неисправен и система просто перегревается.
• В BIOS поставьте AGP Aperture size на минимум, выключите AGP2x и AGP4x.
• Если есть вероятность, что проблема с винчестером, в BIOS принудительно
поставьте ему PIO 4 или даже PIO 2 mode.
Если вышеперечисленное не помогает или по каким-то причинам не подходит,
то, предположив, что проблема имеет корни в каком-либо неисправном
устройстве, можно перейти к более решительным мерам. Удаляем физически из системы все
устройства, без которых система может работать. Оставляем только материнскую
плату, процессор, память, винчестер и видеокарту. В BIOS отключаем всё, что
можно: СОМ и LPT порты, все Power Options, Assign IRQ for USB (не трогаем
Assign IRQ for VGA!) .
Если проблема не пропала, проверяем все оставшиеся устройства: видеокарту,
память, процессор, материнскую плату и винчестер. Наиболее простой способ -
установить устройство на другую машину и посмотреть, как оно себя там
поведёт.
Если же после удаления всех лишних устройств проблема пропала, то надо по
очереди ставить удалённые устройства на место и после КАЖДОГО включать систе-
му и проверять "самочувствие". Если проблема в неисправном оборудовании, то,
как правило, таким методом её удаётся локализовать. Впрочем, далеко не всегда
приходится прибегать к столь радикальным мерам, зачастую причина лежит на
поверхности, и предположительно проблемное устройство удаётся вычислить сразу.
Общие советы
Зависания и перезагрузка компьютера нередко связаны с нестабильностью
питания или накоплением статики. Если наблюдаются такие симптомы, первым делом
нужно обеспечить фильтрацию тока (качественным сетевым фильтром или
источником бесперебойного питания) и заземление. Иногда помогает переустановка
сетевых вилок в розетке на 180 градусов (чтобы поменять фазу и ноль местами).
Часто причиной зависаний, перезагрузок или невключений является разряженная
батарейка или старый аккумулятор питания CMOS. Некоторые материнские платы
очень быстро «убивают» батарейку - этим прославились новые платы фирм MSI и
Gigabyte. Компьютер будет нормально работать, если напряжение на 3-вольтовой
литиевой батарейке составляет 3.3 В. Если значение ниже 3.1 В, то этого уже
обычно недостаточно для питания CMOS и инициализации BIOS.
Частые включения и выключения компьютера приводят к износу и
преждевременному выходу из строя компонентов. Главной причиной этого является
температура. При прогреве компьютера компоненты расширяются, а при охлаждении -
сжимаются. Это уже само по себе серьёзное испытание, а, в придачу к этому,
различные материалы имеют разные коэффициенты теплового расширения, т.е.
расширяются и сжимаются в различной степени (и с разной скоростью), а это приводит к
появлению механических напряжений. Из сказанного следует, что для продления
срока службы компьютера его лучше всегда держать при постоянной температуре,
т.е. оставлять его постоянно включенным. Включайте компьютер в начале
рабочего дня и выключайте в конце. Не выключайте его на обед, перекуры и прочие
короткие перерывы.
Не включайте в одну розетку (в одну линию) с компьютером мощные
электроприборы, потребляющие большую мощность: холодильники, кондиционеры, кофеварки,
копировальные аппараты, обогреватели, пылесосы, мощные электроинструменты,
так как они могут стать причиной сбоев.
Если вы удалили из компьютера какую-нибудь плату адаптера, то обязательно
закройте оставшееся после неё отверстие в задней стенке корпуса пластинкой-
заглушкой. Дырка в корпусе нарушает внутреннюю циркуляцию воздуха, что может
привести к повышенному нагреву некоторых компонентов.
Почему нет переключателей (джамперов) на HDD SATA Seagate Barracuda 7200.8?
SATA-кабель имеет только 2 разъема, а не три, как IDE-кабель. Поэтому SATA
диски можно подключать только по одному на канал. На SATA винчестерах джампе-
ры не нужны, потому что они подключаются к разным портам. SATA - параллельный
интерфейс, ему джамперы не нужны.
Как поменять батарейку на материнской плате? Они все одинаковые или нет? И
вообще, ничего там повредить нельзя? Тип батарейки - CR2032. На старых
материнских платах, правда, использовалась разные типы - с этим проблемы. Если
действовать аккуратно, то ничего не повредите - только не забудьте выключить
машину.
Если при включении компьютера, после загрузки BIOS, появляется сообщение
Warning: Your computer CPU Fan Fail, которое сопровождается звуковым
сигналом, то это значит, что система предупреждает, что не получает сигнала с
датчика вращения вентилятора процессора. Срочно меняйте вентилятор на
процессоре.
На задней панели компьютера имеются несколько различных гнезд для
подключения внешних устройств. Существует стандарт цветовых расцветок для каждого
устройства:
• Зеленый — мышь PS/2
• Фиолетовый — клавиатура PS/2
• Красный — 25-контактный параллельный порт
• Темно-синий — 15-контактный (компактный) видеопорт
• Аналогично, имеется специальная расцветка для гнезд звуковой карты:
• Серый — выход на звуковые колонки или наушники
• Светло-синий — линейный (внешний) вход
• Оранжевый — микрофонный вход
Чтобы отключить встроенный динамик в Windows ХР, то заставить спикер
Замолчать можно следующим образом. Для этого в "Диспетчере устройств" (Панель
управления-Система-Оборудование) в меню "Вид" поставьте флажок напротив
пункта "Показать скрытые устройства". Далее в появившейся ветви "Драйверы
устройств не Plug and Play" найдите устройство с именем Веер и отключите его.
КОРПУС
Корпус является важным элементом, обеспечивающим размещение и жесткую
фиксацию всех его устройств, обеспечение их электропитанием и защищающий
довольно хрупкие "внутренности" от воздействия окружающей среды.
Прежде всего, следует определиться со стандартом - AT, ATX, micro ATX. ATX
является более современным, большинство новых материнских плат рассчитаны
именно под него. Для него характерен более легкий доступ к внутренним узлам
компьютера (зачастую без использования отвертки), улучшенная вентиляция
внутри корпуса, возможность установки большего числа полноразмерных плат
расширения, расширенные возможности по управлению энергопотреблением. Micro ATX -
малогабаритный вариант, хорошо подходящий для компактных базовых ПК с
минимумом плат расширения (минимальными габаритами и доступной ценой).
Преимущества, обеспечиваемые АТХ - программное выключение, включение по сигналам
различных внутренних устройств и т.д.
Недавно появилась новая разновидность, АТХ 2.03, предназначенная для
системных плат, поддерживающих новый процессор Intel Pentium 4 с частотой больше
3 ГГц. Основным отличием корпусов нового стандарта является использование
блоков питания повышенной мощности, нового расположения крепежных отверстий
для системной платы и использование дополнительных точек крепления
охлаждающей системы процессора.
Наиболее широкое распространение получили корпуса двух разновидностей:
Desktop, располагающийся горизонтально на рабочем столе и применяемый по
большей части в моделях PC, производимых фирмами-"брэндами" и Tower,
вертикально расположенный и более массовый тип корпуса. Корпуса последнего типа
подразделяются, в свою очередь, на micro-, mini-, midi- и big-tower,
различающиеся по числу отсеков для 5,25" накопителей: соответственно micro-tower
имеют 1 посадочное место под такие накопители, mini-tower - 2, midi-tower - 3
и big-tower - 4 и более.
Desktop
Чаще всего в корпусе такого типа размещаются горизонтально от 2 до 3
устройств формата 5,25" и вертикально 2 - формата 3,5", причем одно из них - с
внешним доступом. Такие корпуса занимают достаточно большое пространство на
рабочем месте, не всегда могут обеспечить удобный доступ к внутренним
устройствам, да и иногда возникают проблемы с нормальным охлаждением процессора.
Все это свидетельствует о том, что время корпусов типа desktop неумолимо
проходит , а ведь первые писишки появились именно в таких корпусах, о tower тогда
никто и не слышал. Но сейчас desktop-ы не имеют абсолютно никаких преимуществ
перед башнями, а некоторые их недостатки мы отметили выше. Да же известные
брэнды, не так давно сплошь и рядом выпускавшие свои модели только в таких
корпусах, все больше склоняются к более практичным башням.
Slim
Развитие идеи миниатюризации применительно к компьютерной области породило
такое чудо, как предельно интегрированные системные платы формата Flex-ATX и
их естественное продолжение - корпуса то ли Slim, то ли Super Slim. В общем,
все корпуса тесные, крайне неудобные, возможностей - минимум, а возможности
модернизации очень ограничены, но зато - внешне они выглядят оригинально и
эксклюзивно, но вот только стоят такие малыши гораздо дороже
полнофункциональных машин, а рекламируется производителями - как недорогие решения для
офисов, а порой и для домашнего применения.
Mini-tower
Довольно маленький по высоте корпус типа mini-tower раньше, в эпоху
господства "матерей" формата Baby AT, был самым широко распространенным, однако
сейчас он встречается гораздо реже, так как с размещением в нем
полноразмерных системных плат АТХ могут возникнуть проблемы, остаются только
малогабаритные платы форматов micro-ATX и flex-АТХ. Такие корпуса чаще всего
используется в PC самых простейших конфигураций и применяется в качестве офисных
машин или сетевых терминалов.
Midi(middle)-tower
Самый распространенный сегодня формат корпуса - midi(middle)-tower АТХ,
обеспечивает использование большого количества накопителей и практически всех
типов системных плат при приемлемых габаритных размерах. Являясь настоящей
"рабочей лошадкой", оптимально приспособленной для решения самого широкого
круга задач, корпуса этого типа применяется практически везде.
Big(full)-tower
Являясь самыми крупногабаритными, корпуса типа big-tower обеспечивают
размещение системных плат любых размеров и самого большого количества устройств
формата 5,25", чаще всего 4-6. Кроме того, они обычно комплектуются блоками
питания повышенной мощности. Основная область применения корпусов - рабочие
станции, небольшие серверы и компьютеры для продвинутых пользователей.
Однако, в связи с все ширящейся экспансией недорогих IDE RAID-контроллеров в
массовые устройства, потребность в большом количестве посадочных мест для
дисковых накопителей может вывести корпуса big-tower в разряд наиболее
распространенных устройств, особенно если учесть, что современные высокоскоростные
винчестеры в процессе работы ощутимо греются, и уже сейчас начали появляться
устройства, монтируемые в 5-дюймовые отсеки и предназначенные для охлаждения
3-дюймовых HDD.
Barebone
Это упрощённое решение от производителя, которое включает в себя всё для
быстрого сбора компьютера и нуждается только в таких вариативных компонентах,
как процессор, память и жёсткий диск. Процесс установки последних занимает
считанные минуты, и компьютер готов. Как правило, в таких системах,
производители используют собственные проприетарные компоненты, поэтому замена
материнской платы или добавление какого-нибудь компонента, может вызвать
некоторые затруднения. Однако обычно, такие системы используются в качестве
массовых корпоративных компьютеров, либо как персональный компьютер у человека, не
обременённого потребностями к апгрейду.
Кнопки
Как правило, на корпусе системного блока располагаются несколько кнопок для
управления компьютером (Reset, Turbo), светодиодные и цифровые индикаторы
режимов работы (Turbo, Power, HDD, частота), замок для блокировки клавиатуры
(Lock), встроенный динамик и выключатель питания (Power).
Корпуса различных фирм могут несколько отличаться по дизайну и габаритам.
Существуют специальные корпуса для мультимедиа-компьютеров, оснащенные стерео
колонками и манипуляторами аудио выхода. Для комфортной работы выпускаются
корпуса с низким уровнем шума (low-noise), в которых применяются блоки
питания с малошумящими вентиляторами.
А теперь рассмотрим внутреннее устройство корпуса. Их можно условно
разделить на три основных зоны: блок питания, место под системную плату и корзины
для накопителей.
Место для системной платы
Классический вариант установки системной платы в корпус формата АТХ
подразумевает расположение БП в его верхней части, таким образом, поток воздуха от
вентилятора БП направлен на процессор и модули RAM, обеспечивая их
дополнительное охлаждение. Первоначально в соответствии со спецификацией АТХ от
вентилятора БП требовалось нагнетать воздух в корпус, однако элементы БП сами
достаточно сильно нагреваются в процессе работы, поэтому процессор обдувается
струей уже горячего воздуха, что не способствует эффективному его охлаждению.
В последнее время вентиляторы БП снова стали работать на отсасывание воздуха
наружу, что, при наличии дополнительного нагнетающего вентилятора в передней
части корпуса, обеспечивает сквозной поток воздуха, омывающий практически все
более или менее нагревающиеся элементы компьютера.
При всех своих достоинствах корпуса с верхним расположением БП имеют и один
недостаток - большие габаритные размеры, особенно в высоту. С целью их
уменьшения в некоторых моделях корпусов midi-tower БП был развернут на 90 градусов
и расположен параллельно системной плате. Такое решение, при незначительном
увеличении ширины системного блока, позволило резко уменьшить его высоту и,
сохраняя возможность установки 3 больших внешних устройств, свойственную
корпусам типа midi, приблизиться к размерам mini. Иногда такие корпуса называют
midi-mini tower. В этом случае вентилятор БП расположен непосредственно над
процессором и процесс отвода горячего воздуха от системы охлаждения CPU
облегчается. Но любая палка о двух концах. В данном случае концом, бьющим по
пользователю, выступает малая высота свободного пространства над системной
платой, часто делающая невозможной установку переходника Slotl/Socket370
стандартного размера.
Вторым недостатком такого решения является ухудшение общей циркуляции
воздуха в корпусе, так как вентилятор БП работает в замкнутом пространстве,
отгороженным спереди корзиной с накопителями и шлейфами к ним, снизу платой
видеоадаптера. Кроме этого, погоня за уменьшением габаритов корпуса привела к
тому, что большинство корпусов midi-mini позволяют устанавливать без особых
проблем системные платы АТХ размером 305x210-220 мм, а полноразмерные
системные платы формата АТХ (напомню, имеющие размеры 305x244 мм) часто не
позволяют установить 5-дюймовые дисководы CD-ROM. Правда, большинство современных
системных плат укладываются в эти ограничения, но, тем не менее, владельцам
таких корпусов надо быть внимательным при выборе новой материнской платы.
ВТХ
Компания Intel в 2003 году разработала новый форм-фактор ВТХ (Balanced
Technology Extended). Новый стандарт обеспечивает более эффективное
охлаждение, общее понижение шума систем охлаждения и более удобное расположение
компонентов для сборки. По сравнению с форм-фактором АТХ была изменена общая
схема размещения устройств внутри корпуса. Например, форм-фактор предполагает
использование одного вентилятора, расположенного на блоке питания, который
способен в одиночку обеспечить необходимый поток воздуха для охлаждения
компонентов системы от передней части корпуса к задней части.
Материнская плата по сравнению с форм-фактором АТХ перевернулась, в
результате чего видеокарты смогли подставить свои кулеры под воздушный поток. Форм-
фактор ВТХ в свою очередь делится на три группы: стандартный ВТХ, micro-BTX и
pico-BTX. Эти группы отличаются своими размерами и количеством слотов для
плат расширений.
Место для накопителей
Существует две разновидности типоразмеров устройств, размещаемых в передней
части корпуса компьютера. Еще во времена самых первых PC, в корпусе был
предусмотрен отсек для 5,25" накопителя на гибких дисках. Позже появились более
компактные накопители с габаритами 3,5" FDD, образующие вторую группу
устройств, для которых предусмотрено место в компьютере. Реальная ширина 5,25- и
3,5-дюймовых устройств несколько больше, чем 5,25 и 3,5 дюйма. Их название
исторически обусловлено габаритами дисководов для 5,25- и 3,5-дюймовых
дискет . Часть таких устройств, в первую очередь это, конечно же, дисководы HDD,
могут не иметь внешнего доступа. Дополнительные накопители обычно удобнее и
дешевле приобретать во внутреннем исполнении. В формате 3,5-дюймов
выпускаются магнитооптические и ленточные накопители, жесткие диски, дисководы большой
емкости LS-120, Zip, SyJet. В формате 5,25-дюймов выпускаются: магнитооптика,
жесткие диски, ленточные накопители, накопители со сменными носителями
большой емкости Jazz и SyJet, приводы для записи (CD-R) и перезаписи (CD-RW)
компакт-дисков, комплекты для съемных жестких дисков (mobile rack). Если вы
планируете в дальнейшем использовать какие-либо из этих устройств, то число
свободных отсеков и мощность блока питания должны выбираться с определенным
запасом .
В последнее время для удобства монтажа таких накопителей применяют съемную
конструкцию корзины. Отсеки для 3,5" устройств с внешним доступом, а их, чаще
всего, бывает один или два, в корпусах типа desktop располагаются
вертикально, что не всегда удобно. От компьютеров фирмы Apple в мир PC перешла мода на
установку 3,5" FDD не обычным способом, а используя щель. Это, может быть, и
красиво, но очень неудобно - так как выталкивающий механизм дисковода не
рассчитан на выбрасывание дискеты на столь большое расстояние, то из щели ее
приходится вытаскивать, уцепившись за самый ее кончик.
С устройствами большего размера, после вытеснения 5,25" FDD дисководами CD-
ROM и практически полного исчезновения из обихода накопителей HDD такого
формата, тоже случилась незадача: посадочных мест в корпусе много, а что,
собственно туда ставить? CD-ROM в системе нужен только один, CD-R/RW или DVD-ROM
его могут успешно заменить, а больше накопителей в таком формате, кроме
экзотики , вроде бы и нет. И тут производители, найдя пустующую рыночную нишу,
развернулись вовсю. Как грибы после дождя появились различные, нужные и не
очень устройства, среди них наибольший интерес могут представлять:
интерфейсные панели звуковых плат (например, Creative Live! Drive или NeoWave NewQ
Gold), средства для стабильной работы накопителей с 10000 об/мин (это
устройства подачи воздуха, устанавливаемые в отсек 5,25 дюйма, жесткий диск при
этом монтируется на специальных салазках и интенсивно обдувается потоком
входящего воздуха), специализированные устройства (например, ASUS iPanel,
представляющий собой панель, устанавливаемую в пятидюймовый отсек корпуса, на ко-
торой находятся 2 USB порта, 1 СОМ порт, 3 Audio I/O порта, окошко IrDA,
цифровой жидкокристаллический индикатор, отображающий ошибки при загрузке,
значения напряжений, частоту процессора, скорости вращения вентиляторов и
значения температур, а также пять кнопок для переключения режима работы
индикатора) .
Перейдя же от формы к содержанию, можно констатировать, что оптимальное как
на сегодня, так и на ближайшее будущее, соотношение высоких функциональных
возможностей и приемлемых габаритов будет обеспечивать башенный корпус типа
midi-tower, выполненный в формате АТХ, оснащенный блоком питания мощностью
250 Вт (300 Вт для новых Pentium 4) и имеющий не менее 3 посадочных мест для
5-дюймовых накопителей.
Таким образом, современные компьютеры требуют более качественных корпусов и
источников питания, здесь экономия нескольких у.е. может обернуться
стократными потерями в будущем. Низкокачественный корпус может стать не домом, а
гробницей для вашего любимца компьютера.
Производители
• Antec - один из лидеров в производстве качественных корпусов. Учитывая
популярность этой марки, существует высокая вероятность нарваться на
подделку.
• Cooler Master - производитель выпускает большой ассортимент качественных
корпусов на любой вкус.
• Enermax - тайваньский производитель корпусов.
• Gigabyte - крупнейший производитель компьютерной техники
• Silverstone - производитель качественных корпусов
Если вас интересует более подробная информация по производителям корпусов,
то посетите посвященную этой теме страницу известного сайта iXBT
(http://www.ixbt.com/power/faq/cases-psu.shtml).
БЛОК ПИТАНИЯ
Виды блоков питания
Из среднестатистического блока питания выходит 38 проводов.
Модульные блоки питания
В последнее время получают распространение модульные блоки питания с
отсоединяемыми проводами. В обычных блоках питания число различных соединительных
шнуров иногда слишком велико, но не все они используются. В результате
некоторые провода бесхозно висят и мешают нормальной циркуляции воздушных потоков
внутри корпуса. Кроме повышения гибкости установки под разные сценарии
(скажем, если требуется большее число вилок Serial ATA и т.д.), модульный подход
улучшает вентиляцию и расположение кабелей внутри корпуса, поскольку теперь
не нужно думать, куда прикрепить болтающиеся и ненужные кабели.
Надписи на блоке питания
• Overvoltage protection (OVP) - защита от перенагрузки блока по выходным
напряжениям. Согласно документу ATX12V Power Supply Design Guide,
наличие OVP обязательно. Срабатывает защита при 20-25 процентном превышении
выходного напряжения на любом канале.
• Undervoltage protection (UVP) - защита от проседания выходных
напряжений. UVP также срабатывает после преодоления 20-25-процентного барьера.
Недостаток напряжения влияет на работу жесткого диска, не давая ему
раскрутиться .
• Short circuit protection (SCP) - защита от возникновения короткого
замыкания на выходе блока.
• Overpower (overload) protecton (OPP) - защита от перегрузки по общей
выходной мощности, снятой со всех разъемов.
• Overcurrent protection (ОСР) - защита от перегрузки каждого отдельного
выхода блока. Позволяет отключать блок питания, не подвергая опасности
возникновения короткого замыкания.
• Overtemperature protection (OTP) - защита от перегрева.
• Dual core CPU support - поддержка многоядерных процессоров.
• Industial class components - в блоке питания используются детали,
способные работать в диапазоне от -45 до 105°С
• Double transformer design - Указывает на наличие двух силовых
трансформаторов (встречается в блоках большой мощности).
Мифы о маркировке
блоков питания
Теоретически, энергия, доставляемая блоком питания, не может быть больше
той, которую он потребляет. На самом деле это означает 100% КПД, недостижимый
уровень производительности. Преобразование переменного 220 В тока в
постоянный с разными напряжениями приводит к определённым потерям энергии, которая
выделяется в виде тепла внутри корпуса. То есть мощность, которую блок
питания выдаёт, всегда меньше мощности, которую он потребляет из электрической
сети.
Найдя отношение выходной и входной мощности, мы получим число от 0 до 1.
Например, максимальная выработка 450 ватт, делённая на энергопотребление 550
ватт от сети, даёт значение 0,818. Это значение и является КПД или
эффективностью блока питания. Часто это значение представляется в виде процентов,
которое получается умножением упомянутого значения на 100 (81,8% в нашем
случае) .
Маркировка производителя на БП всегда отражает максимальную выходную
мощность, выдаваемую устройством. Так 350-ваттный БП с КПД 70% должен потреблять
от сети питания, максимум, 500 Ватт. Причём это должно случаться лишь тогда,
когда устройства, запитываемые от блока питания, потребляют ровно 350 Ватт.
Реальная эффективность БП не постоянна; она меняется вместе с количеством
потребляемой в данный момент энергии. Документ "ATX12V Power Supply Design
Guide" требует, чтобы БП обеспечивали минимальный КПД 65% при небольшой, 72%
при нормальной и 70% при пиковой нагрузке. Есть и рекомендованный уровень
КПД, который составляет до 75% для небольшой нагрузки, 80% - для нормальной и
77% - для пиковой. Термин "нагрузка" здесь нужно понимать как ток при
указанном энергопотреблении системы, измеряемый в амперах.
Почему КПД столь важно?
По рекомендациям "Power Supply Design Guide" блок питания должен обладать
эффективностью 77% при максимальной нагрузке. Это можно сформулировать проще:
если экономишь на блоке питания, то потом будешь оплачивать большие счета за
электричество. Кроме того, необходимо как-то избавляться от выделяющегося
тепла, вследствие малой эффективности, что увеличивает затраты на охлаждение (и
требует дополнительных затрат энергии) и добавляет шума от более быстрых
вентиляторов. Если же рассеиваемое тепло не выводится из корпуса ПК, это плохо
влияет на продолжительность работы блока питания и других компонентов, потому
что срок жизни большинства деталей уменьшается с ростом температуры.
Давайте теперь посмотрим на проблему выбора блока питания с другой стороны.
Опытные пользователи заинтересованы не столько в эффективности БП при низких
нагрузках, сколько в его возможности обеспечить нормальное энергоснабжение.
Но БП на 1000 ватт, от которого компьютер потребляет лишь 200 ватт, пусть и
вполне подойдёт, но пользователям придётся расплачиваться за его меньший КПД.
Правильные
характеристики
блоков питания
Общая мощность, которую должен выдавать блок питания, зависит от
компонентов, входящих в конкретный компьютер. Если учесть, что каждый слот PCIe х16
потребляет максимум 75 ватт, а затем учесть наличие двух или четырёх
видеокарт PCI Express, то, очевидно, система просто не заработает при большой
нагрузке с 300-ваттным блоком питания. Несложно также представить, что high-end
процессоры требуют больше энергии, чем бюджетные модели.
Многие не хотят вычислять реальное энергопотребление ПК, так как это
требует довольно сложных расчётов. В этом случае подходящий блок питания нужно
выбирать, учитывая худший расклад. Большинство компонентов ПК работает при
напряжении в 12 В, поэтому можно считать, что весь компьютер работает от линии
12 В, и, исходя из этого, рассчитывать силу тока в блоке питания.
Блок питания лучше всего покупать уже после того, как вы точно рассчитаете
энергопотребление ПК, - это надёжнее, чем доверяться не всегда правдивой
маркировке производителей. Это можно сделать, суммировав энергопотребление всех
компонентов. Процессор обычно потребляет от 35 до 130 ватт материнская плата
с памятью - 25-50 ватт, для дисковых накопителей обычно нужно 15-20 Ватт на
каждый, а видеокартам - 30-200 ватт в зависимости от чипа и конкретной карты.
После этого нужно добавить ещё 30% как запас прочности. Если планируется
добавление ещё каких-либо компонентов, следует увеличить бюджет мощности, не
забывая при этом, что эффективность блока питания уменьшается с ростом
нагрузки .
Сверхмощные блоки питания слишком дороги, а с учётом грядущих четырёхъядер-
ных процессоров, чьё энергопотребление будет сильно меняться в зависимости от
технологии энергосбережения (вроде SpeedStep и Cool'n'Quiet), которые также
смогут включать/выключать отдельные ядра, мы рекомендуем покупку таких мощных
блоков питания только при реальной необходимости.
Для производителей блоков питания главной целью должно являться не создание
самых мощных моделей, а увеличение эффективности. Конечно, есть пользователи,
кому действительно нужны 600-ваттные блоки питания, но их доля очень мала. В
общем, если знать кое-что о блоках питания и уметь выполнять несложные
подсчёты, то можно сэкономить деньги, как при покупке, так и при дальнейшем
использовании .
За что отвечает
параметр hold-up time
в блоках питания?
Hold-up time (время удержания) - это промежуток времени после отключения
питания (входное напряжение пропадает), в течение которого блок питания может
удерживать выходное напряжение в заданных пределах. За это время в работу
должен включиться источник бесперебойного питания, если, конечно, таковой
присутствует.
Что За технология ECASO?
ECASO (Enchanced Cooling After System Off) - технология, применяемая в
блоках питания. Ее смысл сводится к тому, что вентилятор БП после отключения
системы работает еще около 3 минут. Таким образом, температура устройств в
корпусе снижается до комнатной температуры гораздо быстрее, что теоретически
должно сказаться на времени так называемой наработки на отказ. Особенно это
относится к жестким дискам.
Во время прохождения POST компьютер перезагружается и так до бесконечности.
Если отключить один из винчестеров, загрузка происходит нормально. Как
работать с двумя винчестерами сразу? Такие симптомы почти в 100% случае
свидетельствуют о недостаточной мощности блока питания, так как в момент
прохождения POST, система подключает и определяет винчестеры. Как вариант,
попробовать подключить жесткий диск к другому информационному шлейфу.
Конструкция блоков питания для каждого форм-фактора корпуса различна.
Например, в старых компьютерах стандарта AT включение и выключение питания
производилось стандартным сетевым выключателем. Сейчас их покупают из остатков
на складе, в основном для старых компьютеров, но производство подобных
устройств заморожено. Блоки питания для стандарта АТХ могут включаться по
команде с материнской платы. Это позволило сделать конструкцию более безопасной.
Имейте в виду, что и АТХ бывают разные. Например, для версии АТХ 2.03 нужно
использовать блоки питания с дополнительными разъемы питания, предназначенные
для систем, в которых стоят процессоры с большим потреблением энергии типа
Pentium 4. В этом случае блоки питания имеют маркировку Р4. В цепях питания
подобных блоков питания присутствуют дополнительные помехоподавляющие
элементы. Есть еще стандарт ATX12V, по которому к БП добавляется еще один разъем,
позволяющий использовать напряжение в 12 вольт вместо обычных 5 вольт.
Признаки, указывающие на
качественный блок питания
• Маркировка проводов (от 16AWG до 18AWG для питания жестких дисков и
т.п., от 18AWG до 20AWG для флоппи-дисковода).
• Большие и мощные силовые трансформаторы, отсутствие нераспаянных на
плате фильтров и дросселей (их часто заменяют перемычками), мощные
фирменные конденсаторы на высоковольтном каскаде (470 мкФ и выше) - можно
подглядеть через щели корпуса блока. Для удешевления конструкции часто блок
лишают переключателя напряжения 110/220 В. На современных БП переключа-
тель - автоматический, о чем говорит надпись «110/220 Auto Switching
Power Supply» или указание AC Input 115V и 230V.
• Вес - мощный блок питания не может весить менее двух килограмм из-за
наличия помехоподавляющих дросселей, которые имеют солидную массу.
• Качественные вентиляторы известной фирмы-производителя (ADDA, Jamicon,
Kamei, Evercool) или собственного производства (ThermalTake, Powerman,
Zalman), желательно Ball Bearing. Желательно наличие проволочной
защитной решетки вместо штампованой.
• Указание на наклейке максимальной силы тока по каждому каналу,
желательно наличие описания с указанием в спецификации прогнозируемой наработки
на отказ (MTBF или MTTF > 100 тыс. часов) , уровней защиты по напряжению
(OVP/UVP <6%), по току (ОСР 110-150%) и защиты от короткого замыкания.
Интересно, что в инструкции, приложенной к блоку питания Powerman Pro
(http://www.powerman.ru), в английской части указано значение наработки на
отказ 100 000 часов, а в русском переводе - всего 50 000. Вряд ли это
опечатка .
Подборка блока питания
При покупке корпуса качество изготовления блока питания на месте оценить
трудно. Ведь вскрывать БП вам никто не разрешит (если только вы не покупаете
корпус, бывший в употреблении) . Но это как раз тот самый случай, где можно
смело ориентироваться на цену и изготовителя. Кстати, в корпусах от известных
фирм могут быть установлены блоки питания от сторонних производителей,
поэтому обратите внимание на наличие пломб, наклеек, штрих-кодов.
На блоках питания иногда встречаются надписи типа "noise killer" (или
"w/noise killer"), что это означает? Это название специальной технологии.
Работает данная система так: при температуре до +35 °С вентилятор вращается с
минимальной скоростью, и его практически не слышно. Когда температура
возрастает до +50 С, обороты вентилятора увеличиваются до максимальной величины и
не снижаются до понижения температуры.
Критерии выбора
блока питания
• MTFB (Mean Time Before Failure, примерное время до первой неполадки) или
MTTF (Mean Time То Failure, то же самое, что и предыдущее) , обычно это
минимум 100 тысяч часов.
• Диапазон изменения входного напряжения при сохранении стабильной работы
блока питания. Для 110 В хороший блок питания должен выдержать от 90 до
130 В, для 220 В — от 180 до 270 В.
• Пиковый ток при включении. Это значение тока, проходящего по системе в
момент инициализации блока питания. Чем оно меньше, тем лучше, так как
блок питания не вынесет большой тепловой удар.
• Время в мс (миллисекундах) удержания выходного напряжения в пределах
точно заданных значений после отключения входного напряжения (20 мс —
хорошее, 10-15 мс — замечательное).
• У блока питания есть такой недостаток — он подстраивается под
поглощаемый ток. Например, система поглощает практически постоянное количество
энергии, но есть момент, когда поглощающий много энергии SCSI-диск со
скоростью вращения 10000 об/с выключает двигатель для перехода в режим
"засыпания", и блок питания должен успеть снизить частоты "наполнения"
конденсатора. До того как это произойдет, блок питания продолжает выброс
выработанной энергии. Время на "раздумье" для данного параметра
измеряется в микросекундах. В последнее время эта проблема почти не
существует , поскольку технология контроля поглощение/генерация весьма
продвинулась .
• В хороших блоках питания есть схема защиты выходных напряжений (в
основном приклеивается к радиаторам, так как не является частью платы блока
питания). Просто-напросто наличие данной схемы — это уже хорошо, а если
она еще и точная и рабочая, так это вообще идеально. Значения ее должны
быть "отключение при превышении 1/5 напряжения", то есть для 5-6 В — это
критическое напряжение. При превышении параметров, линия 5 В
принудительно отключается.
• Мощность на выходах блока питания на каждом канале. Параметр означает
максимальную сумму ампер, которую способен сгенерировать блок питания
без угрозы повреждения.
• Стабилизация напряжения при изменении нагрузки от минимальной до
максимальной .
• Отношение поглощение от сети/вырабатывание на выходе (КПД). Значение,
показывающее количество энергии, которая преобразовывается в тепло во
время преобразования тока. Измеряется в процентах. Чем больше значение
эффективности, тем лучше (точнее выработка блока питания и меньше тепла
в корпусе).
• Ripple, или реакция на "шум" — реакция на скачки на входе блока питания.
Расчет мощности
питания блоков питания
Чтобы рассчитать мощность блока питания для вашего компьютера, нужно
приблизительно подсчитать сумму мощностей потребления всех устройств, которые
установлены в вашем корпусе. Вот приблизительные величины, которые
используются некоторыми устройствами:
• процессор - 75-80 Вт
• чипсет материнской платы - 10 Вт
• различные компоненты на материнской плате - 5 Вт
• AGP-видеокарта - 20 Вт
• Приводы CD-ROM - 5 Вт
• привод CD-RW - 10 Вт
• привод DVD-ROM - 7 Вт
• Жесткие диски IDE 7200 об./мин. - 10 Вт
• Жесткие диски SCSI 15 000 об./мин. - 25 Вт
• Память SDRAM - 5 Вт
• Модули памяти RIMM - 10 Вт
• PCI-карта - 5 Вт
Вам надо суммировать все значения, чтобы вычислить общую потребляемую
мощность , и брать блок питания с запасом прочности раза в полтора. Кроме того,
надо учитывать, что на блоках питания указана пиковая мощность, а реальная
мощность немного ниже. Также нужно учитывать то обстоятельство, что блоки
питания имеют свойство к старению и с течением времени уже не работают на своей
заявленной мощности. На сайте http://www.formfactors.org можно найди
документацию по подбору блока питания (на английском).
А чем же может грозить компьютеру недостаточная мощность блока питания? Не-
ужели он сразу сгорит? Нет, в случае чрезмерной перегрузки должна сработать
схема защиты, и БП просто не запустится. Только вот защита - вещь такая. . .
своеобразная. Предположим, что машина заводится и работает, но все ли так
благополучно? Очень может быть, что нет. Последствия могут быть самыми
разными. Например, весьма печальными для жестких дисков. Дело в том, что
кратковременное снижение напряжения питания жесткий диск воспринимает как команду
на отключение и начинает парковать головки. Когда напряжение
восстанавливается, диск снова включается и начинает раскручиваться. Все это весьма
неполезно .
Также могут происходить малопонятные сбои в работе программ. В некоторых
случаях при интенсивной работе могут наблюдаться глюки на экране.
Некачественный блок питания при аварийной ситуации (повышение напряжения на выходе)
может вывести из строя материнскую плату и видеокарту... (Во многих дешевых
БП защита от превышения выходного напряжения есть только в цепи +5 или +3,3
вольта).
Старение блока питания быстрее заметят те, кто не пользуется блоками
бесперебойного питания - "просадки" и "броски" сетевого напряжения для них будут
очень чувствительными.
Некоторым может попасться в руки блок питания со странным, абсолютно
непонятным разъемом, который не подходит ни к одному соединителю на материнской
плате. Если такое случится, то не пугайтесь и уж тем более не бросайтесь его
ампутировать. Это может быть необязательный жгут с хвостом, который служит
для подачи информации от датчиков вентилятора на системную плату, что
обеспечивает контроль скорости вращения и температуры воздуха.
Сигнал FanM представляет собой выход типа "открытый коллектор" от тахомет-
рического датчика вентилятора блока питания, вырабатывающего два импульса на
каждый оборот ротора. Сигнал FanC предназначен для управления скоростью
вентилятора путем подачи напряжения в диапазоне 0...+12 вольт при токе до 20 мА.
Что касается вентилятора в блоке питания - тут возможны самые разнообразные
варианты: от самых дешевых на подшипниках скольжения до продвинутых шариковых
с тахометрическими датчиками. Направление движения воздуха через БП менялось
с течением времени и конструкторской мысли: сначала воздух выдували изнутри
корпуса БП, затем вдували внутрь, теперь снова вентиляторы работают на
вытяжку.
Со времени первоначальной разработки в феврале 2000 года спецификация АТХ
претерпела некоторые изменения и дважды пересматривалась. Для систем на базе
новых мощных процессоров был добавлен новый четырехконтактный разъем с
обозначением ATX12V (или 12VSB) и соответствующий выход блока питания. Через
этот соединитель на плату подается напряжение +12 В, которое используется для
питания процессора (разумеется, не напрямую, а через преобразователь
напряжения на самой плате). Рекомендации Intel не оговаривают, что это должен быть
отдельный от общего 12-вольтового питания выпрямитель, а лишь ограничивают
допуск на отклонение напряжения диапазоном -8...+5%. Отклонение напряжения +12
В, оговоренное стандартом АТХ, составляет ±5% (при пиковых нагрузках оно не
должно превышать ±10%, но с запасом мощности мы уже разобрались).
В некоторых случаях выход 12VSB не нужен, производители иногда вообще не
устанавливают этот разъем на плату. А если он есть, то достаточно подключить
его к выходу +12 В блока питания. Распайка разъема проста: два вывода с той
стороны, где расположен ключ-защелка, - это +12 В, два других - «Общий».
Последний можно не подключать, соединение между разъемами АТХ и 12VSB имеется
на плате. Те, кто умеет держать паяльник, могут замкнуть перемычкой один из
контактов +12 В разъема 12VSB с 12-вольтовым питанием на основном АТХ-раЗъеме
(желтый провод блока питания) прямо на материнской плате. Альтернативный
вариант - поиск подходящего разъема или даже контакта, который соединяется с
любым из желтых проводов блока питания. Для особо опасливых скажу, что
ошибочное подключение выходом компонентов из строя не грозит: все современные
источники питания имеют систему защиты от короткого замыкания и при
неправильном подключении компьютер просто не включится.
Цвет проводов на дополнительном разъеме:
Цепь Цвет проводов
+3,3 В Sense белый с коричневыми полосками
FanC белый с синими полосками
FanM белый
1394V белый с красными полосками
1394R белый с черными полосками
Наиболее нагруженным элементом системы на основе Pentium 4 является
единственный желтый провод, идущий от блока питания к системной плате, - в случае,
когда питание процессора подключено с помощью перемычки между разъемами.
Применяемый в большинстве блоков питания медный провод типа TR-64 20AWG имеет
эквивалентное сечение 0,52 кв. мм, а значит, допустимый ток - около 5,2 А.
Потребляемый по цепи 12 вольт ток для описанного варианта довольно близок к
этому значению (4,54 А потребляет процессор и около 100 мА сама плата при
отсутствии 12-вольтовых потребителей в виде карт расширения). Поэтому для более
мощных процессоров или при наличии карт расширения подключать разъем 12VSB
лучше все же отдельным (вторым) проводом. Если же в вашем блоке питания
применен провод 18AWG (эквивалентное сечение 0,8 кв. мм), то беспокоиться не о
чем.
Для систем на базе Athlon все немного проще. Мощность, потребляемая
процессором, выше (в зависимости от частоты и модификации, для сравнимых частот -
раза в полтора, максимум - около 72 Вт), но нет проблем с проводами:
преобразователи питания процессора подключены не к 12-вольтовой цепи, как для Р4, а
к 5-вольтовой - таких проводов в разъеме АТХ аж четыре, и даже для варианта с
проводом 20AWG допустимый ток составит 20,8 А, что эквивалентно мощности
103,2 Вт. Собственно, и сам разъем 12VSB потребовался именно потому, что для
питания Р4 Intel рекомендует использовать 12-вольтовый канал - таким образом,
значительно проще обеспечить стабильность напряжения при резко изменяющемся
токе потребления.
Производители блоков питания
• Corsair - недавно стала выпускать собственные блоки питания, которые на
самом деле собираются на фирме Sea Sonic
• Fong Kai Indusrtial (FKI) — компания занимается выпуском различных типов
продукции, включая и блоки питания. Информацию о деятельности компании
можно найти по адресу http://www.fkusa.com
• Sea Sonic Electronic — один из лидеров на рынке блоков питания. Сайт
производителя находится по адресу http://www.seasonic.com.tw
• FSP Group Inc. — широко представлена на нашем рынке продукция компании
FSP Group. В 2005 году компания приобрела американскую фирму 3Y Power
Technology, которая также была известным производителем мощных блоков
питания. Существует русскоязный сайт компании, который можно найти по
адресу http://www.fsp-group.com.tw/russia/index.asp
• Sparkle Power Inc (SPI) — еще один производитель блоков питания:
http://www.sparklepower.com.
• Thermaltake — производитель различной компьютерной продукции. Блоки пи-
тания этой компании выпускаются под серией Toughpower. Адрес в
Интернете: http://www.thermaltake.com
• Sven — эта компания, выпускающая различную компьютерную технику, также
выпускает и надежные блоки питания. Сайт компании: http://www.sven.ru.
Вопросы по блокам питания
Нужна ли кнопка выключения питания на блоках питания АТХ?
Использовать выключатель блока питания бывает достаточно удобно для полного
обесточивания материнской платы — не приходится выдергивать шнур из розетки.
Если у вас такого выключателя нет, то оставляя компьютер на длительное время,
желательно отключить его провода питания от ИБП или от розетки — известны
случаи самопроизвольного включения компьютера с "левым" БП при резких скачках
питающего напряжения.
Как лучше подключить монитор: к разъему блока питания или прямо в розетку?
Особой разницы нет. Способ подключения монитора никак не скажется на работе
БП в любом из этих случаев. Правда, в хорошем блоке питания, между контактами
сети ("папа") и монитора ("мама") устанавливают фильтр с ограничителями
бросков напряжения, так что такое подключение монитора "здоровее".
Чем отличаются фирменные блоки питания от устройств неизвестных
производителей?
Качеством исполнения. В это понятие входит и качество самих элементов, и
продуманность схемы, и качество монтажа, и защита, и дополнительные функции
(переключатель напряжения, регулятор скорости вращения кулера), и количество
выходных разъемов, и еще очень многое. В общем и целом, это сказывается на
надежности БП и конечной системы. И на риске при аварии в БП или сети
потерять не только его, но и кучу подсоединенных к нему устройств.
Что будет, если что-то произойдет с блоком питания?
В лучшем случае — его придется ремонтировать или менять. В худшем — рост
всех или некоторых выходных напряжений и, как следствие, выгорание некоторых,
а то и всех компонентов компьютера. Особенно высока подобная вероятность при
использовании недостаточно мощных и безымянных блоков питания сомнительного
происхождения.
Как проверить стабильность напряжения, выдаваемого БП?
Необходимо нагрузить блок питания (например, лампами для автомобильных фар
или блоками достаточно мощных резисторов) и замерить напряжения тестером.
Если напряжения в пределах нормы, а стрелка особо не скачет, то все должно быть
нормально. Можно еще проверить пульсации осциллографом, если имеется такая
возможность. Можно также задействовать функции системного мониторинга
напряжений материнской платы, если таковой присутствует. В этом случае лучше
запустить какой-нибудь краш-тест, нагружающий все без исключения устройства
компьютера.
Как включить блок питания АТХ без материнской платы?
Необходимо чем-нибудь (например, скрепкой) замкнуть зеленый и черный
провода на разъеме блока питания (PS-ON и GND) . Если надо будет отключить —
разомкнуть эти контакты. Однако не рекомендуется включать блок питания без
нагрузки !
Что делать, если блок питания выдает более низкое/высокое напряжение?
Если отклонения достаточно велики (более +15/-20 процентов от номинала), то
желательно замерить это напряжение тестером. Если показания тестера и системы
мониторинга ПК совпадают, то стоит заменить блок питания. Если есть заметные
отклонения в нижнюю сторону, то это может свидетельствовать о перегрузке
блока питания и выходе напряжений за допустимые рамки.
Почему производители классифицируют блок питания как неремонтопригодное
изделие?
Да, это так, хотя на самом деле, блок питания — едва ли не самая
ремонтопригодная часть компьютера. Другое дело, стоит ли оно того. Хотя бы по той
причине, что в блоке питания наличествует высокое напряжение (и даже больше,
чем 220 В). Остальные компоненты системного блока (кроме кабеля питания от БП
и выключателя питания в корпусах AT) таких напряжений не содержат.
В чем может проявляться недостаточная мощность блоков питания?
В нестабильном включении (иногда включается, иногда — нет),
немотивированных перезагрузках (особенно при большой загрузке компьютера), общей
нестабильности работы, отказах винчестеров раскручиваться, постоянных зависаниях
системы при загрузке.
Что делать, если сгорел блок питания?
Проверить все комплектующие компьютера с заведомо исправным блоком питания.
Если они работают, то заменить сгоревший блок питания. Обратите внимание, что
при сгоревшем блоке питания в первую очередь могут пострадать жесткий диск,
материнская плата, процессор, память, CD-ROM. Наиболее устойчив к этой
неприятности флоппи-дисковод.
Почему сгорел блок питания?
Причин может быть несколько. Возможны производственные дефекты (особенно на
безымянных БП), скачки напряжения, перегрузка, выход других компонентов,
приведший к сильной перегрузке или короткому замыканию, перегрев, отказ
вентилятора, в том числе вызванный его засорением пылью.
Можно ли починить сгоревший блок питания?
В принципе, да. Целесообразно ли это? Вряд ли. Дело в том, что
отремонтированный БП может легко выйти из строя, или просто не обеспечивать соответствие
всем заводским характеристикам.
Где взять схему блоков питания?
Если вас интересует схема блоков питания, то можете скачать файл
bpshemes.zip по адресу:
http://www.ixbt.com/power/faq/cases/faq-psu/bpshemes.zip.
Что чаще всего выходит из строя в блоке питания?
Чаше все выходят из строя следующие компоненты (использую схему из файла,
описанного в предыдущем вопросе):
• мощные транзисторы (особенно Q3, реже Ql, Q2);
• резисторы (особенно R3, реже R7, R8);
• диоды (Dl, D2);
• варисторы (VD1, VD2);
• трансформатор Т2;
• предохранитель Fl;
• при отказе кулера выходят из строя катушки (особенно дроссели LI, L2);
В первую очередь следует проверить предохранитель F1. Хотя он защищает
только от КЗ, от скачков напряжения — недостаточно.
Маркировка проводов
блоков питания АТХ
20-контактный разъем
i 234 56789 10
□ □□□□□□□□□
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
24-контактный разъем
Основной разъем питания
№ контакта
Цепь
Цвет провода
1
+3,3 В
оранжевый
2
+3,3 В
оранжевый
3
СОМ
черный
4
+5 В
красный
5
СОМ
черный
6
+5 В
красный
7
СОМ
черный
8
PWR ОК
серый
9
+5 В
лиловый
10
+ 12 В
желтый
11
+3,3 В (датчик +3,3 В)
оранжевый (коричневый)
13
-12 В
голубой
13
COM
черный
14
PS ON#
Зеленый
15
COM
черный
16
COM
черный
17
COM
черный
18
-5 В
белый
19
+5 В
красный
20
+5 В
красный
Дополнительный соединитель для блоков с большими выходными токами
№ контакта
Цепь
Цвет провода
1
СОМ
черный
2
СОМ
черный
3
СОМ
черный
4
+3.3 В
оранжевый
5
+3.3 В
оранжевый
6
+5 В
красный
Разъем питания +12 вольт (АТХ для питания систем с Р4)
К стандартному 20-контактному разъему добавились еще 4 разъема
№ контакта
Цепь
Цвет провода
1
СОМ
черный
2
СОМ
черный
3
+ 12 В
желтый
4
+ 12 В
желтый
4-х контактный разъем питания для флоппи-дисковода
4-х контактный разъем питания Molex
Самый популярный разъем из блока питания называется Molex-разъемом по
названию фирмы-производителя. Сам разъем молочного цвета с четырьмя проводами:
желтым, красным и двумя черными. Эти коннекторы обычно обозначаются шифром
0015244048, но также возможен код 8981-04Р, использующийся в ATX12V Power
Design Guide ("Руководство для разработок в области питания стандарта
ATX12V"). Таким типом разъёма питания обычно снабжаются кулеры, CD/DVD-
приводы, IDE (U-ATA) жёсткие диски и некоторые SATA-жёсткие диски.
№ контакта
Цепь
Цвет провода
1
+ 12 В
желтый
2
-12 В (Земля для 1 контакта)
черный
3
-5 В (Земля для контакта 4)
черный
4
+5 В
красный
Через этот шестиконтактный коннектор PCIe-видеокарты
получают дополнительное питание.
Разъём питания SATA
МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА
Материнская плата является основой системного блока. Именно на материнской
плате располагаются все необходимые компоненты для работы системы: слоты,
процессоры, карты расширения, транзисторы и пр. Среди пользователей
встречаются и такие термины для обозначения материнской платы, как "системная
плата", "мать", "материнка", motherboard. Начинающие пользователи, которые
решили самостоятельно собрать компьютер, часто сталкиваются с такой проблемой —
купили комплектующие, а друг к другу они почему-то не подходят или подходят,
но вместе не работают. Бывает и другая проблема — неудачный выбор
комплектующих, в результате чего производительность системы упирается в то или иное
"узкое место", а приобретенные дорогие компоненты оказываются пустой тратой
денег. Поэтому, чтобы комплектующие подошли друг к другу и заработали вместе,
нужно учитывать множество факторов: размеры материнской платы, тип сокета
процессора, количество слотов расширения и многое другое. Рассмотрим
устройство материнской платы подробнее. На рисунке представлен вид сверху на одну
из стандартных материнских плат. На нем размечены все основные компоненты,
которые можно встретить на современной материнской плате.
!
1 — сокет для процессора;
2 — "северный" мост;
3 — "южный" мост;
4 и 5 — слоты для модуля памяти;
6 — разъем для флоппи-дисковода;
7 — разъем для устройств АТА100/АТА133 ;
8 — разъем для устройств Serial ATA;
9 — слоты PCI;
10 — слоты PCI-Express х16;
11 — слоты PCI-Express xl;
12 — 24-контактный разъем АТХ для блока питания;
13 — 8-контактный дополнительный разъем ATX12v для процессора;
14 — разъем для питания видеокарты;
15 — стабилизатор напряжения;
16 — контроллер для интерфейса IEEE 1384 (FireWire);
17 — аудиоконтроллер;
18 — сетевой контроллер;
19 - BIOS ROM (CMOS);
20 — батарейка для BIOS
Естественно, что расположение компонентов и набор функций у разных моделей
материнских плат могут отличаться. Например, в более старых моделях
используется 20-контактный разъем, а с февраля 2003 года питание на плату от блока
питания подается через 24-контактный разъем Extended АТХ (12). Это
потребовалось для поддержки видеокарт PCIe, которые могут потреблять до 75 ватт от
интерфейса материнской платы. Кроме того, наиболее производительные PCIe-
видеокарты получали дополнительное питание через дополнительный
шестиконтактный кабель напрямую от блока питания. Сегодня так же работают карты из серий
nVidia 8800 и ATi/AMD 2900. Также только в новых материнских платах появились
дополнительные разъемы для питания процессоров (8-контактный разъем ATX12V) и
слотов PCI Express (4-контактное гнездо Molex). Также на старых платах
имеются слоты для AGP.
Отдельные компоненты
20-контактный разъем АТХ для блока питания (устаревший)
Клавиша сброса CMOS
На некоторых моделях материнских плат (например, от MSI) имеется красная
клавиша, которая служит для сброса CMOS BIOS, если плата не стартует. Распо-
ложена она рядом с батарейкой. Данная функция очень полезна для оверклокеров,
поскольку позволяет не мучиться с перемычками. Кроме того, восстанавливаются
последние рабочие значения, что облегчает эксперименты разгона.
Подобно плате MSI, у модели Gigabyte есть функция сброса CMOS BIOS. Но
вместо клавиши Gigabyte предоставляет пользователю два контакта, которые следует
Замкнуть с помощью отвёртки или перемычки. В отличие от решения MSI, при
сбросе теряются все настройки BIOS, за исключением даты и времени.
Радиатор на северном мосту
Радиатор на южном мосту
Советы по выбору
материнской платы
Быстродействие материнской платы напрямую зависит от модели чипсета.
Развитие компьютерной техники не стоит на месте, и к моменту выхода этой
публикации информация вполне может устареть, поэтому давать конкретные рекомендации
довольно сложно. Разделим наши требования на три основных направления:
• качество работы материнской платы
• функционал, архитектура
• эргономика
Качество
Определить насколько хорошо, стабильно и долго будет работать купленная
вами плата можно только в процессе эксплуатации, но уже на этапе выбора можно
попытаться отбраковать заведомо неудачные экземпляры. Проверьте, если ли на
чипсете выбранной материнской платы вентилятор. Некоторые производители
материнских плат экономят и вместо вентилятора ставят обычный радиатор. Хорошее
охлаждение — это очень важный фактор для стабильности и скорости работы
вашего оборудования, особенно, если вы планируете разгонять процессор, когда к
надежности и отсутствию сбоев в работе компьютера предъявляются повышенные
требования.
ЯЕще одним немаловажным моментом для стабильной работы карты
является количество и емкость конденсаторов-стабилизаторов. Название
"стабилизатор" говорит само за себя. Смотрите, чтобы их было хотя
бы 10-12 штук, в идеале и больше, с емкостью выше 4000 мкФ.
Как это ни банально, хороший внешний вид тоже является косвенным признаком
качества материнской платы. Если производитель серьезно подходит к дизайну
внешнего вида устройства, комплектации, качеству упаковки, то и к качеству
производства можно ждать как минимум такого же отношения.
Функционал
Материнские платы "все в одном" — не лучший выбор для требовательных
пользователей. Интегрированная видеокарта очень сильно замедляет работу
компьютера, отнимает немало ресурсов оперативной памяти. А вот слотов для подключения
дополнительных устройств надо много. Неизвестно, как долго вы будете работать
на своем компьютере, и что вам захочется подключить к нему в будущем. Чем
больше на материнской карте разъемов для подключения дополнительных
вентиляторов (желательно с мониторингом состояния и оповещением о нарушениях в
работе) , а также USB-портов, тем лучше. Если на материнской карте есть
интегрированный RAID-контроллер, то это дополнительный аргумент в выборе именно
данного экземпляра. Возможность объединять диски в массивы может быть очень
полезной как для скорости, так и для надежности работы компьютера. Как правило,
интегрированные RAID-контроллеры, позволяют создавать массивы 0 и 1 уровня.
Эргономика
Материнская плата не является "вещью в себе". Она устанавливается в корпус,
в который крепятся и различные дополнительные устройства — CD-ROM, жесткие
диски, на материнской плате устанавливаются модули оперативной памяти,
видеокарта ит. п. Грамотное распределение разъемов на плате обеспечивает удобное
подключение всех устройств и гарантирует беспрепятственный доступ к любому из
них. При выборе платы надо четко представлять себе, как она будет крепиться в
корпусе, и как будут крепиться остальные устройства. Наиболее частые проблемы
при сборке компьютера могут возникнуть в следующих случаях:
• в зависимости от типа корпуса блок питания может крепиться на нем как
вертикально, так и горизонтально. Как правило, горизонтальное
расположение не мешает установке процессора. В случае с вертикальным креплением и
неудачным расположением процессорного слота, установка вентилятора
(особенно большого, нестандартного) на процессор, когда материнская карта
закреплена на корпусе, может быть сопряжена с определенными трудностями,
а то и просто невозможна
• модули оперативной памяти, расположенные слишком высоко и близко к
местам установки приводов CD-ROM, могут серьезно мешать их монтажу. Мне не
раз приходилось сталкиваться с ситуациями, когда привод невозможно
установить , не вынув оперативную память. Это касается и расположения шлейфов
IDE-устройств, которые, порой, просто невозможно уложить ровно и
приходится сгибать, потому что они упираются в планку памяти
• слишком большие конденсаторы, расположенные близко к разъему видеокарты,
могут помешать установке карты с большим радиатором охлаждения на
видеопроцессоре. Особенно это касается современных видеокарт, процессоры
которых греются, порой, гораздо сильнее CPU, что вынуждает устанавливать
на них мощные вентиляторы с большим радиатором. Это же касается и
конденсаторов рядом с процессором. Крупногабаритный радиатор может просто
не поместиться
• неудачно расположенные на материнской карте разъемы IDE-устройств могут
привести к тому, что шлейфы придется тянуть через все пространство
корпуса. Из-за того, что эти шлейфы весьма широкие, циркуляция воздуха
внутри корпуса будет нарушена, температурный режим в некоторых зонах
может стать неудовлетворительным
• если вы будете устанавливать дополнительный вентилятор на задней стенке
корпуса, то самое оптимальное расположение процессорного слота —
непосредственно на пути потока воздуха от этого вентилятора. В таком случае
охлаждение процессора будет наиболее эффективным
Установка
При установке или переустановке материнской платы очень легко можно что-
нибудь повредить. Ниже приведено несколько советов по правильному обращению с
материнской платой. Будьте осторожны. Перед работой снимите с себя заряд
электричества, дотронувшись до какого-нибудь металлического предмета.
Беритесь за материнскую плату только с краю. Не дотрагивайтесь до элементов или
мест пайки.
При извлечении процессора лучше использовать предназначенный для этого
специальный инструмент. В виде исключения можно использовать согнутую под прямым
углом вилку. Обратите внимание на ножки процессора.
Не слишком туго закручивайте винты, крепящие материнскую плату, так как в
многослойных платах можно легко пережать проводящие дорожки.
Устанавливайте процессор без усилия. Перед этим проверьте, находится ли
рычаг в ZIF-разъеме в открытом положении. В платах без ZIF-разъема обратите
внимание на правильность положения процессора, и лишь после этого осторожно
вставьте его в разъем.
Перед включением компьютера проверьте правильность установки процессора,
DIMM-moдулей и карт расширения.
Если в вашу материнскую плату интегрированы звуковой и графический
адаптеры, то производитель добавляет в название платы обозначение VM (Video and
Media), например P4R800-VM.
Программы для работы
с материнскими платами
Motherboard Monitor — популярная утилита, которой известно о более чем 87
производителях материнских плат и более 1000 моделей плат этих
производителей. Утилита позволяет в реальном времени контролировать изменения температу-
ры различных компонентов платы, снимая показания с встроенных датчиков
температуры. Для каждого датчика можно установить сигнал тревоги, если значения
заданных параметров выйдут за определенные рамки. Программа показывает
текущие значения напряжений на плате, скорости вращения кулеров, частоту
процессоров. При помощи Motherboard Monitor можно также контролировать поведение
удаленной машины. В случае возникновения проблемы программа отошлет на
указанный адрес электронное письмо. Также возможна запись обо всех случаях
перегрева в специальный лог-файл в разных форматах (TXT, CSV, XML, HTML). К
сожалению, программа давно не обновляется, и рекомендовать ее для использования
на современных материнских платах не представляется разумным. Если вы хотите
скачать эту программу, то воспользуйтесь поисковыми службами для нахождения
файла программы.
MSI PC Alert - Фирменная утилита от компании MSI для использования с
родными материнскими платами. Производит мониторинг температур CPU и системы,
скоростей вентиляторов, напряжений. Если заданные параметры при работе будут
превышены, то программа вовремя предупредит пользователя, привлекая его
внимание к возникшей проблеме.
Производители материнских плат
• ASUSTek — один из лидеров в производстве материнских плат.
Официальный сайт компании находится по адресу www.asus.com.tw.
Русскоязычный ресурс в сети представлен по адресу: http://ru.asus.com/
• Gigabyte — ведущий производитель материнских плат высокого
качества. Сайт производителя: http://www.gigabyte.ru
• MSI — как написано на русскоязычном сайте компании MSI
http://www.microstar.ru, она входит в пятерку крупнейших
производителей материнских плат
• Foxconn — крупнейшая тайваньская компания Hon Hai Precision
Industry Co. , Ltd выпускает свою продукцию под торговой маркой
Foxconn. Эта компания является лидером по OEM-поставкам
компьютерного оборудования, а в последнее время активно продвигает
продукцию и под своим брендом. Адрес в Интернете:
http://www.foxcnonchannel.com. Имеется и русскоязычный ресурс:
http://www.foxconn.ru
• EliteGroup — тайваньская компания, которая выпускает качественные
материнские платы по умеренным ценам. Есть и сайт на русском
языке : http://www.ecs.com.tw/ecsweb/index.aspx?MenuID=0&LanID=6
Чипсеты
Чипсет является важной составляющей компьютера, поскольку он содержит все
важные интерфейсы и во многом определяет набор функций системы. Например, все
современные чипсеты содержат множество интерфейсов для карт расширения (PCI
Express или PCI), двухканальный контроллер памяти (на платформе Intel),
несколько контроллеров USB 2.О (по два порта на контроллер), контроллер HD
Audio, гигабитные сетевые контроллеры и современные контроллеры накопителей
Serial ATA с четырьмя-шестью портами. Некоторые чипсеты содержат и
контроллеры дистанционного управления.
Чипсет Intel G31 Express
Чипсет Intel G31 является чипсетом начального уровня и потребляет минимум
энергии. G31 относится к категории настольных чипсетов для массового рынка,
предназначенных для "основных вычислений". Это означает, что данный набор
системной логики совершенно не подходит для high-end систем и не поддерживает
никаких продвинутых функций. Чипсет G31 был разработан как выгодный вариант
для обычного пользователя. Поэтому он ориентирован на такие процессоры, как
Core 2, Pentium Dual Core или аналогичные Celeron, основанные на
микроархитектуре Core 2.
Чипсет G31 ограничен 4 Гбайт памяти, в то время как G33 и G35 поддерживают
до 8 Гбайт. Low-end чипсет поддерживает только двухканальную память DDR2-800
(хотя по сравнению с DDR3 это не является недостатком) и работает с южным
мостом ICH7 вместо ICH8, ICH9 или ICH10. В результате G31 поддерживает всего
четыре порта SATA/300, зато предоставляет ещё два канала UltraATA/100, в то
время как более новые чипсеты поддерживают либо один наследственный канал
АТА, либо вообще ни одного. G31 с южным мостом ICH7 предоставляют восемь
портов USB 2.0, HD-аудио, традиционные слоты PCI и всего лишь 100-мегабитный
сетевой контроллер. Если вам нужно более скоростное соединение Ethernet, тогда
ищите материнскую плату, которая поставляется с сетевым контроллером PCIe для
обеспечения гигабитного Ethernet. И, наконец, хоть чипсет G31 и имеет один
слот х16 PCI Express для апгрейда, он не совместим с PCI Express 2.0.
Материнские платы с чипсетом G31, как правило, имеют один аналоговый выход
на дисплей D-SUB15, а иногда и цифровой выход DVI. Поскольку GMA3100 не
подходит для НТРС (домашний кинотеатр), материнские платы не оснащены выходами
HDMI; не стоит также ждать от таких плат двух цифровых выходов.
Чипсет G31 не обладает ни одной функцией, которая бы сделала его особенным.
Он не поддерживает DirectX 10, не предоставляет 3D-производительности,
которая была бы не лишней для игр, и ограничен 4 Гбайт памяти. Однако все эти
ограничения не так уж критичны для базового ПК для повседневной работы. Чипсет
G31 дешёвый, поддерживает все процессоры Core 2, включая четырёхядерные
модели, и допускает использование любых high-end видеокарт, так что он почти так
же подходит для геймеров, как и high-end чипсет. Именно производители
материнских плат превратили G31 из "неудачника" для массового рынка в чипсет для
эффективных платформ.
В чем отличие северных и
южных мостов для INTEL и AMD
В случае Intel чипсет представлен северным мостом, которой расположен рядом
с процессором и "отвечает" за все высокоскоростные устройства (процессор,
видеокарту, оперативную память), и южным мостом, который согласовывает работу и
связывает низкоскоростные интерфейсы (винчестер, аудио, PCI-слоты, USB и т.
д.). Мосты также соединены между собой с помощью различных вариантов
реализации шины, например, V-Link от VIA.
В платформе AMD есть только один чипсет, так как контроллер памяти встроен
в сам процессор, а подключение периферийных устройств возложено на аналог
PCI-E - фирменную шину Hyper Transport.
История чипсетов Intel
За последние годы вышло немало чипсетов Intel. Мы решили свести данные в
таблицу, отражающую самые важные этапы развития чипсетов с раздельной
графикой, начиная с первых SDRAM-чипсетов для Pentium 4 (2001).
Intel I Intel I Intel 965
915/925 1945/955/9751
Дата выхода
Кодовое
название
Обзор на
THG
Socket
Поддержка
процессоров
2001
Brookdale
2003
2004
478
Pentium 4,
Celeron
Поколение 130-нм
процессоров North wood
Частота FSB FSB400,
FSB533
Контроллер
памяти
Графический
интерфейс
Макс, объём
памяти
Южный мост
Springdale/ Grantsdale/
Canter wood Alderwood
Число
портов USB
PC133
SDRAM,
DDR266
AGP 4X
2 Гбайт
ICH2
(82801BA),
ICH4
(82801DB)
- 421
контакт
4x USB /
6x USB 2.0
Обзор
478
Pentium 4,
Celeron
130-нм
North wood,
90-нм
Prescott
FSB533,
FSB800
Dual
DDR333,
DDR400
AGP 8X
4 Гбайт
ICH5
(82801EB)
- 460
контактов
Обзор
LGA77 5
Pentium 4,
Celeron
90-нм
Prescott
FSB533,
FSB800
Dual
DDR400,
DDR2-533
PCI Express
xl6
4 Гбайт
2005
Lakeport/
Glen wood
Обзор
Обзор
LGA77 5
Pentium 4,
Pentium D,
Celeron D
90-нм
Prescott,
Smithfield
FSB533,
FSB800,
FSB1066
Dual DDR2-
667
PCI Express
xl6
8 Гбайт
ICH6 ICH7
(82801FB) (82801GB)
- 652
контакта
652 контакта
8x USB 2.0 8x USB 2.0 8x USB 2.0
2006
Broadwater
Обзор
LGA77 5
Core 2,
Pentium 4,
Pentium D,
Celeron D
90-нм
Prescott,
Smithfield,
65-hm Conroe
FSB533,
FSB800,
FSB1066
Dual DDR2-
800
PCI Express
xl6
8 Гбайт
ICH8
(82801HB) -
652 контакта
8x USB 2.0
UltraATA/100 2 канала 2 канала 2 канала 1 канал
Поддержка
Нет
RAID 0
RAID 0, 1
RAID 0, 1,5
RAID 0, 1,5
RAID
(ICH6-R)
(ICH6-7)
(ICH8-R)
Serial ATA
Нет
2х Serial
4х Serial
4х Serial
6х Serial
АТА/150
АТА/150
ATA/300
ATA/300
Звук
АС97 2.1
АС97 2.3
HD Audio
HD Audio
HD Audio
Сеть
Через PCI
Через
Через PCI
Через PCI
Встроенная
интерфейс
Express
Express
на 1 Гбит/с
CSA или
PCI
Варианты
845D
865G (с
915G (с
945G (с
G965 (с
моделей
(память
графикой),
графикой].
гграфикой].
графикой],
DDR),
865РЕ
915PL
945PL (макс.
Q965 (с
845G/GL (с
(FSB800),
(макс. 2
FSB800),
графикой.
графикой].
848Р (один
Гбайт
945GL (макс.
управление
845G, GE,
канал
DDR400),
FSB800 с
РЕ, GV
памяти].
915GL
графикой].
(DDR333)
865GV
(макс.
945GZ (макс.
(только с
DDR400 с
FSB800 и
графикой]
графикой].
только с
915GV
графикой]
(только с
графикой] ,
910GL
(FSB533 и
только с
графикой],
925ХЕ
(FSB1066)
Чипсеты, которые вышли после 915 и 925, не отличались какими-то
революционными функциями, но они всё же были лучше предшествующих моделей. 925ХЕ стал
первым чипсетом, поддержавшим шину FSB1066 (физическая частота 266 МГц),
которая требовалась для первых процессоров Pentium 4 Extreme Edition. 945 и 955
(Lakeport и Glenwood) увеличили частоту памяти DDR2 до 333 МГц (DDR2-667), а
ICH7 добавил ещё две линии PCI Express (шесть вместо четырёх), а контроллер
SATA обновился до Serial АТА/300. Поддержка RAID теперь включила и массив
RAID 5, но Intel отказалась от двух наследственных интерфейсов UltraATA/100.
Для двуядерных процессоров Pentium D требовался чипсет 945 или 955.
ICH8 стал актуальным южным мостом для линейки чипсетов 965 (Broadwater),
которая, вместе с 975Х, стала фундаментом для продвижения процессоров Intel
Core 2. Чипсет 965 лишился контроллера UltraATA, а интерфейс АС97 был убран в
пользу решений HD Audio (которые сегодня можно назвать стандартом). ICH8
поддерживает SATA 2.5, включая внешние порты SATA (eSATA), и содержит контроллер
гигабитного Ethernet. Базовая модель ICH8 поддерживает четыре порта SATA, но
версия RAID ICH8-R поддерживает уже шесть.
Каждое поколение чипсетов имеет ряд моделей, использующих встроенное
графическое ядро, используя для кадрового буфера часть ОЗУ. Чипсеты 915G и 910G
используют графическое ядро GMA900 с четырьмя пиксельными конвейерами,
работающими на частоте 300 МГц, поддерживается аппаратное декодирование MPEG2 и
DirectX 9. У чипсета 945G графическое ядро обновилось, частота GMA950
увеличилась до 400 МГц, но оно так и не получило полную поддержку Shader Model 3
(DirectX 9.0с). Но GMA950, по крайней мере, поддерживает HD-видео. Наконец, у
линейки 965 появилось графическое ядро GMA3000, с восемью программируемыми
конвейерами, которое работает на частоте 667 МГц при запуске видео или
графических расчётов.
Чипсеты Intel Р45
На смену линейке Р35 (Bear Lake) пришла линейка Р45 под кодовым названием
Eaglelake. Новая линейка чипсетов состоит из четырёх разных моделей (две из
них со встроенной графикой) и выводит стандарт PCI Express 2.0 на массовый
рынок.
Новые функции чипсета Р45: поддерживает графику PCI Express 2.0, эффективно
удваивая пропускную способность каждого канала PCI Express с 250 Мбайт/с до
500 Мбайт/с на линию (в одном направлении). Однако чтобы выиграть от более
высокой пропускной способности, интерфейсу PCI Express 2.0 требуется PCIe
2.0-совместимая карта расширения (например, видеокарта).
Шина PCI Express 2.0 требует больше энергии, поэтому чипсет Р45 является
менее эффективным с точки зрения энергопотребления, чем его предшественник,
несмотря на то, что Р45 изготавливается по 65-нм техпроцессу Intel.
Р45 является первым массовым чипсетом Intel, поддерживающим 16 Гбайт
памяти, тогда как Р35 ограничен 8 Гбайт.
Inter Сагв"2 Duo Processor
Intel' Ссге~2 Quad Processor
PCI Express* 2,0
Graphics
PCI Express* 2jG
Graphics
PCI Express* Z.O
Graphics
DORZcr D0R3
G.4 GBfs or 8.5 GB/5
DDR2cr D0R3
6,4GB/s or S,5GB/s
Intel* Integrated
10/100/1000 MAC
inter GioaUt LAN Connect
Intel'High
Definition Audio
Inter QuTet System
Technology
6 Serial ATA Ports; eSATA;
Port Disable
Intel* Matrix
Storage Technology
Intel* P45 Express Chipset Block Diagram
Блок-схема чипсета Intel P45 Express
Все материнские платы на чипсете Р45 обладают следующими функциями:
• Поддержка всего семейства процессоров Core 2, включая Core 2 Duo, Core 2
Quad и Core 2 Extreme по 45-нм и 65-нм техпроцессу, Pentium Dual Core и,
как правило, Celeron.
• Поддержка конфигураций ATI CrossfireX с множеством видеокарт.
• PCI Express 2.0, до двух слотов, физически способных поддерживать карты
х16, но на восьми линиях каждая.
• Дополнительные слоты PCI Express 1.0.
• Шесть портов Serial ATA 3 Гбит/с.
• Гигабитный Ethernet с разными PHY-чипами.
• RAID 0 и 1 (для поддержи RAID 5 нужен южный мост ICH10R).
• AHCI SATA 3 Гбит/с с "родной" очередью команд (Native Command Queuing)
(поддержка оптических приводов SATA и "горячей" замены).
• Интерфейс eSATA (если доступен): все разъёмы SATA можно вывести на
Заднюю панель материнской платы и использовать как eSATA.
• Звук высокой чёткости (HD Audio): от материнской платы на чипсете Р45
можно ожидать, как минимум, простого аудио кодека, который будет
выполнять всю обработку звука с помощью центрального процессора.
• Платы не поддерживают Windows 98 и Windows ME
Чипсеты линейки Зх (Bearlake)
Чипсеты линейки Зх (Bearlake) состоят из четырёх вариантов: G33, G35, Р35 и
Х38. Все чипсеты по-прежнему используют сокет Intel Land Grid Array с 775
контактами (LGA775).
Обратите внимание на новый южный мост ICH9. Если южные мосты ICH6, ICH7 и
ICH8 упаковывались в корпус BGA с 652 контактами, то ICH9 упаковывается в
676-контактный корпус Ball Grid Array, причём южный мост содержит 4,6 млн.
транзисторов и производится по 130-нм техпроцессу. Хотя транзисторов
получилось больше, чем в ICH8, тепловой пакет по-прежнему составляет 4 Вт. ICH9
обеспечивает шесть полнофункциональных портов Serial АТА/300 с NCQ (Native
Command Queuing), а также поддерживает eSATA и множители портов, которые
позволяют к подключить к одному порту SATA до четырёх устройств SATA. Как мы
обнаружили, производительность USB 2.0 и RAID южного моста ICH9 превосходит
ICH8 и ICH7.
Таким образом, если материнская плата на чипсете 965 поддерживает VRM 11,
на неё технически можно будет установить 45-нм процессоры. VRM 11
программирует линии питания с помощью 8-битных ID напряжения (VID), что даёт шаг
изменения 0,00625 В. Минимальное рабочее напряжение составляет уже не 0,8375 В
(как в спецификации VRM 10), оно уменьшилось до 0,5 В. VRM 11 также позволяет
разделяет нагрузку по большему числу фаз, а линии поддерживают так называемую
модуляцию по нарастанию и спаду (dual edge modulation), которая даёт
возможность стабилизаторам подавать множество импульсов на транзисторы, используя
конденсаторы меньшей ёмкости. Цель заключается не только в снижении шагов
изменения напряжения и в снижении рабочего напряжения для 45-нм процессоров, но
и в обеспечении достаточной мощности на разных уровнях напряжения, которые
могут часто меняться. Всё это осуществляется вместе с более строгой
спецификацией уровня нарастания напряжения.
ИНТЕРФЕЙСЫ, КАБЕЛИ, ПОРТЫ
AGP
AGP (Accelerated Graphic Port или Advancet Graphic Port, ускоренный
графический порт) - это новая высокоскоростная шина, которая разрабатывалась
компанией Intel специально для работы с графическим адаптером. Шина AGP лучше
подходит для видеоадаптеров по сравнению с PCI (не PCI-Express!), так как она
предоставляет прямую связь между центральным процессором и видеокартой. Дело
в том, что поначалу графические видеокарты использовали шину PCI, но скоро ее
пропускная способность уже не справлялась с возрастающими мощностями
видеокарт . И тогда была разработана новая шина AGP.
Интерфейс AGP.
Слот AGP на материнской плате.
В отличие от универсальной шины PCI, AGP используется только для видеокарт.
Интерфейс имеет несколько модификаций. На данный момент существует последняя
версия AGP 8х с пропускной способностью 2.1 Гб/с, что в 8 раз больше
начального стандарта AGP с параметрами 32-бит и 66 МГц.
Спецификации AGP
Спецификации AGP появились в 1997 году при участии Intel. В первой версии
описывалась спецификация AGP, включающую две скорости: 1х и 2х. Вторая версия
спецификации описывала AGP 4х, а в версии 3.0 — AGP 8х:
• AGP 1х —32-битный канал, работающий на частоте 66 МГц, с пропускной
способностью 266 Мбайт/с, что в два раза выше полосы PCI.
• AGP 2х —32-битный канал, работающий с пропускной способностью 533
Мбайт/с на частоте 66 МГц.
• AGP 4х —32-битный канал, работающий на 66 МГц, но в результате
дальнейших ухищрений была достигнута учетверенная "эффективная" частота 266
МГц, с максимальной пропускной способностью более 1 ГБ/с.
• AGP 8х — дополнительные изменения в этой модификации позволили получить
пропускную способность уже до 2.1 ГБ/с.
Видеокарты с интерфейсом AGP и соответствующие слоты на системных платах
совместимы в определенных пределах. Видеокарты, рассчитанные на 1.5 Вольт, не
работают в слотах, поддерживающих 3.3 Вольт, и наоборот. Но существуют
универсальные разъемы, которые поддерживают оба типа плат. Некоторые новые
видеокарты имеют специальные ключи, не позволяющие установить их в старые сис-
темные платы без поддержки 1.5 В. При апгрейде старой AGP системы обязательно
нужно учитывать возможную несовместимость разных версий слотов AGP. Новые
видеокарты в старые системные платы можно вставлять без особого риска, в
крайнем случае, система просто не заработает. Попытки установки старых видеокарт
на новую материнскую плату может иметь печальные последствия. Для установки
новых видеоплат на устаревшую материнскую плату, имеющую разъемы AGP 1.0,
нужно, чтобы новая видеокарта имела универсальный разъем AGP 1.0/2.0.
Универсальный разъем AGP 1.0/2.0
Но если новая видеокарта имеет разъем AGP 2.0, то заставить ее работать на
старой системе не получится. AGP 3.0 имеет такой же разъем, как и AGP 2.0
Более подробную информацию о совместимости стандартов AGP и установке
видеокарт на старые материнские платы можно почерпнуть из статьи на сайте IXBT
(http://www.ixbt.com/video2/agp-standard.shtml).
На данный момент число новых материнских карт с AGP падает, уступая дорогу
более современной и перспективной шине PCI Express.
DisplayPort
Ассоциация VESA разработала новый интерфейс DisplayPort, который должен
заменить DVI, VGA, HDMI. О поддержке нового интерфейса заявили AMD, NVIDIA, HP,
Intel, Samsung и др.
Официальный сайт: www.displayport.org
DisplayPort призван заменить собой интерфейсы DVI и HDMI. Как и HDMI,
DisplayPort передаёт как видеосигналы, так и цифровой звук. У DisplayPort
есть преимущества, такие как, например, возможность напрямую управлять
дисплеем с помощью интерфейса кабеля. Кроме того, за использование DisplayPort
производителям не нужно отчислять роялти, что положительно сказывается на
цене продуктов. Разъем DisplayPort меньше, чем у DVI. Штекер DP оснащен
фиксатором, который защелкивается при подключении. Кабель DisplayPort тоньше, чем
кабели HDMI и DVI. Он почти такой же тонкий, как USB-кабель. Кабель
DisplayPort может иметь длину до 15 метров. Подобные приятные мелочи
облегчают подключение кабелей. Стоит также отметить, что DisplayPort поддерживает
очень высокие разрешения, подобные разрешениям, с которыми работает HDMI типа
В.
Основное отличие от HDMI - более широкий канал для передачи данных (10,8
Гбит/с вместо 5 Гбит/с), что обеспечит высокие разрешения. Максимальная длина
кабеля DisplayPort в три раза больше, чем у HDMI - 15 метров против 5. Ну а
вместо HDCP, защиты от копирования, будет реализована технологией DPCP
(DisplayPort Content Protection) с 128-бит шифрованием.
На данный момент официально утверждена версия DisplayPort 1.1
Технические характеристики
• Сигнальные пары -1,2 или 4
• Максимальная пропускная способность, Гбит/с 6.48 или 10.8 + 1 AUX
• Максимальное разрешение: до 2 метров: 2560x1600 (четыре пары), 1920x1200
(две пары), 1280x1024 (одна пара), до 15 метров: 1920x1200 (четыре
пары) , 1280x1024 (две пары), 1024x768 (одна пара)
• Вспомогатеьный канал, Мбит/с 1 (также для DDC)
• Кодирование канала, бит: 8/10
• Защита от копирования: HDCP (опционально), DPCP (опционально)
• Внутренний вход (в устройстве): есть
• Передача аудиосигнала: есть
Штекер имеет 20 контактов. Четыре пары предназначены для каналов, по
которым передается видеосигнал. На входном и выходном разъемах они расположены в
противоположном порядке. К ним добавляются два провода вспомогательного
канала (1 Мбит/с), который можно использовать для передачи аудиосигнала или
обмена данными с монитором (Display Data Channel, DDC) . Отдельная линия служит
для распознавания подключения во время работы - так называемая функция Hot
plugging.
Digital Visual Interface (DVI)
DVI — это стандартный интерфейс, чаще всего использующийся для вывода
цифрового видеосигнала на ЖК-мониторы, начиная с 19-дюймовых моделей и
видеопроекторы. Данный стандарт был разработан консорциумом Digital Display Working
Group.
Данный интерфейс является заменой VGA. Он позволяет передавать цифровой
сигнал между видеокартой и дисплеем.
Существует три типа DVI разъемов: DVI-D (цифровой), DVI-A (аналоговый) и
DVI-I (integrated — комбинированный или универсальный).
DVI-A передаёт только аналоговый сигнал (в целях совместимости с VGA) , а
DVI-D может передавать только цифровой сигнал. DVI-I же может работать с
обоими типами сигналов, но не одновременно, поэтому его нельзя использовать с
ЭЛТ-мониторами. Большинство видеокарт оснащены выходами DVI-I, которые
подходят для подключения ЭЛТ-монитора к компьютеру с помощью переходника. Что
касается ноутбуков, постепенно mini-DVI вытесняет собой mini-VGA. В то же
время, если у вашего монитора большое "родное" разрешение (более 3 млн.
пикселей) , то нужно использовать двухканальный Dual-Link DVI.
f 1
1
::::1е--^
}о
17
24
-1
Схема цоколевки. Розетка (устанавливается на корпусе компьютера).
Названия и функциональные
назначения выводов
№
Обозначение
Описание
вывода
1
TMDS Data2-
Передача видеосигнала, пара 2 Digital red
(1-й канал)
2
TMDS Data2+
Передача видеосигнала, пара 2 Digital red +
(1-й канал)
3
TMDS Data2 Shield
Экран пары 2
4
Данные TMDS 4-
Digital green - (2-й канал)
5
Данные TMDS 4+
Digital green + (2-й канал)
6
DDC Clock
Тактовая частота передачи данных DDC
7
DDC Data
Передача данных DDC
8
No Connection
Не используется
9
TMDS Datal-
Передача видеосигнала, пара 1
10
TMDS Datal+
Передача видеосигнала, пара 1
11
TMDS Datal Shield
Экран пары 1
12
No Connection
Не используется
13
No Connection
Не используется
14
+5 V Power
Питание +5 В
15
Ground (for +5 V)
Земля (питания)
16
Hot Plug Detect
Детектор «горячего» подключения
17
TMDS DataO-
Передача видеосигнала, пара 0
18
TMDS DataO+
Передача видеосигнала, пара 0
19
TMDS DataOShield
Экран пары 0
20
No Connection
Не используется
21
No Connection
Не используется
22
TMDS Clock Shield
Экран (пары тактовой частоты видеосигнала)
23
TMDS Clock +
Тактовая частота видеосигнала
24
TMDS Clock -
Тактовая частота видеосигнала
eSATA
Дополнительно к интерфейсу SATA был разработан новый интерфейс eSATA
(External SATA) , предназначенный для подключения внешних устройств,
поддерживающий режим "горячей" замены. Средняя скорость передачи данных у eSATA
выше, чем у USB или FireWire, и при этом центральный процессор дает меньшую
Загрузку на центральный процессор. Для подключения используется два провода:
шина данных (не более 2 м) и силовой кабель.
eSATA представляет собой внешний порт SATA, обозначенный, как правило,
красным цветом. Он очень напоминает порт SATA внутри ПК. На самом деле, eSATA
можно считать внешним вариантом этого внутреннего порта, но с более высокими
сигнальными напряжениями. eSATA позволяет подключать внешние жёсткие диски и
оптические приводы. Скорость передачи eSATA выше, чем у USB 2.0. В некоторых
ноутбуках встречается комбинированный порт USB/e-SATA
Новая версия eSATA обеспечит жесткий диск питанием. Удобство интерфейса USB
при подключении жестких дисков состоит в отсутствии необходимости подвода
питания к девайсу. До недавнего времени при использовании интерфейса внешнего
Serial ATA или eSATA приходилось терпеть такое неудобство. Но организация
SATA в новой версии стандарта обеспечит питание винчестера или оптического
привода по одному кабелю с передачей данных, сохранив совместимость с
существующими сейчас коннекторами.
eSATA против SATA
eSATA (слева) против SATA. Разъёмы электрически совместимы, но механически
различаются. Ниже приведён список добавлений к спецификации SATA для
поддержки внешних накопителей eSATA:
• Напряжение отправки возросло с 400-600 мВ до 500-600 мВ, чтобы
компенсировать потери и разрешить использование более длинных кабелей;
• порог напряжения приёмника был снижен с 325-600 мВ до 240-600 мВ, чтобы
компенсировать потери;
• возможная длина кабеля SATA была удвоена с 1 до 2 м;
• добавлено электромагнитное экранирование разъёмов eSATA с помощью
небольшого металлического каркаса;
• механизм запирания вилки eSATA.
Кроме того, интерфейсы eSATA и SATA физически не совместимы, так что вы не
можете подключить привод SATA в порт eSATA.
Коннекторы eSATA.
eSATA можно устанавливать в системы не-eSATA с помощью карт контроллеров
PCI Express или PCI. Кроме того, всё больше материнских плат оснащаются
разъёмом eSATA. Его можно обнаружить на задней панели ввода/вывода рядом с
сетевыми и звуковыми интерфейсами, USB-портами. Есть и "косички", выводящие
внутренние порты SATA на внешний eSATA.
IEEE-1394 (FireWire, iLink)
IEEE-1394 - это последовательный интерфейс, используюемый в цифровых
видеокамерах, внешних жёстких дисков и различных сетевых устройств. Его также
называют FireWire (от Apple) и iLink (от Sony). На данный момент 400-Мбит/с
стандарт IEEE-1394 сменяется 800-Мбит/с 1ЕЕЕ-1394Ь (также известным как
FireWire-800). Обычно устройства FireWire подключаются через 6-контактную
вилку, которая обеспечивает питание. У 4-контактной вилки питание не
подводится. Устройства FireWire-800, с другой стороны, используют 9-контактные
кабели и разъёмы.
Карта FireWire обеспечивает два больших 6-контактных
порта и один маленький 4-контактный.
На рынке можно встретить несколько версий FireWire. Основными версиями в
2009 году считаются 800 и 400. FireWire 800 увеличил скорость передачи данных
до 800 Мбит/с (100 Мбайт/с) против 400 Мбит/с (50 Мбайт/с) у FireWire 400.
Данный интерфейс был разработан в начале 1990-х годов компанией Apple и
используется для передачи видео, но работает также с внешними жёсткими дисками.
Скорость передачи FireWire 800 обеспечивает ему явное преимущество по
сравнению с USB 2.0 (60 Мбайт/с). Следующим эволюционным шагом должна стать
теоретическая скорость передачи данных до 400 Мбайт/с (3,2 Гбит/с у FireWire
S3200).
№ вывода
Обозначение
Описание
1
Power
Питание
2
Ground
Корпус
3
ТРВ-
Витая пара В, -
4
ТРВ+
Витая пара В, +
5
ТРА-
Витая пара А, -
6
ТРА+
Витая пара А, +
HDMI
HDMI (High Definition Multimedia Interface, интерфейс для мультимедиа
высокой четкости) - обеспечивает одновременную передачу визуальной и звуковой
информации по одному кабелю. Официальный сайт - www.hdmi.org
В 2002 году крупные производители бытовой электроники (Hitachi, Philips,
Sony, Toshiba и другие) предложили новый интерфейс High-Definition Multimedia
Interface (HDMI). Он стал первым полностью цифровым интерфейсом для передачи
несжатых потоков аудио и видео, при этом он обратно совместим с DVI, который
передаёт цифровой поток видео.
HDMI обеспечивает передачу цифрового видеосигнала DVI-соединения,
транслируя его одновременно с аудиосигналом. Это значит, что для передачи звука и
видео вам понадобится всего один кабель, как в случае с SCART. Данный
стандарт используется для видео высокого разрешения (High Definition). Версия
разъёма Туре А наиболее популярна, она поддерживает разрешение HDTV 1080р и
совместима с одноканальным DVI (через переходник). HDMI Туре В позволяет
преодолеть ограничение по разрешению - разъём поддерживает очень высокие
разрешения и соответствует двухканальному DVI. HDMI С - это мини-версия HDMI. Она
используется для подключения цифровых видеокамер и фотокамер. Интерфейс HDMI
поддерживает технологию защиты от копирования HDCP. Поддержка HDCP является
обязательным требованием киноиндустрии, чтобы защитить HD-контент от
пиратства .
Сегодня насчитывается несколько версий с разными номерами. Первая версия
HDMI 1.0 появилась ещё в 2002 году. Самая последняя HDMI 1.3 была утверждена
в июне 2006. Каждая версия использует одни и те же аппаратные спецификации и
кабель, но отличается увеличенной пропускной способностью и типами
информации , которые можно передавать через HDMI. Например, HDMI 1.0 поддерживает
максимальную скорость 4,9 Гбит/с, a HDMI 1.3 - уже 10,2 Гбит/с.
Последняя спецификация стандарта HDMI 1.3 имеет увеличенную пропускную
способность интерфейса и увеличенную частоту синхронизации до 340 МГц, что
позволяет подключать дисплеи высокого разрешения, поддерживающие большее
количество цветов. Кроме этого, появились новые разъемы mini-HDMI, меньшие по
размеру по сравнению с оригинальными разъемами. Поддерживает горячее
подключение .
Краткая информация
о версиях HDMI
HDMI 1.0 - Принят 12/2002. Один кабель для передачи цифровых потоков
аудио/видео с максимальной пропускной способностью 4,9 Гбит/с. Поддерживает
поток видео до 165 мегапикселей в секунду (1080р @ 60 Гц или UXGA) и 8-
канальный звук 192 кГц/24 бита.
• HDMI 1.1 - Принят 5/2004. Добавлена поддержка защиты контента DVD Audio.
• HDMI 1.2 - Принят 8/2005. Добавлена поддержка Super Audio CD; разъём
HDMI Туре А для подключения ПК в качестве источника; источники ПК могут
использовать "родной" режим цветов RGB, сохраняется опция режима цветов
YCbCr; поддержка источников с низким напряжением.
• HDMI 1.3 - Принят 6/2006. Пропускная способность соединения аудио/видео
была увеличена до 10,2 Гбит/с;
улучшенная поддержка цветов, включая глубину 30, 36 и 48 бит (RGB или
YCbCr);
добавлена поддержка цветовых стандартов xvYCC;
добавлена поддержка автоматической синхронизации звука;
добавлена поддержка потоков Dolby TrueHD и DTS-HD (форматы, используемые
в дисках HD DVD и Blu-ray) для декодирования внешними ресиверами;
был утверждён новый мини-разъём для таких устройств, как видеокамеры.
Технические характеристики
для HDMI 1.3
• Максимальная пропускная способность: 10,2 Гбит/с
• Максимальная полоса частот: 340 МГц
• Максимальное разрешение: 2560x1440 прогрессивное (1440р)
• Максимальная глубина цвета: 4 8 бит
• Максимальное число цветов: 281 трлн.
• Поддержка DTS и Dolby Digital 5.1: Да
• Поддержка Dolby TrueHD и DTS-HD: Да
• Максимальная частота сэмплирования звука (2 канала): 768 кГц
• Максимальная частота сэмплирования звука (от 3 до 8 каналов) : 192 кГц (8
потоков макс.)
Поддержка форматов
Поддерживаются все основные форматы видео, включая PAL, NTSC, ATSC и
другие. Разрешение видео возможно до 1440р или 2560x1440 в прогрессивном формате
(у Blu-ray и HD-DVD оно составляет, максимум, 1080р). Поддерживается глубина
цвета до 48 бит (более 280 трлн. цветов) с частотой обновления до 120 Гц.
Поддерживаемые форматы звука включают:
• Сжатый звук. Dolby Digital, DTS и т.д.
• Многоканальный звук. SACD, DVD Audio.
• Несжатый звук (РСМ) . До 8 каналов с частотой дискретизации до 192 кГц
при 24 битах.
• Сжатый звук без потери качества. Недавно добавлена поддержка Dolby
TrueHD и DTS-HD Master Audio.
Защита контента (HDCP)
Для интерфейса HDMI была лицензирована встроенная схема защиты цифрового
контента High-Bandwidth Digital Content Protection (HDCP), которая была
создана компанией Intel и некоторыми другими для борьбы с пиратством. Технология
HDCP должна присутствовать на HD-ресиверах или плеерах/видеомагнитофонах
DVD/HD-DVD/Blu-ray, которые используют HDMI.
Размеры штекеров
Классический штекер (тип А) имеет размер 4.5x13 мм). mini-HDMI (тип С)
имеет размер 2.5x10.5 мм.
Вилка (устанавливается на кабеле). Розетка
(устанавливается на корпусе компьютера).
Совместимость HD-DVD/Blu-Ray
Очень важной особенностью интерфейса HDMI является то, что плееры HD-DVD и
Blu-ray будут передавать картинку в полном разрешении 1080р только через вы-
ход HDMI. Подобный шаг является результатом усилий индустрии по защите от
пиратства. В отличие от других аудио/видео-интерфейсов, HDMI для передачи в
полном разрешении требует обязательной защиты HDCP. Если вы будете
использовать любой другой интерфейс, например, компонентное видео, то сигнал видео
будет искусственно ухудшен до качества DVD или даже ещё хуже.
IDE (ATA, UltraDMA,
Е-IDE, Parallel ATA)
Интерфейс IDE служит для подключения жестких дисков при помощи гибкого
шлейф-кабеля. Впервые эту шину применили в компьютере IBM PC XT/AT, поэтому
данный интерфейс получил название ATA (AT Attachment, подключение типа AT). А
поскольку контроллер диска составлял единое целое с самим диском, эту же
самую технологию стали называть IDE (Integrated Drive Electronics, электроника,
интегрированная на диск). Позже появился расширенный IDE (Е-IDE или АТА2),
который стал применяться на дисках с объемом больше 504 Мбайт. Вскоре, когда
таким же способом стали подключать CD-ROM-приводы и другие устройства, данная
технология получила название ATAPI. Разработчики продолжали совершенствовать
эту технологию, повышая быстродействие и возможность подключения более емких
жестких дисков. И тогда появились новые названия, соответствующие режимам
работы шины - UltraDMA, DMA (Direct Memory Access). А когда появилась
технология последовательного доступа с интерфейсом ATA (Serial ATA) , то, во
избежание путаницы стали иногда добавлять уточнение Parallel: Parallel ATA (или
сокращенно РАТА) . IDE-устройства имеют 40-контактный разъем и подключаются к
материнской плате с помощью плоского 40-жильного шлейфа.
Для более новых скоростных вариантов UltraDMA, по которым работают
современные жесткие диски, требуется уже специальный 80-жильный кабель, в котором
добавлены 40 дополнительных жил заземления, способствующие уменьшению наводок
в шлейфе. Каждый кабель позволяет подключать, максимум, два накопителя, когда
один работает в режиме "master", а второй - в режиме "slave". Обычно,
переключение режима происходит с помощью небольшой перемычки на накопителе.
Обратите внимание, что на кабель с одной стороны наносится специальная красная
полоска, которая должна находиться рядом с разъемом питания на устройстве при
подключении. Правда, произодители теперь выпускают кабели с специальным
выступом, который не позволит неправильно подсоединить его к устройству.
Соответственно, на разъеме IDE на материнской плате имеется прорезь под этот
выступ.
40
□ □□□□□□□□□□□□□□□□□□□
□ □□□□□□□□□□□□□□□□□□□
39
□ □ □ □
□ □ □ □
□ □ □ □
□ □ □ □
□ □ □ □
□ □ □ □
39
40
№ вывода
Обозначение
Описание
1
RESET
Сброс
2
GND
Корпус
3
DD7
Линия данных 7
4
DD8
Линия данных 8
5
DD6
Линия данных 6
6
DD9
Линия данных 9
7
DD5
Линия данных 5
8
DD10
Линия данных 10
9
DD4
Линия данных 4
10
DD11
Линия данных 11
11
DD3
Линия данных 3
12
DD12
Линия данных 12
13
DD2
Линия данных 2
14
DD13
Линия данных 13
15
DDI
Линия данных 1
16
DD14
Линия данных 14
17
DDO
Линия данных 0
18
DD15
Data 15
19
GND
Корпус
20
KEY
Ключ разъема (вывод отсутствует)
21
DMARQ
DMA Request
22
GND
Корпус
23
DIOW
Строб записи
24
GND
Корпус
25
DIOR
Строб чтения
26
GND
Корпус
27
IORDY
Готовность канала ввода/вывода
28
SPSYNC:CSEL
Spindle Sync или выбор кабеля
29
/DMACK
DMA Acknowledge
30
GND
Корпус
31
INTRQ
Запрос на прерывание
32
IOCS16
Обращение к 16-разрядному порту
33
DAI
Линия адреса 1
34
PDIAG
Passed Diagnostics
35
DA0
Линия адреса 0
36
DA2
Линия адреса 2
37
/IDE CS0
Выбор диска 1
38
/IDE CS1
Выбор диска 2
39
ACTIVE
Светодиод
40
GND
Корпус
PCI
PCI - самый распространенный вариант шины на сегодняшний день. Шина PCI
(Peripheral Component Interconnect, шина для соединения периферийных
компонентов) создавалась как основная шина для различных карт расширения. Разра-
ботка оказалась настолько удачной, что за несколько лет вытеснила устаревшие
шины. Шина PCI имеет несколько спецификаций, которые различаются скоростью
передачи данных. На материнских платах PCI-слоты обычно имеют белый, желтый
или серый цвет.
Слот PCI.
Шина PCI поддерживает технологию Plug'n'Play, что упростило установку новых
устройств собственными силами. Достаточно запустить соответствующую программу
конфигурации, чтобы устройство было обнаружено системой и заработало. К шине
PCI подключается практически весь спектр устройств: модемы, сетевые карты,
звуковые карты и др.
PCI Express
PCI Express - это новый интерфейс PCI Express(PCI-E), который пришел на
смену PCI. Главное отличие PCI Express и PCI состоит в том, что шина PCI -
это параллельнная шина, a PCI-E - последовательная, что позволило уменьшить
число контактов и увеличить пропускную способность и уменьшить
энергопотребление . Кроме того, стандарт предусматривает горячее подключение устройств.
Разъем PCI Express
Существует несколько вариантов PCI-E, которые отличаются друг от друга
длиной разъема. Чем длиннее разъем - тем быстрее он работает. Например, имеется
однократный слот PCI-E xl, а также более длинные PCI-E х4, PCI-E х8 и
особенно мощные PCI-E х16 и х32, по размерам почти совпадающие с классическим PCI.
Обратите внимание, что слоты PCI Express имеют разные размеры для разных
карт расширений. Причем, карты расширения PCIe входят и работают нормально в
любых слотах с равным или большим количеством линий. Например, карта PCI
Express xl будет нормально работать и разъемах типа х4 и х16. На материнских
платах могут встречаться разъемы нескольких типов. Количество "иксов" влияет
не только на размер, но и на пропускную способность шины.
PCI Express 2.0
Несмотря на то, что PCI Express был разработан совсем недавно, группой PCI-
SIG (PCI Special Interest Group), которая занимается разработкой стандартов
данного интерфейса, уже были представлены новые спецификации PCI Express 2.0
(PCIe 2.0), в которой еще больше увеличена пропускная способность. При этом
PCIe 2.0 полностью совместим с интерфейсом PCIe 1.1, а старые карты
расширения будут нормально работать в новых системных платах.
PCI Express External
Группа PCI-SIG объявила о принятии спецификации PCI Express External
Cabling 1.0, которая описывает стандарт передачи данных по внешнему
интерфейсу PCI Express 1.1. В рамках данного стандарта представлены четыре внешних
разъема: PCI Express xl, х4, х8 и х16, последние три из них оснащены
специальным язычком, облегчающим подключение.
Внешние разъемы для PCI Express
PCI Express 2.0
Интерфейс PCI Express находится на рынке уже почти четыре года, и сегодня
как раз происходит постепенный переход на второе поколение. PCIe 2.0
эффективно удваивает пропускную способность и обеспечивает лучшую гибкость,
сохраняя совместимость с PCIe 1.1. Когда стандарт PCI Express впервые появился, он
обеспечивал большую пропускную способность, гибкость и масштабируемость, чем
стареющий интерфейс AGP, да и позволил графическим компаниям ATI и nVidia
создать решения на основе нескольких видеокарт для более мощного ускорения
ЗБ-графики и улучшения качества. Второе поколение шины PCI Express вышло
вместе с чипсетом для энтузиастов Intel Х38, а затем появилось и на чипсетах
Intel Х48, AMD 790/770 и nVidia nForce 7.
PCI Express 2.0 даёт в два раза большую пропускную способность, чем PCI
Express 1.1, удвоив её с 250 Мбайт/с до 500 Мбайт/с на линию (в одном
направлении) . Поэтому интерфейс х16 PCI Express даёт такую же пропускную
способность, что и PCI Express 2.0 х8.
Чтобы выиграть от более высокой пропускной способности, стандарт PCIe 2.0
должны поддерживать как материнская плата, так и видеокарта. Если ATI весьма
быстро интегрировала поддержку PCIe 2.0 в линейку Radeon HD 3000, то лишь
последнее поколение видеокарт GeForce 8800 GT/GTS и GeForce 9 совместимо с PCIe
2.0.
Детали о PCI Express 2.0
Слоты PCI Express 1.1 и 2.0 механически идентичны. Верхний слот имеет 164
контакта, которые требуются для интерфейса х16 PCI Express, а нижний слот -
36 контактов для PCI Express xl.
Одна линия PCI Express использует две пары соединений, работающих на
тактовой частоте 2,5 ГГц. С помощью кодирования 8/10 битов (то есть по шине
проходит 10 битов, из которых только 8 используются для передачи полезных данных),
одна линия PCI Express обеспечивает чистую пропускную способность 250 Мбайт/с
в одном направлении. Поскольку у линии две пары, то такую пропускную
способность вы получите как в прямом, так и в обратном направлении. PCI Express
может обеспечить и намного большую пропускную способность, используя несколько
линий. Так, х8 PCI Express использует восемь линий, которые дают пропускную
способность 4 Гбайт/с (сумма по двум направлениям), что в восемь раз больше,
чем у одной линии. А интерфейс х16 PCI Express, который стал де-факто
стандартом для видеокарт, даёт пропускную способность 8 Гбайт/с (суммарную).
Стандарт PCI Express 2.0 удвоил базовую частоту до 5,0 ГГц, что привело к
увеличению пиковой пропускной способности до 16 Гбайт/с у х16 PCI Express (в
сумме по двум направлениям). PCI Express 2.0 обеспечил производителям большую
гибкость. Поскольку четыре линии PCI Express 2.0 дают такую же пропускную
способность, как восемь линий PCI Express 1.1, то вполне можно прокладывать
такое же количество дорожек, удваивая пропускную способность, или
оптимизировать энергопотребление, переходя с PCIe 1.1 на 2.0 и уменьшая число дорожек в
два раза. Кроме того, PCI Express 2.0 поддерживает и скорости 1.1, что
позволяет ещё сильнее экономить энергию, понижая рабочую частоту с 5,0 до 2,5 ГГц,
когда высокая пропускная способность не требуется. Если PCI Express 2.0 пра-
вильно реализована, то она автоматически распознаёт ширину подключения (от
одного до 16 линий) и скорость (2,5 или 5 ГГц) . Это также означает, что
видеокарты PCI Express 2.0 совместимы с материнскими платами PCIe 1.1: они
попросту будут использовать скорость интерфейса 2,5 Гбайт/с.
Ещё одно улучшение между PCI Express 1.1 и 2.0 заключается в максимальной
энергии, которую можно подавать на видеокарты PCI Express (PEG). Раньше она
составляла 75 Вт плюс 75 Вт через вилку дополнительного питания PCI Express
1.1, но PCIe 2.0 поддерживает вплоть до 300 Вт, если интерфейс правильно
реализован на материнской плате. Проектировщики видеокарт по-прежнему
предпочитают использовать гнёзда дополнительного питания, но блоки питания,
совместимые с PCI Express 2.0, дают дополнительную 8-контактную вилку помимо обычной
6-контактной, которая появилась в момент выхода PCIe в 2004 году.
PCIe 2.0 х16
PCI Express 2.0 даёт несколько преимуществ производителям аппаратного
обеспечения, которые сложно раскрыть в подобном техническом анализе, как эта
статья. С помощью программного обеспечения можно управлять энергопотреблением,
добавляя или убирая линии PCI Express, а также меняя частоту соединения.
Кроме того, PCI Express 2.0 удовлетворяет требованиям современных карт по
энергопотреблению. В то же время, PCIe 2.0 полностью совместим с предыдущим
оборудованием, так что потребитель не рискует ничем, а переход от одного
поколения графических чипов к другому произойдёт прозрачно. С данной точки зрения
мы определённо рекомендуем PCIe 2.0 каждому, поскольку недостатков нет.
RJ45
RJ45 - это сетевой порт, предназначенный для подключения к локальной сети.
Для подключения к порту используется разъем RJ45, который похож на обычный
телефонный разъем, только больше разъемом.
Разъёмы RJ45 в компьютерном мире называют также портами Ethernet. По ним
передаётся сигнал сети между двумя компьютерами, соединёнными кабелем
Ethernet, или между компьютером и коммутатором, концентратором или модемом.
Существует две схемы обжимки кабеля: прямая и перекрёстная. Перекрёстная
обжимка предназначена для соединения двух компьютеров напрямую (point-to-
point) . Прямой кабель нужен для соединения компьютера с коммутатором,
концентратором или высокоскоростным модемом. Впрочем, сегодня современные сетевые
карты умеют работать с обоими типами обжимки, так что по этому поводу можно и
не беспокоиться.
Существует две стандартных раскладки при использовании RJ45-интерфейса.
Первая раскладка используется при соединении компьютер-хаб (straight-
through) . При подключении типа компьютер- компьютер (без хаба, коммутатора
или свича) используется другая раскладка "cross-over" (нуль-хабный). В этом
случае первый разъем обжимается стандартный образом, а на другом конце
некоторые провода меняются местами
Компьютер-хаб (straight-through):
1 - коричневый
2 - бело-коричневый
3 - зеленый
4 - бело-синий
5 - синий
6 - бело-зеленый
7 - оранжевый
8 - бело-оранжевый
Компьютер-компьютер (cross-over):
1 - коричневый
2 - бело-коричневый
3 - оранжевый
4 - бело-синий
5 - синий
6 - бело-оранжевый
7 - зеленый
8 - бело-зеленый
SAS (Serial Attached SCSI)
В то время, когда на настольных компьютерах идет переход на интерфейс SATA,
серверный сегмент рынка движется от SCSI к новому интерфейсу Serial Attached
SCSI, или сокращенно SAS. Данный интерфейс предназначен для обмена данными с
жесткими дисками и накопителями на оптических дисках. В отличие от SCSI с
параллельной передачей данных, новый интерфейс передает данные последовательно
с большей пропускной способностью (около 3 Гбайт/с). Следует отметить, что
интерфейсные разъемы SAS и SATA одинаковы, что позволяет подключать
устройства Serial ATA с помощью стандартных кабелей к контроллерам SAS. Но при этом
обратная совместимость не предусмотрена, и подключить SAS-накопитель к
контроллеру Serial ATA не получится. В планах разработчиков стоит задача увели-
чить пропускную способность до 6 Гбайт/с, благо архитектура позволяет. Столь
мощные возможности вряд ли будут востребованы на рынке домашних компьютеров,
но для серверных станций это очень перспективное направление.
Serial ATA (SATA)
В противовес устаревшему интерфейсу АТА была разработана шина Serial ATA
(сокращенно SATA, последовательный АТА). Подключаются диски к данному
интерфейсу 7-контактными кабелями. У устройств с интерфейсом SATA есть возможность
горячей замены устройства. Кроме того, каждый диск SATA подключается
исключительно к своему разъему, и нет необходимости устанавливать перемычки для
режимов master и slave. В среднем, накопители с интерфейсом SATA передают
данные на 50% быстрее, чем старые РАТА. На системной плате встроенная шина SATA,
как правило, имеет вид тонких черных или красных разъемов.
На данный момент существует три стандарта SATA - SATA/150, SATA/300 (иногда
используется обозначение SATA II или SATA 3.0) и SATA/600 (SATA III).
В чем отличие стандарта Serial
АТА III от предшественников
Увеличенная пропускная способность. Если SATA I передавал данные со
скоростью 150 Мб в секунду, SATA II - 300 Мб/с, то SATA III обеспечит пропускную
способность до 600 Мбайт/с
Есть ли разница в скорости работы между SATA I и SATA II жесткими дисками?
При чтении данных увеличения не будет, так как пропускной способности SATA
I в 150 Мб/с хватает для этой операции. Но в SATA II реализован метод
управления очередью Запросов NCQ.
Разъёмы SATA
Устройства с интерфейсом SATA используют два разъёма — один, семи
контактный, для подключения шины данных и второй, 15-ти контактный, для подключения
питания. Разъемы имеют специальный ключ, предотвращающий неправильное
подключение .
15-контактный разъем для питания
Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В,
однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт
возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания
IDE на SATA. Стандарт SATA предусматривает возможность использовать вместо
15-ти контактного разъёма питания стандартный 4-х контактный разъём Molex,
поэтому некоторые SATA-устройства поставляются с двумя разъёмами питания:
SATA и Molex. Не используйте одновременно два типа разъемов питания! Вы
рискуете повредить ваше SATA-устройство.
Пин
Обозначение
Описание
1
+3.3V
Напряжение
2
+3.3V
Напряжение
3
+3.3V
Напряжение
4
Ground
Заземление
5
Ground
Заземление
6
Ground
Заземление
7
+5V
Напряжение
8
+5V
Напряжение
9
+5V
Напряжение
10
Ground
Заземление
11
R
Зарезервировано
12
Ground
Заземление
13
+ 12V
Напряжение
14
+ 12V
Напряжение
15
+ 12V
Напряжение
7-контактный разъем для
передачи данных SATA
№ вывода
Обозначение
Описание
1
G
Заземление
2
D1+
Канал передачи данных от контроллера к устройству
3
D1-
Канал передачи данных от контроллера к устройству
4
G
Заземление
5
D2-
Канал передачи данных от устройства к контроллеру
6
D2+
Канал передачи данных от устройства к контроллеру
7
G
Заземление
SCSI
Параллельный интерфейс SCSI (Small Computer System Interface, произносится
как "скази") был разработан для объединения на одной шине различных по своему
назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на
магнитооптических дисках, приводы DVD/CD, стримеры, принтеры, сканеры, и в основном
используется на серверах. Имеет более высокую скорость работы, чем IDE, но на
домашних компьютерах не получил широкого распространения из-за своей
дороговизны.
Для подключения устройств с интерфейсом SCSI служит SCSI-контроллер с
собственным BIOS, выполненный в виде платы расширения для шины PCI и ISA,
встречаются и интегрированные контроллеры. Сейчас имеются следующие спецификации:
• SCSI-1
• SCSI-2 (или Fast SCSI)
• Wide SCSI
• Ultra SCSI/Ultra Wide SCSI (или SCSI-3)
• Ultra2SCSI
USB (Universal Serial Bus)
Данный формат является на сегодняшний день самым популярным в области
компьютеров. Стандарт USB появился в 1996 году, и скоро планируется выпуск
версии USB 3.0, которая должна будет обеспечить увеличение скорости передачи
данных. С 1,5 Мбайт/с у первой версии в 1996 году интерфейс USB 2.0 увеличил
пропускную способность до 60 Мбайт/с в 2000 году. Интерфейс USB был создан с
целью объединить форматы для подключения периферийных устройств. Сегодня
почти всё можно подключить через USB. Когда дело касается подключения различных
устройств от клавиатур до колонок, интерфейс USB доминирует. Есть также
маленькие форматы, такие как Mini-USB и Micro-USB, предназначенные для
мобильных устройств.
Разъёмы USB предназначены для подключения к компьютеру различных внешних
периферийных устройств (мышь, клавиатура, портативный жёсткий диск, цифровая
камера, принтер и т.д.). Теоретически, к одному host-контроллеру USB можно
подключить до 127 устройств. Максимальная скорость передачи составляет 12
Мбит/с для стандарта USB 1.1 и 480 Мбит/с для Hi-Speed USB 2.0. Разъёмы
стандартов USB 1.1 и Hi-Speed 2.0 одинаковы. Различия кроются в скорости передачи
и наборе функций host-контроллера USB компьютера, да и самих USB-устройств.
USB обеспечивает устройства питанием, поэтому они могут работать от
интерфейса без дополнительного питания (если USB-интерфейс даёт необходимое питание,
не больше 500 мА на 5 В).
Компания Intel предложила создать консорциум, главной целью которого стала
разработка нового высокоскоростного стандарта передачи данных USB 3.0. В
состав консорциума вошли Intel, HP, Microsoft, NEC, NXP Semiconductors и Texas
Instruments.
Графическое обозначение
USB 3.0
Согласно спецификации, USB 3.0 будет работать со скоростью 5 Гбит в
секунду, что примерно в 10 раз быстрее USB 2.0.
Новый интерфейс будет рассчитан на использование в потребительской
электронике и мобильных устройствах, там, где требуется перекачка больших по размеру
файлов. USB 3.0 основан на существующей технологии USB и будет обеспечивать
обратную совместимость, на размеры разъемов будут несколько различаться.
Кроме того, новый стандарт будет потреблять меньшее количество электроэнергии.
Появление первых устройств с поддержкой USB 3.0 ожидается в 2009-2010 гг.
Seagate первой продемонстрирует устройство с USB 3.0 на выставке CES в Лас-
Вегасе (январь 2009) . USB 3.0 будет использоваться во внешнем жестком диске
Seagate FreeAgent, оснащенным контроллером Symwave. Последний и обеспечивает
поддержку USB 3.0.
Схема цоколевки
Вилка тип А (ус- Розетка тип А Вилка тип В (ус- Розетка тип В
танавливается на (устанавливается танавливается на (устанавливается
кабеле) на корпусе компь- кабеле) на корпусе пери-
ютера) ферийного
устройства)
Названия и функциональные назначения выводов
№ вывода
Обозначение
Описание
1
V BUS
Питание, +5 В
2
D—
Data (передача данных)
3
D+
Data (передача данных)
4
GND
Ground (корпус)
Не удлиняйте кабель
В комплекте с некоторыми материнскими платами идет USB-кабель, соединяющий
контроллер с портом. Его нормальная длина не должна превышать 30 см, а
максимальная длина по спецификации не должна быть больше 60 см. Некоторые
пользователи самостоятельно удлиняют кабель, что приводит к потери связи с
устройством или полному отказу работать.
Mini-USB
Miего-USB
Недавно USB Implementers Forum (USB-IF) утвердил новый тип разъема Micro-
USB. Появление нового типа вызвано уменьшением размеров мобильных устройств,
что требует более миниатюрных USB-раЗъемов для подключения к ПК и другим
устройствам .
В конструкции Micro-USB используется оболочку из нержавеющей стали и
пассивный фиксирующий механизм, что гарантирует до 10 тыс. циклов подключения-
отключения без сбоев. А номенклатура разъемов включает в себя Miего-А для
обычных устройств, Micro-AB для устройств с поддержкой стандарта USB On-The-
Go (USB-host), а также штекеры Micro-A и Micro-B на соединительных кабелях.
Y-обраЗный USB-кабель
Ко многим внешним жестким дискам прилагается Y-обраЗный USB-кабель. На
одной стороне находится вилка mini-USB, с другой - сразу две вилки USB. Они
нужны на тот случай, когда ноутбук или даже настольный компьютер может "не
потянуть" через один USB жёсткий диск, установленный в контейнере. Как
правило, второй разъём не требуется, но если установить в оснастку "прожорливый"
HDD со скоростью вращения шпинделя 5400 или 7200 оборотов в минуту, то
стартового тока система может не обеспечить. Поэтому производители подстраховыва-
ются подобным образом.
Адаптер USB/PS2
Существует способ запретить использование USB-накопителей в Windows ХР без
установки дополнительных программ. Если USB-накопители еще не подключались к
компьютеру, то для пользователя или группы пользователей, которым вы хотите
ограничить доступ ко внешним USB-носителям, просто запретите доступ к файлам
%SystemRoot%\lnf\Usbstor.pnf и %SystemRoot%\lnf\Usbstor.inf. Если же USB-диск
уже подключался, то откройте раздел реестра
HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\UsbStor и установите значение
параметра Start равным 4. USB-диски после этого работать перестанут.
Если у вас старый компьютер с USB-портами версии 1.1, то при копировании с
USB-диска стандарта USB 2.0. у вас могут появляться сообщения типа: "A HI-
SPEED USB device is plugged into a non-HI-SPEED USB hub". Чтобы отключить это
сообщение, появляющееся при установке устройства USB 2.0 в порт USB 1.1,
необходимо открыть Диспетчер Устройств, в нем - ветвь Universal Serial Bus
Controllers и для того хост-контроллера, к которому вы подключаете переносной
диск, установить на вкладке Дополнительно флажок «Не сообщать об ошибках
USB». Учтите только, что теперь вы не увидите и никаких других сообщений об
ошибках USB. Впрочем, таковые бывают редко.
Можно ли как-нибудь определить,
какие устройства были подключены
к USB-порту за последнюю неделю
Скачайте программу USBDeview
(http://www.nirsoft.net/utils/usb_devices_view.html), которая предоставит
пользователю подробную информацию о подключениях к USB (не только за
последнюю неделю, а за весь период работы): о времени, названии устройств, серийных
номерах, VendorID и так далее.
VGA
Аналоговый интерфейс VGA был создан в конце 1980-х годов компанией IBM и по
сей день остаётся стандартным разъёмом для подключения монитора к компьютеру.
Сейчас на его смену приходит цифровой интерфейс DVI. VGA имеет 15 контактных
штырьков, расположенных в три ряда, каждый из которых отвечает за три
отдельных канала: красный, синий и зелёный. Существует много версий VGA в
зависимости от разрешений: QVGA соответствует разрешению 320x240, XGA - 1024x768, а
QXGA - 2048x1536. Для широких экранов данный стандарт обозначается просто как
WVGA ("W" означает "wide"). Mini-VGA используется для некоторых ноутбуков.
Хотя почти все видеокарты на рынке оснащены DVI, вы найдёте множество
дисплеев , подключаемых к VGA через переходники VGA/DVI.
BIOS
Live BIOS - это специальное программное обеспечение, которое следит за
обновлениями прошивок BIOS в интернете.
Несколько простых советов по оптимизации BIOS для ускорения загрузки и
работы компьютера:
1. Заходим в BIOS (обычно по нажатию Delete, реже F2, Fl, Ctrl-Esc).
2. Находим последовательность устройств для загрузки (Boot Sequence или
что-то подобное). Ставим первым HDD-0 или IDE-0, т.е. Ваш основной
винчестер, все остальные устройства (с 2го по 4й) отключаем (если у Вас
появится необходимость загрузиться с дискеты или CDROM то вам будет
необходимо вновь изменить эти опции, впрочем, на многих материйках есть
одна недокументированная опция - нажатие несколько раз Esc во время
загрузки когда идет автоопределение жестких дисков - приводит к появлению
меню загрузки с разных устройств).
3. Отключаем Boot Other Device - Вам не надо, чтобы BIOS искал чего-то при
загрузке.
4. Отключаем Boot up Floppy Seek - не дергать дисковод при загрузке.
5. Если Вы не используете USB порт, целесообразно поставить его в Disable
в BIOS - это предотвращает его опрос в момент загрузки, и загрузку в
Виндах его драйвера, который все равно не используется.
6. Ставим Enable Fast Boot, Fast memory test, если у Вас есть эти опции.
7. Если есть возможность, надо так же сделать автоопределение винчестеров
и CDROM'ob в BIOS и запомнить их, чтоб BIOS каждый раз их не
тестировал .
8. Отключите проверку на вирусы.
Сохраняем изменения и готово - если у Вас стояли какие-нибудь другие опции,
вы получите существенное ускорение загрузки компьютера, подчас в 2-3 раза.
Разумеется, эта конфигурация для повседневной работы, если же Вам надо
отлаживать компьютер или переустанавливать операционку, то, скорее всего, Вам
придется поставить что-то другое.
Существуют вирусы (например, Win95.CIH), которые уничтожают содержимое
Flash BIOS, записывая в него случайные данные ("мусор"). В результате после
первой же перезагрузки компьютер перестаёт загружаться. И, как правило, даже
в промышленных условиях восстановить содержимое Flash BIOS и вернуть
работоспособность компьютеру достаточно сложно. Я РЕКОМЕНДУЮ всем пользователям
современных компьютеров установить ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ на материнской плате
компьютера в положение, Запрещающее ЗАПИСЬ во Flash BIOS! Иначе вы можете НАВСЕГДА
ПОТЕРЯТЬ свой компьютер!
Иногда надо замедлить компьютер для некоторых старых программ или для
отладки и тестирования собственных программ на слабом компьютере. Можно,
конечно, скачать довольно большое количество замедлялок, но можно обойтись и без
них. Если у Вас в BIOS есть опции "Internal Cashe" и "External Cashe" отклю-
чите их (обе или какую-нибудь одну) что обеспечит снижение быстродействия
минимум на порядок.
Основные производители BIOS
CHOS Setup Utility Copyright (С) 1ЧВ5 2005. finericdii Megatrends, Iiic.
► Standard CMOS Features
► Cell Menu
► ftduanced BIOS Features
Load Fail Safe Defaults
► integrated Peripherals
Load Uptinized Defaults
► Pnuer flanagenent Setup
BIDS Setting Password
► PnP/PCI Configurations
Saue 8 Exit Setup
► H/U Honitor
Exit Uithuut Sauiiiy
► USER SETTINGS
TU-:nooe EntenSelect ./-/:Ualue F16:Saue ESC:Exit Fl:6eneral Help
F6:Load Optimized Defaults
Set Tlee. Date. Hard Disk Type ...
u02-61 (C)Copyright 1*385-2006. American Megatrends. Inc.
Настройки BIOS
• 8 Bit I/O Recovery Time - Параметр измеряется в тактах процессора от 1
до 8, и определяет, какую задержку система будет устанавливать после
выдачи запроса на чтение/запись порта ввода/вывода. Значение этого
параметра по умолчанию 1 и его следует увеличивать только в случае установки
в компьютер какого-либо медленного 8-ми разрядного устройства.
• 16 Bit I/O Recovery Time - Параметр измеряется в тактах процессора, и
определяет, какую задержку система будет устанавливать после выдачи
запроса на чтение/запись устройства (или, как принято у Intel - порта)
ввода/вывода. Эта задержка необходима, так как цикл чтения/записи для
устройств ввода/вывода существенно дольше, чем для памяти. Значение
этого параметра по умолчанию 1 и его следует увеличивать только в случае
установки в компьютер какого-либо медленного 16-ти разрядного
устройства . Может принимать значения от 1 до 4 тактов.
• 16 Bit ISA I/O Command WS - Данная опция используется для компенсации
возможной разницы между скоростью работы системных устройств ПК и его
периферии. Подобная компенсация необходима, например, если в системе не
выделено дополнительное время ожидания/ответа устройства. В таком случае
система может решить, что какое-либо, неуспевающее ответить, устройство
вообще не функционирует и перестанет давать запросы на ввод/вывод из
этого устройства. Данную опцию можно отключать (Disabled) для повышения
быстродействия только в случае, если все ISA-устройства в таком режиме
нормально функционируют, в противном случае возможна потеря данных.
Параметр может принимать значения: Enabled, Disabled, либо есть
возможность установить количество тактов ожидания вручную: 0, 1, 2, 3
• 16 Bit ISA Mem Command WS> - Данная опция позволяет нужным образом
соотнести скорость работы памяти ISA-устройства с возможностью системы
записывать/читать из этой памяти. Параметр может принимать значения:
Enabled, Disabled, либо есть возможность задать количество тактов
вручную : 0, 1, 2, 3
• AC PWR Loss Restart - Рестарт после пропадания питания. Использование
этого параметра позволяет системе включиться автоматически после
пропадания питания. В противном случае после восстановления питания система
не включится, и необходимо будет снова нажать кнопку питания (Power).
Может принимать значения: "Enabled" и "Disabled"
• ACPI Function - Функционирование ACPI. Разрешается или запрещается
поддержка через BIOS стандарта ACPI. Включение этой функции имеет смысл,
если только операционная система поддерживает ACPI. Если опция включена,
система будет игнорировать установки полей "Suspend Mode", "HDD Power
Down" и некоторых аналогичных, поскольку уже операционная система
возьмет на себя решение многих вопросов. Может принимать значения: Enabled
или Disabled (по умолчанию)
• ACPI Suspend Type - Возможные значения: SI(POS) (включение функции Power
On Suspend), S3(STR) (включение функции Suspend to RAM). Современные
материнские платы все чаще поддерживают режим Suspend to RAM. При
активации этого режима посредством интерфейса ACPI в Windows 98 и выше
компьютер полностью выключается, а питание сохраняется лишь для модулей
памяти, куда и записывается информация о состоянии системы. После выхода из
peжимa"STR (путем нажатия клавиши на клавиатуре, по сигналу от модема,
т.п.) состояние ПК, в том числе ОС и всех прикладных программ,
восстанавливается .
AGP - Поддержка AGP. Возможные параметры: Enabled и Disabled
AGP-2x Mode - По умолчанию устанавливается Disabled. Если графическая
карта поддерживает режим AGP-2x, то устанавливается Enabled
Advanced - В данном разделе можно настроить работу чипсета материнской
платы, что позволяет при правильном применении увеличить
производительность компьютера. В других версиях BIOS может иметь название Chipset
Features Setup или Advanced Chipset Setup
Advanced Chipset Setup - В данном разделе можно настроить работу чипсета
материнской платы (смотри также Advanced, Chipset Features Setup)
Boot Virus Protection - настройка позволяет определять наличие вируса в
загрузочном секторе. До загрузки операционной системы BIOS переписывает
загрузочный сектор в специальную область флэш-памяти и сохраняет его
там. Перед загрузкой система сравнивает копии boot-сектора с его
оригиналом на жестком диске. Если будет обнаружено различие, то на экране
монитора появится предупреждающее сообщение. Может принимать значения
Enabled (функция включена) или Disabled (функция отключена). Также
встречается другое название настройки: BootSector Virus | Detection.
Boot Up Floppy Seek - данная настройка позволяет включить функцию поиска
загрузочной дискеты. В включенном состоянии система при загрузке
осуществляет поиск флоппи-дисковода. При этом производится определение
формата дисковода — 80 или 40 дорожек и его работоспособность. Это устаревшая
настройка, которую можно отключить. Может принимать значения Enabled
(при каждой загрузке производится поиск загрузочной дискеты) и Disabled
(функция отключена, установлено по умолчанию). Встречается также
название Floppy Drive Seek At Boot.
Chipset Features Setup - В данном разделе можно настроить работу чипсета
материнской платы (смотри также Advanced, Advanced Chipset Setup)
CPU Level 1 Cache - настройка для кэша процессора LI (Enabled -
включено) .
CPU Level 2 Cache - настройка для кэша процессора L2 (Enabled -
включено) .
CPU Multiplier - множитель процессора. Принимает значения от х4 до
номинала процессора
CPU Voltage - напряжение на ядре процессора
Daylight Saving - данный параметр управляет автоматическим переводом
часов на летнее время. Возможные значения: Disable или Off (автоматический
перевод часов на летнее время запрещен) и Enable или On (автоматический
перевод часов на летнее время разрешен). Windows имеет свои настройки
для перевода часов на летнее время.
Date (mm:dd:yy) - данная настройка позволяет устанавливать или изменять
системную дату (число, месяц, год).
DDR Voltage - напряжение, подающее на модули памяти от 2.60 до 3.00 с
шагом 0.5 В
Floppy Drive Seek At Boot - смотри Boot Up Floppy Seek
Jumper free Configuration - настройки частот и напряжений для CPU
памяти .
LAN Cable Status - управление функцией тестирования встроенным сетевым
контроллером состояния кабеля при включении питания. Имеет следующие
параметры .
• POST (Power-On Self-Test) Check LAN Cable - включает или выключает
функцию проверки.
• Status - состояние пары
• Length - длина пары в метрах.
• Legacy Diskette А (В) - устанавливаются типы дисководов А и В.
• Main - один из основных разделов BIOS, в котором находятся стандартные
настройки компьютера, позволяющие задавать базовую информацию, а также
устанавливать системные дату и время. В других версиях BIOS встречается
название Standard CMOS Setup.
• PCI Clock Syncronization Mode - режим синхронизации частоты шины PCI.
Имеет три значения: Auto - автоматический. То CPU - привязка к частоте
тактового генератора и 33.33 MHz - устанавливает родную частоту для шины
• Primary IDE Master - установка параметров первого главного IDE
устройства в режиме master.
• Primary IDE Slave - установка параметров первого главного IDE устройства
в режиме slave.
• Quick Power On Self Test - быстрое тестирование памяти. В включенном
состоянии позволяет избежать повторяющегося несколько раз тестирования
памяти при включении компьютера. Можно отключить, так как при наличии
проблем с памятью данный тест не поможет (Enabled - Disabled).
• Secondary IDE Master - установка параметров второго IDE устройства в
режиме master
• Secondary IDE Slave - установка параметров второго IDE устройства в
режиме slave
• System Date - данная настройка позволяет устанавливать или изменять
системную дату (число, месяц, год).
• System Information - системная информация
• System Time - данная настройка позволяет устанавливать или изменять
системное время.
• Time (hh:mm:ss) - данная настройка позволяет устанавливать или изменять
системное время.
Сигналы, которые издает BIOS
Производители BIOS включают в состав своих программ систему оповещения о
неполадках при помощи звуковых сигналов, издаваемых с помощью системного
динамика . Это позволяет определить источник проблемы неисправности компьютера.
Award BIOS
• Сигналов нет - Неисправен или не подключен к материнской плате блок
питания .
• Непрерывный сигнал - Неисправен блок питания. Требуется замена.
• 1 короткий сигнал - Ошибок не обнаружено. Типичное поведение исправного
компьютера - компьютер загружается нормально.
• 2 коротких сигнала - Обнаружены незначительные ошибки. На экране
монитора появляется предложение войти в программу CMOS Setup Utility для
исправления ситуации. Проверьте надежность крепления шлейфов в разъемах
жесткого диска и материнской платы.
• 3 длинных сигнала - Ошибка контроллера клавиатуры. Перезагрузите
компьютер. Возможно требуется заменить материнскую плату.
• 1 длинный + 1 короткий сигналы - Обнаружены проблемы с оперативной
памятью. Проверьте правильность установки модулей памяти. Либо замените на
другие модули памяти.
1 длинный + 2 коротких сигнала - Проблема с видеокартой - наиболее часто
встречающаяся неисправность. Рекомендуется вытащить плату и заново
вставить . Также проверьте подключение к видеокарте монитора.
1 длинный + 3 коротких сигнала - Ошибка инициализации клавиатуры.
Проверьте соединение клавиатуры с разъемом на материнской плате.
1 длинный + 9 коротких сигналов - Ошибка при чтении данных из микросхемы
постоянной памяти. Перегрузите компьютер или перепрошейте содержимое
микросхемы (если поддерживается этот режим).
1 длинный повторяющийся сигнал - Неправильная установка модулей памяти.
Попробуйте вытащить и вставить их снова.
1 короткий повторяющийся сигнал - Проблемы с блоком питания. Попробуйте
убрать накопившуюся в нем пыль.
AMI BIOS
Сигналов нет - Неисправен или не подключен к материнской плате блок
питания .
1 короткий сигнал - Ошибок не обнаружено. Компьютер готов к работе.
2 коротких сигнала - Ошибка четности оперативной памяти. Перезагрузите
компьютер. Проверьте установку модулей памяти. Возможно требуется замена
модулей памяти.
3 коротких сигнала - Ошибка при работе основной памяти (первых 64
Кбайт). Перезагрузите компьютер. Проверьте установку модулей памяти в
слотах. Возможно требуется замена модулей памяти.
4 коротких сигнала - Неисправен системный таймер. Возможно требуется
замена материнской платы.
5 коротких сигналов - Неисправен центральный процессор. Возможно
требуется замена процессора.
6 коротких сигналов - Неисправен контроллер клавиатуры. Проверьте
качество соединения последней с разъемом на материнской плате. Попробуйте
заменить клавиатуру. Если это не помогло, то, возможно, требуется
заменить материнскую плату.
7 коротких сигналов - Неисправна материнская плата.
8 коротких сигналов - Проблемы с видеокартой.
9 коротких сигналов - Ошибка контрольной суммы содержимого микросхемы
BIOS. На экране монитора может появиться соответствующее сообщение.
Требуется либо замена микросхемы, либо перезапись ее содержимого (если это
Flash-память).
10 коротких - Невозможно произвести запись в CMOS-память. Требуется
замена микросхемы CMOS или материнской платы.
11 коротких сигналов - Неисправна внешняя кэш-память. Требуется замена
модулей кэш-памяти.
1 длинный + 2 коротких сигнала - Неисправна видеоплата. Проверьте
соединение монитора с разъемом на видеоплате. Возможно требуется замена
видеокарты .
1 длинный + 3 коротких сигнала - Неисправна видеоплата. Проверьте
соединение монитора с разъемом на видеоплате. Возможно требуется замена
видеокарты .
1 длинный + 8 коротких сигналов - Проблемы с видеоплатой, или не
подключен монитор. Проверьте еще раз установку видеоплаты в слоте расширения.
Phoenix BIOS
Производители Phonenix BIOS разработали свою систему чередующих сигналов.
• 1-1-3 - Ошибка записи/чтения данных CMOS. Требуется замена микросхемы
CMOS-памяти или материнской платы. Также, возможно, разрядился
аккумулятор, питающий микросхему CMOS-памяти.
• 1-1-4 - Ошибка контрольной суммы содержимого микросхемы BIOS. Требуется
Замена микросхемы BIOS или перепрошивка (при использовании Flash-
памяти) .
• 1-2-1 - Неисправна материнская плата. Выключите на некоторое время
компьютер. Если не поможет, то замените материнскую плату.
• 1-2-2 - Ошибка инициализации контроллера DMA. Возможно требуется замена
материнской платы.
• 1-2-3 - Ошибка при попытке чтения/записи в один из каналов DMA. Возможно
требуется замена материнской платы.
• 1-3-1 - Проблема с оперативной памятью. Замените модули памяти.
• 1-3-3 - Ошибка при тестировании первых 64 Кбайт оперативной памяти.
Замените модули памяти.
• 1-3-4 - Ошибка при тестировании первых 64 Кбайт оперативной памяти.
Замените модули памяти.
• 1-4-1 - Неисправна материнская плата. Возможно требуется ее замена.
• 1-4-2 - Проблема с оперативной памятью. Проверьте установку модулей
памяти в слотах.
• 1-4-3 - Ошибка системного таймера. Возможно требуется замена материнской
платы.
• 1-4-4 - Ошибка обращения к порту ввода/вывода. Данная ошибка может быть
вызвана периферийным устройством, использующим данный порт для своей
работы.
• 3-1-1 - Ошибка инициализации второго канала DMA. Возможно требуется
замена материнской платы.
• 3-1-2 - Ошибка инициализации первого канала DMA. Возможно требуется
замена материнской платы.
• 3-1-4 - Неисправна материнская плата. Выключите на некоторое время
компьютер. Если это не помогает, то придется заменить материнскую плату.
• 3-2-4 - Ошибка контроллера клавиатуры. Возможно требуется замена
материнской платы.
• 3-3-4 - Ошибка при тестировании видеопамяти. Возможно, неисправна сама
видеоплата. Проверьте установку видеоплаты в слоте расширения.
• 4-2-1 - Ошибка системного таймера. Возможно требуется замена материнской
платы.
• 4-2-3 - Ошибка при работе линии А20. Неисправен контроллер клавиатуры.
Попробуйте заменить материнскую плату или контроллер клавиатуры.
• 4-2-4 - Ошибка при работе в защищенном режиме. Возможно, неисправен
центральный процессор.
• 4-3-1 - Ошибка при тестировании оперативной памяти. Проверьте установку
модулей в слотах. Возможно требуется замена модулей памяти.
• 4-3-4 - Ошибка часов реального времени. Возможно требуется замена
материнской платы.
• 4-4-1 - Ошибка тестирования последовательного порта. Может быть вызвана
устройством, использующим последовательный порт для своей работы.
• 4-4-2 - Ошибка тестирования параллельного порта. Может быть вызвана
устройством, использующим параллельный порт для своей работы.
• 4-4-3 - Ошибка при тестировании математического сопроцессора. Возможно
требуется замена материнской платы.
Сообщения об ошибках
При ошибках BIOS выводит на экран различные сообщения. Так как эти
сообщения используют английский язык, то понимание информации затруднено для
определенной аудитории. Данная страница позволить в какой-то мере расшифровать
типичные сообщения наиболее распространенных BIOS.
AMI BIOS
• Bad PnP Serial ID Checksum - Неверное значение контрольной суммы карты
Serial ID, удовлетворяющей спецификации Plug and Play.
• Floppy Disk Controller Resource Conflict - Контроллером гибких дисков
был запрошен ресурс, используемый другим устройством
• NVRAM checksum Error, NVRAM cleared - Из-за ошибки в памяти NVRAM,
данные ESCD (Extended System Configuration Data — данные расширенной
конфигурации системы) были инициализированы заново. Очистите память CMOS и
ESCD RAM, а затем перезагрузите компьютер
• NVRAM Cleared By Jumper - Перемычка CMOS установлена в положение Clear.
Память CMOS и ESCD RAM была очищена
• NVRAM Data invalid, NVRAM cleared - В ESCD обнаружены неверные данные.
Причиной этого может быть удаление или добавление в систему новых
устройств . Появление этого сообщения означает, что данные текущей
конфигурации в ESCD уже записаны.
• Parallel Port Resource Conflict - Параллельным портом был запрошен
ресурс, используемый другим устройством.
• PCI Error Log is Full - Обнаружено 15 конфликтов шины PCI. Последующие
ошибки PCI не будут регистрироваться.
• PCI I/O Port Conflict - Причиной конфликта является использование двумя
устройствами одного и того же адреса ввода-вывода PCI IRQ Conflict.
Причиной конфликта является использование двумя устройствами одного и того
же прерывания IRQ.
• PCI Memory Conflict - Причиной конфликта является использование двумя
устройствами одного и того же ресурса памяти.
• Primary Boot Device Not Found - He удается найти первичное устройство
Загрузки (жесткий диск, дисковод гибких дисков или накопитель CD-ROM).
• Primary IDE Controller Resource Conflict - Первичным контроллером IDE
запрошен ресурс, уже использующийся другим устройством.
• Primary input Device Not Found - He удается найти основное устройство
ввода (клавиатуру, мышь или другое устройство).
• Secondary IDE Controller Resource Conflict - Вторичным контроллером IDE
был запрошен ресурс, использующийся другим устройством.
• Serial Port 1 Resource Conflict - Последовательным портом 1 был запрошен
ресурс, использующийся другим устройством.
• Serial Port 2 Resource Conflict - Последовательным портом 2 был запрошен
ресурс, использующийся другим устройством.
• Static Device Resource Conflict - Платой ISA, не поддерживающей специфи-
кацию Plug and Play, был запрошен ресурс, использующийся другим
устройством .
• System Board Device Resource Conflict - Платой ISA, не поддерживающей
спецификацию Plug and Play, был запрошен ресурс, использующийся другим
устройством.
• А20 Error - Канал А20 контроллера клавиатуры неисправен.
• Address Line short! - Неисправность в расположенной на системной плате
схеме декодирования адресов.
• CMOS Battery state Low - Разрядилась батарея CMOS.
• CMOS checksum invalid - После сохранения значений в памяти CMOS RAM для
проверки наличия ошибок генерируется контрольная сумма. Получено
неверное значение контрольной суммы.
• Run setup - В CMOS не установлены параметры системы. Значения,
хранящиеся в памяти CMOS повреждены или отсутствуют. Запустите программу Setup
BIOS.
• CMOS Display Type Mismatch - Указанный в CMOS тип видеоадаптера не
соответствует типу видеоадаптера, обнаруженного BIOS. Запустите программу
Setup BIOS.
• CMOS Memory Size Mismatch - Объем памяти на системной плате отличается
от значения, указанного в CMOS. Запустите программу Setup BIOS.
• CMOS Time and Date Not Set - Для того чтобы установить в CMOS время и
дату, запустите программу Setup BIOS.
• Diskette Boot Failure - Системный диск, находящийся в дисководе А:
поврежден и не может быть использован для загрузки компьютера. Используйте
другой системный диск и следуйте указаниям, появляющимся на экране.
• DMA Error - Неисправен контроллер DMA.
• DMA #1 Error - Неисправен первый контроллер.
• DMA DMA #2 Error - Неисправен второй контроллер DMA .
• FDD Controller Failure - BIOS не может обнаружить контроллер гибких
дисков . Проверьте соответствующие кабели и соединения.
• HDD Controller Failure - BIOS не может обнаружить контроллер жестких
дисков. Проверьте соответствующие кабели и соединения.
• Insert Bootable Media - BIOS не может найти загрузочный диск. Вставьте
загрузочную дискету или компакт-диск.
• INTR #1 Error - При выполнении процедуры POST обнаружена неисправность
первого контроллера прерываний.
• INTR #2 Error - При выполнении процедуры POST обнаружена неисправность
второго контроллера прерываний.
• Invalid Boot Diskette - Диск, находящийся в дисководе А: , читается, но
системные файлы загрузить не удается. Используйте другой системный диск.
• KB/Interface Error - Неисправен разъем для подключения клавиатуры
Keyboard Error Возникла ошибка синхронизации клавиатуры.
• Keyboard Stuck Key Detected - На клавиатуре залипла клавиша.
• Off Board Parity Error - Обнаружена ошибка четности в памяти,
расположенной на плате расширения. Сообщение имеет вид OFF BOARD PARITY ERROR
ADDR (HEX) = (XXXX) , где XXXX— шестнадцатеричный адрес памяти, по
которому произошла ошибка.
• On Board Parity Error - Обнаружена ошибка четности в памяти,
расположенной на системной плате. Сообщение имеет вид OFF BOARD PARITY ERROR ADDR
(HEX) = (XXXX) , где XXXX — шестнадцатеричный адрес памяти, по которому
произошла ошибка.
• Parity Error - В памяти компьютера по неизвестному адресу обнаружена
ошибка четности.
• System Halted! - Из-за случившейся ошибки произошла остановка
компьютера .
• Timer channel 2 Error - Обнаружена ошибка таймера.
• Uncorrectable ЕСС Error - Обнаружена неустранимая ошибка памяти ЕСС.
• Undetermined NMI - Обнаружено неопределенное немаскируемое прерывание.
• Memory Parity Error at xxxxx - Вышла из строя память. Если адрес, по
которому произошла ошибка, установить удалось, он будет выведен вместо
ххххх. В противном случае сообщение будет иметь вид Memory Parity Error
????
• I/O Card Parity Error at xxxxx - Вышла из строя плата расширения. Если
адрес, по которому произошла ошибка, установить удалось, он будет
выведен вместо ххххх. В противном случае сообщение будет иметь вид i/o Card
Parity Error ????
Award BIOS
Если при выполнении процедуры POST будет обнаружена ошибка, требующая
выполнения каких-либо действий, последует звуковой сигнал или на экране
появится сообщение, сопровождаемое следующей строкой:
PRESS Fl ТО CONTINUE, CTRL-ALT-ESC OR DEL ТО ENTER SETUP
В настоящее время в Award BIOS используется единственный звуковой код —
один длинный и два коротких звуковых сигнала, указывающих на неисправность
видеоадаптера и невозможность вывода какой-либо дополнительной информации.
При обнаружении неисправности во время выполнения процедуры POST на экран
будет выведено одно или несколько сообщений из приведенного ниже перечня
сообщений об ошибках Award BIOS для ISA и EISA BIOS.
• BIOS ROM checksum error - System halted - Неверное значение контрольной
суммы кода BIOS указывает на то, что программный код BIOS, возможно,
поврежден . Замените BIOS.
• CMOS battery failed - Батарея CMOS не функционирует. Замените батарею
• CMOS checksum error - Defaults loaded - Неверное значение контрольной
суммы CMOS, из-за чего системой загружается конфигурация оборудования,
используемая по умолчанию. Неверное значение контрольной суммы указывает
на то, что CMOS повреждена. Причиной этого может быть разрядка батареи.
Проверьте ее и, если необходимо, замените.
• CMOS CHECKSUM ERROR - Неверное значение контрольной суммы CMOS. Это
указывает на то, что CMOS повреждена. Причиной этой ошибки может быть
разрядка батареи. Проверьте ее и, если необходимо, замените.
• DISK BOOT FAILURE, INSERT SYSTEM DISK AND PRESS ENTER - не удалось найти
или загрузить операционную систему.
• CPU at nnnn - Показывает текущую производительность процессора
• DISKETTE DRIVES OR TYPES MISMATCH ERROR - RUN SETUP - Тип установленного
в системе накопителя гибких дисков отличается от указанного в CMOS. Для
того чтобы установить правильный тип накопителя, запустите программу
Setup BIOS.
• Display switch is set incorrectly - Переключатель монитора на системной
плате имеет два положения: монохромный или цветной. Это сообщение
указывает на то, что положение переключателя не соответствует типу дисплея,
указанному в параметрах BIOS. Определите правильное значение параметра и
либо выключите компьютер и переставьте перемычку, либо запустите
программу Setup BIOS и измените значение параметра VIDEO.
DISPLAY TYPE HAS CHANGED - С момента последнего выключения компьютера
был установлен другой адаптер дисплея. Необходимо сконфигурировать
систему в соответствии с новым типом дисплея.
EISA Configuration Checksum Error - Неверное значение контрольной суммы
энергонезависимой памяти EISA RAM или некорректное считывание из разъема
EISA. Это указывает на то, что энергонезависимая память EISA повреждена
или неправильно сконфигурирован разъем. Также проверьте, плотно ли
вставлена плата в разъем
EISA Configuration is Not Complete - Информация о конфигурации разъема,
хранящаяся в энергонезависимой памяти EISA, неполная.
ERROR ENCOUNTERED INITIALIZING HARD DRIVE - He удается инициализировать
жесткий диск. Убедитесь в правильности подключения устройства и
проверьте, плотно ли вставлены все разъемы. Убедитесь также, что в BIOS выбран
правильный тип жесткого диска
ERROR INITIALIZING HARD DISK CONTROLLER - He удается инициализировать
контроллер жесткого диска. Убедитесь, что кабель установлен правильно.
Проверьте, правильно ли выбран тип жесткого диска в BIOS. Проверьте
также правильность установки перемычек на жестком диске
FLOPPY DISK CNTRLR ERROR OR NO CNTRLR PRESENT - He удается найти или
инициализировать контроллер гибких дисков. Убедитесь, что кабель
установлен правильно. Если в системе дисководов нет, убедитесь, что в BIOS
для параметра Diskette Drive значение NONE.
Floppy disk(s) fail - He удается найти или инициализировать контроллер
гибких дисков или дисковод. Убедитесь, что контроллер установлен
правильно. Если в системе дисководов нет, проверьте, установлено ли в BIOS
для параметра Diskette Drive значение NONE или AUTO.
HARD DISK initializing - Необходимо немного подождать. Для инициализации
некоторых жестких дисков требуется дополнительное время.
HARD DISK INSTALL FAILURE - He удается найти или инициализировать
контроллер накопителя на жестких дисках. Убедитесь, что контроллер
установлен правильно. Если в системе жестких дисков нет, убедитесь, что в BIOS
для параметра Hard Drive установлено значение NONE.
Hard disk(s) diagnosis fail - Система может осуществлять специальную
диагностику жестких дисков. Это сообщение появляется, если во время
диагностики на одном или нескольких дисках были обнаружены ошибки.
Invalid EISA configuration - Энергонезависимая память, в которой
хранится конфигурация EISA, содержит неверные данные или повреждена. Для того
чтобы правильно запрограммировать память, запустите программу
конфигурации EISA еще раз
Keyboard error or no keyboard present - He удается инициализировать
клавиатуру. Убедитесь, что клавиатура подключена правильно и во время
загрузки никакие клавиши не нажаты. Если вы намеренно конфигурируете
систему без клавиатуры, установите значение HALT ON ALL, BUT KEYBOARD
параметру Error halt condition. Это позволит BIOS игнорировать отсутствие
клавиатуры и продолжать загрузку
Keyboard is locked out - Unlock the key - Это сообщение обычно
указывает , что во время тестирования клавиатуры была нажата одна или больше
клавиш. Убедитесь, что на клавиатуре не лежат никакие предметы
Memory Address Error at... - Указывает на ошибку данного адреса памяти.
С помощью этого адреса и карты памяти компьютера можно найти и заменить
неисправные микросхемы памяти
MEMORY SIZE HAS CHANGED SINCE LAST BOOT - С момента последней загрузки
были добавлены или демонтированы модули памяти. В режиме EISA для
изменения конфигурации памяти используйте соответствующую программу
конфигурации. В режиме ISA запустите программу Setup BIOS, и в соответствующем
поле укажите новый объем памяти
Memory Test - Это сообщение выводится при выполнении полного теста
памяти с указанием тестируемой области памяти
Memory test fail: - Если во время POST-теста памяти была обнаружена
ошибка, появится дополнительная информация о типе памяти и адрес, по
которому произошла ошибка
Memory verify Error at... - Указывает на ошибку при контрольном
считывании записанного в память значения. Определить неисправную микросхему
памяти можно с помощью указанного адреса и карты памяти компьютера
No boot device was found - Это сообщение означает, что либо не обнаружен
накопитель, с которого производится загрузка, либо в накопителе нет
соответствующих загрузочных системных файлов. Вставьте в дисковод А:
системный диск и нажмите клавишу. При загрузке системы с жесткого диска
проверьте правильность подключения контроллера и всех кабелей, а также
убедитесь, что диск отформатирован как загрузочный и перезагрузите
компьютер
OFFENDING ADDRESS NOT FOUND - Это сообщение появляется вместе с
сообщениями I/O CHANNEL CHECK и RAM PARITY ERROR в том случае, когда
невозможно определить адрес памяти, по которому произошла ошибка
OFFENDING SEGMENT: - Это сообщение появляется вместе с сообщениями I/O
CHANNEL CHECK и RAM PARITY ERROR, если адрес памяти, по которому
произошла ошибка, установлен
Override enabled. Defaults loaded - Если загрузить компьютер с
использованием текущей конфигурации CMOS не удается, будет произведена попытка
загрузить систему, используя параметры BIOS, которые устанавливаются по
умолчанию, и обеспечивают наиболее стабильную работу компьютера с
минимальной производительностью
PRESS A KEY то REBOOT - Это сообщение появляется внизу экрана при
возникновении ошибки, требующей перезагрузки компьютера. Для того чтобы
перезагрузить систему, нажмите любую клавишу
Press ESC to skip memory - Для того чтобы пропустить полный тест памяти,
можно нажать клавишу test
Press TAB to show POST Screen - Производители компьютеров вместо вида
отображения Award BIOS POST могут использовать собственный вид. Это
сообщение указывает на возможность переключения между видом производителя
и видом POST, используемым по умолчанию
Primary master hard disk fail - При выполнении процедуры POST обнаружена
неисправность жесткого диска, установленного как primary master.
Primary slave hard disk fail - При выполнении процедуры POST обнаружена
неисправность жесткого диска, установленного как primary slave.
RAM PARITY ERROR CHECKING FOR SEGMENT... - Указывает на ошибку четности
в оперативной памяти
Secondary master hard disk fail - При выполнении процедуры POST
обнаружена неисправность жесткого диска, установленного как secondary master
• Secondary slave hard disk fail - При выполнении процедуры POST
обнаружена неисправность жесткого диска, установленного как secondary slave.
• Should Be Empty But EISA Board Found - В разъеме, который
сконфигурирован как пустой, обнаружена плата.
• Should Have EISA Board But Not Found - Установленная плата не отвечает
на запрос ID, или информация ID в указанном разъеме не найдена.
• Slot Not Empty - Указывает, что в разъем, который обозначен программой
конфигурации EISA как пустой, установлена плата.
• SYSTEM HALTED, (CTRL-ALT-DEL) то REBOOT. . . - Указывает на то, что
текущая попытка загрузки системы была прервана и компьютер необходимо
перезагрузить. Нажмите комбинацию клавиш [Ctrl+Alt+Del].
• Wrong Board in Slot - Идентификатор платы не соответствует значению ID,
хранящемуся в энергонезависимой памяти EISA.
Phoenix BIOS
• Diskette drive A error - Дисковод А: обнаружен, однако возникает ошибка
выполнения теста POST. Убедитесь, что в программе Setup BIOS выбран
правильно тип дисковода. Проверьте также правильность установки устройства
• Extended RAM Failed at offset: nnnn - Расширенная память по адресу nnnn
вышла из строя либо неверно сконфигурирована
• Failing Bits: nnnn - Шестнадцатеричное число nnnn указывает, по какому
адресу во время теста произошел сбой. Каждая единица в карте памяти
указывает на неисправный бит
• Fixed Disk 0 Failure или Fixed Disk I Failure или Fixed Disk Controller
Failure - Жесткий диск вышел из строя или неправильно сконфигурирован.
Проверьте правильность установки жесткого диска. Запустите программу
Setup BIOS и убедитесь, что тип жесткого диска выбран правильно
• Incorrect Drive A type - run SETUP - В BIOS неверно указан тип дисковода
А:
• Invalid NVRAM media type - Возникла ошибка доступа к NVRAM (CMOS)
• Keyboard controller error - При тестировании контроллера клавиатуры
возникла ошибка. Попробуйте заменить клавиатуру
• Keyboard error - Не работает клавиатура
• Keyboard error nn - BIOS обнаружена "залипшая" клавиша клавиатуры с
кодом пп
• Keyboard locked - unlock key switch - Для продолжения работы необходимо
разблокировать систему
• Monitor type does not match CMOS - Run SETUP - В BIOS неверно указан тип
монитора
• Operating system not found - На диске А: или С: не удается обнаружить
операционную систему. Запустите программу Setup BIOS и проверьте,
правильно ли указаны типы дисковода А: и жесткого диска С:
• Parity check 1 - В системной шине обнаружена ошибка четности. Если
адрес, по которому произошла ошибка, удалось установить, он будет
отображен на экране. В противном случае будут отображены символы ????
• Parity check 2 - В шине ввода-вывода обнаружена ошибка четности. Если
адрес, по которому произошла ошибка, удалось установить, он будет
отображен на экране. В противном случае будут отображены символы ????
• Press [FI] to resume, [F2] to Setup - Это сообщение выводится после об-
наружения любой исправимой ошибки. Для продолжения загрузки нажмите
клавишу [F1]. Для того чтобы запустить программу Setup BIOS и изменить
значение какого-либо параметра, нажмите клавишу [F2]
• Real-time clock error - Во время тестирования часов реального времени
обнаружена ошибка. Возможно, требуется ремонт системной платы
• Shadow RAM Failed at offset: nnnn - Во время тестирования затененной
памяти в блоке памяти размером 64 Кбайт по адресу nnnn обнаружена
неисправность
• System battery is dead - Replace and run SETUP - Батарея разряжена.
Замените ее и заново сконфигурируйте систему с помощью программы Setup
BIOS
• System cache error - Cache disabled - Во время тестирования кэш-памяти
была обнаружена неисправность; кэш отключен
• System CMOS checksum bad - run SETUP - Память CMOS RAM повреждена или
некорректно модифицирована программой, изменяющей хранящиеся в CMOS
данные . Запустите программу Setup BIOS и сконфигурируйте систему заново,
установив значения необходимых параметров либо значения, используемые по
умолчанию
• System RAM Failed at offset: nnnn - Во время тестирования оперативной
памяти компьютера в блоке памяти размером 64 Кбайт по адресу nnnn
обнаружена неисправность
• System timer error - При тестировании таймера обнаружена неисправность.
Требуется ремонт системной платы
ЖЕСТКИЕ ДИСКИ
Устройство жестких дисков
Среди компонентов, из которых состоит жёсткий диск, самые важные - это
магнитные пластины, на которые записывается информация, а также головки
чтения/записи. Конечно, ничего не будет работать без двигателей, которые
заставляют пластины вращаться на высокой скорости и электроники управления, которая
играет важную роль в производительности жёсткого диска.
Из чего состоит головка жёсткого диска? Если смотреть невооружённым глазом,
то головка - крошечный объект, который "парит" над вращающимися пластинами
винчестера, будучи прикреплённым на кончик несущей. Если же посмотреть на
головку через электронный микроскоп, то можно выделить два элемента: головку
чтения и головку записи.
Работа головки чтения заключается в определении изменений магнитного
потока, которые модулируют нулевой и единичный биты. Головка чтения
изготавливается из магниторезистивного материала - его электрическое сопротивления
меняется как функция проходящего сквозь него магнитного поля. Головка записи
имеет более сложную конструкцию, поскольку ей нужно создавать магнитное поле,
достаточно сильное, чтобы менять ориентацию магнитных доменов в пластине. Для
данной задачи используется одна или большее число катушек.
Размеры головки жёсткого диска впечатляют. Ширина составляет меньше сотни
нанометров, а толщина - около десяти. Головка парит над пластиной,
вращающейся со скоростью 15000 об/мин, на высоте, эквивалентной 40 атомам. Все
элементы головки изготавливаются по технологиям, схожим с производством
микропроцессоров. То есть головки вырезаются из подложек, на которых они формируются
методом фотолитографии и осаждения нужных материалов.
Seagate - один из немногих производителей магнитных головок. Среди других
производителей жёстких дисков только у Hitachi и Western Digital есть свои
заводы, a Toshiba, Fujitsu, Samsung и ExcelStor закупают головки производства
TDK.
Количество отказов жестких дисков при их рабочей температуре 50 градусов
Цельсия в два раза больше, чем при температуре 34 градуса Цельсия.
На восстановление данных со сломанных винчестеров американские
промышленники тратят 18 миллиардов долларов в год.
Western Digital установили новый мировой рекорд по плотности магнитной
записи - 520 Гбит/кв.дюйм. С такой плотностью можно создать накопитель форм-
фактора 3.5 объемом 3 Тб. На сегодняшний день максимальная плотность в
серийном производстве составляет 200 Гб/кв.дюйм.
Зачем в герметичных пакетах с некоторыми устройствами (часто жесткими
дисками) находится силикат-гель? Силикат-гель поглощает остаточную влагу из
воздуха (то есть сушит его), что позволяет хранить устройства в таких
герметичных пакетах достаточно долгое время без боязни их преждевременного выхода из
строя. Часто силикат-гель применяют при производстве стеклопакетов, его
помещают между стеклами, что препятствует их запотеванию.
Что означают буквы RE в названиях некоторых дисков от Western Digital? RE -
RAID Edition. Специальные винчестеры сегмента enterprise, предназначенные для
использования в RAID-массивах. По заявлениям компании они обладают повышенной
степенью надежности, MTBF (время наработки на отказ), равным одному миллиону
часов, а также пятилетней гарантией и технологией TLER (Time-Limited Error
Recovery).
Как лучше установить жесткий диск в отсек 5.25"?
Для этого продаются специальные так называемые "салазки", или рэки, которые
устанавливаются в отсек 5.25" и надежно удерживают винчестер. Еще можно
использовать специальные отсеки (часто охлаждаемые) для HDD, например,
Thermaltake Hardcano 14, который весит почти килограмм, светит голубым
светом, охлаждает и удерживает винчестер, но при этом не издает шума больше чем
16 дБ.
Как правильно устанавливать второй IDE-диск в компьютер?
Нормальное функционирование во многом зависит от температурного режима,
поэтому необходимо обеспечить приемлемое расстояние между двумя жесткими
дисками (от 1.5 см) и позаботиться о дополнительном охлаждении. Винчестеры лучше
разнести по разным IDE-каналам (это сократит задержки при одновременной
работе с ними), хотя все равно, скорее всего, одному из них придется "висеть"
вместе с оптическим приводом. Перед установкой проверить, как расставлены
перемычки. Режим Auto или Cable select не рекомендуется - лучше явно указать
Master или Slave.
В зависимости от спектра решаемых задач приоритетным для пользователя при
выборе винчестера будет либо емкость, либо скорость работы винчестера.
Решающим фактором становится такой показатель, как время доступа. Оно значительно
сокращается в том случае, когда винчестер оснащен кеш-памятью большого объема
(8 или 16 Мбайт). Производители дешевых компьютеров используют зачастую
жесткие диски с малым объемом кеша (2 Мбайт). Не найдете вы в рекламном проспекте
и сведений о том, что установленный в компьютере винчестер не поддерживает
современную технологию NCQ, которая способна значительно повысить
производительность системы, если установлены соответствующие драйверы.
Ваш жесткий диск шумит, когда система считывает или записывает информацию?
Шумы вызваны быстрым вращением диска и движением пишущей головки. У многих
производителей жестких дисков имеются утилиты, позволяющие программно
понизить шумность дисков. Однако при этом увеличивается время доступа (до 50%).
Основу жесткого диска составляет прочный герметичный корпус, который
защищает внутреннюю часть от внешних воздействий. Внутри корпуса находится
магнитный диск или несколько дисков, называемых иногда "блинами", магнитные
головки , электродвигатель и электроника. Сам корпус заполнен чистым воздухом.
Магнитный диск представляет собой алюминиевую круглую пластину. Были также
попытки использовать вместо алюминия стекло, но у таких винчестеров
обнаружилось множество проблем в эксплуатации, и их производство было свернуто.
Электродвигатель — это сложное высокотехнологичное устройство, представляющий
собой неподвижный якорь с обмотками и вращающийся постоянный магнит. В
электродвигатели ставят подшипники двух видов: обычные шариковые и жидкостные. В
жидкостных подшипниках вместо шариков используется специальное масло. Это
позволяет уменьшить уровень шума и увеличить долговечность электродвигателя.
Магнитная головка состоит из множества мелких деталей: отполированного
керамического корпуса, привода головки в виде катушки-соленоида из медной
проволоки и рычага. На одном конце рычага закреплен постоянный магнит, который
вращается на подшипниках, а на другом конце — легкая стрелка с магнитными
головками. Катушка способна перемещаться в магнитном поле под действием
проходящего через нее тока, перемещая одновременно все головки в радиальном
направлении. Когда жесткий диск не работает, магнитные головки находятся в
специальной зоне парковки и прижаты к сторонам пластин легкими пружинами. При
включении головки приподнимаются и уже не касаются поверхности диска. Зазор
между магнитной головкой и диском ничтожно мал — около 0,1 мкм. После
изготовления жесткого диска производитель производит его низкоуровневое
форматирование. Жесткий диск — это неразборная конструкция, не требующая
вмешательства. Таким образом, если внутри диска что-то сломалось, то вам не удастся
произвести ремонт своими силами.
Для каждого устройства производитель рекомендует свои температурные режимы.
Как правило, для жестких дисков нормальным считается диапазон от 15 до 50
градусов по Цельсию. Скорость вращения жестких дисков может составлять 5400,
7200 и 10 000 об/мин. Наиболее распространены сейчас диски со скоростью 7200
об/мин.
Интерфейсы
Для внутренних жестких дисков в домашних условиях используются три
интерфейса: Paraller АТА, Serial АТА и SCSI. В интерфейсе SATA уже нет понятия
master и slave — диски теперь равноправны, и не требуется установки перемычек
в нужное положение. Изменились и кабели — они стали тоньше и занимают гораздо
меньше места в системном блоке, улучшая циркуляцию воздуха для охлаждения
компонентов компьютера. Диски с интерфейсом SCSI слишком дороги для
применения в домашних компьютерах, поэтому пока широкого распространения не
получили .
80-проводной кабель
Сначала, в стандарте IDE использовались 40-жильные кабели, при этом
спецификации не предусматривали специальных требований к длине кабеля,
экранирование от других сигналов и не обеспечивали высоких скоростей передачи данных.
Но возросшие требования новых компьютерных систем заставили производителей
искать новые решения для повышения производительности жестких дисков. И тогда
вместо 40-проводного был разработан 80-проводной кабель. Практически все
новые компьютеры, которые собираются с использованием интерфейса РАТА,
оснащаются 80-проводными кабелями, которые с обоих концов подключаются к
стандартным 40-контактным разъемам. Сорок проводов сохраняют прежние функции,
используемые для передачи данных и управляющих сигналов. Дополнительные сорок
проводов призваны обеспечить дополнительную защиту сигналов данных от зашумле-
ния, передаваемых по остальным сорока проводам. В результате замены старого
40-проводного кабеля на новый 80-проводной, пользователь получает возможность
полноценного использования всех преимуществ быстрых дисков и интерфейсов
UDMA/ATA-100 и UDMA/ATA-133.
Форм-фактор для
жестких дисков
Для настольных компьютеров используются 3,5-дюймовые накопители, а для
ноутбуков — 2,5-дюймовые. Но в последнее время большую популярность приобрели
внешние жесткие диски, которые состоят из корпуса, приобретаемого отдельно, и
"лишнего" винчестера, который остался от старого компьютера. Все это
собирается вместе за 3 минуты и в результате получается очень удобный переносимый
носитель информации. Продаются и готовые внешние жесткие диски, не требующие
сборки. Также встречаются в продаже внешние накопители на основе
однодюймовых жестких дисков в самом разном исполнении: круглые, прямоугольные,
кубические.
Мифы о жестких дисках
У многих пользователей пользуются успехом некоторые мифы, которые не имеют
ничего общего с реальностью. Рассмотрим эти мифы подробнее и постараемся их
развенчать.
Жесткие диски вредно часто форматировать
На самом деле форматирование не приносит никакого вреда жесткому диску.
Форматируйте хоть каждый день. Никаких сбойных секторов не появляется, и
износа головок при этом не происходит.
Для повышения производительности диска нужно форматировать жесткий диск как
можно чаще
Это противоположная крайность. Частое форматирование не улучшает
производительность диска. Если вы почувствовали, что диск стал работать медленнее, то
это может быть вызвано фрагментацией данных на диске. Из-за необходимости
искать различные части одного и того же файла в разных разделах диска и
происходит падение производительности.
Дефрагментация также вредна для жесткого диска
В этом утверждении есть доля правды. При дефрагментации головка жесткого
диска совершает большую работу по распределению данных. Но, с другой стороны,
после дефрагментации файлы находятся в упорядоченном состоянии, а значит,
уменьшается количество передвижений головки при работе с данными.
Постоянное скачивание из Интернета и установка программ на жесткий диск
уменьшает продолжительность жизни накопителя
Никакого особого влияния на жесткий диск установка программ не имеет.
Жесткий диск вращается практически постоянно, вне зависимости от установки
программ или чтения данных с диска. Для диска это стандартная ситуация, и на
продолжительность жизни влияет не установка программ, а общее число оборотов
диска, которые приводят к износу деталей.
Перебои с питанием приводят к появлению сбойных секторов на жестком диске
Перебои с напряжением в сети не приводят к образованию сбойных секторов,
так как при отсутствии напряжения происходит автоматическая парковка головок,
что предохраняет повреждение пластин диска.
Жесткий диск вращается только при чтении или записи данных, а в режиме
ожидания диск не вращается
В действительности пластины диска вращаются постоянно.
Некоторые сбойные участки диска можно исправить форматированием
На самом деле, сбойный участок диска уже не пригоден к записи или чтению.
Форматирование или другой программный способ не восстанавливает сбойный
сектор .
Низкоуровневое форматирование может восстановить сбойные секторы
Подобное низкоуровневое форматирование может заменить сбойные секторы
секторами с резервных дорожек, но не восстановить поврежденные сектора. При
такой замене уменьшается производительность, поскольку головки диска будут
искать секторы на резервных дорожках. Появление сбойных секторов — это сигнал к
тревоге. Возможно, произошло образование сколов, мелких осколков пластин или
повреждение головки, что может стать причиной появления новых повреждений.
Если у вас на жестком диске хранятся важные данные, то пора задуматься о
создании резервной копии и замене диска.
Жесткий диск можно устанавливать только в горизонтальном положении
На самом деле, диски можно устанавливать в любом положении.
Проверка жестких
дисков на наличие ошибок
Периодически следует проверять состояние жесткого диска. Windows ХР имеет в
своем составе утилиту для проверки жестких дисков. Для запуска этой программы
откройте проводник, выберите нужный вам жесткий диск, щелкните на нем правой
кнопкой и выберите из контекстного меню пункт Свойства. В диалоговом окне
перейдите на вкладку Сервис. Нажмите на кнопку «Выполнить проверку». После
успешной проверки программа выдаст соответствующее сообщение. Желательно перед
проверкой закрыть все приложения, иначе если вы будете использовать функцию
«Автоматически исправлять системные ошибки», система выдаст сообщение, что
диск будет проверен при следующем запуске программы. Имейте в виду, что при
больших объемах жестких дисков проверка может растянуться на длительное
время .
Дефрагментация дисков
Чем больше вы работаете с компьютером, тем больше файлов оказывается
разбитым на отдельные фрагменты, которые располагаются в разных частях жесткого
диска. Фрагментация файлов снижает быстродействие системы, поэтому следует
также периодически делать дефрагментацию дисков. Дефрагментация позволяет
собрать все разбросанные фрагменты файла в отдельный блок, что позволяет
увеличить скорость доступа к файлам. В Windows ХР уже есть встроенная утилита деф-
рагментации, доступ к которой вы можете получить через «Пуск | Все программы
| Стандартные | Служебные | Дефрагментация диска». Выберите из списка нужный
вам диск и нажмите на кнопку «Анализ». Система проанализирует диск и выяснит,
нуждается ли он в дефрагментации. Если выяснится, что эта процедура
необходима, то нажмите на кнопку «Дефрагментация». Чтобы пользоваться программой
дефрагментации диска вы должны обладать правами администратора.
Продолжительность
жизни винчестера
Какова средняя продолжительность жизни винчестера? Эта величина зависит от
многих факторов. Во-первых, пластины внутри диска — достаточно "нежные"
компоненты и при приличной нагрузке больше 10 лет работы вряд ли выдержат. Кроме
того, производители закладывают в работу диска такой показатель, как
гарантированное количество старт/стоп циклов, которые показывают, сколько
включений/выключений может выдержать накопитель. Для современных винчестеров этот
показатель составляет около 50000 циклов. По этому показателю винчестер
вполне может сохранять свою работоспособность около 40 лет. Но в любом случае
замена жестких дисков происходит намного раньше — в среднем каждые 4-6 лет, так
как меняются технологии, интерфейсы, объемы данных. Но бывают случаи, когда
жесткий диск выходит из строя гораздо раньше. Почему? Одной из причин может
быть неправильная транспортировка, когда диск получил сильный удар, и в
результате магнитная головка повредила поверхность пластин с образованием
микроскопических осколков. В результате эти осколки в процессе работы порождают
новые осколки и магнитную пыль, и, соответственно, новые дефекты. Еще одна
причина, как ни странно, курение За компьютером. Герметичные корпуса дисков
не в состоянии противостоять проникновению вовнутрь табачных смол, которые
оседают на пластинах. Осевшая грязь мешает считыванию информации, а также
может стать причиной прилипания головок к поверхности пластины. Еще одна
возможная причина гибели жесткого диска — перегрев устройства. Поэтому
необходимо позаботиться о правильном охлаждении накопителя, используя кулеры или
радиаторы. А в целом, современные жесткие диски — это надежные устройства,
которые прослужат вам долгое время, храня на своих дорожках вашу бесценную
информацию .
Если вас интересует статистика по отказам, то как-то журнал "Железо"
опубликовал информацию о надежности винчестеров в зависимости от объема диска.
Оказывается, самыми ненадежными являются 250-гигабайтные и более емкие винче-
стеры, 1,25% которых выходят из строя еще в гарантийный срок. Более надежными
являются АТА-диски с объемом 200, 160 и 80 Гбайт — проблемы возникают у 7 из
1000 штук. Более надежными являются 120-гигабайтные диски, в среднем
отказывающие в 0,55% случаях. Самыми надежными являются диски, вмещающие 40 Гбайт:
только 0,3% дисков этой емкости выходят из строя.
Причины поломок и
технологии защиты
Из компьютерных комплектующих устройств жесткие диски относятся к числу
наиболее ненадежных, так как имеют подвижные элементы. Поскольку жесткие
диски постоянно вращаются с большой скоростью, сильно нагреваются и имеют
движущиеся части, то они выходят из строя весьма часто. Кроме того, жесткие диски
боятся вибрации, резких ударов, пыли. В результате осыпается магнитный слой,
появляются сбойные сектора. Рассмотрим более подробно причины, приводящие к
поломкам диска, а также технологии, используемые для защиты от подобных
поломок. Самой опасной ситуацией для жесткого диска является короткий, но сильный
удар. Такая ситуация может возникнуть при падении жесткого диска на пол. В
этом случае возможны следующие варианты:
• повреждение головок
• смещение дисков
• появление люфта в подшипниках
Поэтому следует очень осторожно относиться к этому устройству при
транспортировке и установке. Одно неосторожное движение может обернуться
катастрофическими последствиями. Надо сказать, что производители жестких дисков
стараются разработать различные технологии, препятствующие механическим
повреждениям дисков:
• технология Shock Protection System — чтобы поглотить энергию удара, была
увеличена упругость держателя головок. В результате при резком ударе,
перемещение головки становится минимальным, что позволяет избежать
царапин на поверхности диска. Впервые подобную технологию, которая получила
название SPS (Shock Protection System), применили в компании Quantum.
Впоследствии вышла улучшенная версия технологии SPS II, в которой
появилась возможность защиты от ошибочной записи в момент удара
• технология G-Force Protection — компания Seagate предложила свою
технологию G-Force Protection, согласно которой инженеры компании уменьшили
вес головки и увеличили зазор парения ее над магнитным диском. Также
были применены и другие уловки, позволяющие погасить сильные удары. Кроме
того, на диски стали надевать резиновые оболочки, что позволило
уменьшить риск от ударов при транспортировке и от разрядов статического
электричества
• технология ShotBlock — производитель жестких дисков компания Maxtor
разработала свою технологию защиты винчестеров под названием ShockBlock
(SB) . Согласно этой технологии также используются уменьшение размера и
веса головки. Кроме того, производители создали на диске специальную
зону, в которой находится головка в неработающем состоянии, что позволило
снизить вероятность появления царапин на диске
• технология Shock Skin Bumper — еще один производитель дисков компания
Samsung разработала свою технологию Shock Skin Bumper (SSB), которая
работает по принципу автомобильного бампера.
Производители
Рынок производителей жестких дисков очень динамичный. В разные периоды
времени лидерами становятся одни компании, затем на первое место выходят другие.
Очень долгое время одним из ведущих производителей жестких дисков была
компания IBM, а сейчас вы не найдете в продаже винчестеров под этой маркой.
Процесс слияния и поглощения компаний продолжается и по сей день. Несколько лет
назад фирма Maxtor купила компанию Quantum. Затем Maxtor решила объединиться
с еще одним производителей жестких дисков Seagate.
• Samsung — известная корейская фирма постепенно завоевывает себе место
под солнцем на рынке жестких дисков. У этой компании есть одно очень
важно преимущество — помимо производства жестких дисков, компания
занимается изготовлением флэш-памяти, а также активно разрабатывает
перспективные гибридные жесткие диски. Страницу на русском языке, посвященную
жестким дискам Samsung, вы можете найти по адресу:
http://www.Samsung.ru/products/computers/hdd
• Hitachi — японская компания, выпускающая многие виды электроники, также
имеет и производство жестких дисков. Адрес компании:
http://www.hitachi.com
• Maxtor — после слияния с Seagate, производство накопителей под маркой
этой компании будет постепенно сворачиваться. Сайт компании:
http://www.maxtor.com
• Western Digital — компания является одним из ведущих производителей
дисков большой емкости. Адрес русскоязычного ресурса компании:
http://www.wdc.com/ru/
• Seagate — очень агрессивный игрок на рынке производства жестких дисков.
После объединения с компанией Maxtor существенно усилила свои позиции.
Сайт компании: http://www.Seagate.com.
RAID
Изначально в 1987 году Петтерсон, Гибсон и Катц представили миру RAID как
Redundant Arrays of Inexpensive Disks, то есть избыточный (резервный) массив
недорогих дисков. Это было связано с тем, что диски были гораздо дешевле RAM.
Но в дальнейшем для сборки массивов стало использоваться не такое уж и
дешевое оборудование, поэтому название немного изменили на Redundant Array of
Independent Disks, и диски стали независимыми. Различают различные уровни
RAID. Стандартом приняты следующие массивы:
• RAID 0 - это размещение данных на нескольких винчестерах с целью
увеличения скорости. Подобная вещь может быть организована как программно,
так и аппаратно.
• RAID 1 производит дублирование информации с целью повышения надежности.
В массивах RAID 2 используется код Хемминга.
• RAID 3, 4 , 5 задействуют четность для защиты данных и допускают выход из
строя одного из винтов. Для создания RAID 5 необходимо от 3 до 6 жестких
дисков.
• RAID 6 еще более надежный, и не теряет данные даже при поломках двух
жестких дисков.
Кроме этого существует интересная разработка от Intel под названием Matrix
RAID, которая предлагает всего на двух хардах создать несколько логических
разделов с разными уровнями: RAID 0 и RAID 1.
S.M.A.R.T.
Технология S.M.A.R.T. - Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology
(от англ. "Технология Самодиагностики, Анализа и Отчета") - была разработана
для повышения надежности и сохранности данных на жестких дисках. В
большинстве случаев, SMART-совместимые устройства позволяют предсказать появление
наиболее вероятных ошибок, тем самым, позволяя пользователю сделать резервную
копию данных и/или полностью заменить накопитель до выхода его из строя.
Примечание: Технология SMART не столь уж умна. Статистика Google показала,
что система оповещения срабатывала лишь в 64% случаев. Еще один минус: SMART
наблюдает лишь за механическими компонентами жесткого диска, в то время как
электроника остается вне поля зрения технологии. А ведь часть отказов была
вызвана сбоями в работе именно электронной начинки железа. Еще одно
удивительное открытие сделали специалисты Google, когда проанализировали
температурный режим работы дисков. Раньше считалось, что высокая температура один из
самых неблагоприятных факторов. Результаты наблюдений доказывают обратное. У
новых винчестеров отказы чаще всего происходили при температурах ниже 30 С. И
только винчестеры, проработавшие более трех лет, вели себя правильно, чаще
выходя из строя именно при повышенной температуре. Повышенной оказалась
только температура более 45 С.
Выводимая программой информация
В программах, ориентированных на S.M.A.R.T. используются следующие термины:
• Threshold — пороговое значение атрибута. Снижение значения критически
важного атрибута ниже порогового означает скорый выход винчестера из
строя
• Value — текущее значение атрибута в условных единицах
• Worst — наихудшее значение атрибута за все время эксплуатации
• Raw — нормализованное значение атрибута. Для каждого атрибута
вычисляется по-своему. Например, атрибут Reallocated Sector Count — количество
переназначенных секторов в шестнадцатеричном виде
• Threshold Exceeded Condition (Т.Е.С.) - примерная дата достижения
атрибутом порогового значения. При первом запуске программы принимает
значение Unknown и остается таковым до изменения атрибута в худшую сторону.
Возможна ситуация, при которой абсолютно новый винчестер может сообщить
о возможном выходе из строя в ближайшем будущем. Это происходит из-за
того, что на начальном этапе жизни винчестера некоторые атрибуты могут
резко менять свое значение. После этого значение нормализуется и дата
Т.Е.С. постепенно отодвигается в будущее.
Атрибуты, используемые в S.M.A.R.T.
• Raw Read Error Rate — частота ошибок при чтении данных с диска,
происхождение которых обусловлено аппаратной частью диска
• Spin Up Time — время раскрутки пакета дисков из состояния покоя до
рабочей скорости. При расчете нормализованного значения (Value) практическое
время сравнивается с некоторой эталонной величиной, установленной на
заводе изготовителем. Не ухудшающееся немаксимальное значение при Spin Up
Retry Count Value = max (Raw равном 0) не говорит ни о чем плохом.
Отличие времени от эталонного может быть вызвано рядом причин, например
работой некачественного блока питания
Spin Up Retry Count — число повторных попыток раскрутки дисков до
рабочей скорости, в случае если первая попытка была неудачной. Ненулевое
значение Raw (соответственно немаксимальное Value) свидетельствует о
проблемах в механической части накопителя
Seek Error Rate — частота ошибок при позиционировании блока головок.
Высокое значение Raw свидетельствует о наличии проблем, которыми могут
являться чрезмерное термическое расширение дисков, механические проблемы в
блоке позиционирования и др. Постоянное высокое значение Value говорит о
том, что все хорошо
Reallocated Sector Count — число операций переназначения секторов
Start/Stop Count — количество запусков/остановок шпинделя двигателя.
Производитель может гарантировать лишь определенное число
включений/выключений двигателя диска. Это значение устанавливается в значении
Threshold
Power On Hours — число часов, при котором диск был во включенном
состоянии. В качестве порогового значения для данного атрибута используется
паспортное время наработки на отказ (MBTF)
Drive Power Cycle Count — количество полных циклов включения/выключения
диска. По этому атрибуту можно оценить, например, сколько использовался
диск до покупки.
Temperature — показания встроенного термодатчика. Температура имеет
огромное влияние на срок службы диска (даже если она находится в
допустимых пределах)
Current Pending Sector Count — число секторов, являющихся кандидатами на
замену. Они не были еще определены как плохие, но считывание их
отличается от чтения стабильного сектора (так называемые подозрительные, или
нестабильные сектора)
Uncorrectable Sector Count — число ошибок при обращении к сектору,
которые не были скорректированы. Возможными причинами возникновения могут
быть сбои механики или порча поверхности
UDMA CRC Error Rate — число ошибок, возникающих при передаче данных по
внешнему интерфейсу. Могут быть вызваны некачественными кабелями,
нештатными режимами работы
Write Error Rate — показывает частоту ошибок, происходящих при записи на
диск. Может служить показателем качества поверхности и механики
накопителя.
Throughput Performance - Средняя производительность (пропускная
способность) диска. Уменьшение значения value этого атрибута с большой
вероятностью указывает на проблемы в накопителе.
Seek Time Performance - Средняя производительность операций
позиционирования БМГ. Данный параметр показывает среднюю скорость позиционирования
привода БМГ на указанный сектор. Снижение значения этого атрибута
говорит о неполадках в механике привода.
Recalibration Retries - Количество повторов попыток рекалибровки
накопителя. Данный атрибут фиксирует общее количество попыток сброса состояния
накопителя и установки головок на нулевую дорожку, при условии, что
первая попытка была неудачной. Снижение значения этого атрибута говорит о
неполадках в механике привода.
Device Power Cycle Count - Количество полных циклов запуска/останова
жесткого диска.
Soft Read Error Rate - Частота появления "программных" ошибок при чтении
данных с диска. Данный параметр показывает частоту появления ошибок при
операциях чтения с поверхности диска по вине программного обеспечения, а
не аппаратной части накопителя.
• Load/Unload Cycle Count - Количество циклов вывода БМГ в специальную
парковочную зону/в рабочее положение.
• Drive Temperature - Температура. Данный параметр отражает в поле raw
value показание встроенного температурного сенсора в градусах Цельсия.
• Reallocation Event Count - Количество операций переназначения (ремаппин-
га). Поле raw value этого атрибута показывает общее количество попыток
переназначения сбойных секторов в резервную область, предпринятых
накопителем. При этом, учитываются как успешные, так и неудачные операции.
• Current Pending Sector Count - Текущее количество нестабильных секторов.
Поле raw value этого атрибута показывает общее количество секторов,
которые накопитель в данный момент считает претендентами на переназначение
в резервную область (remap). Если в дальнейшем какой-то из этих секторов
будет прочитан успешно, то он исключается из списка претендентов. Если
же чтение сектора будет сопровождаться ошибками, то накопитель
попытается восстановить данные и перенести их в резервную область, а сам сектор
пометить как переназначенный (remapped). Постоянно ненулевое значение
raw value этого атрибута говорит о низком качестве (отдельной зоны)
поверхности диска.
• Disk Shift - Сдвиг пакета дисков относительно оси шпинделя. Актуальное
значение атрибута содержится в поле raw value. Единицы измерения -
неизвестны.
• Loaded Hours - Нагрузка на привод БМГ, вызванная общей наработкой часов
накопителем. Учитывается только период, в течение которого головки
находились в рабочем положении.
• Load/Unload Retry Count - Нагрузка на привод БМГ, вызванная
многочисленными повторениями операций чтения, записи, позиционирования головок и
т.п. Учитывается только период, в течении которого головки находились в
рабочем положении.
• Load Friction - Нагрузка на привод БМГ, вызванная трением в механических
частях накопителя. Учитывается только период, в течение которого головки
находились в рабочем положении.
• Load/Unload Cycle Count - Общее количество циклов нагрузки на привод
БМГ. Учитывается только период, в течение которого головки находились в
рабочем положении.
• Load-in Time - Общее время нагрузки на привод БМГ. Предположительно,
данный атрибут показывает общее время работы накопителя под нагрузкой,
при условии, что головки находятся в рабочем состоянии (вне парковочной
зоны).
• Torque Amplification Count - Количество усилий вращающего момента
привода.
• Power-Off Retract Count - Количество зафиксированных повторов
в(ы)ключения питания накопителя.
• GMR Head Amplitude - Амплитуда дрожания ГМР-головок (GMR-Head) в рабочем
состоянии.
Компания Samsung представила новую линейку жестких дисков Spinpoint FIR.
Буква R в названии обозначает Raid Edition, то предназначен для использования
в массивах в режиме 24x7. Ресурс работы на износ составляет 1.2 млн. часов,
срок гарантии - 7 лет (это самый большой срок за всю историю существования
жестких дисков)
В чём преимущество 15 ООО об/мин?
Скорость вращения 7 200 об/мин давно стала стандартом для настольных
жёстких дисков, поскольку она позволяет получить разумный компромисс между
надёжностью, приемлемым уровнем шума, ценой и производительностью. Среди ноутбуков
распространены 2,5" винчестеры со скорость вращения от 4 200 до 5 400 об/мин,
поскольку здесь на первом месте стоят вопросы энергопотребления. Поэтому
скорость передачи данных 2,5" винчестеров для ноутбуков обычно ниже.
Ситуация в сфере серверов отличается, поскольку там скорость вращения
жёстких дисков составляет не меньше 10 000 об/мин, а у high-end серверных моделей
она вообще достигает 15 000 об/мин.
В чём же заключается преимущество суперскоростных жёстких дисков? Если не
считать технологию записи данных, то скорость вращения шпинделя является
самым важным фактором, влияющим на производительность. У большинства
пользователей увеличение скорости вращения связывается с повышением скорости передачи
данных, поскольку это наиболее очевидное преимущество винчестеров с большой
скоростью вращения шпинделя. Будете ли вы загружать Windows или копировать
файлы, занимающие объём в сотни мегабайт или даже гигабайты, высокая скорость
вращения шпинделя сокращает время выполнения упомянутых задач. Сочетание
высокой скорости вращения с передовой технологией перпендикулярной магнитной
записи (PMR, perpendicular magnetic recording) позволило установить новые
рекорды производительности.
Но высокая скорость вращения шпинделя приводит и к другим преимуществам по
производительности, например, по времени доступа. Здесь важно различать время
поиска (seek time) и время доступа (access time), поскольку только последнее
действительно важно для повседневных приложений. Время доступа является
суммой времени поиска и задержкой вращения, которая происходит, когда головка
уже перешла на нужную дорожку и ждёт вращения пластины до требуемых секторов.
Чем выше скорость вращения шпинделя, тем меньше будет задержка вращения,
соответственно , и ниже будет среднее время доступа.
Новые технологии
для жестких дисков
Технология перпендикулярной магнитной записи (Perpendicular Magnetic
Recording, PMR) является основной движущей силой на рынке винчестеров. Теперь
магнитные домены больше не располагаются горизонтально, вдоль поверхности
пластины. Они ориентированы вертикально, перпендикулярно поверхности. Это
позволяет увеличить плотность записи данных и, как следствие, повысить скорость
записи или чтения. Другие параметры жёсткого диска, такие, как размер кэша,
играют второстепенную роль. Seagate оказалась первой компанией, выпустившей
винчестеры на технологии перпендикулярной записи. Другие производители,
включая Western Digital, были более консервативны в деле внедрения новых
технологий .
Развитие ситуации в будущем уже понятно. Hitachi первой вышла на рынок с
предложением 1 Тбайт на основе пяти пластин, a Seagate и Samsung готовятся
представить винчестеры такой же ёмкости, но с менее сложным дизайном (на
четырёх и трёх пластинах, соответственно). В начале 2008 года на свет появятся
1,5-Тбайт жёсткие диски. 1-Тбайт Samsung SpinPoint F1 использует плотность
записи 333 Гбайт на пластину, что открывает дорогу 1,3 и 1,6-Тбайт
винчестерам, если Samsung пожелает представить модели на четырёх или трёх пластинах.
Western Digital объявила о своём намерении выпустить З-Тбайт винчестеры к
2010 году, что указывает на ежегодный прирост плотности записи данных в 40%.
Samsung чуть раньше в этом году сообщила нам, что в начале следующего года
будут доступны винчестеры с ёмкостью от 1 до 2 Тбайт. В любом случае, битва
за престижный high-end сегмент жёстких дисков продолжается, и производители,
продолжающие опираться на перпендикулярную магнитную запись, уже нацеливаются
на следующие этапы, а именно шаблонные носители (patterned media) и запись
под нагревом (heat assisted recording).
Если же вы хотите избавиться от механических жёстких дисков в пользу
твёрдотельных винчестеров (на флэш-памяти), то сегодня производители анонсировали
модели от 8 до 64 Гбайт в форм-факторах 2,5" и 1,8". В перспективе такие
технологии, как Heat-Assisted Recording, которая использует лазер для
подогревания магнитной поверхности с доменами перед записью данных, наверняка сделают
жёсткие диски более надёжными, чем раньше: у этой технологии задаётся чёткое
расположение доменов на поверхности во время производства. По нашим
источникам, в ближайшие годы эта технология и другие позволят выпускать 3,5"
пластины с ёмкостью в десятки терабайт. Остаётся только ждать, когда эти разработки
будут реализованы на практике.
Софт для жестких дисков
Информация, хранимая на жестком диске компьютера, порой бывает дороже любых
денег. Поэтому необходимо своевременно проводить различные профилактические
работы: создавать резервные копии данных, проверять на наличие вирусов.
Victoria
Профессиональная бесплатная утилита Victoria предназначена для работы с IDE
и SATA жесткими дисками. В основном окне выводится доступная информация о
винчестере. Интересна функция быстрого стирания данных, а также доступ к
управлению акустикой, с помощью которого можно установить баланс между шумом
и производительностью. Поддерживается технология S.M.A.R.T. В разделе тестов
можно провести анализ поверхности диска с целью выявления количества сбойных
секторов. Порядок прохода по жесткому диску можно задать с произвольного
места, а также случайным - для измерения скорости работы.
HP Tune
С помощью этой утилиты можно узнать информацию о винчестерах: модель,
версию прошивки, атрибуты SMART. Также умеет показывать текущую температуру
привода, а также тестировать скорость чтения и время доступа к винчестеру.
Бесплатна. Также есть платная версия Pro: www.hdtune.com.
HDDlife
Диагностический продукт распространяется в четырех различных редакциях, в
том числе и в виде гаджета для боковой панели Windows Vista и Google Desktop.
Умеет программно управлять уровнем шума винчестера, а также получать
информацию о температуре жестких дисков, продолжительности их работы, сведения о
свободном месте на носителях и их производительности. Системные
администраторы, установив HDDlife на компьютерах сотрудников своей компании, могут
проводить централизованный контроль состояния жестких дисков и, уповая на
показания утилиты, своевременно добиваться у начальства дополнительного
финансирования на апгрейд компьютерной техники.
CrystalDisklnfо
Японская программа CrystalDisklnfо с многоязычным интерфейсом, состоящая из
одного исполняемого файла и не требующая инсталляции на компьютер.
Запустившись, утилита за несколько минут проведёт диагностику диска и затем отобразит
исчерпывающие о нём сведения, среди которых будет фигурировать информация о
продолжительности работы накопителя. Показывает базовые сведения о жестком
диске, осуществляет анализ его состояния с помощью S.M.A.R.T. CrystalDisklnfо
способен показать сведения о том, сколько раз включался диск, какова его
температура, как долго он работает и не пора ли подумать о его замене во
избежание потери хранящейся на нем информации.
Hard Drive Temperature
Серия программных продуктов компании PalickSoft, предназначенных для
контроля температуры жестких дисков и предупреждения их выхода из строя из-за
перегрева. Двухмодульная архитектура приложения позволяет системному
администратору вести централизованный мониторинг рабочей температуры жестких дисков
всех компьютеров и реагировать на возникновение любой потенциально опасной
ситуации. При этом клиентская часть утилиты после установки работает в виде
системной службы и абсолютно незаметна для пользователя. Есть бесплатная
версия программы, которая умеет предоставлять визуальную информацию о
температуре жесткого диска в виде миниатюрного индикатора в системной панели Windows.
Active SMART
Программа от компании "Ариолик Софтвейр". Обеспечивает получение подробной
информации об устройстве хранения данных и своевременное уведомление
пользователя о возникающих проблемах. Используя Active SMART, можно быстро оценить
состояние накопителя, установить индивидуальные настройки для каждого диска и
Значения каждого атрибута S.M.A.R.T., узнать о повышении температуры
устройства, просмотреть его заводские параметры и настроить функцию оповещения о
состоянии диска по электронной почте. На основе данных, полученных от
винчестера, приложение рассчитывает дату возможного выхода диска из строя.
Hard Drive Inspector
Отечественный продукт от компании AltrixSoft. Оснащен интерфейсом на
двадцати пяти языках и позволяет осуществлять глубокое тестирование жестких
дисков при помощи S.M.A.R.T. Приложение рассчитано на эксплуатацию в
операционных системах Windows 2000/ХР/2003 Server/Vista, работает с накопителями,
подключаемыми через различные интерфейсы, и снабжено подробной документацией.
Для особо запущенных случаев в Hard Drive Inspector предусмотрены средства
аварийного копирования данных на другой носитель.
HP Speed
Бесплатная утилита HD_Speed позволяет оценить скорость считывания и записи
данных на жестких дисках или CD/DVD-приводах. Программа не требует установки,
обладает простейшим интерфейсом, при этом способна в режиме реального времени
отображать на графике процесс считывания и записи с указанием скоростных
параметров. Кроме того, можно отображать ошибки чтения/записи, а также
генерировать и сохранять в лог-файл отчеты о проверках.
Интерфейс: многоязычный (русский не поддерживается).
MHDD
Бесплатная программа для низкоуровневой диагностики жестких дисков,
рассчитанная исключительно на опытных пользователей компьютеров. Поддерживает
работу со всеми распространенными интерфейсами и позволяет производить очень
точную диагностику механической части накопителя, просматривать SMART-атрибуты,
выполнять низкоуровневое форматирование диска, устранять дефектные секторы,
проводить тестирование винчестера в экстремальных условиях, а также управлять
шумовыми характеристиками и парольной защитой накопителя. Для запуска утилиты
MHDD требуется среда MS-DOS версии 6.22 и выше (доступны образы загрузочной
дискеты и компакт-диска). Имеется документация на английском и русском языке.
ДИСКЕТЫ
Берегите дискеты от воздействия внешних магнитных полей. Если положить
дискету перед экраном цветного монитора или телевизора ближе, чем в 30 см, то
воздействующее на неё при каждом включении монитора или телевизора магнитное
поле, предназначенное для размагничивания маски кинескопа, может оказаться
достаточным для того, чтобы заодно частично размагнитить и ваш носитель.
Источниками опасности для дискет являются также обычные телефоны, где для
подачи звонка используется электромагнит, электрические двигатели в пылесосах,
кондиционерах, вентиляторах, громкоговорители звуковоспроизводящей
аппаратуры, мощные трансформаторы и т.п.
Надо заметить, что данные могут быть стёрты не сразу, а в несколько
приёмов, т.к. размагничивающий эффект со временем накапливается. Если вы всё же
оставили дискету рядом с такими приборами, то для страховки, если данные ещё
не испорчены, перезапишите её, скопируйте имеющиеся на ней каталоги и файлы
на другой диск, отформатируйте дискету заново, а затем верните файлы обратно.
Проверяйте дискеты при длительном хранении. Даже если дискета не
подвергалась воздействию внешних магнитных полей, после длительного хранения
информация на ней может перестать читаться из-за естественного затухания локальных
магнитных полей самой дискеты. Поэтому желательно примерно раз в год
выполнять полную перезапись дискет, включая их форматирование на низком уровне,
так как секторные метки дискет тоже затухают. Для этого используйте команду
FORMAT с ключом /и (режим безусловного форматирования).
Не открывайте документы с дискеты. Не следует открывать документы с
дискеты, надо открывать их только с жёсткого диска. Во-первых, при работе с
документом текстовый редактор создаёт временные файлы в папке документа. Нехватка
места на дискете может привести к сбою. Кроме того, дискета может быть
защищена от записи. Во-вторых, дискета является менее надёжным носителем, чем
жёсткий диск, и интенсивное её использование приводит к выходу её из строя
(возникают сбойные сектора). Кроме того, ярлыки открываемых документов
помещаются в папку Документы (Recent) Главного меню, и при последующем просмотре
этой папки будет происходить обращение к дисководу, на который ссылаются
ярлыки. Нужно выработать чёткое правило: принёс документ, проверил антивирусом,
скопировал в папку на жёстком диске, открыл копию на жёстком диске, поработал
и (при необходимости перенести) скопировал обратно на дискету.
Повышение надёжности
хранения файлов на дискетах
с помощью архиватора RAR
RAR - удобная программа для переноса файлов на дискетах, даже совершенно
несжимаемых файлов (типа картинок в формате JPG или звуков в формате МРЗ).
Дело в том, что у него есть возможность создавать архивы, включая туда
избыточную информацию, которая потом позволяет восстанавливать разрушенные
участки архива (если я правильно понял документацию) до 4 Кб подряд. Этого вполне
достаточно, если на дискете сбойнула дорожка, и дискету удалось вылечить
программой NDD или аналогичной. Архив запорчен, но при восстановлении все файлы
из него удастся извлечь невредимыми. Хотя, разумеется, если дискета очень
ненадёжная , а информация очень важная, можно записать её на дискеты два раза.
Но даже в этом случае имеет смысл воспользоваться RAR'om. И последнее: для
повышения надёжности лучше не записывать на дискеты т.н. solid-архивы
(несколько файлов в одном архиве). В solid-архивах в случае необратимого сбоя
пропадёт весь хвост архива, в обычных - только один файл.
Флоппи-дисковод
Кабель для
подключения
дисководов
Жилы с 10 по 16 перекручены - необходимо для идентификации дисковода.
Раньше многие компьютеры оборудовались двумя дисководами, которым
назначались буквы А и В. В большинстве случаев один был 5.25''. Нужен был механизм
определения, какой из них будет А, а какой В. На выходе из материнской платы
по 10-му и 14-му проводам шлейфа на флопповоды идут управляющие сигналы для
дисковода А, а по 12-му и 16-му - для В. Потом в один прекрасный момент
(следующий после первого разъема для подключения привода) наступает то, что в
научной литературе называется "twist", и все провода с 10-го по 16
переворачиваются, и к ни о чем не подозревающему второму разъему шлейф приходит в
состоянии, в котором по 10-му и 14-му проводам идут команды дисководу В (потому
что это на самом деле 12-й и 16-й провода!), а по 12-му и 16-му
соответственно - к дисководу А (по той же самой причине). Таким образом, шлейф вводит в
заблуждение (чтоб не сказать хуже) второй дисковод, который, думая, что он А,
работает как В, и наоборот. Все дисководы идут с джампером, предустановленным
в режим работы В, таким образом, при установке двух дисководов на этот
волшебный шлейф, у тебя автоматически один становится А (который в конце), а
другой - В.
Нечетные контакты - корпус.
№
In/Out
Сигнал
Значение
2
Вход
High/normal
density
Высокая/нормативная плотность записи
4
Вход
Unused
Спецификация производителя
6
Вход
Unused
Спецификация производителя
8
Выход
Index
Идентификация индексного отверстия
10
Вход
Motor Enable 0
Двигатель дисковода А
включен
12
Вход
Drive Select 1
Активизация привода В
14
Вход
Drive Select 0
Активизация привода А
16
Вход
Motor Enable 1
Двигатель дисковода В
включен
18
Вход
Direction Select
Указание направления для головки
20
Вход
Step
Импульс для движения головки
22
Вход
Write Data
Запись данных
24
Вход
Write Gate
Сигнал для перезаписи данных
26
Выход
Track 00
Головка стоит на нулевой дорожке
28
Выход
Write Protect
Наличие защиты диска от записи
30
Выход
Read Data
Чтение данных
32
Вход
Side Select
Доступ на первую или вторую сторону
34
Выход
Drive Status
Готовность привода
Флеш-драйвы
USB-накопители продолжают дешеветь. Стоимость одного мегабайта памяти
равнялась 640 долларам при первом их появлении, а объем накопителя был равен 640
кБ. Сейчас многие магазины продают 32-гиговые флешки за 100 долларов и
тенденция к удешевлению сохраняется.
Безопасное отключение
Можно ли отключать флеш-драйв от порта USB, не пользуясь функцией Windows
«Безопасное извлечение устройства»? Сама Microsoft утверждает, что
пользоваться данной функцией необходимо, однако спецификация USB предусматривает
горячее подключение и отключение устройства без потери его функциональности.
Не стоит его отключать при записи или считывания данных, а вообще никаких
отрицательных последствий от небезопасного отключения флеш-драйв не получит.
Увеличится ли скорость записи на USB-флешку, если разбить ее на несколько
логических дисков?
Нет, скорость записи от этого не зависит.
CD-ROM и DVD-ROM
Прошивка
В чем отличие Cross flash прошивки для оптического привода от "обычной"?
Cross flash (кроссфлешевая) во всех каталогах обычно отмечается звездочкой -
"*". Ею можно перепрошить привод вне зависимости от того, какая прошивка
стоит в нем на данный момент. "Обычная" же может корректно установиться только
на предыдущую версию.
Перепрошивка оптического привода лишает гарантии на него или нет? Все
зависит от конкретного продавца, у которого покупается товар. Если в гарантийных
обязательствах (и всех его приложениях) ничего не сказано о замене
встроенного программного обеспечения, то магазину будет очень сложно не
отремонтировать или заменить по гарантии неработающий оптический привод. Для полной
уверенности можно позвонить и все узнать в службе технической поддержки, при
этом требовать ссылок на официальные документы этого магазина (потому что
служащим легче сказать, что гарантии не будет, чем ремонтировать и тратить
время).
17 августа 1982 года считается днем рождения компакт-диска, одному из самых
распространенных в настоящее время типов носителей информации.
Разработкой компакт-дисков занималась компании Philips и Sony. Компакт-
диски изготавливаются из поликарбоната толщиной в 1,2 мм, покрытого тончайшим
слоем алюминия с защитным лаковым покрытием. Изначально CD позиционировались
для цифрового хранения аудиоинформации.
Внешний размер компакт-диска определяется специальным стандартом и равен
120 мм. Это обычный размер, к которому все привыкли. Существует и более
компактная разновидность — 80 мм. Если вы внимательно посмотрите на свой привод,
то увидите, что в выдвижном лотке имеет небольшое углубление для этих дисков.
Стандартдные диски изначально вмещали 650 Мб данных (или 74 минуты аудио).
Существует несколько предположений, объясняющих такой выбор диаметра и
емкости оптических носителей. Согласно одному из них, объем диска рассчитывался
таким образом, чтобы на него полностью поместилась девятая симфония
Бетховена, продолжительность которой составляет 74 минуты. Именно это произведение
было наиболее популярным в Японии в конце семидесятых годов прошлого
столетия. Согласно другой версии, диаметр CD соответствует размеру голландских
подставок для пивных кружек.
Форматы компакт-дисков
Самые первые компакт-диски были предназначены исключительно для
прослушивания музыки в музыкальных проигрывателях. Но затем производители увидели, что
компакт-диски можно использовать не только для записи музыкальных дорожек, но
и для записи данных. И за короткое время было создано множество различных
форматов, предназначенных для разных целей. В настоящее время существуют
следующие стандарты:
• CD-Audiо (CD-DA)
• CD-ROM (mode 1 и mode 2)
• CD-ROM-XA (mode 2, form 1 и form 2)
• CD-i, VideoCD
• CD-Extra
• PhotoCD
• KaraokeCD
• CD-R
• CD-RW
Многие из этих форматов не получили широкого распространения. Но появление
всевозможных форматов породило проблему — необходимо было иметь множество
проигрывателей под каждый формат. К счастью, производители сумели создать
универсальные проигрыватели, способные читать все представленные на болванке
форматы, или способные пропускать дорожки, записанные в незнакомом им
формате .
Диск CD-ROM — это название цифрового носителя информации. По своему
физическому устройству он абсолютно идентичен аудио-диску CD-DA. Отличие лишь в
логической структуре дорожек. Диск состоит из трех слоев: подложки из поликар-
бонатного пластика, на которой с помощью пресса штампуются дорожки,
напыленного отражающего алюминиевого покрытия и защитного слоя. Именно на защитном
слое наносится рисунок.
Стандарты для
компакт-дисков
Производство любых видов компакт-дисков должно соответствовать определенным
стандартам, которые известны как Красная Книга, Желтая Книга, Зеленая Книга и
так далее.
• Красная Книга (Red Book) — стандарт, описывающий способ хранения
звуковой цифровой информации, которые были созданы экспертами Philips. Все
музыкальные аудио-CD соответствуют этому стандарту. Эта книга послужила
в дальнейшем основой для других стандартов. Данный формат предполагает
возможность записи двуканального звука с 16-битной импульсно-кодовой
модуляцией (РСМ) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Система коррекции
ошибок на основе кода Рида-Соломона позволяет без проблем считывать диски с
небольшими царапинами на поверхности.
• Желтая Книга (Yellow Book) — этот стандарт расширяет Красную Книгу,
добавив в нее спецификацию мультимедийных устройств CD-ROM. Обычные
компьютерные игры и программное обеспечение записываются в соответствии с
Желтой книгой.
• Зеленая Книга (Green Book) — данный стандарт предполагает сочетание
Красной и Желтой Книг, когда на диске могут находиться как музыкальные
дорожки, так и программы.
• Оранжевая Книга (Orange Book) — этот стандарт охватывает технологию
Записываемых и перезаписываемых дисков CD-R и CD-RW.
• Белая Книга (White Book) — стандарт для видео-CD.
CD-R и CD-RW
Обычные диски CD-ROM записывались на дорогостоящем оборудовании на
предприятиях. Они имели один недостаток — данные записывались один раз, и их можно
было только считывать. Записываемые диски устроены сложнее, чем стандартные
диски CD-ROM. Они имеют слой специального пластика, прожигаемого лазером.
Информация на диске записана в виде спиральной дорожки, идущей от центра к краю
диска. Дорожка может быть непрерывной, либо состоять из нескольких частей
(сессий).
На один компакт-диск можно записать максимум 99 сессий.
Существуют два вида записываемых дисков: CD-R (recordable, однократно
записываемый диск) и CD-RW (rewritable, перезаписываемый диск). Сколько раз можно
перезаписывать диск CD-RW? Нормальный диск позволяет это сделать около 1000
раз. Различие одноразовых дисков и перезаписываемых заключается в применении
разных покрытий на болванках — если для CD-R-дисков используются красители,
изменение которых при прожигании лазером является необратимым, то для
перезаписываемых дисков используются материалы, изменение отражающих свойств
которых обратимым не является.
Файловая система UDF
Для записываемых CD-R, CD-RW и DVD-дисков используется специальная файловая
система UDF (Universal Disk Format, универсальный файловый формат), которая
была вначале разработана для работы с гибкими магнитными носителями. Особен-
ность этой системы — возможность не закрывать сессию при записи, то есть
работать с компакт-диском, как с дискетой. Перед записью записываемый диск
необходимо специальным образом отформатировать, чтобы в дальнейшем использовать
его в качестве обычного внешнего носителя. UDF-формат применяется почти для
всех систем файлов и поддерживается всеми новыми операционными системами.
Емкость данных
Стандартный компакт-диск имеет объем 650 мегабайт данных, или 74 минуты
цифровой музыки. Этот стандарт продолжительное время был неизменным. Но потом
производители нашли способ увеличить объем записываемой информации. Благодаря
увеличению плотности записи удалось повысить общий объем дисков — теперь
большинство продаваемых записываемых дисков имеют объем 700 мегабайт.
Запись дисков
При прожигании дисков с помощью различных программ типа Nero, пользователь
порой не совсем правильно представляет сам процесс "прожига" диска и
допускает ошибки, которых можно избежать. Вот несколько понятий, используемых в
процессе записи диска:
• сессия — это специальная область на диске. На компакт-диске могут быть
сессии и дорожки. В каждой сессии есть одна или несколько дорожек.
Каждая сессия может включать максимум одну дорожку с данными, а аудио- и
видеодорожек может быть несколько
• мультисессия (MultiSession) — режим записи, позволяющий дозаписывать
компакт-диск, то есть добавлять новую информацию к ранее записанной.
Каждая сессия будет содержать начальную запись (lead-in), затем
непосредственно данные и финальную информацию о сессии (lead-out). У данного
режима существует определенный недостаток — при отделении одной сессии от
другой каждый раз теряется порядка 15 Мбайт. Кроме того, некоторые
старые модели CD-ROM не могут считывать диски, записанные в этом режиме, а
другие имеют ограничение на число видимых ими сессий.
• начальная запись (Lead-In) — служебная зона на диске. Эта область
обозначает начало записи сессии и содержит в себе оглавление (ТОС, Table of
Contents) сессии, в которое входит информация о дорожках этой самой
сессии. Она записывается вместе с Lead-Out этой сессии. Каждая зона Lead-In
Занимает приблизительно 9 Мбайт;
• финальная запись (Lead-Out) — служебная зона на диске, аналогичная Lead-
in, которая показывает окончание сессии записи. Всегда записывается
вместе с Lead-In. Первая Lead-Out диска занимает около 13 Мбайт, все
следующие занимают приблизительно 4 Мбайт;
• таблица содержания (ТОС, Table of Contents) — содержит информацию о типе
и о количестве треков, месторасположении их на диске и длину (объем)
всего диска. Физически таблица ТОС расположена в области Lead-In. В
многосессионных дисках каждой сессии соответствует своя область Lead-In и,
соответственно, своя таблица содержания — наиболее "корректная" на
момент записи, поскольку содержит самые последние изменения.
Таким образом, при записи мультисессионного компакт-диска каждый раз
записывается новая сессия, которая состоит из области Lead-In, дорожки с данными
и области Lead-Out. Области Lead-In и Lead-Out требуют приблизительно 15
Мбайт на каждую сессию и не содержат никаких полезных данных. Поэтому не
рекомендуется записывать данные маленькими порциями, так как вы просто теряете
зря большой объем для записи. Лучше подготовить коллекцию файлов, достаточную
для заполнения диска, и записать все за одну сессию.
Несколько небольших советов по записи дисков:
• по возможности при записи на диск не запускайте другие программы,
поскольку запись диска — достаточно ресурсоемкая операция, и любое
вмешательство в этот процесс может привести к ошибке записи и порче диска;
• даже если у вас два привода CD-ROM, и вы хотите переписать данные с
одного диска на другой, то все-таки желательно файлы-источники переписать
на жесткий диск. Быстродействие жестких дисков на порядок выше самых
скоростных приводов;
• если у вас постоянно возникают ошибки при записи на больших скоростях,
то используйте пониженную скорость. Лучше чуть подождать и получить
работающий диск, чем выбрасывать испорченные диски;
• приводы CD-R с интерфейсом SCSI работают более надежно, чем приводы с
интерфейсом IDE. Если вы достаточно часто и профессионально работаете с
Записью на диски, то выбирайте шину SCSI.
Обозначения скоростей 1х у CD-ROM и 1х у DVD-ROM - это не одно и тоже. У
CD-ROM "х" соответствует скорости передачи первого стандартизированного CD-
ROM, принятого впоследствии за 1х, то есть 150 Кб/с, а у DVD-ROM за 1х,
соответственно, была принята скорость передачи первого DVD-ROM, то есть - 1350 Кб
в секунду.
Запись на CD-RW, который был полностью отформатирован, отличается от записи
на диск, который стерт так называемым быстрым форматированием. При быстром
форматировании данные не стираются физически, а в начале диска ставится метка
о том, что диск пуст. При полном форматировании диск забивается нулями.
Полное форматирование более устойчивое к чтению и записи. При быстром
форматировании возможны глюки.
Иногда, безнадежно испорченный CD-Rom все же можно прочитать. Несколько CD
мне удалось восстановить следующим способом:
Делаем образ CDDisk на Hard Drive с помощью какой-нибудь программы для
записи CD, они работают на низком уровне, не читая файловую систему, а
сбрасывая весь диск как есть в файл. У меня лично наилучшие результаты давал NTI CD
Maker, но если он не читает или читает с ошибкой, то надо пробовать и другие
програмы - Clone CD, Easy CD Creator, Nero и CDRWin - если не помогает одна
программа, то есть вероятность что поможет другая. Если у Вас несколько CD
приводов то надо попробовать читать с каждого, в общем случае лучше диски
читают CDR приводы, хуже CD и совсем плохо DVD, хотя возможны и исключения -
купленный мной DVDROM на удивление читает диски, которые даже CDR не хочет
читать ни в какую, но базируясь на своем опыте могу сказать, что это скорее
исключение чем правило. Если есть выбор то лучше создавать образ в формате
ISO - это стандарт, с которым работают почти все программы.
Если вы получили image то с большой вероятностью можно восстановить и
файлы . Способов два. Первый - из image запишите диск (лучше использовать CDRW
чтоб не портить болванку если что-нибудь не будет работать, причем,
записывать диск надо той же программой, которой вы создали image - несмотря на
стандартность форматов, всеж таки не все там чисто и далеко не всегда можно
записать диск из image чужой программы), второй способ - можно извлечь файлы
прямо из image при помощи следующих программ - ISOBuster, WinlSO (Shareware -
широко доступны в интернете, в новых версиях возможности примерно одинаковые,
возможно ISOBuster работает чуть аккуратнее, но новую версию WinlSO я еще не
тестировал), те же, кто пользует Windows Commander могут воспользоваться
бесплатным plug-in для ISO файлов, который позволяет работать с ними как с
обычными архивами (доступен для скачки на официальном сайте Windows Commander)
Если у вас есть компакт-диск, который не читается из-за царапин на поверх-
ности, можно попытаться оживить одноглазого (конечно, если царапины сделаны
не гвоздем или наждачкой). Для этого на мягкую тряпочку (лучше всего
фланелевую) нанести немного зубной пасты и попытаться заполировать царапины.
Несколько дисков таким образом мне удалось восстановить.
Программы для CD и DVD
Nero CD-DVD Speed
Версия: 4.7.0.0
Адрес: http://www.cdspeed2000.com/files/NeroCDSpeed_4700.zip
Размер: 807 Кб
Статус: бесплатная
Бесплатная утилита, входящая в состав платного Nero. В неоспоримости
результатов эталонного теста для проверки качества оптического привода
убедилось не одно поколение тестеров. Программа может протестировать, насколько
хорошо привод справляется с чтением и записью дисков различных типов, сколько
времени затрачивает на поиск блоков информации, с какой скоростью способен
передавать данные, насколько загружает центральный процессор, сколько
затрачивается на раскрутку и остановку диска, все ли в порядке с интерфейсом.
Присутствуют и дополнительные сведения, но они представляют собой меньший
интерес. Отчет о проделанной работе представляется в виде наглядного графика, на
котором сразу бросаются в глаза проблемные места. Кроме того, утилита в
состоянии проверить заодно и качество самих дисков и попытаться собрать о них
основную информацию. В последних версиях добавлена и оптимизирована поддержка
Blu-ray и HD DVD, однако в ближайшие месяцы это не столь актуально. У тебя
может возникнуть закономерный вопрос, зачем тебе, собственно, тестировать
свой привод? Отвечу. Например, далеко не редкость, когда привод идеально
записывает диски лишь одного типа (допустим, с DVD+R все в порядке, a DVD-R -
через пень-колоду). Выяснив этот не самый приятный факт, можно будет выбрать
подходящий для себя тип носителей.
DVD-ROM
Впервые о технологии DVD заговорили в 1995 году. Тогда эта технология
рассматривалась как альтернатива видеомагнитофонным кассетам VHS, и название DVD
расшифровывалось как Digital Video Disk. Чуть позже разработчики стандарта
скорректировали свои планы, справедливо заметив, что подобный диск можно
использовать не только для просмотра видео. Поэтому теперь название DVD
расшифровывается как Digital Versalite Disk. Вскоре фирмой Pioneer был разработан
формат DVD-R, позволяющий создавать записывающий диск. Другие фирмы не
остались в долгу и создали свой формат DVD+R. Началась война форматов, которая
закончилась появлением универсальных приводов, поддерживающих оба стандарта.
Несмотря на схожесть DVD-дисков с дисками CD, у них есть и небольшое
различие. DVD-диски бывают двусторонними (или двухслойными), а обычные компакт-
диски только односторонними. Двухслойные диски работают следующим образом. На
первом слое записываются данные обычным образом, а второй слой записывается
на отдельной подложке, который располагается чуть ниже первого
полупрозрачного слоя. Лазер проникает через первый слой и считывает данные со второго
слоя. Таким образом, один двухслойный диск может вместить в себя в два раза
больше данных.
На данный момент DVD-приводы (пишущие и обычные) являются самыми
распространёнными устройствами хранения данных. Каждый новый ПК или ноутбук
содержит оптический привод CD/DVD, а всё больше число компьютеров обзаводится
поддержкой записи DVD. Перезаписываемые диски позволяют сохранять данные много
раз.
Мы рекомендуем брать фирменные диски, поскольку мы уже не раз сталкивались
с физическим ухудшением так называемых безымянных (noname) дисков через пару
лет после покупки. Запись данных на DVD - процесс необратимый, во время него
на специальный слой наносится маркировка, поэтому мы рекомендуем покупать
диски только знакомой марки, которой вы доверяете. Перезаписываемые диски
используют ещё один слой, позволяющий осуществлять примерно 1 ООО циклов
записи .
Сколько могут
храниться
данные на DVD-R?
Однозначного ответа не может дать никто. Исследования National Institute of
Standards and Technology (Национального Института Стандартов и Технологий
США) показали лишь то, что, например, диски с фталоцианиновым покрытием
наиболее стабильны (в отличие от AZO и цианина) , и что срок хранения напрямую
зависит от производителя самого диска ("диски бывают либо качественные, либо
дешевые") и условий его хранения. В общем же, подводя итог, в Институте
признали, что срок хранения составляет несколько десятков обыкновенных
человеческих лет.
Базовая информация о DVD
Существуют приводы DVD-ROM (Read Only Memory) и пишущие приводы DVD. Оба
типа могут читать все виды DVD, но только пишущие приводы могут записывать на
совместимые диски. Данные читаются или записываются на специальный слой с
помощью 650-нм лазера. DVD-R от DVD Forum стал первым стандартом DVD, но не
получил признание всех производителей, поскольку формат содержит секторы,
которые нельзя записать из соображений предотвращения нелегального копирования.
Несколько компаний основали DVD+RW Alliance и разработали собственный
стандарт . Он не совместимый, но технически похожий.
Первое поколение пишущих приводов DVD поддерживало только один из двух
новых стандартов, но современные накопители способны записывать в обоих
форматах (хотя только продукты DVD-R могут нести логотип DVD), а между дисками и
приводами DVD-R и DVD+R уже нет разницы в цене. В общем, сегодня уже не
принципиально, какой формат вы будете использовать для хранения данных.
Однослойные диски стоят сегодня очень дёшево, их можно быстро записывать в
течение пяти-шести минут на скорости 16х. Двухслойные диски (DL) по-прежнему
стоят дорого, да и на запись диска уходит не меньше 20 минут. Дело в том, что
максимальная скорость записи двухслойных дисков составляет 10х, да и два слоя
записываются последовательно.
Большинство пишущих приводов DVD по-прежнему используют интерфейс UltraATA,
но появляется всё больше моделей с современными интерфейсами Serial ATA. У
SATA есть определённое преимущество в том, что вам не нужно ничего
настраивать - достаточно подключить привод к свободному порту SATA. Устройства
UltraATA содержат перемычку, которая определяет режим Master или Slave.
Основы производительности
Существует два основных типа приводов, использующих вращающиеся диски.
Бывают приводы с постоянной угловой скоростью (constant angular velocity, CAV)
или с постоянной линейной скоростью (constant linear velocity, CLV). Жёсткие
диски обычно работают с постоянной угловой скоростью, то есть физическая ско-
рость чтения возрастает при переходе от внутренних дорожек к внешним при
угловой скорости, например, 7200 об/мин. Оптические приводы CD/DVD используют
одну из технологий или их комбинацию под названием PCAV (partial constant
angular velocity). Существуют ещё и приводы ZCLV, у которых скорость меняется
в зависимости от зон диска.
Скорость вращения очень важна, но при высоких скоростях возникают проблемы
из-за вибрации. По этой причине многие приводы оснащены датчиками вибрации,
которые снижают скорость вращения в случае ошибок чтения или записи.
Время доступа оптических приводов существенно ниже жёстких дисков. Обычно
лазерная головка перемещается по направляющим под действием небольшого
мотора. В результате время доступа составляет раз в 10 больше, чем у жёстких
дисков . Но поскольку во многих случаях требуется последовательно считывание
большого количества информации, время доступа можно считать вторичным.
Пишущие DVD-приводы
"Быстрый" DVD-резак записывает болванку примерно на 20 с быстрее, чем более
дешевый 16х-скоростной привод. Различие между ними будет едва заметным, тем
более что скорость записи очень сильно зависит от качества (и цены)
используемых болванок. На что стоит обратить внимание, так это на наличие у привода
перспективного интерфейса SATA.
FAQ по компакт-дискам
Вопрос: Будут ли диски, записанные на 4- или 6-скоростных устройствах, счи-
тываться на 1- или 2-скоростных приводах? Ответ: Да, будут считываться без
проблем. Скорость записи на диск никак не зависит от скорости считывания и
наоборот.
Вопрос: Почему на одних дисках указан размер 650 Мбайт, а на других 680
Мбайт, но при этом размер в минутах всегда один и тот же и составляет 74
минуты? Ответ: Сначала надо узнать, как перевести число минут в байты данных.
74 минуты переводятся в байты данных путем умножения 75 блоков в секунду
(скорость передачи данных при считывании звука) на 60 секунд. Каждый блок
содержит 2048 байтов. Тогда получается, что 74-минутный компакт-диск, состоящий
из 333000 блоков, содержит 681984000 байтов. Далее производителями
используются два подхода к подчету объема диска. Если число байтов разделить на 1024
(для перевода байтов в килобайты) и еще на 1024 (для перевода килобайтов в
мегабайты), то у нас получится 650 Мбайт. Если же принять, что 1 Кбайт равен
не 1024 байтам, а 1000, то и получится 680 Мбайт.
Вопрос: Чем отличается запись на CD-RW, который был полностью
отформатирован , от диска с быстрым форматированием? Ответ: При быстром форматировании
данные не стираются, а на диск ставится специальная пометка, что он пустой.
При полном форматировании данные затираются нулями. Полное форматирование
более предпочтительно, если диск склонен к плохому чтению или записи.
Вопрос: Это правда, что 63-минутные диски более надежны, чем 74-минутные?
Ответ: Возможно, несколько лет назад так оно и было. Но сегодня оба типа
дисков одинаково надежны. И поэтому теперь 63- и 74-минутные компакт-диски могут
записываться на любых CD-рекордерах с одинаковым качеством.
Вопрос: Как долго можно хранить новые незаписанные диски CD-R? Ответ: Сами
производители дисков CD-R полагают, что срок хранения дисков незаписанными
составляет от 5 до 10 лет при комнатной температуре. При хранении в более
прохладном месте, например, в холодильнике, срок хранения увеличивается.
Вопрос: Как долго можно хранить записанные данные на CD-R? Ответ:
Достаточно скользкий вопрос. Дело в том, что диски CD-R относительно недавно получили
широкое распространение. Поэтому для определения времени хранения данных на
диске используют методы ускоренного старения искусственным путем в
лабораторных условиях. Сами производители записываемых компакт-дисков проводили
собственные исследования на данную тему и считают, что срок хранения информации на
дисках CD-R колеблется от 70 до 200 лет. С другой стороны, независимые
эксперты тестировали диски после нескольких лет хранения и отмечали проблемы с
получением данных у многих дисков.
Рекомендации по
уходу за дисками
К компакт-дискам нужно относиться аккуратно, и тогда они вам прослужат
верой и правдой. Вот несколько полезных рекомендаций:
• используйте для хранения дисков специальные футляры, а также бумажные
или полиэтиленовые конверты;
• берите диски за ребра, чтобы не оставлять на диске жирных следов от
пальцев;
• загрязненные диски следует чистить мягкой тканью. Протирать диски нужно
от центра к краю диска. Проводить очистку круговыми движениями не
рекомендуется;
• не пользуйтесь для очистки чистящими средствами, которые содержат
растворители ;
• не храните диски при повышенной влажности;
• следует также избегать воздействия прямых солнечных и ультрафиолетовых
лучей;
• не подвергайте диски воздействию повышенной температуры.
Поиск и устранение
неисправностей
в CD-ROM и DVD-ROM
DVD-приводы и CD-ROM-приводы ничем принципиальным друг от друга не
отличаются. Поэтому проблемы и неисправности у этих устройств практически одни и те
же.
За долгое время существования CD/DVD, наверное, многим из нас компьютер
внезапно выдавал на экране неприятные надписи типа «отсутствует диск» или
«нет связи с устройством», однако более определенной информации добиться от
ПК было невозможно.
Подобные неисправности могут быть связаны как с полной потерей
работоспособности самих устройств, так и с отказом читать определенные диски (при
нормальном чтении других). Много неприятностей доставляют и так называемые
условные отказы (плавающие неисправности), когда чтение диска либо внезапно
прекращается, а потом возобновляется, либо производится с ошибками.
Конечно, многие отказы связаны с дешевыми пиратскими дисками, использование
которых может нарушить бесперебойную работу устройства. Причем, помимо того,
что информация на таком диске может не читаться, использование
несбалансированных дисков в высокоскоростных приводах зачастую ведет к разрушению как
самого диска (он буквально разлетается на мелкие осколки), так и конструктивных
элементов устройства чтения.
При покупке диска обращайте внимание на его качество изготовления. На диске
не должно быть зазубрин, наплывов и повреждений, а на его рабочей поверхности
должны отсутствовать царапины и посторонние включения (пузырьки, видимые
неоднородности и пр.). Проверяйте диски, как с внутренней, так и с внешней
стороны, поскольку информационный слой находится как раз под красочной этикеткой
CD/DVD.
Однако не всегда в поломках оптических приводов виноваты «пираты». Как
показала практика, отказы CD/DVD-устройств и без того довольно часты.
Основные неисправности
CD/РУР-приводов
Классифицировать неисправности оптического дисковода по внешним проявлениям
несложно, однако вызвавшие их причины могут быть различны.
Можно выделить следующие проявления неисправностей:
• CP/PVP-привод не определяется компьютером;
• привод определяется, но диск не раскручивается;
• лоток выбрасывается и тут же убирается обратно;
• диск принимается и тут же выбрасывается обратно;
• привод плохо читает диски или вообще их не читает.
Если дисковод совсем не определяется компьютером, то причина может быть не
в нем, а в настройках операционной системы, установках BIOS или в
неисправности IРЕ-контроллера материнской платы.
Поэтому сначала необходимо проверить надежность соединения проводов питания
и IPE-кабеля, подходящего к устройству. После этого проконтролировать
правильность установки перемычек MASTER/SLAVE на всех устройствах,
подсоединенных к этому кабелю. Оптический привод не должен конфликтовать с винчестером,
подключенным к тому же шлейфу интерфейса IPE. Затем следует убедиться в
правильности установок BIOS, посмотреть, определяется ли его средствами этот
оптический дисковод и другие устройства, подключенные к тому же IPE-кабелю.
Если устройство не определяется, то нужно попробовать отключить от IPE-кабеля
другие устройства, а сам кабель подключить к другому контроллеру. В случае
CP-ROM с интерфейсом SCSI проверяют правильность установки адреса (этот адрес
не должны иметь другие SCSI-устройства) и смотрят, появилось ли устройство в
BIOS SCSI-контроллера.
Затем следует убедиться в правильности подключения CP/PVP-привода в
операционной системе (правильно ли выбраны и установлены драйвер или программа,
обеспечивающая работу операционной системы с устройством).
Если ничего не помогает, то, возможно, нужно проверить, не испорчена ли
прошивка в ROM-памяти оптического привода (чаще всего это Flash-память), не
сожжен ли источник вторичного напряжения (3,3 В) или предохранители
(резисторы) . Для защиты питания в оптическом приводе всегда стоит дополнительный
фильтр, а иногда устанавливают дополнительные стабилизаторы на 5 В, выход
которых из строя обычно приводит к такому же эффекту.
Все остальные неисправности можно условно разделить на три типа:
• механические неисправности;
• неисправности оптической системы;
• неисправности электронных компонентов.
Профилактика и лечение
Основными причинами возникновения неисправностей оптических приводов
являются, безусловно, механические поломки. Они составляют около 75-80% от общего
числа неисправностей. Причем чаще всего причинами выхода из строя CD/DVD-
приводов (как компьютерных, так и бытовых, предназначенных для прослушивания
музыки и просмотра фильмов) являются загрязнение подвижных частей механизма
транспортировки диска и пыль, скопившаяся на оптических частях.
Наличие пыли и грязи на подвижных частях механизма, особенно на краях
подвижных салазок каретки, делает невозможным запирание механизма, удерживающего
диск, в результате чего устройство не фиксирует диск и постоянно его
выбрасывает. Если, напротив, привод выбрасывает лоток и тут же забирает его обратно,
то, скорее всего, причиной дефекта является выход из строя датчика положения
лотка. То, что лоток выброшен, привод определяет с помощью контактного
датчика, который и следует найти, попытаться поправить его положение, починить или
заменить.
Для того чтобы очистить дисковод от пыли, можно для начала ограничиться его
частичной разборкой (выдвинуть лоток и снять лицевую панель), а затем продуть
внутренности дисковода пылесосом, настроенным на выдув воздушного потока.
Оптическая система часто отказывает из-за пыли, скопившейся на фокусной
линзе или на призме. Если продувка устройства не помогает, можно попробовать
стереть с линзы пыль мягкой фланелью или кисточкой. Помните, что ни в коем
случае нельзя использовать для протирки спирт или растворители! Фокусные
линзы большинства современных оптических приводов выполнены из органической
пластмассы, и растворитель необратимо повредит их поверхность. Сильно
загрязненную линзу лучше всего протереть кусочком жесткой бумаги. Эта операция
проводится крайне осторожно, так как можно повредить подвеску самого лазера.
Сложнее обстоит дело с призмой, которая стоит за линзой, — добраться до нее
крайне трудно. Причем головка, как правило, неразборная, но даже если она и
разбирается, то при этом можно сбить ее настройки. Поэтому у большинства
приводов загрязнение линзы означает ее полную непригодность. Иногда оптическая
система выходит из строя даже из-за обычного волоска, попавшего на призму, —
в этом случае опять же можно попробовать продуть систему мощным потоком
воздуха.
Кстати, не рекомендуется использовать для чистки оптики специальные диски,
якобы специально предназначенные для этого. Большинство из них не только не
почистят ваш привод, но могут даже серьезно повредить его. Ведь современные
оптические приводы раскручивают диск до очень большой скорости и при этом
имеют очень нежную считывающую головку, поэтому если вам дорог ваш аппарат,
то не чистите его с помощью подобных приспособлений.
Однако большинство приводов, работающих в нормальных условиях, не доживают
до той стадии, когда отказы может вызвать повышенная запыленность. Чаще всего
пластмасса линзы просто мутнеет от времени и/или от перегрева привода в
системном блоке. Такая неисправность устраняется только дорогостоящей заменой
считывающей лазерной головки. Впрочем, на подобную неисправность приходится
не более 10% случаев. Здесь можно, конечно, посоветовать увеличить
интенсивность свечения лазера. Для этого регулируют установленный на каретке с
лазером переменный резистор (обычно он очень маленький — 5-7S2-5 мм) .
Поворачивают движок этого переменного резистора по часовой стрелке на 20-30°, после
чего проверяют факт вращения приводного двигателя при установке диска. Если
диск не стал вращаться, то поворачивают движок переменного резистора еще на
20-30°, и так продолжают до тех пор, пока двигатель не запустится (он должен
запуститься и какое-то время — примерно 10-20 секунд — вращаться с постоянной
скоростью).
Необходимость вращения переменного резистора, регулирующего интенсивность
свечения лазера, вызвана тем, что со временем мощность светового потока
лазера уменьшается (старение элементов, помутнение линзы и т.д.), однако после
такой корректировки оптическая система обычно все равно служит недолго.
Другие неисправности оптико-электронной системы считывания информации
устранить самостоятельно вам вряд ли удастся. Несмотря на небольшие размеры,
оптическая система CD/DVD-привода представляет собой очень сложное и точное
оптическое устройство, включающее сервосистемы управления вращением диска,
позиционирования лазерного считывающего устройства, автофокусировки,
радиального слежения, а также системы считывания и управления лазерным диодом.
Характерными признаками неисправности являются либо отсутствие вращения
диска, либо, наоборот, постоянный его разгон до максимальной скорости
вращения. При попытке изъять диск из неисправного дисковода с помощью органов
управления каретка открывается с вращающимся на ней диском.
В работе исправной системы должны четко прослеживаться следующие фазы:
• старт и плавный разгон диска;
• установившийся режим вращения;
• интервал торможения до полной остановки;
• съем диска лотком каретки со шпинделя двигателя и вынос его наружу из
дисковода.
Можно проверить правильность работы оптической системы привода, открыв
корпус устройства и понаблюдав за его работой. Убедиться в том, раскручивается
ли диск после установки, можно при подключении к приводу только шнура питания
(информационный кабель при этом не подключается) . Если диск не вращается
после установки, то проверяют, светится ли лазер при установке каретки в
рабочее положение, но уже без диска. Иногда свечения лазера при дневном свете не
видно, поэтому требуется затемнить помещение. Наблюдение за линзой лазера
следует проводить с разных ракурсов.
В современных оптических устройствах контроль наличия диска осуществляется
самим лазером. Если фотодатчик, установленный в лазерной каретке, получает
отраженный сигнал от диска, то электронная схема воспринимает этот сигнал как
«наличие диска» и только после этого формирует команду включения маршевого
двигателя вращения. Следовательно, если интенсивность свечения лазера
недостаточна , то диск раскручиваться не будет.
Сервосистема позиционирования головки считывания информации обеспечивает
плавное подведение головки к заданной дорожке записи с ошибкой, не
превышающей половины ширины дорожки в режимах поиска требуемого фрагмента информации
и нормального воспроизведения. Перемещение головки считывания, а вместе с ней
и лазерного луча по полю диска осуществляется двигателем головки. Работа
двигателя контролируется сигналами прямого и обратного перемещения, поступающими
с процессора управления, а также сигналами, вырабатываемыми процессором
радиальных ошибок. Характерными признаками неисправности являются как
беспорядочное движение головки по направляющим, так и ее неподвижность.
Визуально можно проконтролировать и правильность работы системы
фокусировки. В момент старта диска процессор управления вырабатывает сигналы
корректировки, которые обеспечивают многократное (две-три попытки) вертикальное
перемещение фокусной линзы, необходимое для точной фокусировки луча на дорожку
диска. При обнаружении фокуса вырабатывается сигнал, разрешающий считывание
информации. Если после двух-трех попыток этот сигнал не появляется, то
процессор управления выключает все системы и диск останавливается. Таким
образом, о работоспособности системы фокусировки можно судить как по характерным
движениям фокусной линзы в момент старта диска, так и по сигналу запуска
режима ускорения диска при успешной фокусировке луча лазера. Другие параметры
правильной работы оптической системы визуально не определяются.
Оптические приводы имеют также множество механических узлов, которые
требуют смазки трущихся частей. Отсутствие смазки приводит к тому, что привод с
трудом выталкивает каретку с диском, а замок каретки может вообще заклинить,
и тогда использование дисковода вообще станет невозможным. Смазку нужно
наносить аккуратно, предварительно полностью разобрав устройство (места, где она
требуется, как правило, хорошо видны). Перед смазыванием нелишне будет
очистить места смазки от пыли и грязи. Дело в том, что если упустить момент,
когда требуется нанести смазку, то затруднение скольжения приведет к
механическим поломкам деталей транспортного механизма или нарушению его регулировок,
что, в свою очередь, повлечет за собой либо остановку механизма каретки в
промежуточном положении, либо проскальзывание диска во время вращения.
Подобная ситуация может возникнуть и из-за засаливания фрикционных
поверхностей держателя диска вследствие частого использования грязных CD/DVD-
дисков, что приводит, в конце концов, к ненадежной работе привода, вплоть до
полной его остановки.
Загрязнение посадочного места привода диска и слабый прижим диска к
посадочному месту можно устранить, почистив посадочное место диска любым тканым
материалом, смоченным в спирте.
Проверить, достаточна ли сила прижима диска к посадочному месту, можно при
попытке воспроизвести обычный аудиодиск. Если ошибок и сбоев при
воспроизведении аудиодиска нет, а диск с компьютерными данными все-таки читается
неустойчиво, можно принять дополнительные меры — подогнуть пружины или увеличить
груз для усиления прижима диска сверху.
Из других механических поломок можно назвать заклинивание диска на
транспортной каретке (в этом случае диск вообще не раскручивается). Иногда это
происходит оттого, что посадочное место диска самопроизвольно опускается по
валу двигателя и диск касается элементов транспортной каретки. Для устранения
этого дефекта посадочное место передвигают по валу вверх и «методом тыка»
подбирают его высоту так, чтобы диск вращался без касания конструктивных
элементов, а также, чтобы привод обеспечивал устойчивое чтение всех дисков.
После этого положение посадочного места диска аккуратно фиксируют на валу.
Впрочем, перечисленные механические неисправности касаются в основном
простых механизмов относительно дешевых приводов. Дорогие модели, как правило,
имеют сложные механизмы, для которых главным видом механических
неисправностей является неустранимая поломка деталей механизма. Чаще всего это
происходит из-за того, что пользователь, вместо того чтобы пользоваться кнопками
управления, заталкивает каретку с диском внутрь дисковода рукой. Последствия
таких действий могут оказаться самыми неприятными. Если загрязненный и
запущенный механизм достаточно почистить, протереть и смазать, чтобы он вновь
исправно выполнял свои функции, то спешка и приложение чрезмерных усилий к
лотку диска могут вызвать поломки, которые устраняются только дорогим и
длительным ремонтом.
И, наконец, возможны неисправности электронных компонентов. Впрочем, их
доля вряд ли превышает 5-6% от всех поломок. К сожалению, современные
оптические приводы являются весьма сложными электронными системами, а неисправная
микросхема по внешнему виду ничем не отличается от исправной.
Сейчас CD/DVD-приводы могут стоить дешевле какой-нибудь сетевой карты или
видеоплаты, но это не значит, что они так же просто устроены. Оптический
привод имеет довольно сложную конструкцию и, кроме механической части, содержит
как минимум два микроконтроллера, сигнальный процессор (DSP), источник
вторичного напряжения, схемы для управления механикой и т.д. Причем большинство
микросхем, применяемых в современных приводах, являются специализированными,
а, следовательно, ремонт электронной части едва ли целесообразен.
Отметим, что в оптическом приводе довольно сложно бывает даже с достаточной
степенью надежности диагностировать поломку электроники. Ведь в зависимости
от выбранной производителем для конкретной модели стратегии коррекции ошибок
и соответственно от сложности процессора и устройства в целом, на практике
тот или иной привод может работать с различными дисками по-разному. Этим,
кстати, объясняется часто встречающаяся ситуация, когда ваш диск спокойно
читается на машине коллеги, а ваш собственный ПК его даже не видит. В дешевых
моделях система коррекции может исправлять только одну-две мелкие ошибки в
кадре информации, а сложная дорогостоящая система может восстанавливать даже
серьезные и протяженные разрушения информации, причем делает она это в
несколько этапов по сложному алгоритму.
Каждый изготовитель использует собственный набор микросхем либо комплектует
его изделиями от разных изготовителей, а описания, естественно, не прилагает.
В связи с тем, что для каждого конкретного устройства необходимо разыскивать
спецификации практически к каждой микросхеме отдельно, зачастую даже
специалисты сервисных центров не всегда могут восстановить работоспособность вашего
устройства.
Короче говоря, если после чистки, проверки всех проводов и соединений, а
также системных настроек ваш CD/DVD-привод не заработал, а гарантия на него
уже прошла, то просто выбросите его и купите новый.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Матпрактикум
СИГНАЛЫ и ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ
Давыдов А.В.
ТЕМА 18. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ ПО КАБЕЛЯМ
«Все должно быть изложено так просто, как
только возможно, но не проще».
Альберт Эйнштейн. Немецкий физик, XX в.
«Осталось установить границу возможного и
выкинуть излишние подробности. Для теоретиков не
составит труда отнести эти подробности к
известным по умолчанию. А практики хорошо знают
принцип лишней детали - никогда не известно,
для чего она нужна, пока не выбросишь».
Владислав Микшевич. Уральский геофизик, XX в.
ВВЕДЕНИЕ
Передача электрических сигналов по кабельным линиям связи обычно
рассматривается в рамках общей теории однородных длинных видеолиний - симметричных и
коаксиальных кабельных линий передачи аналоговых, дискретных и цифровых
сигналов в спектре частот 0...10 МГц. Современное промышленное производство
практически невозможно без стационарных и широко разветвленных внешних и
внутренних линий связи.
Внутренние линии связи, управления, сбора и обработки данных в
геологоразведочных и горнопромышленных отраслях производства в силу его специфики имеют
свои особенности. Обычно они относятся к пассивным каналам связи и работают в
условиях жестких климатических, механических и химических дестабилизирующих
факторов на высоком уровне внешних электромагнитных помех. Как правило, эти
каналы связи являются многожильными и для защиты от внешних факторов имеют
общий стальной экран (оплетку), что существенно ограничивает частотные
параметры передачи сигналов.
18.1. ОСНОВНОЕ
УРАВНЕНИЕ
КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ
Однородная кабельная линия, эквивалентная электрическая схема которой
приведена на рис. 18.1.1, определяется первичными электрическими параметрами:
погонными значениями активного сопротивления R, индуктивности L, емкости С и
проводимости G на единицу длины линии (как правило, на 1 км) . На вход линии
подключается источник сигналов (генератор, передатчик) с выходным
сопротивлением ZQ, на выход линии - приемник сигналов с входным сопротивлением ZH
(нагрузка линии).
So
г-ААЛД-
R L ,
Генератор
X
Кабель
G
'Н
Нагрузка
Рис. 18.1.1. Кабельная линия передачи сигнала.
По своей физической природе первичные электрические параметры кабеля
аналогичны параметрам колебательных контуров, но в отличие от них они являются не
сосредоточенными, а распределены по всей длине кабеля. Этим объясняется
определенная зависимость первичных параметров кабеля от частоты сигнала и от
конструкции кабеля.
При определении передаточных функций линий связи сигнал на входе линии в
общем случае задается в комплексной форме в виде временной функции напряжения
• • • •
Uo и тока Io.Ha выходе линии (на нагрузке) соответственно имеем Uh и 1н. Падение
напряжения и утечка тока на произвольном участке dx линии определяются
уравнениями :
-d U/dx= I(R+jo>L),
-d I /dx = U (G+jcoC).
Решение данных уравнений для напряжения и тока в произвольной точке х линии
дает следующие выражения:
• • • •
Ux = Uo ch ух - Io ZB sh ух, (18.1.1)
• • • •
Ix = I0chyx-(Uo/ZB) shyx, (18.1.2)
ZB=(R+jcoL)/y= ^§±j_{j, (18.1.3)
где ZB .волновое сопротивление кабеля, у - коэффициент (постоянная)
распространения линии (сигнала в кабеле):
y = p+ja=^(R + jcoL)(G + jcoC), (18.1.4)
В выражениях 18.1.1-18.1.2 первые члены правой части представляют собой
уравнения падающих волн напряжения и тока, распространяющихся по кабелю от
генератора к нагрузке, а вторые члены - уравнения волн, отраженных от конца
•
кабеля, энергия которых не поглотилась в нагрузке. Коэффициенты ZB и у относят
к вторичным параметрам кабеля. Выражения действительны для любой точки
кабеля, в том числе и на нагрузке кабеля прих = Л, где Л - длина кабеля.
Коэффициенты Ри а являются собственными коэффициентами (собственными постоянными),
соответственно, амплитудного затухания и фазового сдвига волны напряжения,
проходящей через кабель. Их величины обычно задаются в значениях на 1 км кабеля
и в этом случае называются километрическими (хотя последнее часто опускается
и подразумевается по умолчанию). Численное значение километрического
коэффициента Р определяет коэффициент затухания волны напряжения, проходящей через
кабель длиной 1 км. Соответственно, численным значением километрического
коэффициента а задается величина сдвига фазы волны напряжения, проходящей через
однокилометровый кабель.
а-4
RG - ш2ЬС + 4R2 + co2L2)(G2+co2C2)
LC -RG + ^R2 + cd2L2 )(G2 + ш2С2)
ш2
(18.1.5)
(18.1.6)
Кабель, удовлетворяющий уравнениям 18.1.1-18.1.6, является идеальным
кабелем передачи сигналов. Реальный кабель может существенно отличаться от
идеального . Но основной характер зависимостей вторичных электрических параметров
кабелей от первичных и качественную картину передачи сигналов по кабелю в
различных условиях согласования с источником сигналов и нагрузкой
целесообразно выяснить сначала на идеальном кабеле.
18.2. ВОЛНОВОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ
КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ
Волновое сопротивление - это сопротивление линии электромагнитной волне при
отсутствии отражений от концов линии. Оно зависит от первичных электрических
параметров кабеля и частоты сигнала. Если электромагнитную волну представить
в виде раздельных волн напряжения и тока, то соотношение между ними и
представляет собой волновое сопротивление цепи:
ZB= U/I.
Волновое сопротивление является комплексной величиной и состоит из активной
и реактивной части, частотная зависимость которых показана на рис 18.2.1.
Расчет графиков проведен при условно постоянных частотно-независимых
значениях электрических параметров кабеля: R = 25 Ом, L = 0.5 мГн, С = 0.1 мкФ, G =
0.1 мкСм. Эти значения, типичные для бронированных кабелей (в частности, для
геофизических каротажных кабелей), будем использовать и в дальнейшем без
дополнительных пояснений. В действительности эти параметры являются частотно -
зависимыми и определяются конструкцией кабеля, но они широко используются при
сравнении кабелей по электрическим параметрам, при этом значение R измеряется
на постоянном токе, а значения L, С и G - на определенной частоте в диапазоне
10-50 кГц.
Частота, Гц. Частота, Гц.
Рис. 18.2.1.
Как следует из рисунка, зависимость волнового сопротивления от частоты
наиболее существенна в области низких частот (менее 10 кГц) и имеет емкостной
характер. В области частот более 10-20 кГц имеет место coL > R, оС » G и
значение волнового сопротивления стремится к постоянной величине V L/C. Эту величину
называют номинальным (характеристическим) волновым сопротивлением кабеля. В
дальнейшем индексом ZB = VL/C = Rb будем обозначать постоянное
характеристическое сопротивление кабеля (на частотах более 50-100 кГц). Для частотной
функции волнового сопротивления будем применять обозначение с аргументом по час-
•
тоте ZB (со) или индекс ZB.
3 -11 I I I I I I I I
& 0.1 1 10 100 103 104 105 10б 107
Частота, Гц.
Рис. 18.2.2. Модуль и фаза волнового сопротивления.
Как комплексную величину, волновое сопротивление можно представить в форме:
ZB (ш) = zB (ш) exp(jcpB (ш)),
где: zB(co) - частотная функция модуля волнового сопротивления (абсолютная
величина отношения амплитудных значений напряжения и тока по аргументу -
частоте со) в любой точке линии, ф - частотная функция угловых значений, равных
разности фаз волн напряжения и тока. Частотная зависимость значений модуля и
фазового угла волнового сопротивления приведена на рис. 18.2.2. Как следует из
графиков, волна тока в области низких частот опережает волну напряжения в
максимуме на 45°.
На рис. 18.2.3-4 приведены графики зависимости коэффициентов затухания Р и
фазового сдвига а (в относительных единицах) от частоты. В технической
документации значение коэффициента Р обычно приводится в неперах на километр. По
мере нарастания частоты коэффициент затухания сначала плавно увеличивается с
постепенным уменьшением степени увеличения, а затем, начиная с частоты
порядка 10-20 кГц, практически постоянен и равен:
р = o.5-(rVc/l + gVl/c ).
0.2 I 1 1 1 1 1— Г
Частота, Гц.
Рис. 18.2.3. Частотные функцииРи а.
Коэффициент фазового сдвига на низких частотах увеличивается синхронно с
коэффициентом затухания (при f< 1 кГц Р« а), а затем, начиная с частоты порядка
1 кГц, нарастает линейно и пропорционально частоте (а = gWlC ) . Это
обеспечивает формирование фронтальной волны распространения сигнала по кабелю с
постоянной скоростью для всех частотных составляющих сигнала, за исключением
низких частот, и сохранение формы сигналов на нагрузке. Отсюда следует, что
кабель является оптимальной линией передачи высокочастотных и радиоимпульсных
сигналов, энергия частотного спектра которых минимальна в области низких
частот .
При совместном рассмотрении рисунков 18.2.1-18.2.4 нетрудно сделать вывод,
что, начиная с частот порядка 5-10 кГц, кабельные линии связи имеют
практически постоянные параметры. Именно в этой частотной области обеспечиваются
минимальные искажения формы частотного спектра сигналов, а соответственно и
формы самих сигналов при их передаче по линии связи.
Частота, Гц.
Рис. 18.2.4. Частотные функции Р и а.
Коэффициент передачи сигнала по напряжению по кабельной линии в общем виде
может быть определен из выражения (18.1.1):
K=UH/Uo=chyA-(i0 ZB/U0)shyA, (18.2.1)
K = chyA-(ZB/ZBX)shyA, (18.2.1')
где Л - длина кабеля, Zbx - входное сопротивление кабеля, которое также
является комплексной величиной и зависит от частоты:
• • • •
ZBX = ZB(Z„ ch уЛ + ZBsh уЛ) / (ZBch уЛ + Z„ sh уЛ). (18.2.2)
18.3. РЕЖИМЫ ПЕРЕДАЧИ
СИГНАЛОВ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИЕЙ
В зависимости от величины нагрузки ZH на выходе линии различают три режима
передачи сигналов.
1. Режим бегущей волны
• • •
Режим бегущей волны сигнала при Z„ = ZB. В этом (согласованном) режиме Ui/Ii =
• • • • •
Uo/Io = ZB, входное сопротивление кабеля равно волновому сопротивлению ZBX = ZB,
отражения сигнала от концов линии отсутствуют и выражения 18.1.1-18.1.2 и
18.2.1 упрощаются:
• • • • •
Ui =Uo е х р (-уЛ), Ii = 10 е х р (-уЛ), К = е х р (-уЛ). (18.3.1)
Коэффициент передачи сигнала представить в форме:
К = e"(p+ja)A = е"рЛ e"jaA = | К | е"]ф, (18.3.Г)
|К| = е"рл, е"]аЛ = еЛ
Эти выражения достаточно ясно показывают, почему коэффициенты Р и а называют
коэффициентами затухания, Р (коэффициент, характеризующий уменьшение
абсолютных значений напряжения или тока на выходе линии по отношению к входному
сигналу) и фазового сдвига а (изменение угла векторов тока или напряжения на
выходе линии относительно входного сигнала) при прохождении сигнала через
единичный отрезок кабеля.
На практике коэффициент затухания амплитудных значений сигнала при его
передаче по кабелю обычно измеряют в логарифмических единицах отношения
амплитуды сигнала на входе кабеля к амплитуде сигнала на его выходе в неперах на 1
км, т.е.:
ln(UBX/UBbIX) = ln(l/exp(-p) = p,
при этом численные значения коэффициента затухания сигнала в неперах
совпадают со значениями коэффициента Р в относительных единицах.
На рис. 18.3.1 приведены графики модуля коэффициента передачи сигнала,
вычисленные по (18.3.1) при разных значениях длины кабеля. По существу, эти
графики представляют собой передаточные амплитудно - частотные характеристики
(АЧХ) идеальных кабелей, согласованных по нагрузке во всем частотном
диапазоне .
Амплитудно-частотные функции кабеля
41
ц:
"1
X
|_
о
"1
о.
с
I-
X
'II
-е-
-е-
о
0.2
Т
Л= 1
км
км
1
1
10
100 M0J 1-10
Частота, Гц.
мо-
мо'
Рис. 18.3.1. Передаточные характеристики кабелей.
Затухание сигналов в кабеле определяется потерями его энергии. Потери
энергии в кабеле подразделяются на два вида: потери в активном сопротивлении
кабеля R (нагревание токопроводящих проводников), и потери в изоляции кабеля,
определяемые значением G ее проводимости. В общем случае проводимость G
зависит от прямой утечки тока через диэлектрик и затрат энергии на его
поляризацию:
G = (1/R„) + co-Ctg(5), (18.3.2)
где: R„ - омическое сопротивление изоляции постоянному току, С - емкость
кабеля, tg(8) - угол диэлектрических потерь. Для современных изоляционных
материалов значение угла диэлектрических потерь обычно не превышает
десятитысячных долей и начинает сказываться только на очень высоких частотах (десятки
МГц) . Отсюда следует, что изменение АЧХ в области низких и средних частот
•
обусловлено, в основном, изменением соотношения сопротивлений Rи Z„ = ZBи ста-
билизируется при частотах выше 10 кГц, где Z„ = ZB => RB = const (рис.18.2.2) .
Что касается фазочастотных характеристик (ФЧХ) кабелей, приведенных на рис.
18.3.2, то, как это следует из величины а (см. рис. 18.2.4), значение фазового
угла ф = -аЛ увеличивается с увеличением частоты, а на частотах выше 20 кГц
равно -со Л л! LC, т.е. прямо пропорционально частоте и длине кабеля. Из выражения
(18.3.1') следует также, что значения коэффициента сдвига фазы а в
относительных единицах без учета знаков численно равны значениям угла сдвига фазы волны
напряжения (тока) в радианах при прохождении через единичный отрезок кабеля.
Соответственно, с учетом знаков, ф = -аЛ в радианах. Отклонение от линейности
(в сторону больших углов сдвига) наблюдается только на низких частотах (менее
20 кГц).
О 2-10* 4 10* б -10* 3-10* 1 -10А 0 1-10* 2 10* 3 10*
Частота, Гц. Частота, Гц.
Рис. 18.3.2. Фазочастотные характеристики согласованных кабелей.
Режим согласованной нагрузки наиболее эффективен при передаче сигналов по
кабелю. Однако в пассивных линиях связи обеспечить такой режим при передаче
импульсных широкополосных сигналов практически невозможно без применения
систем формирования специальной формы частотной зависимости выходного
сопротивления генератора и входного сопротивления приемника, соответствующей
волновому сопротивлению кабеля. Как правило, для решения данной проблемы
используются альтернативные решения: применение частотно - зависимых корректоров формы
сигналов на выходе кабеля или фильтров частичной деконволюции импульсного
отклика кабеля (фильтры направленного сжатия формы импульсного отклика).
2. Режим стоячей волны
Режим стоячей волны устанавливается в кабеле при Z„ = О (короткозамкнутая
линия) или Z„ = оо (режим холостого хода) . Эти режимы применяются при измерениях
волнового сопротивления кабеля.
3. Режим несогласованной нагрузки
Режим несогласованной нагрузки при Z„ Ф ZB. Как правило, сопротивление
нагрузки представляет собой постоянную величину Z„ => R„, независимую или слабо
зависимую от частоты сигнала. Но согласованность кабеля с нагрузкой является
частотно-зависимой даже при Z„ = RB, что определяет зависимость от частоты и
входного сопротивления кабеля. На рис. 18.3.3(А,В) приведены частотные
зависимости модулей и фазовых углов входного сопротивления кабелей различной
длины при сопротивлении нагрузки, равной характеристическому волновому
сопротивлению.
Как следует из графиков, входное сопротивление для низкочастотного
диапазона (менее 1-20 кГц в зависимости от длины кабеля) отличается по своей
величине и характеру от диапазона выше 10-50 кГц, где оно практически постоянно и
равно волновому сопротивлению кабеля. В диапазоне менее 1 кГц входное
сопротивление выше волнового на величину, примерно равную сопротивлению жилы
постоянному току, и также является преимущественно активным. Между этими двумя
диапазонами выделяется переходная зона, где входное сопротивление имеет
реактивную составляющую емкостного характера.
При R„ Ф RB характер входного сопротивления кабеля и его фазового угла
усложняется, что можно наглядно видеть на рис. 18.3.3(С, D, Е, F). Из этих
рисунков очевидно, что при невозможности согласования кабеля по всему частотному
диапазону необходимо, по крайней мере, стремиться выполнить условие R„ = RB.
250
200
ID
IB
1150
о
о
Jj
Э
100 -
50
A - 7 км
Входное
сопротивление
Л = 5 км
\
А = 3 км / "\
А = 1 км
X
3
°- 0
- -0.25 -
- -0.5 -
"1 1 Г
A = 3 км A = 1 км
A = 5 км X.. \ \ Л /
A= 7км У\ ■■ -/
^ Фазовый утол
входного сопротивления
100
1-10-
1-104
1-10-
Гц.
100
1-10-
1-104
1-10-
Гц.
350
300 -
Входное сопротивление
350
Входное сопротивление
7 км |— ———| ^—*£-
1-10-
1 -1СГ
Частота. Гц.
1-10
1-10-
1-10"
Частота.. Гц.
1-10-
Рис. 18.3.3. Частотные характеристики входного сопротивления кабелей
в зависимости от длины кабеля и значения сопротивления нагрузки.
Неполная согласованность кабеля с нагрузкой создает отраженные волны, кото-
рые достигают начала кабеля и при Z„ Ф Zg снова отражается назад в кабель, что
приводит к искажению сигналов. Условие R, = RB является оптимальным и для
согласования источника сигнала с кабелем. Затухание линии при фиксированных
значениях сопротивлений нагрузки R„ и источника сигнала R, называют рабочим
затуханием кабеля и вычисляют по формуле:
рр = р-Л + In
Z0 + Ze (со)
j
+ ln
ZH + Ze (со)
j
+ lnl
2^Z0Ze(co)
^\ZHZe(co)
Z0 - ZB(co) _ ZH -ZB(co) e-2yA
Z0+ZB(co) ZH + ZB(co)
(18.3.3)
где первый член Р-Л в правой части уравнения - собственное затухание кабеля,
второй и третий члены - дополнительное затухание вследствие неполного
согласования с нагрузкой и с генератором, а последний член - влияние многократных
отражений от концов кабеля.
При постоянных сопротивлениях источника сигнала и нагрузки, равных
волновому сопротивлению, кабель остается существенно рассогласован на низких
частотах, при этом километрический коэффициент рабочего затухания, вычисленный по
(18.3.3) с приведением к 1 км, на низких частотах зависит от длины кабеля,
что видно на рис. 18.3.4(A) . Это объясняется тем, что при больших
коэффициентах отражения электромагнитных волн от концов кабеля и их многократной
пульсации по кабелю общие потери энергии на кабеле существенно зависят от его
длины. Этот факт необходимо учитывать при использовании наземных приборов с
коррекцией частотных искажений сигнала.
е-
е-
8
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
« Э
Е х
и:
в-
в-
S
0.15 -
I I
RH = 0.5RE
Л = 1 кмХ
Rq =
5 км 3 км
^ -с-
7 км -'' Собственное затухание.
л
ш
л
г" 1 1
(в)-
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
Нн =
2RB
R0 =
Re
л
км
- 7км ^
Собственное затухание^
_l I
100
мо-
мо4
Частота, Гц.
1-10-
1-10° 100
мо-
мо4
Частота, Гц.
мо-
мо'
Рис. 18.3.4. Частотные функции рабочих километриче-
ских коэффициентов затухания сигнала в зависимости от
длины кабеля и согласования с нагрузкой.
На рис. 18.3.4(В, С) дополнительно приведены графики частотной зависимости
километрического коэффициента рабочего затухания РР, вычисленные по (18.3.3)
при Z„ = ZB и разных значениях нагрузки кабеля по отношению к его номинальному
волновому сопротивлению (ZB на высоких частотах). Как следует из графиков,
при рассогласовании кабеля с нагрузкой затухание сигнала на частотах более 50
кГц увеличивается, в основном, за счет отражения сигнала от нагрузки, причем
в тем большей степени, чем меньше длина кабеля (и, соответственно, больше
абсолютная доля отраженной энергии сигнала и ее поглощение в кабеле). Характер
изменения затухания на частотах ниже 50 кГц еще более сложен и зависит как от
знака изменения нагрузки относительно волнового сопротивления, так и от длины
кабеля, причем при R„ < RB затухание увеличивается, а при R„ < RB уменьшается для
кабелей большой длины. Аналогичная картина наблюдается и при изменении
сопротивления генератора относительно номинального волнового при постоянном сопро-
тивлении нагрузки.
Таким образом, при сопротивлении нагрузки близкой к номинальному волновому
сопротивлению, километрический коэффициент затухания имеет два разных уровня
с переходной границей в области средних частот. Высокочастотный уровень
достаточно слабо зависит от длины кабеля и сопротивлений нагрузки и генератора,
а низкочастотный уровень может существенно изменяться при изменении
сопротивления нагрузки или генератора. Это позволяет использовать режим согласованной
с номинальным волновым сопротивлением нагрузки кабеля в качестве основного
режима передачи сигналов по кабелю, при этом небольшим направленным
рассогласованием кабеля с нагрузкой или генератором коэффициент затухания сигнала
может быть сделан практически равномерным по всему частотному диапазону. Вместе
с тем графики еще раз свидетельствуют о целесообразности передачи информации
сигналами, имеющими минимальную энергию в области низких частот (с нулевым
средним значением амплитудной последовательности сигналов).
Задержка сигналов в кабеле
Если коэффициент а определяет сдвиг по фазе колебания с частотой f на единице
длины, то длина волны А, в единицах длины кабеля будет равна длине кабеля, при
которой сдвиг по фазе достигает величины 2%, т.е. Ticl = 2%. С учетом этого
скорость распространения электромагнитных волн в кабеле, график зависимости
которой от частоты колебаний приведен на рис. 18.3.5, определяется выражением:
u(f) = f -Я,, и(со) = со/а. (18.3.4)
10 100 1-10J 1-1(Г 1-10J 1-10°
Частота, Гц.
Рис. 18.3.5. Частотные функция скорости распространения волн в кабеле.
Максимальная задержка сигнала соответствует низким частотам. На частотах
выше 10 кГц при а = co^LC значение скорости распространения волны стремится к
постоянной величине и = 1/VbC.
На рис. 18.3.6 приведены функции временной задержки частотных составляющих
(t3 (со) = Л/и(со)) в кабеле.
В целом, из рассмотрения основных электрических характеристик кабеля
следуют два, во многом очевидных для практиков вывода:
1. Оптимальная величина сопротивления нагрузки кабеля и выходного
сопротивления источника сигналов должны быть равны характеристическому сопротивлению
кабеля.
2. Энергия сигналов должна быть минимальной в области низких частот.
10 100 1 -103 МО4 1-Ю5 МО6
Частота, Гц.
мо-
мо4 МО-
Частота, Гц.
1-10
Рис. 18.3.6. Функции временной задержки волн в кабеле.
Литература
1. Баскаков СИ. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.:
Высшая школа, 1988.
2. Горбенко Л.А., Месенжник Я.З. Кабели и провода для геофизических работ.
- М.: Энергия, 1977.
3. Гроднев И.И., Фролов Н.А. Коаксиальные кабели связи. - М. : Радио и
связь, 1983. - 209 с.
4. Стрижевский Н.З. Коаксиальные видеолинии. - М. : Радио и связь, 1988. -
200 с.
ТЕМА 19. КАРОТАЖНЫЕ КАБЕЛИ
«Нет смысла добиваться точности там,
где неизвестно, о чем идет речь».
Джон фон Нойман. Американский математик
и физик, XX в.
«Каротажный кабель, это сначала трос, а
уже потом кабель. Зачем же требовать от
него высокой точности передачи данных.
Лучше довольствоваться малым, но с
умом».
Владимир Кузьмин. Новосибирский
геофизик Уральской школы, XX в.
ВВЕДЕНИЕ
Начиная с 80-90 годов прошлого века в методах и технологиях геофизических
исследований скважин (ГИС) наблюдаются существенные качественные изменения, а
именно: переход на комплексные и многопараметровые измерения с применением
комбинированных и/или многофункциональных скважинных приборов с достаточно
глубокой обработкой первичных данных в реальном масштабе времени
непосредственно в каротажных лабораториях (станциях). Такой переход требует как
повышения качества первичных данных, так и передачи этих данных, как правило, в
цифровой (кодовой) форме, с достаточно высокой скоростью в наземные
обрабатывающие (измерительно-вычислительные) и регистрирующие устройства. И если
выполнение первого требования достаточно успешно базируется на высоком уровне
развития современной электронной техники, то практически единственной
телеметрической линией передачи данных ГИС остается традиционный каротажный
кабель .
Каротажный геофизический кабель относится к типу универсальных аналоговых
кабельных линий передачи информации от скважинных приборов к каротажной
станции и передачи управляющих сигналов на скважинные приборы. Пропускная
информационная способность каротажного кабеля определяет скорость каротажа,
особенно в комплексных методах ГИС. Однако каротажный кабель является не только
электрической линией передачи информации, но и тросом с достаточно большим
(до нескольких тонн) разрывным усилием, несущим скважинные приборы в
химически- и механически агрессивной среде скважин. По существу, это кабель-трос
специального технологического назначения, работающий в широком диапазоне
температур (от минусовых на поверхности до 100-150 и более градусов на больших
глубинах), что накладывает определенные ограничения на его характеристики,
как линии связи. Реальная скорость передачи информации (бит/с) современных
кабелей в зависимости от их длины ограничиваются диапазоном до 10-100 кГц,
что начинает существенно сдерживать развитие и совершенствование технологий
ГИС.
По числу токопроводящих жил (ТПЖ) каротажные кабели разделяются на три
основных вида: одно-, трех- и семижильные. Как правило, кабельные каналы связи
рассматриваются в рамках теории однородных длинных линий с постоянными
электрическими параметрами кабеля по всей его длине. Однако в процессе каротажа
различные части кабеля находятся в неодинаковых условиях давления и
температуры, что приводит к изменению первичных параметров, как во времени, так и по
длине кабеля. Но, как показали исследования, изменение первичных параметров
бронированных кабелей хотя и имеет место, но не столь значительно, чтобы
отказаться от использования теории однородных линий.
Одножильные бронированные каротажные кабели, в принципе, относятся к
разновидности коаксиальных кабелей с концентрическим расположением жилы (прямого
провода) внутри брони (обратного провода). Взаимодействие электромагнитных
полей прямого и обратного проводника в идеальном коаксиальном кабеле при
равных значениях тока и разных его направлениях создает нулевое значение
электромагнитного поля за пределами кабеля, т.е. электромагнитное поле сигналов
сосредоточено внутри кабеля, что и обеспечивает эффективную передачу
электромагнитной энергии с минимальными потерями. Центральная жила и оплетка
коаксиальных кабелей выполняются из немагнитных материалов (медь), что также не
создает потерь на перемагничивание магнитных материалов.
Каротажный кабель, в отличие от коаксиального, в качестве оплетки имеют
стальную броню без поверхностной изоляции, а, следовательно, локализованного
обратного тока в этой броне не существует как для одножильного, так и для
многожильного кабеля. Это действительно как для кабеля на барабане лебедки,
где броня представляет в какой-то мере сплошной металлический монолит, так и
для кабеля в скважине, где броня - линейный заземленный электрод.
Следовательно, в каротажных кабелях появляется весьма существенный источник потерь
электромагнитной энергии сигналов - на перемагничивание стальной брони
электромагнитными полями токопроводящих жил и межпроводниковыми электромагнитными
полями (при двухпроводной передаче сигналов), а также на потери
электромагнитной энергии обратного тока в окружающей среде. Эти потери нарастают с
увеличением частоты тока и приводят к существенному частотному ограничению
импульсной пропускной способности кабеля. Их место в математической модели
кабеля подлежать уточнению.
19.1. ПЕРВИЧНЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПАРАМЕТРЫ КАБЕЛЕЙ
Активное сопротивление
Полное активное сопротивление линии передачи сигналов кабеля состоит из
суммы сопротивлений прямого и обратного проводников. Для одножильного
бронированного кабеля (ОБК) и многожильного бронированного кабеля (МБК) с однопро-
водной линией передачи информации (МБК-1п, броня в качестве обратного
проводника) сопротивление постоянному току R0 определяется сопротивлением токопро-
водящей жилы (ТПЖ): длиной и конструкцией жилы, диаметром и материалом
проволок жилы и температурой окружающей среды. Сопротивление обратного проводника
(брони) много меньше величины сопротивления жил и его значением можно
пренебречь. Для двухпроводной линии передачи (МБК-2п) полное сопротивление R0
складывается из сопротивления двух ТПЖ.
Жилы кабелей свивают, в общем случае, из нескольких стренг, каждая из
которых свивается из нескольких проволок. В настоящее время распространены кабели
с жилами из одной стренги. Сопротивление жилы постоянному току определяется
уравнением:
Ro = (p-A/s)-(mi-m2),
где: р - удельное сопротивление материала проволоки при 20°С в Ом-мм2/км, Л-
длина жилы в км, s - суммарная площадь всех проволок жилы в мм, m -
коэффициенты скрутки проволок в стренгу и стренг в жилу. Для новых кабелей значения
коэффициентов m близки к 1. С течением времени переходное сопротивление между
проволоками возрастает (окисление их поверхности) и значения коэффициентов
приближаются к величине 1/cos ф, где углом скрутки ф учитывается длина проволок
в скрутках (обычно больше длины кабеля на 10-15%). Если жилы скручиваются из
медных и стальных проволок, то сопротивления для них вычисляются раздельно и
затем объединяются как параллельные электрические цепи. Типовые значения □
для меди и стали принимаются равными соответственно 17.5 и 98 Ом-мм2/км.
Сопротивление жил, особенно комбинированных из стали и меди, существенно
зависит от температуры. В принципе, оно может вычисляться по известному
уравнению:
Rt = R20[l+n(t-20)],
где \х - температурный коэффициент (0.0039 для меди, 0.0062 для стали) .
Расчеты с учетом геотермического градиента по стволу скважины показывают, что
при работе в скважинах с температурой до 150°С на забое сопротивление жил
кабеля может увеличиваться на 10-20%. Отсюда следует, что нормальным явлением
можно считать изменение сопротивления жил кабелей в процессе каротажа в
пределах до 10%. Соответственно, этой величиной может ограничиваться и точность
математической модели активного сопротивления жил кабеля.
0 1 -105 2-Ю5 ЗЛО5 4Л05 ЗЛО5 6 ЛО5 1 ЛО5 % ЛО5 9 ЛО5 1 10б
Частота, Гц.
Рис. 19.1.1. Коэффициент Q(f) кабеля с медной жилой диаметром
1.05 мм (1 - коаксиальной линии, 2 - расчет по формулам
аппроксимации, 3 - экспериментальные данные).
Активное сопротивление кабелей на высоких частотах практически прямо
пропорционально корню квадратному из частоты. Это определяется так называемым
поверхностным эффектом - вытеснением тока к поверхности проводов, которое
возрастает с увеличением частоты, и взаимодействием полей проволок кабеля. На
частотах свыше 100 кГц активное сопротивление определяется, в основном,
поверхностным эффектом и в несколько раз больше сопротивления постоянному току.
На частотах ниже 100 кГц эта зависимость от частоты несколько уменьшается по
величине, но сохраняется по характеру. Для жил каротажного кабеля зависимость
активного сопротивления от частоты дополнительно осложняется влиянием скрутки
проволок в стренгу (стренг в жилу) и зависит от материала проволок (медь,
сталь). Строго обоснованные аналитические методы расчетов электрических
параметров многопроволочных проводников каротажных кабелей отсутствуют. С
использованием известных экспериментальных данных полное активное сопротивление
жилы каротажного кабеля в первом приближении может быть аппроксимировано
следующими формулами:
R(f)=R0[l + K(f)P(f)], (19.1.1)
P(f)= l-exp(-a-f-1(Г4)], (19.1.1")
где: K(f) - усредненный коэффициент поверхностного эффекта, P(f) -
поправочный коэффициент для каротажного кабеля на конструкцию жилы и кабеля, г -
радиус жилы в мм, s - относительные площади сечения медных и стальных проволок в
жиле (scu+SFe=l)9 а. - частотная постоянная кабеля, значение которой порядка (0.1-
0.3) для ОБК, ~ (0.3^-0.5) для МБК-1п, ~(0.5^-0.8) для МБК-2п, и приближается к
1 для коаксиальных видеолиний.
На рис. 19.1.1 приведено сопоставление экспериментальных данных по значению
полного коэффициента Q(f) = K(f)P(f) с расчетами по формулам (19.1.1).
Проводимость изоляции жил
кабеля и электромагнитные потери
Проводимость изоляции жил кабеля G определяется уравнением
G = (l/R„) + coCtg(5),
где значение сопротивления изоляции R„ бронированных каротажных кабелей не
менее 1000 МОм/км, а параметр 8 потерь на поляризацию изоляции не более
0.0005. В условиях эксплуатации значение R„ обычно поддерживается не ниже 10
МОм. Эти величины определяют проводимость изоляции жил не менее 0.0003 См/км
на частотах до 1 МГц и потерями в изоляции кабелей можно пренебречь.
Однако в бронированном каротажном кабеле имеют место существенные потери на
перемагничивание брони и магнитных элементов окружающей среды, точное
количественное значение которых предусмотреть невозможно. Влияние этих потерь на
расчеты коэффициентов затухания сигнала эквивалентно потерям на поляризацию
изоляции кабеля (частотно зависимая потеря энергии). Учитывая последнее, в
простейшем случае можно считать возможным введение в формулу расчета
проводимости дополнительного коэффициента %- коэффициента приведения
электромагнитных потерь к потерям в изоляции кабеля:
G = (l/R„) + co-Otg(5+x),
где значение % для одножильных бронированных кабелей на частотах до 200 кГц
порядка 0.1-0.2. Уравнение в этом случае можно считать уравнением
эквивалентной проводимости кабеля, что позволяет сохранить без изменений общую теорию
однородных длинных линий.
Частота, Гц
Рис. 19.1.2. Эквивалентная проводимость кабеля.
Параметр эквивалентной проводимости кабеля существенно влияет на передачу
сигналов в области высоких частот. По результатам сопоставления расчетных и
экспериментальных данных затухания сигнала в каротажных кабелях в диапазоне
до 5 МГц может быть предложена для использования более простая формула
аппроксимации эквивалентной проводимости кабеля:
G = 2%fCr\/R(f), (19.1.2)
где значение ц порядка 12-14 для одножильных и 10-13 для многожильных
кабелей. Пример расчета проводимости кабеля КГ 1x0.75-55-150 по данной формуле
приведен на рис. 19.1.2.
Емкость токопроводящих жил
Емкость токопроводящих жил определяется конструкцией кабеля и зависит от
материала и толщины изоляции ТПЖ. Для одножильных кабелей емкость ТПЖ может
оцениваться по уравнению (в мкФ/км) : С = s/(181n(D/d)), где s - диэлектрическая
проницаемость изоляции, D - внешний диаметр жилы по изоляции, d - диаметр то-
копроводника жилы. Значение емкости, как правило, находится в диапазоне 0.1-
0.12 мкФ/км. Емкость между жилой и броней в многожильных кабелях имеет
примерно такие же значения, а емкость жила-жила в 1.6-1.8 раз меньше.
Зависимость емкостей жил от частоты практического значения не имеет. При повышении
температуры емкость жил несколько уменьшается за счет уменьшения
диэлектрической проницаемости изоляции, а при повышении давления - увеличивается. В
скважинных условиях эти два процесса практически компенсируют друг друга и
общее изменение емкости незначительно.
Индуктивность кабеля.
Собственная индуктивность коаксиальных линий с увеличением частоты
уменьшается вследствие поверхностного эффекта в проводах. Во внешних проводах ток
вытесняется к центру кабеля, во внутренних - от центра. Соответственно,
индуктивность внешних проводов уменьшается, а внутренних возрастает, но их
меньший диаметр не создает полной компенсации уменьшения индуктивности
внешних проводов.
Общая индуктивность пары жила-броня складывается из собственной
индуктивности жилы и межпроводниковой индуктивности жила-броня. В первом приближении,
для пары жила-броня из разных металлов, она может определяться с помощью
уравнения, которое используется для расчетов индуктивности коаксиальных
кабелей (в Гн/км):
L(0= (^ + Lm)-10 \ (19.1.3)
Lc= Кс-(^^ + ^^),Кс =100/71 (19.1.4)
Lm = b ln(D/d), (19.1.5)
где: f - частота тока (Гц) , [i - магнитные проницаемости жилы и брони (медь
(j,i=l, сталь (j,2=100^-120), р - удельные сопротивления (pi=17.5 Ом-мм2/км,
Р2=130 Ом-мм2/км) , d - диаметр жилы (мм) , D - внутренний диаметр брони кабеля,
(мм) , b - коэффициент учета конструкции кабеля (Ь & 2 для ОБК, b & 3 для МБК) .
Значение Lc/V^ определяет собственную индуктивность жил, Lm - межпроводниковую
индуктивность. Для жил, содержащих стальные проволоки в своем составе,
значения и 1/pi вычисляются с учетом весовых коэффициентов площади сечений медных
и стальных составляющих в общей площади сечения жилы.
Сопоставление расчетов индуктивности кабелей по формулам (19.1.3-19.1.5) с
результатами экспериментальных измерений показало, что расчетные формулы
завышают значения индуктивностей практически на всех частотах выше 100 Гц. По
видимому, здесь играет роль, в первых, тот же фактор разницы значений прямого
и обратного токов в жиле и броне (по существу - отсутствие локализованного
обратного тока в броне), а во вторых, конструкция брони. Достаточно толстый
двойной слой из стальных проволок с перекрестным повивом слоев не может быть
эквивалентным оплетке коаксиального кабеля.
Сходимость расчетных и измеренных значений индуктивностей на частотах выше
200 Гц обеспечивается установлением в формуле (19.1.4) значения
"эффективного" диаметра D3=kD кабеля вместо внутреннего диаметра брони D. Величина
коэффициента к по результатам расчетных и экспериментальных значений параметров
жил находится в пределах (1-1.2) для МБК-2п, (1.2-1.4) для МБК-1п и (1.4-1.6)
для ОБК. В последнем случае это практически соответствует диаметру по
среднему слою брони, что объяснимо по своей физической сущности. При известных
значениях индуктивности жил на нескольких частотах более точная аппроксимация
может производиться дополнительным изменением коэффициента Кс.
Как следует из формулы (19.1.3), зависимость индуктивности от частоты
определяется собственной индуктивностью жил. Она же определяет зависимость
индуктивности от температуры (изменение р). В области высоких частот индуктивность
определяется, в основном, межпроводниковой индуктивностью. При намотке кабеля
на лебедку его индуктивность может увеличиваться на 1-3% в зависимости от
конструкции лебедки и состояния (степени окисления) поверхности брони кабеля.
Межпроводниковая индуктивность многожильных кабелей для пары жила-жила
увеличивается за счет индуктивности пар и влияния соседних жил. В первом
приближении она может оцениваться по формуле аппроксимации экспериментальных
данных :
Lm « b ln((D3 /d)+s (2c/d), (19.1.6)
где с - расстояние между центрами жил, s« (0.4-0.5) в зависимости от
конструкции кабеля и определяется по измерениям индуктивности на высоких
частотах .
По измеренному значению индуктивности на частоте fi частотная функция
индуктивности может вычисляться по формуле:
L(f)~ [ЦО-Lml ffZ + Lm. (19.1.7)
Л// i
19.2. ВТОРИЧНЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПАРАМЕТРЫ КАБЕЛЕЙ
Волновое сопротивление
В принципе, понятие волнового сопротивления применимо только к однородным
линиям, как постоянное сопротивление электромагнитной волне в любой точке
кабеля при ее распространении вдоль линии любой длины. Волновое сопротивление -
комплексная величина, зависимая от частоты и первичных параметров линии. В
общей форме:
Z(co)= Ш±рр, (19.2.1)
v ' л\ G(co) + jcoC v '
Если при достаточно высоком значении сопротивлении изоляции R„ в значении G
пренебречь величиной 1/R„ , то это выражение можно представить в виде:
На частотах более 0.1 МГц отношение R(co)/coC становится много меньше значе-
ний L(co)/C и формула упрощается:
Z(.D) = q.^,
при этом индуктивность жил определяется, в основном, независимой от частоты
межпроводниковой индуктивностью и волновое сопротивление кабеля имеет
преимущественно резистивный характер, практически не зависит от частоты, и
считается номинальным волновым сопротивлением кабеля ZB.
По мере уменьшения частоты отношение R(co)/coC увеличивается, а на частотах
менее 1 кГц становится преобладающим
т.е. содержит соизмеримые действительную и мнимую (емкостную) составляющие.
Каротажные кабели не в полной мере удовлетворяют требованиям однородных
линий. Это не мешает использованию выражения (19.2.1) как в теоретическом
плане, так и при чисто практических расчетах с погрешностью не более 3-5%, если
специфика каротажных кабелей учитывается в функциях частотного распределения
первичных параметров.
ТОО
^ 600
° 500
ь
о
о.
с
о
о
*00
300
200
100
0
-300
100
I
КГ 1x0.75-55-150
^ |Z(b)|
I
1 1
TOO
600
500
400
300
200
100
<o inn -
1-10 MO
Частота, Гц.
1-10
100
\ 1 1
КГ 3x0.75-60-150,
жила-жила
КГ 3x0.75-60-150,
жила-броня
^ КГ 1x0.75-55-150,
/ жила-броня
МО МО"
Частота, Гц.
МО
-50
Идеальный
кабель
1
1
100 МО МО МО
Частота, Гц.
МО
Рис. 19.2.1. Частотные характеристики волнового
сопротивления реальных кабелей.
На рис. 19.2.1(A) приведены расчетные данные по волновому сопротивлению
кабеля. При сравнении с идеальным кабелем можно видеть, что зависимость
волнового сопротивления от частоты остается без изменения, несколько изменяются
только численные значения зависимости. Волновое сопротивление жила-броня
многожильных кабелей при однотипных параметрах жил и брони практически не
отличается от одножильных, а для пар жила-жила отличается только увеличением
числовых значений сопротивления (рис. 19.2.1(B)).
На рис. 19.2.1(C) приведено сопоставление расчетных фазочастотных
характеристик волнового сопротивления реального (сплошная кривая) и идеального
(нанесена пунктиром) кабеля. В целом характеристики сходны, но имеются и
достаточно существенные отличия. За счет существенного возрастания значений
индуктивности на низких частотах, значения и начальный интервал емкостной
составляющей реального кабеля сокращаются, а на частотах выше 10 кГц в волновом
сопротивлении кабеля появляется индуктивная составляющая, которая дает ощутимый
фазовый сдвиг высокочастотных составляющих сигнала.
Следует ожидать, что значительная зависимость волнового сопротивления от
частоты будет затруднять согласование кабеля как с наземной, так и со сква-
жинной аппаратурой.
Частотные характеристики жил кабеля
Характеристики коэффициента передачи сигналов по жилам кабеля,
согласованным с нагрузкой по всему частотному диапазону, определяются передаточной
функцией:
К(со) = е х р [-у(со)Л] = exp[-(p(co)+ja(co))A], (19.2.2)
где: Л - длина кабеля, у(со)Л - комплексный коэффициент распространения
кабеля, Р(со)Л - частотная характеристика затухания кабеля (собственная
частотная функция затухания) , а(со)Л - фазочастотная функция жилы кабеля.
Передаточные функции являются системными функциями кабеля, обобщающими электрические
параметры его токопроводящих жил.
Частота, Гц.
Рис. 19.2.2. Собственный километрический коэффициент
затухания каротажного кабеля.
Частота. Гц.
Рис. 19.2.3. Функция затухания одножильного кабеля.
На рис. 19.2.2 приведены функции километрического затухания близких по
конструкции каротажных кабелей, вычисленные с учетом реальных частотно-зависимых
первичных параметров жил. Нетрудно убедиться в весьма существенном отличии
затухания реального кабеля от затухания идеального кабеля, что определяется,
в основном, электромагнитными потерями высокочастотной энергии в реальных ка-
белях. Характер частотных зависимостей на низких частотах для одно- и
многожильных кабелей практически однотипный. На частотах более 10 кГц затухание
одножильных кабелей несколько выше затухания многожильных, причем для
последних меньшее затухание имеют пары жила-жила.
О достаточной достоверности расчетных данных можно судить по рис. 19.2.3,
где приведено сопоставление расчетных значений собственного километрического
коэффициента затухания одножильного бронированного кабеля с
экспериментальными данными измерений коэффициента затухания сигнала на кабеле, как это
принято - в неперах на 1 км, на разных частотах (нанесены точками).
О 5-105 МО6 0 5000 МО4
Частота. Гц. Частота, Гц.
Рис. 19.2.4. Фазочастотная характеристика кабеля КГ
1x0.75-55-150 (идеальный кабель - пунктир).
Что касается фазочастотной характеристики реального кабеля, то она
практически не отличается от характеристики идеального кабеля по форме и имеет
небольшие изменения числовых значений. Коэффициент фазового сдвига частотных
составляющих сигнала, приведенный на рис. 19.2.4, за исключением начальной
части до частоты порядка 10 кГц, остается прямо пропорциональным частоте.
Однотипность частотных характеристик одно- и многожильных кабелей позволяет
в дальнейшем при рассмотрении зависимостей передаточных функций кабелей от
значений различных параметров ограничиваться типичной средней частотной
характеристикой жил, которая соответствует паре жила-броня многожильного
кабеля .
Частота, Гц. Частота, Гц.
Рис. 19.2.5. Частотные функции скорости и задержки гармоник по
кабелю КГ 1x0.75-55-150 (пунктир - идеальный кабель).
Изменения фазочастотной характеристики кабеля приводят к соответствующим
изменениям скорости передачи и временной задержки гармоник по кабелю без
существенного изменения характера их частотной зависимости, что можно видеть на
рис. 19.2.5.
100 МО3 1-10* МО5 МО6 100 МО3 МО4 МО5
Частота, Гц. Частота, Гц.
Рис. 19.2.6. Входное сопротивление кабеля.
На рис. 19.2.6 приведены расчеты (формулы в предыдущей лекции) зависимости
входного сопротивления жил от частоты при различной длине кабеля и
сопротивлении нагрузки. Частотные функции модуля входного сопротивления и по форме, и
по значениям, мало отличается от функций идеального кабеля (см. рис. 17.3.3
предыдущей лекции). Изменение величины нагрузки сказывается только на
изменении входного сопротивления в области частот ниже 10 кГц. Несогласованность с
нагрузкой в реальном кабеле не вызывает осцилляции функций в области высоких
частот, что объясняется пониженной добротностью реального кабеля.
0.4
Э 0.3
О.
е о.2
1 0.1
О
GO
(О
е- о
-0.1
-0.2
10 100 1 103 МО4 МО5 1 ■ 106 1 ■ 1 о7
Частота, Гц.
Рис. 19.2.7. ФЧХ кабеля.
Что касается фазочастотной характеристики кабелей, пример которой приведен
на рис. 19.2.7, то она по сравнению с идеальным кабелем изменяется
существенно и приобретает преимущественно индуктивный характер, особенно для коротких
кабелей в области средних и низких частот. Это может быть объяснено довольно
существенным увеличением индуктивности реального кабеля по мере уменьшения
частоты.
На рис. 19.2.8 приведены графики модулей рабочих коэффициентов Kp(f)
передачи сигналов по кабелю, вычисленные по формуле (19.2.1'). Сравнением с рис.
19.3.1 можно убедиться в существенном отличии амплитудных характеристик
реального кабеля от аналогичных функций идеального, особенно в области высоких
частот. Электромагнитные потери энергии в реальном кабеле существенно
ограничивают его частотный диапазон. Влияние согласования кабеля с нагрузкой также
достаточно существенно по всему частотному диапазону передачи (рис.
19.2.8(B)) и требует стабилизации ее величины при влиянии дестабилизирующих
факторов.
Рис. 19.2.8. Амплитудно-частотные характеристики ТПЖ кабеля.
Фазочастотная характеристика кабеля практически не отличается от ФЧХ
идеального кабеля и остается прямо пропорциональной значению соЛ, т.е. частоте
сигнала и длине кабеля, при этом коэффициент пропорциональности по своему
значению несколько зависит от величины нагрузки кабеля только в области
низких частот (менее 20 кГц) и только для коротких кабелей. При длине кабеля
более 1.5 км его величина при изменении сопротивления нагрузки в пределах
(0.5^-2) Rb остается практически постоянной.
Неполная согласованность жил кабеля с нагрузкой по частотному диапазону
даже при выполнении равенства R„ = RB проявляется в том, что не существует
кабельного дискрета, который мог бы использоваться для моделирования кабеля
любой длины, как линейной системы, последовательным соединением дискретов. При
таком моделировании результирующий импульсный отклик кабеля на единичный
входной сигнал получается путем последовательной свертки импульсных откликов
кабельных дискретов, что отображается в частотной области перемножением
спектров импульсных откликов дискретов. Однако, как это можно видеть на рис.
19.2.8 (А) , даже при использовании достаточно длинного дискрета длиной 1 км
коэффициент передачи сигнала для кабеля длиной 3 км, полученный перемножением
спектров трех дискретов - [Ki(f)]3, существенно отличается от коэффициента
передачи, вычисленного по формуле (19.2.1'). Следовательно, реальный кабель
определенной длины даже при оптимальном согласовании с нагрузкой (R„ = RB) должен
рассматриваться в виде самостоятельной системы передачи сигналов с
индивидуальными для него частотными характеристиками.
Формулы (19.2.1) не учитывают выходного сопротивления источника сигналов,
т.е. отражают коэффициент передачи сигналов с входа линии на нагрузку при
формировании (и измерении) амплитудных значений сигнала непосредственно на
входе кабеля (сопротивление источника сигнала много меньше входного
сопротивления кабеля на всех частотах). Расчет полного коэффициента передачи сигналов
при формировании сигнала на входе источника сигналов, т.е. с учетом падения
напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигналов, выполняется по той
же формуле (19.2.1) с соответствующим уточнением значения входного напряжения
U„:
U„(f) = Uc(f) ZB х (f)/(ZB х (f) + Z„), (19.2.3)
где Uc - сигнал на входе источника сигналов с внутренним сопротивлением Z„.
о.з
оз
■е-
■е-
о
е
о
о
с
л
с.
<=£
о
е
ш
ю
03
о
с
LLJ
о
с.
03
Е
о
т
ОС
=1
'l'
q.
'l'
с
o.as =:
о.з -
0.15 -
0.1 -
0.05 -
03
■9-
-9-
<г>
о
е
о
Л
С.
о
с
XI
с.
------
<=z
о
2
0j
ю
05
о
с
Ш
о
03
Е
о
т
03
<=z
0j
о.
0j
с
0.45
0.4 -
0.35 -
о.з -
5_КМ
0.25 = - J- -
о.а -_.
0.15 -
0.1 -
0.05 -
КГ 3x0.75-60-1 50
жила-броня.
Л = 1 км
100
1-10
Ro=0.5RE
MO' 1-10
Частота, Гц.
0.4
1- ю
МО
\ Fl0 - RB —
100
RQ = 2RB -v\y
КГ 3x0.75-60-1 50 ч\\
жила-броня -^\v
Л = 5 км
03 q
t ^ 0.35 -
0j
0j
ю
§4-1
Ъ о.з -
Л о 0.15 ^ . J^~m
os
\
FIq - Rb
КГ 3x0.75-60-1 50
0 051_ жнла-броня
Л = 5 км
МО" 1-КГ
Частота, Гц.
МО
100
МО МО
Частота, Гц.
1- ю
Рис. 19.2.9. Полный коэффициент передачи сигналов кабельной линией.
На рис. 19.2.9 приведены графики частотной зависимости модуля полного
коэффициента передачи сигналов кабельной линией от значений длины кабеля и
сопротивления источников сигнала и нагрузки. Как следует из графиков, согласование
кабеля с источником сигналов улучшает форму частотной характеристики и
практически не изменяет относительную зависимость коэффициента передачи сигналов
от частоты. Фазочастотные характеристики жил также практически не изменяются.
Вместе с тем увеличивается относительная зависимость коэффициента передачи от
согласования с нагрузкой. Очевидно, что только определенная стабилизация
значений сопротивления нагрузки и источника сигналов от влияния
дестабилизирующих факторов может гарантировать стабильность коэффициента передачи сигналов.
Передаточная функция кабеля позволяет дать интегральную оценку влияния
изменения первичных параметров жил на амплитудно-частотную характеристику
кабеля. На рис. 19.2.10 приведены графики передаточных функций при возможных в
процессе эксплуатации изменениях первичных электрических параметров жил в
пределах ±10% от номинальных.
Кабель КГ 3x0.75-60-150, жила-броня, длина 5 км. RH = RE
0.5
Изменение
актив ного
сопротивления
100
1-10 МО МО
Частота, кГц.
0.5
о.* -
о.з -
о.а -
0.1 -
Изменение
индуктивности
100
мо мо' мо-
Частота, кГц.
1- ю
Изменение
емкости
мо* Е °.
мо мо-
Частота, кГц.
мо
Изменение
электромагнитных
потерь
100
мо мо мо
Частота, кГц.
мо
Рис. 19.2.10. Изменения амплитудно-частотной характеристики ТПЖ
при изменении ее первичных параметров в пределах ±10%.
Как следует из этих графиков, на низких частотах степень чувствительности
АЧХ жил кабеля порядка 0.5% на 1% изменения активного сопротивления жил,
—0.2% на 1% изменения емкости и индуктивности, и практически отсутствует при
изменении электромагнитных потерь. На высоких частотах характеристики жил
практически нечувствительны к изменениям активного сопротивления и
индуктивности при повышении степени чувствительности к изменениям емкости и
электромагнитным потерям. Учитывая, что в процессе эксплуатации изменения емкости и
электромагнитных потерь много меньше изменений активного сопротивления и
индуктивности (температурных и пр.) и носят, в основном, долговременный
характер (старение кабеля), особое внимание следует обратить на снижение влияния
активного сопротивления и индуктивности на передачу сигналов, тем более что
это может достигаться уже рекомендованным методом в разделе 2: энергия
сигналов должна быть минимальной в области низких частот.
Что касается устойчивости математической модели передаточных функций жил
кабеля к изменению постоянных коэффициентов во всех расчетных формулах
(частотная постоянная «а» в (19.1.1''), коэффициент учета конструкции кабеля «Ь»
в (19.1.5) и пр.), то степень чувствительности передаточных функций к их
изменению на порядок ниже, что свидетельствует о достаточной точности модели
(не хуже 3-5% по рекомендованным средним значениям). Исключением является
коэффициент электромагнитных потерь ц прямого действия, значение которого уста-
навливается непосредственно по передаточной функции (затуханию сигнала на
высоких частотах) и приводит модель к фактическим (или паспортным) данным
реального кабеля, фиксируя тем самым все возможные факторы отклонения
характеристик реального кабеля от идеальной линии передачи сигналов.
19.3. ИМПУЛЬСНЫЙ
ОТКЛИК КАБЕЛЯ
Полной математической моделью кабеля в реальном масштабе времени, которой
обобщаются все электрические параметры жил, является импульсный отклик жил -
форма сигнала на нагрузке жилы при подаче на ее вход единичного дельта-
импульса. Импульсный отклик находится обратным преобразованием Фурье
частотной передаточной функции кабеля: h(t) <=> Kp(f). Точность математической модели
передаточной функции определяет соответствующую точность модели импульсного
отклика жилы кабеля.
0.035
1 1 Г
Нормированный импульсный отклик
КГ 3x0.75-60-1 50 жила-броня.
0.06
Ян -
so 100
Время, мкс.
5 0.03 -
-0.03
А= 1 км. Zn~ 1 Ом.
КГ 3x0.75-60-1 50 жила-броня
_L
_L
_L
_L
_L
Rh= 2 RB
I
t3 ю
15
20 25 3t3 30
Время, мкс.
35
40
45
Рис. 19.3.1. Нормированные импульсные отклики кабеля.
При работе в частотном диапазоне до 1 МГц временной масштаб импульсного
отклика целесообразно установить в микросекундах и вычислять отклик кабеля на
единичный входной импульс U-At = 1 (вольт-микросекунда) , при этом масштаб
значений интегрального импульсного отклика кабеля на микросекундной временной
оси также будет измеряться в вольтах, а площадь импульсного отклика в
(вольт-мкс) , как и положено при прохождении импульса в пассивной линейной
системе с потерями энергии, будет меньше 1.
На рис. 19.3.1(A) приведены импульсные отклики кабеля, вычисленные
преобразованием Фурье по функции Kp(f). Задержка t3 фронта откликов (показана
пунктиром) соответствует расчетному времени задержки на высоких частотах. Форма
импульсного отклика жилы кабеля складывается из двух примерно экспоненциальных
функций: короткой "зарядной" функции, определяющей фронт отклика, и длинной
"разрядной" реакции жилы. При полном согласовании модели с электрическими
параметрами жилы на интервале 0-t3 не должно быть никакой реакции, что позволяет
производить уточнение основных коэффициентов модели (Кс, D и ц) приведением
отклика на данном временном интервале к мало значимым значениям и их
обнулением (при условии, что значение обнуляемой площади отклика не превышает 1-2%
его полной площади). В связи с зависимостью рабочего коэффициента передачи
сигнала от длины кабеля вышеописанное уточнение импульсного отклика для
кабелей определенной длины, если имеется необходимость в повышении точности
модели, может производиться индивидуально. Появление при расчете существенного
отрицательного выброса перед фронтом импульсного отклика свидетельствует о
заниженном значении коэффициентов □ или эффективного диаметра D и
сопровождается, как правило, занижением расчетных значений волнового сопротивления RB
относительно фактических (измеренных или среднестатистических). Ликвидацию
выброса целесообразно выполнять подбором сначала коэффициента ц (грубо), а
затем диаметра D (точно).
При Z„ => 0 форма собственного импульсного отклика кабеля существенно зависит
от согласования с нагрузкой. Это определяется тем, что при несогласованной
нагрузке отраженная от нагрузки волна полностью отражается от источника
сигнала и через утроенное время задержки снова появляется на выходе кабеля,
создавая второй пик на спаде отклика, положительный при R„ < RB или отрицательный
при R„ > RB, что можно видеть на рис. 19.3.1(B) в относительных единицах от
максимума отклика. Это позволяет подбором нагрузки R„ > RB использовать
повторный отрицательный пик для компенсации спада импульсного отклика и
уменьшать его длительность (пример приведен на рисунке). Оптимальное согласование
достигается при значении R„ порядка (1.2-1.5)RB в зависимости от длины кабеля
(при увеличении длины кабеля этот эффект уменьшается в связи с большим
затуханием отраженных волн при двойном прохождении по кабелю). Для кабелей,
согласованных с источником сигнала (Z„ ~ RB) , эффект несогласования с нагрузкой
уменьшается практически на порядок.
x(t)
y(t)
входной сигнал
выходной сигнал:
— линейная свертка
--- циклическая свертка
- 0.2
КГ 3x0.75-60-1 50
жила-броня
- 0.1
аз
Время, мне.
Рис. 19.3.2. Форма сигналов.
На рис. 19.3.2 приводятся результаты сопоставления формы импульса на
нагрузке жилы кабеля при двух вариантах расчета:
1. Линейная свертка входного сигнала x(t) с импульсным откликом кабеля h(t)
(свертка во временной области в дискретном варианте с интервалом
дискретизации данных через 0.1 мкс):
y(t) = h(t) X(t-T).
2. Через спектральную область (с использованием быстрого преобразования
Фурье) умножением спектра сигнала на передаточную функцию кабеля (так
называемая циклическая свертка):
x(t) => X(f). Y(f) = X(f) Kp(f). Y(f) => y(t).
Форма сигналов практически идентична, что позволяет использовать для
дальнейшего анализа и вычислений, как циклическую свертку, так и оператор
импульсного отклика.
R+0.1R
1 1—
КГ 3x0.75-60-150
жила-броня.
Изменение
сопротивления ТПЖ
R-0.1R
0.03 -
0.02 -
— 0.01
I |
КГ 3x0.75-60-1 50
жила-Броня.
35 40
Время, мкс.
Изменение
электромагнитных
потерь
35 40
Время, мкс.
Рис. 19.3.3. Зависимость импульсных откликов ТПЖ кабеля от
изменения первичных электрических параметров.
Влияние изменения первичных электрических параметров жил на форму
импульсного отклика приведено на рис. 19.3.3. Активное сопротивление жилы
практически не изменяет форму отклика и несколько изменяет постоянную времени его
«хвоста» за счет изменения низкочастотного состава спектра передаточной
функции. Аналогично влияние изменения индуктивности жил. Более существенно
изменение амплитудных значений импульсного отклика при изменении электромагнитных
потерь, относительное значение изменения которых приводит к практически
такому же относительному изменению амплитуды отклика (обратному по знаку), так
как пиковое значение отклика формируется высокочастотными составляющими
спектра передаточной функции жил. Влияние изменения емкости жил и по содержанию,
и по числовым значениям практически аналогично влиянию изменения
электромагнитных потерь.
Таким образом, реальный кабель представляет собой линию связи с пониженной
добротностью и существенной нелинейной зависимостью передачи сигналов от
длины кабеля. Каждый тип каротажного кабеля определенной длины представляет
собой самостоятельную и индивидуальную систему передачи сигналов. Фактор
пониженной добротности каротажных кабелей в рамках общей теории однородных
длинных линий можно учитывать введением в расчетные формулы вторичных
электрических параметров жил дополнительного коэффициента электромагнитных потерь.
Математические модели передаточной функции и импульсного отклика кабеля с
учетом его фактических частотно-зависимых электрических параметров и понижен-
ной добротностью отображают реальные электрические параметры кабеля с
точностью не хуже 5 %.
Литература
1. Горбенко Л.А., Месенжник Я.З. Кабели и провода для геофизических работ.
- М.: Энергия, 1977.
2. Гроднев И.И., Фролов Н.А. Коаксиальные кабели связи. - М. : Радио и
связь, 1983. - 209 с.
3. Стрижевский Н.З. Коаксиальные видеолинии. - М. : Радио и связь, 1988. -
200 с.
ТЕМА 20. ИМПУЛЬСНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КАРОТАЖНОГО КАБЕЛЯ
«Когда дело доходит до разбора конкретных
случаев, все оказывается сложнее».
Альбер Камю. Физик, XX в.
«Сложности - дело житейское. Сами создаем,
сами преодолеваем. В этом весь смысл
исконно российской героики».
Евгений Кучурин. Уральский геофизик, XX в.
ВВЕДЕНИЕ
Импульсная пропускная способность кабеля, равно как и возникающие при этом
искажения передаваемых сигналов, полностью определяются передаточной функцией
жил. Однако передаточная функция, как индивидуальная характеристика жилы
определенной длины, мало пригодна для сопоставления эффективности различных
методов кодирования данных и сравнения различных типов кабелей по скорости
передачи данных. Для этих целей желательно иметь нормированную числовую
характеристику .
20.1. ИНДЕКС
НЕ ОПРЕ ДЕ ЛЕ ННОС ТИ
КАБЕЛЯ
Все дальнейшие вычисления проводятся на кабеле, согласованном с нагрузкой,
если отклонения от согласованности специально не оговорены.
Принцип неопределенности
Эффективная длительность произвольного импульсного сигнала (или импульсного
отклика линейной системы) и эффективная ширина его спектра (передаточной
функции системы) связаны определенным постоянным соотношением. Чем меньше
длительность сигнала (отклика), тем больше ширина его спектра. Согласно
принципу неопределенности, для любого сигнала и системы должно выполняться
соотношение :
где AT - длительность сигнала (или импульсного отклика системы), АО - ширина
спектра сигнала (полоса пропускания системы), при условии, что мерой
эффективной длительности сигнала и эффективной ширины спектра служат вторые
моменты функций распределения сигнала и спектра, т.е. средние квадратические
отклонения от центра временного распределения сигнала и от центра спектрального
распределения (последний, при двустороннем распределении относительно нуля
частот, равен нулю) . Для произвольной системной функции h(t) <=> Н(ш), заданной на
интервале 0 - оо , значения AT и АО определяются по формулам:
АТАО >
(20.1.1)
2
(20.1.2)
Jf2|H(f)|2 df
(Afi)2 = 4 =^ . (20.1.3)
j|H(f)|2 df
-co
В таблице 20.1.1 приведены расчетные значения параметров кабеля,
вычисленные по вышеприведенным формулам. Полная физическая длительность импульсного
отклика в первом приближении должна приниматься равной 2АТ, а ширина спектра
(с учетом отрицательных частот) равной 2Afi. В области реальных (только
положительных) частот параметр АО может отождествляться с реальной полосой
пропускания системы (реальной шириной спектра сигнала).
Таблица 20.1.1. Импульсные параметры кабелей.
Тип кабеля и ТПЖ
ОБК
МБК, жила-броня
МБК, жила-жила
Длина кабеля, км.
3
5
7
3
5
7
3
5
7
ATk отклика, мкс.
19.2
32 . 9
48.3
14.1
26.1
40.9
8.21
17 .4
29.7
Afik отклика, кГц.
67 . 6
26.2
15.2
83. 6
34 .4
19.4
102
40.1
22 .1
Индекс ATkAfik
1.30
0.86
0.73
1.18
0.89
0.79
0.84
0.70
0.66
Ограничения передачи сигналов
В принципе, индекс неопределенности кабеля ATkAfik, равно как и входящие в
него параметры АТК и АОк, не устанавливают каких-либо жестких ограничений по
импульсной пропускной способности кабеля, особенно для импульсных сигналов, так
как она существенно зависит как от системы формирования импульсных
последовательностей и, соответственно, определенных априорных данных для идентификации
сигналов на выходе кабеля, так и от уровня статистических шумов линии
передачи сигналов. Однако следует учитывать, что при передаче импульсов с Afi > AfiK
система приводит (в той или иной мере) индекс неопределенности сигналов к
собственному индексу неопределенности, а при установленном значении
Afikсистемы это накладывает ограничения на длительность импульсов. При этом различают
полнометрическую, параметрическую и кодовую передачу сигналов.
При полнометрической передаче на выходе кабеля требуется сохранить форму
входных сигналов, что, естественно, возможно только с определенной
погрешностью и только для сигналов, эффективная ширина спектра которых минимум на
порядок ниже ширины спектра передаточной функции кабеля и достаточно быстро
затухает . В общем случае, возможность восстановления сигналов на выходе кабеля
методами частотной коррекции передаточной функции кабеля, а равно и
погрешность восстановления, определяется безвозвратными потерями высокочастотных
информационных составляющих сигналов. С учетом этого импульсный сигнал
произвольной формы без скачков и угловых изломов может быть восстановлен на выходе
кабеля, если эффективная ширина его спектра не превышает эффективной ширины
спектра кабеля, а сам сигнал задается на интервале не менее 2АТкс выходом на
нулевые значения по его краям и длительность его фронтов не меньше
длительности фронта импульсного отклика кабеля (по уровням 0.1 и 0.9 амплитудных
значений) .
При параметрической передаче сигналов кабель должен обеспечивать линейную
передачу определенных параметров сигналов и достаточно точное измерение их
значений на выходе кабеля. К ним обычно относятся: амплитудные значения,
значения площади (энергии) сигналов или временные интервалы между сигналами. По
существу, это частный и достаточно упрощенный вариант полнометрическои
передачи произвольных сигналов. Без восстановления формы сигналов минимальный
временной интервал следования сигналов при определениях амплитуд и площадей
(энергии) определяется длительностью спада импульсного отклика кабеля (до
требуемых значений остаточной реакции на предыдущий импульс). При
использовании систем коррекции (восстановления) сигналов форма и входных, и выходных
сигналов (после коррекции) может быть произвольной. При формировании входных
сигналов на интервале не менее2АТк точность измерений может быть не менее 1%.
Идентификация кодовых сигналов гарантирована при любой форме приема
сигналов (с коррекцией и без коррекции) и при любой форме входных сигналов,
задаваемых на интервале 2АТк. При использовании корректоров сигналов битовый
интервал может быть сокращен до ATk, а при априорно известном интервале битовых
посылок и жесткой структуре кодовых слов - и еще более.
Как видно из данных, приведенных в таблице 20.1.1, каротажные кабели имеют
довольно низкие параметры пропускания импульсных сигналов. Кроме того, все
вышеизложенное не учитывает уровня статистических кабельных помех, которые
могут значительно усложнить прием сигналов.
Импульсы на входе ТПЖ
аз
®
1 1 1 1
■ ■
■ ■
м ■
■ —
■ 1
■
■
■
■1
ш »
■ ■
■ ■
■ ■
■ ■
■ ■
■ *
■ "
ж ■
1 1
■
■
■
■- 1
Импульсы на выходе ТПЖ
1
КГ 3x0.75-60-150
жила-броня
ю ао зо 40 50 бо
Время, мкс.
Л = 5 км
100 150
Время, мкс.
200
Спектры входных импульсов.
1X1
О
О-
о
0.5 —
АЧХ ТПЖ.
Треугольный импульс
1- ю
КГ 3x0.75-60-1 50
жила-броня
Л = 5 км
FIh - Fie
Прямоугольный импульс
1-10
МО
Частота, Гц.
Рис. 20.1.1. Форма и спектры однополярных импульсов,
1- ю
На рис. 20.1.1(А, В) для жил кабеля КГ 3x0.75-60-150 длиной 5 км приведена
форма двух типов импульсов, полярных по своим индексам неопределенности, в
границах интервала 2АТК кабеля (граница интервала выделена вертикальным
пунктиром) . Прямоугольный импульс из всех типов простых импульсов имеет
наибольший индекс неопределенности. У треугольного сигнала индекс неопределенности
только на 10% больше индекса гауссовских сигналов, имеющих предельно
возможный минимальный индекс 1/71. Эффективная длительность сигналов установлена
такой, чтобы при свертке с импульсным откликом жилы амплитуды импульсов на
выходе кабеля были примерно равными, что позволяет наглядно сравнить качество
передачи данных сигналов по кабелю. На рис. 20.1.1(C) приведены модули
спектров сигналов в высокочастотной области в сравнении с модулем передаточной
функции жилы. Для наглядности сравнения спектры нормированы по максимальным
значениям к 1.
Таблица 20.1.2.
Параметры однополярных сигналов на нагрузке кабеля КГ 3x0.75-60-150.
Тактовый
интервал
Т= 2АТк
Т=АТк
Сигналы
Входные
Выходные
Входные
Выходные
Параметры
П
Л
П
Л
П
Л
П
Л
AT импульса, мкс.
15.3
11.2
30.2
29.7
7.8
5.5
27 .3
27 .1
АО импульса, кГц.
326
31.2
16.2
16.6
456
63. 6
22.7
23.8
Индекс ATAfi
4 . 98
0.35
0.49
0.49
3.56
0.35
0.62
0.64
Как следует из этих рисунков, оба типа сигналов имеют существенные потери в
области частот выше Afik. Форма сигналов на выходе жил становится практически
идентичной. Последнее наглядно показывают импульсные характеристики сигналов,
приведенные в таблице 20.1.2. При сокращении интервала задания импульсов до
величины АТК импульсные характеристики сигналов практически приводятся к
импульсным характеристикам жил кабеля. Отсюда следует, что на предельных
частотах передачи сигналов форма входных импульсов значения не имеет. В
относительных единицах АТК динамика временных процессов в кабелях различных типов и
различной длины также идентична, что позволяет индекс неопределенности ATAfi и
входящие в него параметры AT и Afi считать основными импульсными числовыми
характеристиками систем и использовать их в качестве относительных единиц
сравнительного анализа. С учетом этого дальнейший анализ будем проводить, как
правило, на один кабель (типа КГ 3x0.75-60-150) длиной 5 км с временными
параметрами сигналов в единицах (относительных долях) параметра ATk.
Простейший кодовый сигнал двоичной разрядности, это конечная
последовательность однополярных битовых сигналов 0 или 1 с определенной тактовой частотой.
В пределе, на одном тактовом периоде сигнал 1 может представлять собой
импульс с единичной площадью и с длительностью, много меньшей длительности
тактового интервала, т.е. физическое приближение дельта-импульса. Выходным
сигналом кабеля в этом случае будет импульсный отклик кабеля. Соответственно,
кодовое слово будет представлять собой сумму импульсных откликов на
последовательность битовых сигналов.
Пример такой выходной последовательности с длительностью тактового
интервала, равной 2АТк, кабеля, приведен на рис. 20.1.2. Предельное максимальное
смещение нулевой линии последовательности, определяемое асимметрией импульсного
отклика, не превышает 1/5 амплитудного значения отклика и является
максимально возможным для кабеля при любой последовательности кодовых импульсов и при
любой их длительности в пределах тактового интервала. Выход на практически
нулевые значения - 3 тактовых интервала после импульса. Сокращение тактового
интервала до величины ATk приводит к смещению нулевой линии до 2/3 от
амплитуды импульсного отклика и практически исключает возможность идентификации
импульсов на выходе кабеля, особенно в присутствии шумов.
О 100 300 300 400 500 600 ТОО
Время, мкс.
Рис. 20.1.2. Последовательность импульсных откликов
на выходе кабеля (такт 2АТк).
Таким образом, при передаче по кабелю двоичных кодовых сигналов без
применения на выходе кабеля частотных корректоров максимальная частота
гарантированной передачи однополярных сигналов по кабелю соответствует тактовым
интервалам, равным удвоенному значению эффективной ширины импульсного отклика
кабеля, при этом сигналы с гладкой формой и минимальной шириной спектральной
характеристики не имеют преимуществ перед прямоугольными сигналами.
20.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФОРМА СИГНАЛОВ
Однополярные импульсы, рассмотренные в предыдущем разделе, по отношению к
электрическим параметрам кабеля и его частотным характеристикам не являются
оптимальными. Практически все первичные и вторичные электрические
характеристики кабеля, за исключением емкости, существенно нелинейны в области низких
частот, где сосредоточена значительная часть энергии однополярных сигналов.
Соответственно, кабель оказывается рассогласованным на этих частотах с
источником сигнала и нагрузкой, а стабильность передачи сигналов зависит от
изменения степени рассогласования при влиянии на кабель дестабилизирующих
факторов (температуры, условий заземления оплетки в скважине и пр.) . При
однополярных сигналах на ограничение импульсной пропускной способности кабеля
оказывает свое влияние и существенное смещение нулевой линии, определяемое
резкой асимметрией импульсного отклика кабеля и, соответственно, зависимое от
конкретной импульсной нагрузки кодового слова. По этой же причине для
однополярных кодов не может быть выполнена система надежной автоматической
синхронизации тактовых частот передатчика и приемника, весьма существенная для
каротажных станций.
Решение данной проблемы в радиотехнике известно: частотное
перераспределение энергии сигналов со смещением в средне- и высокочастотную область спектра
кабеля, т.е. применение биполярных сигналов с нулевым средним значением по
тактовым интервалам.
На рис. 20.2.1 приведена форма двух входных и выходных биполярных сигналов
равной энергии пределах одного тактового периода (сплошная линия - один
период меандра, пунктир - период синусоиды). Как и в предыдущем разделе, в
качестве примера используется кабель КГ 3x0.75-55-150 длиной 5 км, а параметры
сигналов и период их следования определены с привязкой на параметры кабеля
значениемТ = 2АТК. Среднее значение сигналов в пределах тактового периода равно
нулю. Модули спектров сигналов приведены в нормированном виде в сопоставлении
с передаточной функцией кабеля (пунктирная кривая). Импульсные параметры
сигналов на входе и выходе кабеля приведены в таблице 20.2.1.
Импульсы на входе ТПЖ
I
аз
g
EZ
<
20 40
Время, мкс.
o.as
0.2
0.15
0.1
0.05
о
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
Импульсы на выходе ТПЖ
1
КГ 3x0.75-60-150
жила-броня
Л = 5 км
100 150
Время, мкс.
200
Период синусоиды
Биполярный П - импульс
КГ 3x0.75-60-1 50
жила-броня
Л = 5 км
rh - RB
1-10
1 -10
1-10
1-10
Частота, Гц.
Рис. 20.2.1. Форма и спектры биполярных импульсов.
Таблица 20.2.1. Параметры биполярных сигналов на кабеле КГ 3x0.75-60-150.
Тактовый
интервал
Т= 2АТк
Т=АТк
Сигналы
Входные
Выходные
Входные
Выходные
Параметры
Би-П
Син.
Би-П
Син.
Би-П
Син.
Би-П
Син.
AT импульса, мкс.
30.3
27 . 9
39.3
36.2
15.2
13. 9
24 . 9
23.5
АО импульса, кГц.
400
38.2
26.3
28.2
566
76.4
44 .1
48.0
Индекс АТАО
12.1
1.06
1.03
1.02
8.06
1.07
1.10
1.13
Естественно, что для биполярных сигналов значение АО увеличилось, но при
этом существенно увеличились и значения АО выходных сигналов и амплитудные
характеристики выходных сигналов изменились несущественно. Гладкая форма
входных сигналов на предельных тактовых частотах не имеет преимуществ перед
прямоугольными импульсами, по крайней мере, для устройств без частотной
коррекции передаточных функций жил.
Пример двоичного кодового сигнала, переданного биполярными П-импульсами с
тактовым интервалом Т = 2АТК, приведен на рис. 20.2.2(B). Пунктиром на рисунке
приведена форма единичного (первого) импульса. При сравнении с рис. 20.1.2
можно видеть преимущества биполярной передачи сигналов.
Кабель КГ 3x0.75-60-150, жила-броня, длина 5 км, Rh = Rb. Код - 10111111101
ос
03
<
1200
100
200
300 400
Время, мкс.
500
600
200
Время, мкс.
100 120
Время, мкс.
200
Рис. 20.2.2. Кодовый сигнал на выходе кабеля при
различной тактовой частоте.
В первых, биполярные импульсы не дают смещения нулевой линии в пределах
кодового слова, при этом по внутритактовому пересечению нуля может выполняться
автоматическая синхронизация тактовых частот передатчика и приемника.
Во вторых, импульсы отрицательной полярности представляют собой дублирующую
кодовую информацию, сдвинутую на половину такта. Она также может быть
использована для повышения достоверности идентификации импульсов и допустимого
уровня шумов (детектирование сигналов по полярности на два канала, задержка
канала положительных импульсов на полтакта, инверсия полярности канала
отрицательных импульсов и суммирование каналов, при этом амплитуды импульсов
увеличиваются в 2 раза, а среднеквадратический уровень статистических шумов
уменьшается в -.[2 раз) .
На рис. 20.2.2(А,С) приведены выходные сигналы с тактовыми интервалами
передачи 4АТк и АТк при единичных амплитудах входных биполярных сигналов. На
тактовых интервалах 4АТк взаимное влияние битовых импульсов исключается
практически полностью. На интервалах АТк взаимное влияние битовых сигналов становится
достаточно существенным, но идентификация сигналов по синхроимпульсам
сомнений не вызывает. Без специальных устройств декодирования сигналов этот
интервал может считаться предельным для передачи данных с использованием
биполярных кодов.
Попутно заметим, что первые импульсы в кодовых комбинациях при I = АТк, а.
также импульсы после предыдущих нулевых битов, несколько больше по своим
значениям последующих единичных импульсов в непрерывной последовательности. При
необходимости этот эффект может быть устранен уменьшением амплитуды импульсов
входного сигнала, следующих за нулевыми интервалами.
Следовательно, для биполярных сигналов значение АТк можно считать тактовым
интервалом гарантированной идентификации кода при любой форме сигнала.
В принципе, для биполярных сигналов интервал АТк не является предельным.
Биполярная форма импульсов позволяет подобрать соотношение длительности
положительных и отрицательных частей импульсов (или их амплитудных значений) таким
образом, чтобы частично компенсировать асимметрию импульсного отклика кабеля.
На рис. 20.2.2(D) приведен пример формы сигналов на выходе кабеля для
биполярных импульсов на входе кабеля с тактовым интервалом 0.5-АТк при равных
значениях длительности импульсов и амплитуде отрицательного импульса порядка 3/4
амплитуды положительного. Амплитудная асимметрия биполярного импульса создает
"разрядный" импульс на входе кабеля, обратный ток которого, сдвинутый на
полтакта, вычитается из тока среза "зарядного" импульса и компенсирует тем самым
обратную по знаку асимметрию импульсного отклика кабеля. Результатом является
практически симметричная однополярная форма единичного выходного сигнала
(показана пунктиром) и одноуровневая форма кодового слова, которая хорошо
декодируется.
Таким образом, оптимальной формой импульсов для каротажного кабеля при
кодовой передаче информации, обеспечивающей максимальную скорость передачи
данных, можно считать биполярный импульс типа одного периода меандра.
20.3. КОДОВЫЕ СИГНАЛЫ
Скорость передачи информации (бит/с) зависит не только от тактовой частоты
передачи данных, но и от сетевого протокола кодирования информации. Хотя
каротажную линию передачи данных с трудом можно отнести к информационной
магистрали, скорее это специальная технологическая линия управляемого сбора
данных, тем не менее, протокол передачи каротажных данных целесообразно
заимствовать из стандартов открытых систем обмена информацией OSI (Open System
Interconnect) .
С учетом специфики каротажных систем и условий эксплуатации (один приемник,
большое разнообразие и частая смена передатчиков - скважинных приборов) для
каротажных систем используются, как правило, только двух и трехуровневые коды
RZ (Return to Zero), NRZ (Non Return to Zero) и Манчестер-II.
Двухуровневый код NRZ (ноль - нижний уровень, 1 - верхний) и его вариант
обратной полярности NRZI имеет информационные переходы на границе битов.
Максимальная частота кода - при чередовании единиц и нулей, минимальная
(нулевая) - при передаче последовательности одинаковых битов. Достоинство кода -
максимальная простота. Основной недостаток - отсутствие надежной
синхронизации и, соответственно, необходимость для синхронизации специальных (пакетных
старт-стоповых) служебных битов.
Трехуровневый код RZ обеспечивает возврат к нулевому уровню после каждого
бита информации. Логическому нулю соответствует положительный импульс,
единице - отрицательный, Информационный переход осуществляется в начале бита,
возврат к нулю - в середине бита. Код синхронизируется по битам переходом по его
центру.
I I I
I I
I I
строб - импульсы
битовая последовательность ■
г;1
О I О I о. О
I-;
1:1:1:10:0
I I I I i
о !~ о ! о 1 о 1 t
1 1 1 _ _
| | 1 1 |__J._
_L
400
600
Время, мкс.
300
1000
Кабель КГ 3x0.75-60-150, жила-броня, длина 5 км. Тактовый интервал Т=2 ДТк
200
400
600
Время, мкс.
300
1000
Рис. 20.3.1. Примеры кодировки сигналов и форма сигналов на выходе кабеля.
Код Мачестер-П является наиболее распространенным двухуровневым
самосинхронизирующимся кодом. Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень
в центре битового интервала с возвратом на нижний по концу битового
интервала, если следующий бит также нулевой. Соответственно, логической единице -
переход на нижний уровень с возвратом на верхний по концу интервала, если
следующий бит также 1. Бит обозначен переходом в центре бита, по которому
выделяется синхросигнал. Максимальная частота кода - при передаче
последовательности нулей или единиц. При чередовании нулей и единиц частота кода
уменьшается в два раза. Несомненное достоинство кода - отсутствие постоянной
составляющей при передачах длинных последовательностей нулей или единиц.
На рис. 20.3.1(A) приведен пример кодировки битовой последовательности
тремя данными кодами по тактовым интервалам 2АТК жилы кабеля. Выходные сигналы
кабеля приведены на рис. 20.3.1(B). Масштаб выходных сигналов (утолщенные
линии) - в относительных единицах амплитуды входных сигналов. Тонкими линиями
показаны входные сигналы, приведенные к выходу кабеля с учетом безвозвратных
потерь энергии умножением на площадь импульсного отклика и смещенные на время
задержки.
Сравнение кодов достаточно наглядно. Скорость передачи данных fp = 1/(2АТк)
бит/с можно считать предельной для всех трех типов кодов. Код NRZ имеет
преимущество и запас "прочности" по амплитудным параметрам выходных сигналов, но
без "жесткой" синхронизации приемника надежное декодирование сигналов не
гарантируется. Амплитудные характеристики кода Манчестер-П практически в 2 раза
лучше кода RZ и, соответственно, выше помехозащищенность кода и надежность
автосинхронизации.
Заметим также, что частотный спектр кода Манчестер-П содержит только две
несущих частоты: fp при передаче нулей и единиц, и fp/2 при чередовании нулей и
единиц (см. рис. 20.3.2). Это позволяет при приеме сигналов применять
полосовые фильтры и тем самым повышать помехозащищенность линии передачи данных.
0j
г
05
о.
i-
0j
с
о
XI
с.
=£
о
1 -
Код Манчестер-П
АЧХ ТПЖ
7
0.5 -
1-10
Черевованне
нулей и единиц
КГ 3x0.75-60-1 50 -I
жила-броня
Последо вательность
нулей или единиц
1-10
Частота, Гц.
Л = 5 км
1- ю
Рис. 20.3.2. Частотные характеристики кода Манчестер-П.
Выводы:
1. Основными числовыми характеристиками системы передачи данных, полностью
определяющими скорость и качество передачи данных, являются эффективная
ширина частотного спектра пропускания системы АО, эффективная ширина
импульсного отклика системы AT и индекс неопределенности АТАО.
2. Максимальная скорость передачи однополярных импульсных сигналов по
кабелю соответствует тактовым интервалам, равным удвоенному значению эф-
фективной ширины импульсного отклика кабеля. Максимальная скорость
передачи биполярных сигналов соответствует тактовым интервалам, равным
значению эффективной ширины импульсного отклика кабеля.
3. На предельной частоте передачи сигналы с гладкой формой и минимальной
шириной спектральной характеристики (минимальным значением индекса
неопределенности) не имеют преимуществ перед прямоугольными сигналами.
4. Оптимальной формой импульсов для каротажного кабеля при кодовой
передаче сигналов, обеспечивающей максимальную скорость передачи данных,
являются биполярные импульсы. Основным кодом передачи каротажных данных,
максимально использующим возможности каротажного кабеля, можно считать
код Манчестер-П.
Литература
1. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. - М.: Мир, 1988. - 336 с.
ТЕМА 21. ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ПО КАБЕЛЮ
«Гораздо труднее увидеть проблему, чем
найти ее решение. Для первого требуется
воображение, для второго - только
умение» .
Джон Бернал. Английский физик, XX в.
«Ученые склонны преувеличивать ценность
своего воображения. Между тем, в основе
постановки любой проблемы лежит
благоприятный прогноз "погоды" на ее
решение. Причем, с учетом принципа
ветеринара - лекарство не должно быть дороже
пациента, которому оно назначается».
Александр Рукавичников. Уральский
геофизик , XX в.
ВВЕДЕНИЕ
Принципы частотной коррекции сигналов при их искажениях в линиях связи
известны. Отметим сразу, что говорить о метрологически точном восстановлении
сигналов с определенной погрешностью, задаваемой метрикой выходного и
входного сигналов, имеет смысл только в том случае, если эффективная ширина спектра
сигналов много меньше эффективной ширины спектра импульсного отклика кабеля и
затухает достаточно быстро. Если эти условия выполняются, то полная частотная
коррекция передачи сигналов может быть выполнена инверсией импульсного
отклика кабеля (без учета временной задержки сигналов). Такая инверсия, в
принципе , возможна, но практического интереса не представляет. Это определяется
тем, что спектральная плотность импульсного отклика жил кабелей меньше 1 по
всему частотному диапазону с затуханием, близким к монотонному, также по
всему частотному диапазону, начиная с частот 1-10 кГц. Фильтры деконволюции
таких импульсных откликов имеют значительные (до нескольких тысяч) коэффициенты
усиления дисперсии шумов, а потому рассматривать этот вариант не имеет
смысла. Соответственно, для широкополосных сигналов, передаваемых по кабелю,
возможна только частичная деконволюция импульсного отклика жил, т.е. применение
фильтров сжатия импульсных откликов жил до определенной формы. Оптимальной с
позиции минимального значения коэффициента усиления дисперсии шумов в этом
случае считается симметричная гауссовская форма выходных импульсов фильтров
частичной деконволюции (ЧД) импульсных откликов.
Методику расчета фильтров ЧД будем рассматривать в общей форме, возможности
технической реализации в реальном масштабе времени в аналоговой форме (транс-
версальные фильтры на линиях задержки) и в чисто цифровой форме с
использованием амплитудно-цифровых преобразователей (АЦП) при дискретизации сигналов на
выходе кабеля и микропроцессоров обработки цифровых данных в реальном
масштабе времени.
21.1. ФИЛЬТР
ВОССТАНОВЛЕНИЯ
ФОРМЫ СИГНАЛОВ
Коррекция формы выходных сигналов обычно применяется только для кабелей
небольшой длины при прямой передаче сигналов геофизических детекторов на
измерительные приборы. С учетом этого, все нижеследующие расчеты выполняются в
качестве примера для кабеля КГ 1x0.75-55-150 длиной 2 км.
Общая методика
синтеза фильтров
Общая методика синтеза фильтров ЧД (которая в следующем разделе будет
использоваться и для расчетов фильтров ЧД кодовых импульсных сигналов) включает
следующие операции:
1. Задание длины кабеля, определение его импульсного отклика и сдвиг
отклика (по началу значимых значений фронта) в начало координат. Сдвинутую функцию
будем считать амплитудным откликом h(t) кабеля (без учета задержки сигнала) и
выполняем преобразование Фурье h(t) => Н(ш).
2. Задание формы выходного импульса z(t) фильтра ЧД в виде гауссовской
функции (или любой другой с ограниченным и быстро затухающим спектром) и
определение его спектра z(t) <=> Z(co). Временное расположение импульса z(t) должно быть
таким, чтобы площадь импульса практически полностью располагалась за пределами
фронта импульсного отклика кабеля h(t). Максимум z(t) должен располагаться за
максимумом отклика кабеля. В принципе, он может задаваться на максимуме и до
максимума импульсного отклика, но это ухудшает параметры оператора ЧД.
Площадь z(t) при метрологической коррекции сигналов должна быть равна площади
импульсного отклика. При восстановлении кодовых сигналов этот параметр не
нормируется .
Время, мкс.
Рис. 21.1.1. Форма импульсов.
На рис. 21.1.1 приведены примеры формы сигналов, нормированные по амплитуде
к 1 для наглядности сравнения. Ширина гауссовского импульса (значение
стандарта - среднеквадратического отклонения от центра импульса) подбирается по
допустимому коэффициенту усиления дисперсии шумов (после расчета оператора
ЧД) . Для приведенных далее расчетов площади импульсов установлены равными,
ширина импульса z(t) установлена такой, чтобы коэффициент усиления дисперсии
шумов был не более 4 (амплитудное усиление шумов не более 2), при этом
амплитудное усиление сигналов порядка 4.7, что позволяет повысить отношение
сигнал/шум не менее чем в 2 раза.
3. Вычисление спектральной плотности передаточной функции фильтра ЧД,
которое выполняется по формуле:
Hd(co) = Z(co)/H(co). (21.1.1)
При равных площадях импульсного отклика кабеля и функции z(t) значения спек-
тров Z(co) и Н(ш) при ш=0 равны и, соответственно, их отношение равно 1, т.е.
коэффициент усиления фильтром ЧД постоянной составляющей равен 1. Для фильтров
ЧД кодовых импульсов этот параметр не регламентируется. Более того, при
коэффициенте усиления постоянной составляющей менее 1 фильтр ЧД в определенной
мере стабилизирует нулевую линию сигналов.
10
ш
о
о.
\2
■г
п.
о
2Z
8
7.5 -
3.5 -
1-10
КГ 1к0.75-55-150
I I
Л = 2 км
/Г\ над
—
- ч H(f)
V. /
\ \
\ \
\\
I - - - ,<L --.I
1-10
Частота, Гц.
1- ю
Рис. 21.1.2. Спектры импульсов.
Функция Hd(co) имеет смысл в области значимых значений Н(ш) и за пределами этой
области обнуляется, что исключит усиление высокочастотных шумов кабеля.
Усечение , начиная с определенной частоты шс, целесообразно выполнять весовой
гауссов ской функцией:
Hd(co) = Ш(ш)ехр(-а(шс+ш)2), ш > шс. (21.1.2)
Пример формы спектральной плотности фильтра ЧД приведен на рис. 21.1.2 в
сопоставлении со спектрами исходных импульсов (масштаб спектров импульсов для
наглядности увеличен). Пунктиром на рисунке показана усеченная часть функции
Hd(co).
Коэффициент усиления фильтром дисперсии входных статистических шумов при
равномерном распределении шумов в диапазоне от 0 до Q:
Ks = (1/Q) J |Hd(co)|2 dco. (21.1.3)
-Q
По рисунку 21.1.2 нетрудно сделать заключение, что коэффициент усиления
фильтром ЧД дисперсии статистических шумов больше 1 и существенно зависит от
эффективной ширины спектра импульса z(t). Чем меньше значение AQ импульса z(t)
(больше эффективная ширина AT импульса), тем меньше коэффициент усиления
дисперсии шумов.
4 . Обратным преобразованием Фурье функции Hd(co) вычисляется оператор фильтра
ЧД: Hd(co) => hd(t). Пример оператора, нормированного на интервал дискретизации
данных At = 0.1 мкс для цифровой обработки сигналов, приведен на рис. 21.1.3 и
получен по исходной функции Hd(co) рис. 21.1.2. Коэффициент усиления дисперсии
шумов данного оператора равен 3,4. При заданном на рис. 21.1.1 коэффициенте
усиления амплитуды импульса z(t) порядка 4.7 это дает улучшение отношения сиг-
Рис. 21.1.3. Оператор ЧД.
При подаче на вход кабеля импульса Кронекера 80 на выходе фильтра будем
иметь:
s(t)=5„*h(t)*hd(t) о. l-H(ra)-Hd(g>)=Z(ra) <=> z(t),
т.е. выходной единичный импульс вместо асимметричной формы импульсного
отклика кабеля будет иметь симметричную форму гауссовского импульса.
Аналогичным является и результат непосредственной свертки импульсного отклика с
оператором фильтра ЧД, что может использоваться для контроля расчетов операторов
фильтров ЧД.
Точность воспроизводства формы
Точность воспроизводства формы заданной функции выходного импульса
определяется размером оператора ЧД, который имеет существенное значение при его
технической реализации в виде трансверсальных фильтров на линиях задержки.
Основная часть энергии оператора (более 99%) сосредоточена в пределах
интервала, примерно равного (2-3) значениям фронта импульсного отклика, т.е.
начальная часть импульсного отклика содержит практически всю информацию о форме
сигналов на входе кабеля. Однако, вследствие достаточно длинного спада
отклика с постепенным уменьшением скорости спада, ограничение размера оператора ЧД
короткой значимой частью приводит к появлению на его выходе послеимпульсных
«выбросов» с амплитудным значением до 2% от максимальной амплитуды выходного
сигнала (чем меньше размер оператора ЧД, тем больше амплитуда выбросов) и с
длительностью, равной соответствующей длительности значимой части импульсного
отклика (с постепенным затуханием). Положение послеимпульсного "хвоста"
(включая первый отрицательный выброс) относительно нулевой линии может
смещаться изменением концевого значения оператора ЧД.
На рис. 21.1.4 приведены результаты свертки (кривая 2) импульсного отклика
кабеля с оператором ЧД размером 4.2 мкс при временной длине значимой части
импульсного отклика кабеля (более 0.01 максимального значения) порядка 70
мкс. Кривая 1 - заданная функция z(t). Как видно на графике А, форма
заданного импульса сжатия реализуется достаточно точно. Среднее квадратическое
расхождение с заданной формой z(t) - 0.024, отрицательный выброс не более 2% от
амплитуды при центрировании "хвоста" относительно нулевой линии (график В).
Рис. 21.1.4. Свертка импульсного отклика с оператором ЧД.
Рис. 21.1.5. Формы сигналов на входе (сплошные линии), на выходе
кабеля (штрих-пунктир) и на выходе фильтра ЧД (пунктир). Входные
сигналы смещены во времени.
На рис. 21.1.5 приведено сопоставление формы импульсов на входе кабеля,
заданных на интервалах 2АТк, на выходе кабеля (на входе фильтра ЧД) и на выходе
фильтра ЧД. Для фильтрации использован оператор ЧД, приведенный на рис.
21.1.3, размером 4.2 мкс. Амплитудные значения сигналов на входе кабеля
умножены на площадь импульсного отклика (учет безвозвратных электромагнитных
потерь) , и сдвинуты во времени для сопоставления формы к сигналам на выходе
фильтра ЧД.
Как видно на графиках, форма сигналов со значением AQ, соизмеримом и меньшим
значения Afik? восстанавливается достаточно хорошо (со среднеквадратической
погрешностью в пределах сигнала не более 1% относительно амплитудного
значения) , но для однополярных сигналов значение накопленного послеимпульсного
«хвоста» возрастает до 5% от амплитуды сигнала. Если «хвост» послеимпульса
должен быть ограничен по амплитуде определенной величиной, то это выполняется
увеличением размера оператора фильтра ЧД. При длине оператора, равной длине
импульсного отклика кабеля, амплитуда послеимпульса уменьшается более чем на
порядок. Для прямоугольных импульсов при Afi > AfiK погрешность, естественно,
возрастает за счет сглаживания фронтов, но остается в пределах не более (2-
3)% по амплитудным значениям.
Усиление шумов
На рис. 21.1.6 приведены графики модельного статистического шума на входе
(сплошная линия) и на выходе (пунктир) фильтра ЧД с параметрами, описанными
выше. По результатам моделирования коэффициент усиления дисперсии шумов
полностью соответствует расчетному значению (расчетное - 3.4, модельное на одно-
секундном интервале - 3.38). Фильтр ЧД сглаживает шумы в соответствии со
своей частотной характеристикой, и форма выходных шумов становится похожей на
форму произвольных сигналов.
Модель шума вход-выход фильтра ЧД
Врзмя, мкс.
Рис. 21.1.6. Форма шумовых сигналов на входе и на
выходе фильтра ЧД (пунктир).
Усиление шумов может существенно усложнить метрологическое восстановление
произвольных сигналов. На рис. 21.1.7 приведен пример фильтрации зашумленного
сигнала при среднеквадратическом уровне шума порядка 10% от амплитудных
значений входного сигнала. Заметим, что хотя частотный диапазон спектра
статистических шумов на выходе кабеля значительно превышает частотный диапазон
сигналов, любые линейные методы фильтрации сигналов (подавления шумов) в
данном случае не имеют смысла. Оператор ЧД, как это следует из (21.1.2) и можно
видеть на рис. 21.1.2, самостоятельно подавляет все высокочастотные шумы.
При использовании цифровых методов обработки данных плавная форма выходных
информационных сигналов с априорно известными параметрами их динамики
позволяет использовать до подачи сигналов на фильтр ЧД нелинейные методы
фильтрации, и в частности - адаптивные фильтры, не изменяющие динамики
информационных сигналов при подавлении шумов, в том числе перекрывающихся по частотному
диапазону с частотным диапазоном сигналов.
О 5 10 15 20 25 30 35
Время, мкс
Рис. 21.1.7. Форма сигнала с шумом на входе и на
выходе фильтра ЧД (пунктир).
21.2. ФИЛЬТР
ВОССТАНОВЛЕНИЯ
КОДОВЫХ СИГНАЛОВ
Методика синтеза фильтров ЧД на кодовые сигналы практически полностью
повторяет методику расчетов при восстановлении формы сигналов. Все
нижеследующие расчеты выполняются в качестве примера для кабеля КГ 3x0.75-60-150 длиной
5 км для цифрового фильтра ЧД при интервале дискретизации данных 0.1 мкс.
Импульсные параметры кабеля: ATk ~ 26 мкс, Afik~34 кГц.
Оператор фильтра
При приеме кодовых сигналов главное значение имеет простота и надежность
выделения кода, которая определяется надежностью выделения единичных битовых
импульсов. Для кода Манчестер-II она определяется интервалом минимум-максимум
в непрерывной последовательности единиц (нулей). Для кодов NRZ и RZ имеет
значение и сдвиг нулевой линии. Форма выходных импульсов особого значения не
имеет, если не нарушается пространственное распределение импульсов.
Естественно, что на предельной частоте передачи сигналов при достаточно высокой
степени их амплитудного затухания существенное значение имеет увеличение
(или, по крайней мере, сохранение на прежнем уровне) выходного отношения
сигнал/шум фильтром ЧД.
0 3 4 6 8 10 13 u 16 18 30 0 3 6 9 13 15 18 31
Время, мкс. Время, мкс.
Рис. 21.2.1. Оператор фильтра ЧД кодов.
При использовании фильтра ЧД можно считать, что предельная пропускная
способность кабеля должна быть оценена с ограничением параметров оператора ЧД по
определенному допустимому уровню коэффициента усиления дисперсии шумов.
Примем этот уровень для дальнейших расчетов равным 1, т.е. оператор ЧД не должен
усиливать среднеквадратичный уровень шумов. Это обеспечивается заданием
соответствующей длительности импульса z(t) на половине высоты гауссовского пика (в
данном случае порядка 7-8 мкс).
Пример оператора, и результат его проверки сверткой с импульсным откликом
жилы кабеля приведен на рис. 21.2.1. Длительность оператора 20 мкс,
коэффициент усиления дисперсии шумов -0.65, коэффициент усиления амплитуды импульсного
отклика жилы-3.8.
Предельная частота
передачи данных
0.4
о.з
0.2
0.1
о
-0.1
-о.а
-о.з
-0.4
Кабель КГ 3x0.75-60-1 50, жила-броня, длина 5 км.
■ -
- -J—1
- -п
fi '\"f\ Т=2ДТК-
-
1
"1
■\--
аз
аз
аз
100
200
300
Время, мкс.
"Г
400
500
600
300
60 S0
Время, мкс.
Нормированный входной сигнал ТПЖ.
Сигнал на выходе ТПЖ.
Сигнал на выходе ЧД
Рис. 21.2.2. Биполярные импульсы на входе и на выходе фильтра ЧД.
В качестве входных импульсов кабеля имеет смысл рассмотреть только
прямоугольные импульсы, фронты которых на выходе фильтра ЧД будут соответственно
сглажены до величины порядка ширины импульса z(t). Эффект применения фильтра
ЧД можно видеть на рис. 21.2.2 на примерах кодовой последовательности бипо-
лярных импульсов с единичной амплитудой на тактовых интервалах Т = 2-ATk, Т = АТк
и Т = 0.5-АТк мкс (тактовые частоты 19, 38 и 76 кГц). Пунктиром на рисунке
показаны входные импульсы, приведенные к выходу кабеля с учетом безвозвратных
потерь и задержки в кабеле.
Как следует из этого рисунка, применение фильтра ЧД позволяет уменьшить
предельный тактовый интервал следования битовых импульсов при идентификации
кода минимум в 2 раза, т.е. в 2 раза увеличить скорость передачи информации
по кабелю.
Заметим, что при коэффициенте усиления дисперсии шумов данного оператора ЧД
не более 1 отношение сигнал/шум на выходе фильтра ЧД при статистических шумах
на входе улучшается практически в 2 раза, т.к. оператор ЧД в этом случае
выполняет и роль низкочастотного сглаживающего фильтра. О последнем наглядно
свидетельствует рис. 21.2.3(А) .
Кабель КГ 3x0.75-60-1 50, жила-броня, длина 5 км. Т= ДТк
Сигнал на выходе ТПЖ.
Сигнал на выходе фильтра ЧД
Время, мкс.
150
Время, мкс.
Нормированный входной сигнал ТПЖ.
Сигнал на выходе ТПЖ. Сигнал на выходе ЧД
Рис. 21.2.3. Преобразование шумов и сигналов с шумом фильтром ЧД.
Пример фильтрации сигналов с наложенным статистическим шумом, средние квад-
ратические флюктуации которого составляют порядка 30% от амплитуды
информационных импульсов, приведен на рис. 21.2.3(B) и показывает уверенное сохранение
информационной структуры сигнала.
Кодовые сигналы
На рис. 21.2.4(A) показана деконволюция кодовых сигналов с тактовой
частотой 38 кГц, приведенных ранее на рис. 14.3.1 без деконволюции на предельной
тактовой частоте 19 кГц. Как следует из рисунка, деконволюция позволяет
практически полностью восстановить амплитудные значения сигналов (за вычетом
безвозвратных потерь) на удвоенной тактовой частоте, т.е. импульсная пропускная
способность кабеля повышается минимум в 2 раза для всех видов кодирования.
Рис. 21.2.4. Деконволюция кодовых выходных сигналов,
тактовые частоты 38 и 76 кГц.
Что касается предельной импульсной пропускной способности кабеля, то она
повышается практически в 4 раза по сравнению с приемом сигналов без
деконволюции, о чем достаточно наглядно свидетельствует пример формы тех же кодовых
сигналов на тактовой частоте 76 кГц, приведенный на рис. 21.2.4(B), и
сравнение этого рисунка с рисунком 14.3.1(B). Преимущество кода Манчестер-II перед
кодами NRZ и RZ при использовании частичной деконволюции очевидно как на рис.
21.2.4(A), так и на рис. 21.2.4(B). С определенным запасом "прочности" можно
считать, что при передаче информации биполярными кодами скорость передачи
данных с использованием частичной деконволюции импульсного отклика кабеля
может быть увеличена в 3 раза.
Краткие выводы по возможностям повышения импульсной пропускной способности
каротажных кабелей:
1. Качество приема и надежность идентификации кодовой информации на выходе
кабеля могут быть существенно повышены при частичной деконволюции
импульсного отклика кабеля до симметричной (гауссовской) формы.
2. Основная (значимая) часть энергии оператора частичной деконволюции
импульсного отклика кабеля сосредоточена в пределах 2-3 значений фронта
отклика.
3. Для финитных сигналов, задаваемых на интервале не менее 2АТК и имеющих
эффективную ширину спектра не более AQK, частичная деконволюция
импульсного отклика жил кабеля обеспечивает восстановление формы сигналов с
погрешностью по основным метрологическим параметрам (амплитуда, площадь,
временная привязка) не более (1-2)%.
4. Скорость передачи кодовых данных при использовании частичной
деконволюции импульсного отклика может быть увеличена минимум в 2 раза при любых
методах кодирования и равна 1/АТк. При передаче информации биполярными
импульсами предельная скорость передачи данных может быть увеличена
минимум в 3 раза.
21.3. ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ
ФИЛЬТРОВ ЧАСТИЧНОЙ ДЕКОНВОЛЮЦИИ
Основное условие технической реализации фильтров ЧД - работа в реальном
масштабе времени. Дополнительное и желательное условие - полная автономность
от аппаратурного блока каротажных станций, позволяющая включать фильтры ЧД на
выход кабеля в состав любой станции, если в том появится необходимость.
Достаточно простая форма передаточной функции фильтра ЧД позволяет
выполнить его реализацию непосредственно в виде аналогового нерекурсивного или
рекурсивного фильтра. Следует отметить, что такие фильтры будут являться
индивидуальными для кабелей различных типов и различной длины (в определенных
пределах возможной подстройки) и могут отличаться по исполнению:
нерекурсивные - для фильтров с короткой функцией отклика, и рекурсивные для кабелей
длиной 3 и более км.
С учетом современных темпов развития электроники перспективным и
универсальным направлением следует считать цифровые фильтры, т.е. микропроцессорное
исполнение фильтров ЧД или программное выполнение фильтров в составе
каротажных измерительно-вычислительных комплексов непосредственно на их входе.
Заметим, что детерминированность кодовых сигналов позволяет выполнять
микропроцессорные ЧД с автоматической адаптацией под конкретный кабель, стоящий на
каротажной станции.
Своеобразной комбинацией дискретного синтеза с аналоговым процессом
фильтрации являются трансверсальные фильтры на линиях задержки. Исходные условия
для их реализации аналогичны цифровым фильтрам.
Возможность цифрового исполнения фильтров ЧД можно оценить по таблице
21.3.1. При определении частоты Найквиста цифрового фильтра ЧД по предельной
частоте fnp передаточной функции кабеля (по уровню порядка 1% от коэффициента
передачи на низких частотах) значение шага дискретизации данных на выходе
кабеля находится в диапазоне 0.2-6 мкс в зависимости от длины кабеля. Этот
диапазон достаточно хорошо согласуется с шагом дискретизации данных по
предельной тактовой частоте передачи информации биполярными импульсами (частота
Найквиста за третьей гармоникой тактовой частоты, что обеспечивает
регистрацию более 98% энергии сигналов).
Таблица 21.3.1.
Параметры передачи данных (кабель КГ 3x0.75-60-150, жила-броня).
Длина кабеля
км
1
2
3
4
5
6
7
Предельная частота fnp [по
уровню 0.01Kmax]
кГц
2460
718
358
220
151
111
85
Шаг дискретизации на
предельной частоте (l/2fn р )
мкс
0.2
0.7
1.4
2.3
3.3
4.5
5.9
Эффективная ширина
импульсного отклика АТК
мкс
3.3
8.6
14.1
19.9
26.1
33.1
40.9
Тактовая частота передачи
данных fr=l/ATK
кГц
306
117
71
50.3
38.3
30.3
24 .4
Шаг дискретизации по
тактовой частоте (l/4fr)
мкс
0.4
1.0
2.2
2.5
3.3
4.1
5.1
Размер оператора ЧД (>98%
энергии опера т ора)
мкс
2.6
5.1
9
13.5
19
25
32
Оптимальный шаг
дискретизации данных At
мкс
0.12
0.24
0.4
0.65
1
1.2
1.5
В принципе, эти значения шага дискретизации данных вполне достаточны для
обработки сигналов, четкой автосинхронизации тактовой частоты приема данных и
их кодовой идентификации, а при необходимости и полного восстановления
аналоговой формы сигналов. Для исключения трансформации высокочастотных шумов в
рабочий диапазон сигнала, фильтру ЧД должен предшествовать аналоговый
низкочастотный фильтр.
Коэффициент усиления дисперсии статистических шумов оператором цифрового
фильтра, равный сумме квадратов значений его коэффициентов, зависит от
интервала дискретизации. В данном случае, при постоянной заданной форме импульса
z(t) сжатия импульсного отклика кабеля и увеличении значений At шага
дискретизации (относительно At => 0 для аналоговой формы фильтра) количество
коэффициентов оператора ЧД в пределах его импульсного отклика уменьшается, а их
значения возрастают, что вызывает соответствующее возрастание коэффициента
усиления дисперсии статистических помех. Для сохранения значения коэффициента
усиления дисперсии помех на уровне, не большем 1, приходится увеличивать
задаваемую ширину импульса z(t), при этом уменьшается амплитуда импульса z(t) и
качество деконволюции сигнала. Это можно наглядно видеть на рис. 21.3.2 и
21.3.3.
На рис. 21.3.2 (А, С) приведены два оператора ЧД, вычисленные с разным
шагом дискретизации данных (0.1 и 1 мкс) . Ширина гауссовских импульсов z(t)
(приведены пунктиром на рис. 21.3.2 (B,D)), была установлена такой, чтобы
коэффициенты усиления дисперсии помех операторов ЧД были примерно равными в
пределах 0.95-1.
Кабель КГ 3x0.75-60-1 50, жнла-броня, длина 5 км.
О 5 10 15 20 25 0 10 20 30
Время, мкс. Время, мкс
Рис. 21.3.2. Операторы ЧД (А, С) и форма сигналов сжатия импульсного
отклика кабеля (B,D) при разном шаге дискретизации данных.
Как видно на рисунке, интервалу дискретизации 1 мкс соответствует в 1.5
раза большая ширина импульса z(t), чем интервалу дискретизации 0.1 мкс, и,
соответственно, меньшая амплитуда импульса. Качество работы операторов по
реализации заданной формы импульса z(t) при свертке с импульсным откликом кабеля
практически одинаково (сплошные линии на рис. 21.3.2(B,D)), но при
деконволюции импульсного кода оператор с большим шагом дискретизации данных
соответственно имеет меньшую временную разрешающую способность и занижает амплитуды
восстановленных импульсов, что можно видеть на рис. 21.3.3 (А, В) .
Дополнительно на рис. 21.3.3(C) приведен пример деконволюции сигнала с шагом
дискретизации данных 2 мкс (оператор ЧД - 32 мкс, 16 точек, коэффициент усиления
дисперсии шумов 0.98) .
При сопоставлении графиков на рис. 21.3.3 можно сделать вывод, что
оптимальный шаг дискретизации данных для цифрового фильтра ЧД соответствует 20-30
коэффициентам фильтра в пределах длительности значимой части оператора ЧД.
Этот вывод подтверждают аналогичные вычисления и для кабелей других размеров.
Соответственно, диапазон оптимальных значений шага дискретизации данных на
входе фильтра ЧД, показанных в последней строке таблицы 21.3.1, установлен по
длине операторов ЧД и составляет от 0.12 до 1.5 мкс. В принципе, такой
тактовый диапазон при 20-30 операциях умножения и сложения вполне доступен для
современных микропроцессорных систем, особенно для кабелей большой длины, для
которых фильтр ЧД и необходим в максимальной степени.
В трансверсальных фильтрах сигнал с кабеля подается на последовательную
цепочку линий задержки, в каждой из которых осуществляется задержка сигнала на
интервал дискретизации данных. К выходам линий задержки подсоединена матрица
резисторов, значения которых обратно пропорциональны значениям коэффициентов
оператора ЧД. Токи через резисторы, пропорциональные положительным и отрица-
тельным значениям коэффициентов оператора, суммируются раздельно (на входах
двух операционных усилителей), после чего из "положительного" тока вычитается
"отрицательный" и результат подается на вход аппаратуры станции, как выходной
сигнал фильтра ЧД. Трансверсальный фильтр идеально приспособлен для
исполнения в качестве автономного промежуточного блока между кабелем и станцией. При
переменных сопротивлениях резисторной матрицы фильтр легко подстраивается под
любой тип и любую жилу кабеля, а изменение длины кабеля с изменением
интервала дискретизации данных выполняется заменой линии задержки. Некоторые
технические трудности могут возникать только в наборе линий задержки для длинных
кабелей (большое время задержки) с проявлением дополнительного затухания
сигнала в самой ЛЗ, но последнее компенсируется соответствующим изменением
коэффициентов резисторной матрицы.
Кабель КГ 3x0.75-60-1 50, жила-броня, длина 5 км.
т
g
g
g
150
Время, мкс.
aso At = 2 rnkc
- Нормированный входной сигнал ТПЖ.
Сигнал на выходе ТПЖ. Сигнал на выходе ЧД
Рис. 21.3.3. Деконволюция выходных сигналов при
разных интервалах дискретизации.
Возможно и комбинированное цифро-аналоговое исполнение фильтра ЧД, в
котором роль ЛЗ исполняет сдвиговый цифровой регистр с АЦП на входе (тактовая
частота сдвига определяет шаг дискретизации входных данных), каждая цифровая
ячейка которого имеет обратный резисторный ЦАП. Дальнейшая обработка токов
ЦАП и формирование выходного сигнала аналогично трансверсальному фильтру. Для
кодовых сигналов объем цифровых ячеек регистра может быть в пределах 5-7
двоичных разрядов. В таком исполнении фильтр ЧД становится автономным
универсальным блоком с простой и гибкой настройкой под любой тип кабеля любой длины
с изменением интервала дискретизации данных частотой тактового сдвига
цифрового регистра.
Таким образом, каких-либо особых препятствий в технической реализации
фильтров ЧД не имеется.
Литература
1. Стрижевский Н.З. Коаксиальные видеолинии. - М. : Радио и связь, 1988. -
200 с.
ТЕМА 22. СИНХРОНИЗАЦИЯ КОДА МАНЧЕСТЕР-11
НА ВЫХОДЕ КАРОТАЖНОГО КАБЕЛЯ
«Всякое предсказание зла только тогда
доброе дело, когда сопровождается
советом, как это зло отвести».
Марк Туллий Цицерон. Римский философ и
политик, I в. до н.э
«Однако советы в технических вопросах
могут приносить вред. Настоящее решение
обычно всегда неожиданное и простое».
Валерий Самойлин. Геофизик и
радиоинженер Уральской школы, XX в.
ВВЕДЕНИЕ
Начиная с 80-90 годов прошлого века в технологиях геофизических
исследований скважин (ГИС) наблюдается переход на комплексные многопараметровые
измерения с применением многофункциональных скважинных приборов. Это требует
передачи данных в наземные измерительно-вычислительные устройства, как правило,
в цифровой форме и с высокой скоростью. В то же время линией передачи данных
ГИС остается традиционный каротажный кабель со скоростью передачи информации
(бит/с) не выше 10-100 кГц (в зависимости от длины), что сдерживает развитие
и совершенствование технологий ГИС.
Каротажный кабель представляет собой линию связи с пониженной добротностью
и нелинейной зависимостью передаточной функции от длины кабеля. Импульсную
пропускную способность кабеля и качество передачи данных определяют
эффективная ширина частотного спектра АОк и эффективная длительность импульсного
отклика АТК токопроводящих жил кабеля. Максимальная скорость передачи по кабелю
кодовых импульсов без применения устройств частотной коррекции передаточной
функции кабеля ограничивается тактовой частотой fp = 1/(2АТк)бит/с при
эффективной длительности импульсов, не превышающей эффективной длительности
импульсного отклика кабеля.
Скорость передачи информации зависит не только от тактовой частоты передачи
данных, но и от протокола кодирования информации. Протокол передачи
каротажных данных обычно заимствуется из стандартов открытых систем обмена
информацией OSI (Open System Interconnect). С учетом эксплуатации скважинных
приборов в условиях существенного влияния различных дестабилизирующих факторов в
процессе каротажа, которые могут вызывать значительные вариации тактовой
частоты передачи данных, для надежной передачи информации используются, в
основном, коды с автосинхронизацией тактовых частот передатчика и приемника, среди
которых наибольшее распространение получил код Манчестер-II.
22.1. ИСХОДНЫЕ
УСЛОВИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Код Манчестер-II
Код Манчестер-II является биполярным двухуровневым кодом. Логическому нулю
соответствует переход на верхний уровень в центре тактового интервала с
возвратом на нижний по концу тактового интервала, если следующий бит также
нулевой. Соответственно, логической единице - переход на нижний уровень с возвра-
том на верхний по концу интервала, если следующий бит также 1. Бит обозначен
переходом в центре тактового интервала, по которому и выделяется
синхросигнал. Первая несущая частота кода соответствует чередованию нулей и единиц.
Вторая несущая частота - последовательности нулей или единиц, и в 2 раза
больше первой. При передаче произвольных последовательностей нулей и единиц
более 50% энергии сигналов сосредоточено в области этих частот и между ними.
Несомненное достоинство кода - отсутствие постоянной составляющей при
передачах длинных последовательностей нулей или единиц.
Для большей конкретности и наглядности последующего текста все примеры и
рисунки будем приводить для трехжильного бронированного каротажного кабеля
типа КГЗхО.75-60-150 длиной 5 км по линии передачи сигналов жила-броня.
Электрическое сопротивление токопроводящих жил (ТПЖ) кабеля порядка 25 Ом/км,
характеристическое (волновое) сопротивление 65 Ом, емкость ТПЖ не более 130
нФ/км, индуктивность на частоте 1 кГц порядка 2.5 мГн/км, коэффициент
затухания на частоте 50 кГц не более 8 дб/км. Эффективная ширина AQK спектральной
передаточной функции ТПЖ порядка 35 кГц, эффективная длительность импульсного
отклика АТК порядка 25 мкс. Мера эффективной длительности - вторые моменты
функций распределения отклика и спектра. Сигналы будем моделировать со
стороны скважинного прибора непосредственно на входе кабеля при условном выходном
сопротивлении источника сигнала порядка 1 Ом. Входное сопротивление приемника
сигнала на выходе кабеля примем равным его волновому сопротивлению. Все
расчеты и моделирование выполняются в системе Mathcad в цифровой форме с шагом
дискретизации временных данных 0.1 мкс и частотных спектров порядка 500 и
1000 Гц в зависимости от длины временных интервалов реализации кодовых
последовательностей. Вычисления выполняются по методике, рассмотренной нами в
предыдущих лекциях по каротажным кабелям. Амплитуда входных сигналов условно
принята равной 1.
;1ПШшпШ1Ш1ШишшишШ1Ш1Ш1Ш1Шш чаикЕт
-<= Код 111111....
О 200 400 ЁОО 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Время, мкс. Тактовый интервал кодирования 50 мкс.
<= Код 101010....
<= Код 000000..
<= Случайный сигнал
(биты- 110011001...)
<= Код случайного
сигнала
Рис. 22.1.1. Сигналы в кодовом протоколе Манчестер-II.
На рис. 22.1.1 приведен пример кодировки четырех вариантов битовых
последовательностей (нулей, единиц, чередования единиц и нулей, и произвольного слу-
чайного сигнала) в протоколе Манчестер-II на входе кабеля. Основная несущая
частота кодирования fx = 1/(2АТк) установлена равной 20 кГц (тактовый интервал
кодирования 50 мкс).
<= 111111..
<= 101010.
<= 000000.
<= 110011.
<=
110011.,
(биты)
1400 1G00
1800
300 1000 1200
Время, икс.
Кабель КГЗн0.75, жила-броня, длина 5 км. Тактовый интервал кодирования 50 мкс
2000
Рис. 22.1.2. Сигналы на выходе кабеля.
0
0
; '
1f2fQ Код нулей
11 Код единиц
~~ N Последовательность
J нулей и единиц
'i Случайный сигнал
V/\
Модули спектров
fo
1
1
1
t
it
.1
i
1
i Фазы спектров
/Д.1.\.Ь\_4\/.1Л _-.L___:
1м ~ 4 ~
ft 1 .
/ 1 Г 1 Дг \ Г ^ | П 1 —7
f • -l . .l . Л_ 'Г 4 J 1 f \ Г 1 J 1
1 1 T 1 I f \f 1J
W I / i \ 1 \ 1 \\
VI/ 1 U \ J T
1 V I ^
5 10 15 20
Частота,кГц.
Рис. 22.1.3. Спектры выходных сигналов.
Для принятых первичных электрических параметрах кабеля коэффициент передачи
с входа на выход амплитудных значений последовательностей единиц и нулей на
данном кабеле порядка 0.15, чередования единиц и нулей - порядка 0.26. Форма
сигналов на выходе кабеля для приведенного примера входных сигналов при
отсутствии шумов на выходе кабеля приведена на рис. 22.1.2 (со сдвигом на
временную задержку сигналов в кабеле).
Спектры выходных сигналов
Спектры выходных сигналов приведены на рис. 22.1.3. Как следует из этого
рисунка, основные несущие частоты сигнала хорошо выражены только для
упорядоченных последовательностей. Основная энергия случайных импульсных
последовательностей рассосредотачивается по частотному диапазону от 0 до частоты
порядка 1.5f0, т.е. практически по всей ширине эффективного частотного
диапазона кабеля, что более наглядно видно на рис. 22.1.4, где приведены спектры для
шести реализаций случайных импульсных последовательностей, зарегистрированных
на 20-ти тактовых интервалах каждая.
О 5 10 15 20 25 30
Частота, кГц.
Частота,к Гц. Частота,к Гц.
Рис. 22.1.4. Спектры случайных кодовых последовательностей.
22.2. МЕТОДИКА
ФОРМИРОВАНИЯ
СТРОБ-ИМПУЛЬСОВ
Первой задачей приемника на выходе кабеля является формирование строб-
импульсов, синхронных по частоте с тактовой частотой передачи кода
передатчиком. Спектры случайных кодовых последовательностей, приведенные на рис.
22.1.4, достаточно наглядно показывают, что основные несущие частоты
случайных кодов существенно варьируют по амплитуде и не имеют взаимной корреляции.
Фазы гармоник на каждой из основных несущих частот имеют два постоянных
значения, различающихся на 180°, что определяется противофазностью формирования
кодов 0 и 1, и кодовых последовательностей 01 и 10, но какой-либо корреляции
между этими четырьмя значениями фаз для случайных последовательностей также
не имеется. Это означает, что устойчивую и достаточно надежную
автосинхронизацию как по одной из основных частот, так и по их комбинации, выполнить
невозможно. Практическое применение нашли фазовые методы синхронизации
непосредственно по форме сигналов на выходе кабеля (например, по пересечениям
нулевой линии) с учетом логики формирования кодовых сигналов.
Амплитудное детектирование
Различие фаз колебаний на каждой из основных частот кодовых
последовательностей на 180° при нулевой постоянной составляющей позволяет простым
преобразованием выходного сигнала, а именно - двухполупериодным амплитудным
детектированием, получить сигнал амплитудных значений выходного сигнала кабеля,
который имеет удвоенные значения основных частот с однозначным значением фаз
любых комбинаций кодовых последовательностей на этих частотах. Пример
амплитудного детектирования выходного сигнала для отрезка случайной кодовой
последовательности приведен на рис. 22.2.1.
Время, мкс.
Кабель КГЗк0.75,5 км. Тактовый интервал 50 мкс.
1- Сигнал на выходе кабеля. 2- Сигнал после детектора.
Рис. 22.2.1. Амплитудное детектирование
На рис. 22.2.2 приведены спектры сигналов после амплитудного
детектирования. Как следует из этого рисунка, несущая гармоника последовательности
чередования нулей и единиц и соответствующие гармоники кодов 01 и 10 в
последовательностях случайных кодовых сигналов с частоты 0.5f„ перемещаются на частоту
f'o = f0 практически с одинаковыми значениями фазы колебаний. Соответственно,
несущие частоты f„ последовательностей только нулей и единиц, и непрерывных
отрезков кодов нулей и единиц любой длины (начиная с минимальных отрезков 00 и
11) в случайных кодовых последовательностях с практически одинаковой фазой
переходят на частоту 2Г'„ = 2f„. Заметим также, что на частоте 2Г'„ с той же фазой
появляются и вторые гармоники несущей частоты Г'„ последовательностей
чередования нулей и единиц, амплитуда которых достигает значений 1/3 частоты Г'0. так
и вторые гармоники первой несущей частоты при чередования нулей и единиц. Эти
два фактора приводят к тому, что для случайных кодовых последовательностей
амплитудные значения колебаний на новых несущих частотах Г'„ и 2Г'„ практически
соизмеримы.
Т
Т
0.4 -
0.2 -
Модули спектров
-- Код нулей и единиц
— Последовательность
нулей и единиц
Случайный сигнал
2fC
I
I
4
14
18
20
22 38
Частота,кГц.
Рис. 22.2.2. Спектры сигналов после амплитудного детектора.
Таким образом, после двухполупериодного амплитудного детектирования
сигналов кода Манчестер-II на выходе кабеля новые несущие частоты продетектирован-
ных сигналов, удвоенные по отношению к старым частотам, являются однофазовыми
для любых кодовых последовательностей. Это позволяет применить частотные
методы построения систем автосинхронизации передатчиков и приемников. Это может
быть выполнено несколькими способами.
Способ 1. По частоте Р0.
На рис. 22.2.3 приведены спектры в диапазоне частоты Г'0 шести различных
реализаций случайных последовательностей кодов на двадцати тактовых
интервалах кодирования. Максимальные амплитуды гармоник соответствуют реализациям с
большими весовыми долями кодов 01 и 10 в реализациях, минимальные (нулевые в
пределе) - при полном отсутствии таких кодов в реализациях. В принципе, при
непрерывной передаче информации последнее не имеет большого значения, если
временная постоянная автосинхронизации задается больше длительности возможных
пауз в передаче данных. При приеме данных в присутствии статистических шумов
роль сигнала поддержки системы автостабилизации в рабочем состоянии в период
пауз, как это будет показано ниже, могут выполнять непосредственно шумовые
сигналы.
Модули спектров Фазы спектров
Частота,к Гц. Частота,к Гц.
Кабель КГЗн0.75,5 км. Тактовый интервал кодирования 50 мкс.
Рис. 22.2.3. Спектры кодов после амплитудного детектора.
Время, икс.
Кабель КГЗн0.75,5 км. Тактовый интервал кодирования 50 мкс.
Рис. 22.2.4. Сигнал на выходе СФ на частоте Г'0.
Выделение несущих частот
Фазовое постоянство частоты Р0 любых кодовых последовательностей позволяет
выделить колебания с частотой Г'0 узкополосным селекторным фильтром (СФ) и
получить синхронизирующий сигнал (частоту синхронизации). Пример выделения
частоты синхронизации селекторным фильтром приведен на рис. 22.2.4. Методы
автоматической настройки селекторных фильтров на несущую частоту Г'„, а равно и
методы автоматического слежения за несущей частотой с определенной постоянной
времени ее сохранения на интервалах отсутствия несущей частоты во входном
сигнале (периоды пауз), в радиотехнике известны и хорошо отработаны. В
простейшем случае, длительность временной постоянной автостабилизации может
регулироваться непосредственно добротностью селекторного фильтра или шириной
полосы его избирательности. Формирование строб-импульсов по выделенной
частоте синхронизации также известно в самых различных вариантах. В простейшем
случае это можно выполнить усилением синхронизирующего сигнала с ограничением
до формы меандра.
Способ 2. По частоте 2Г'„.
: = : : I; : : = i: : : : I: : : : I: : : : i: :1 сигнал A(t)
О 200 400 600 300 1000
Время, мкс.
Кабель КГЗх0.75,5 км. Тактовый интервал кодирования 50 мкс.
Рис. 22.2.5. Сигнал на выходе СФ на частоте 2Р„.
Модули спектров Фазы спектров
33 40 42 33 40 42
Частота,к Гц. Частота,к Гц.
Кабель КГЗн0.75,5 км. Тактовый интервал кодирования 50 мкс.
Рис. 22.2.6. Спектры кодов после амплитудного детектора.
Как следует из рисунка 22.2.2, на эту частоту при двухполупериодном
амплитудном детектировании сигнала на выходе кабеля с практически одинаковой фазой
переходят как несущие частоты непрерывных кодовых последовательностей нулей и
единиц (и их отрезков любой длины в случайных последовательностях), так и
вторые гармоники первой несущей частоты кода Манчестер-II при чередования
нулей и единиц (и кодовых пар 01 и 10 в произвольных кодовых
последовательностях) . Соответственно, частота 2Р0 выделяется селектирующим фильтром в одной
фазе для любой кодовой последовательности, что наглядно видно на рис. 22.2.5,
в том числе и в периоды технологических пауз передачи данных (нулевых или
единичных в зависимости от принятой системы передачи информационных данных).
Стабильность фазовой синхронизации по частоте 2Р„ можно видеть на рис.
22.2.6, где приведены спектры шести реализаций случайных кодовых
последовательностей .
22.3. ДЕКОДИРОВАНИЕ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ
Частота 2Г'„ в 2 раза выше требуемой частоты синхронизации для формирования
строб-импульсов, но кратное понижение частоты в радиотехнике известно и может
быть выполнено как в аналоговой форме, так и непосредственно при формировании
строб-импульсов (усиление и ограничение частоты 2Г'„ до формы меандра с
последующим триггерным понижением в 2 раза).
Формирование последовательности
строб - импульсов
Формирование последовательности строб - импульсов целесообразно выполнять в
виде меандра с положительной полярностью импульса строба в первой половине
тактового интервала кодирования и отрицательной - во второй половине, т.е.
строб- импульс в целом занимает полный такт и является двуполярным импульсом
(один период меандра). В этом случае детектирование сигнала в двоичную
(битовую) форму можно производить путем интегрирования сигнала в пределах тактовых
интервалов с умножением на полный строб- импульс, т.е. значение интеграла
сигнала первой половины тактового интервала суммировать со значением
интеграла сигнала второй половины тактового интервала со сменой его знака. С учетом
протокола кодирования Манчестер-II и формы кодовых сигналов на выходе кабеля
(рис. 22.1.2) это дает восстановление разнополярной битовой формы информации
(1 - положительная полярность, 0 - отрицательная полярность).
■ I
С
-1 ; 1 ; 1 ; 1 ; г~
-1 ; 1 1 1 ; 1 ; 1 ; г-
-1 ; 1 1 1 1 1 ; 1 ; г-
<= стробы
<:= 111111...
<= 101010...
<= 000000...
по коду
я сигнала Aft)
< =
800 10ОО
Время, мкс.
Кабель КГЗн0.75, жила-броня, длина 5 км. Тактовый интервал кодирования 50 мкс.
Рис. 22.3.1. Декодирование выходных сигналов.
случайный
сигнал A(t)
Пример декодирования различных кодовых последовательностей выходного
сигнала по вышеприведенному методу приведен на рис. 22.3.1. Амплитудные вариации
сигналов, вызываемые различной амплитудой выходных сигналов для
последовательностей нулей и единиц и кодов 01 и 10, на выходе декодера нормируются по
амплитуде соответствующим пороговым ограничением или логической фиксацией
полярности выходного сигнала декодера при помощи нуль-детектора. На рис. 22.3.1
и на дальнейших рисунках выходные сигналы декодера приводятся без нормировки
для показа вариаций значений интеграла в пределах тактовых периодов при
влиянии дестабилизирующих факторов.
Контроль фазовой синхронизации
Контроль фазовой синхронизации фронта положительного импульса строба с
началом тактовых интервалов кодирования устанавливается следующим образом.
Параллельно с интегрированием сигнала в пределах такта с учетом полярности
строб-импульса проводится интегрирование сигнала в пределах такта без
изменения знака во второй половине такта. Переход выходных сигналов кода Манчестер-
II через ноль в середине такта приводит к тому, что выходные сигналы
интегрирования без изменения знака существенно меньше выходных сигналов
интегрирования с изменением знака (практически нулевые для непрерывных
последовательностей нулей и единиц и в 2 и более раза меньше для кодов 01 и 10) . Если
синхронизация нарушается (первым в фактическом тактовом интервале идет импульс
строба отрицательной полярности, т.е. меандр стробирования смещается на
полтакта) , то значения выходных сигналов интегрирования меняются прямо на
противоположные как по значениям, так и по соотношению значений. Это может
использоваться для постоянного контроля правильности автосинхронизации и для
немедленного восстановления синхронизации и исправления кода при сбое
синхронизации .
■ . ■ i: : ■ ■ I. ■ : : I: ■ ■ : i: : ■ . I- : : : I- . : ■ I. ■ : : I: ■ . ■ i: : ■
< = случайный
сигнал A(t)
сигнал A(t)
<= на выходе
кабеля
сигнал+шум
■:= на выходе
кабеля
выход СФ
<= на частоте
2fo
<= стробы
выход
декодера
фаговый
<=синхро-
контроль
200 400 G00 800 1000 1200 1400 1800 1800 2000
Время, мкс.
Кабель КГЗх0.75, жила-броня, длина 5 км. Тактовый интервал кодирования 50 мкс.
Рис. 22.3.2. Декодирование сигнала на высоком уровне шумов,
Метод автосинхронизации тактовой частоты приемника и передатчика при
использовании достаточно узкополосного селективного фильтра выделения частоты
2fG обеспечивает надежную синхронизацию на уровне статистических шумов на
выходе кабеля, мощность которых может в несколько раз превышает среднюю
мощность сигнала. Известные системы автосинхронизации в этих условиях полностью
неработоспособны. Соответственно, интегрирование сигнала в пределах четко
синхронизированных тактовых интервалов обеспечивает на высоком уровне шумов
устойчивое декодирование сигналов. Предельное значение уровня шумов может
определяться по устойчивости работы системы контроля за фазовой синхронизацией
приемника и передатчика (разность интегралов со сменой и без смены знака на
второй половине такта всегда должна иметь одну полярность).
В качестве примера на рис. 22.3.2 приведены графики приема и декодирования
произвольного сигнала на выходе кабеля, средняя мощность которого по
интервалу 40 тактов в 2 раза меньше мощности шумов. Ширина полосы пропускания
селектирующего фильтра на частоту 2fo=40 кГц была установлена равной 2 кГц на
уровне 0.5 при постоянной времени установления фильтра порядка 10 тактовых
интервалов (500 мкс).
->—I—г
I I I
П П П Г: Г: Г: Г П П Г: Г: г )1 П П П П П П П Г
<= случайный
сигнал A(t)
сигнал A(t)
.;= на выходе
кабеля
сигнал+щум
<= на выходе
кабеля
выход СФ
<= на частоте
2fo
<= стробы
<=
200 250
Время, мкс.
Кабель КГЗх0.75, жила-броня, длина 5 км. Тактовый интервал кодирования 20 мкс.
выход
декодера
фашвый
<= синхро-
контроль
Рис. 22.3.3. Декодирование сигнала с повышенной тактовой частотой.
Возможность уверенного приема сигналов на высоком уровне шумов позволяет
повысить тактовую частоту кодирования минимум в 2 раза. На рис. 22.3.3
приведен пример повышения тактовой частоты кодирования в 2.5 раза, до частоты 50
кГц. Амплитудные значения сигналов на такой частоте затухают для непрерывных
последовательностей единиц и нулей в 20 раз, для чередования единиц и нулей в
8 раз. Мощность статистических шумов в пределах приведенного интервала равна
средней мощности сигнала. Ширина полосы пропускания селективного фильтра,
настроенного на частоту 100 кГц, в данном примере была установлена равной 5 кГц
на уровне 0.5.
Как можно видеть из приведенного примера, для кодов 01 и 10 в кодовых по-
следовательностях сигналов без шума пересечения нулевой линии для второго
бита вообще не наблюдается, что является следствием резкой асимметрии
импульсного отклика кабеля. На работоспособности системы синхронизации это не
отражается, и система декодирования обеспечивает уверенное выделение
информационного сигнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. - М.: Мир, 1988. - 336 с.
Разное
ОБМАН В НАУКЕ
Д. Гудстейн
Среди ученых принято считать, что обман в науке встречается редко или
вообще не встречается. Тем не менее, в последнее время он стал весьма актуальной
темой. Конечно, и в прошлом бывали четко документированные случаи обмана в
науке. В этом столетии самый знаменитый случай — это, пожалуй, "пилтдаунский
человек". В гравийном карьере в Англии в 1908 г. был найден человеческий
череп, а в 1912 г. — обезьянья челюсть. Исследователи, нашедшие человеческие
черты в челюсти и обезьяньи в черепе, заслужили большой авторитет в
академических кругах. Находка считалась "связующим звеном". Но в 1954 г. оказалось,
что все это — фальшивка. Другой знаменитый случай — это история психолога
сэра Сирила Берта, который работал над проблемой наследуемости интеллекта,
изучая одинаковых близнецов, разлученных при рождении и воспитывавшихся в
различных условиях. К сожалению, столь удобные случаи для исследования
встречались очень редко, поэтому Берт любезно придумал еще 33 таких случая и, кроме
того, посодействовал делу тем, что выдумал двух ассистентов, которые якобы
помогали ему в исследованиях. Берт умер в 1971 г. , а его мистификация
открылась только в 1974 г.
В 1974 г. Уильям Саммерлин занимался в Институте Слоуна-Кеттеринга
исследованиями, которые требовали, чтобы природа произвела для него несколько крыс с
черными пятнами на шкуре. Поскольку природа недостаточно охотно шла ему
навстречу, он оказал ей помощь черным фломастером, но был пойман на "горячем".
В другом случае Джон Дарси, блестящий молодой кардиолог из Гарвардской
медицинской школы, выдавал в год около ста статей, пока в 1981 г. его не поймали
за руку на фабрикации данных.
Никому и в голову не пришло, что при такой скорости выпуска статей у него
не должно было бы оставаться времени на проведение действительных опытов.
Далее, в 1987 г. Стивен Брейнинг попал в газетные заголовки, когда обнаружи-
лось, что он фабриковал данные своих исследований в Питтсбургском
университете о влиянии психоактивных наркотиков на детей.
Новейший злополучный случай связан со статьей, одним из авторов которой был
нобелевский лауреат, биолог Дэвид Балтимор, ныне президент Рокфеллеровского
университета. Член его группы, доктор-стажер Марго О'Тул, никого не обвиняя в
обмане, заявила, что выводы, сделанные в статье, не подтверждаются фактами.
Конкретная работа, подвергшаяся критике, в действительности была выполнена
одной из сотрудниц Балтимора, Терезой Иманиси-Карой, но из-за имени
Балтимора1 на статье этот случай привлек к себе не меньшее внимание журналистов, чем
ситуация в Персидском заливе.
Сам я стал лично вовлеченным в вопросы обмана примерно три года назад,
когда мне, как новому проректору, пришлось разбираться в куче бумаг на своем
столе, в которых сообщалось о том, что происходит в Вашингтоне. Прочитав
часть этого материала, я начал убеждаться в том, что Калтеху необходимо
ввести ряд официальных положений, предписывающих, как поступать в невероятном
случае обмана в науке. Чтобы подготовить материал, я стал собирать сведения
об обмане. Теперь я располагаю картотекой, которая занимает целый ящик, а
Калтех уже имеет положения об обмане в науке. В картотеке, среди прочих
материалов , имеются материалы о юридической подоплеке этого вопроса.
Видимо, впервые Конгресс обратил серьезное внимание на данную проблему в
1981 г., когда подкомиссии по расследованиям Парламентской комиссии по науке
и технике было предложено заняться случаем, произошедшим в Гарвардской
медицинской школе. Председателем комиссии был Альберт Гор, в то время
представитель, а ныне сенатор-демократ от шт. Теннесси. Филипп Хэндлер, тогдашний
президент Национальной Академии наук, сделал комиссии представление, в котором
сказал довольно много из того, что большинство ученых в наши дни обычно
говорят большинству конгрессменов, т.е. что эта проблема выходит за рамки их,
конгрессменов, понимания и что они, конгрессмены, не должны лезть в нее
своими грязными (grubby) руками. Это сообщение было не слишком хорошо принято
конгрессменами, которые почувствовали, что ученых, в конце концов,
поддерживает общественность, и что следовало признать недосмотр конгресса. Тем не
менее, эти слушания не привели ни к каким действиям со стороны конгресса. В
начале 80-х годов Оррин Хэтч, сенатор-республиканец от шт. Юта, стал влезать в
дела Национального института рака. Это тоже не имело никаких долговременных
последствий. Но вот совсем недавно — и с большей оглаской — два
представителя-демократа, Джон Динджелл от шт. Мичиган и Тед Вейс от шт. Нью-Йорк,
предприняли попытку проникнуть в процесс расследования дела Балтимора (и,
возможно, заработать на этом политический капитал) путем проведения слушаний в
соответствующих подкомиссиях.
Динджелл сменил Гора на посту председателя подкомиссии по расследованиям
комиссии по науке и технике, а Вейс был главой подкомиссии по людским
ресурсам и межправительственным связям комиссии по правительственным операциям. В
апреле 1988 г. эти деятели участвовали в несколько неприличном соревновании
за право первым проводить слушания. Динджелловским слушаниям было суждено
привести к долго обсуждавшемуся отчету, который в то время, когда пишутся эти
строки, еще не вышел в свет. В октябре 1990 г. комиссия Вейса выпустила
брошюру, содержащую анализ десяти случаев обмана в науке, под названием "Опасны
ли для нашего здоровья недостойное поведение и злоупотребление служебным
положением в науке?". Уже само название много говорит о содержании брошюры, где
особенно критикуются университеты за их отношение к подобным случаям. Отчет
Комиссии был неодобрительно принят прессой, которая подчеркивала, что он
основан на анализе случаев, имевших место в начале 80-х годов. С тех пор про-
1 Остается надеяться, что он хотя бы читал то, что, подписывая, делал своим.
изошло много событий, и университеты стали тщательнее заниматься случаями
обмана , так что к настоящему времени отчет уже устарел. Похоже, он уже исчез из
поля зрения.
Тем временем в Национальных институтах здравоохранения два биолога, Нед
Фидер и Уолтер Стюарт, объявили сами себя в некотором роде группой борьбы за
истину. Судя по критике в их адрес, они были не слишком продуктивными
биологами, и попытались найти способ удержаться в своей лаборатории и на месте
службы. Они занялись проблемой обмана и особенно проявили себя в деле
Балтимора. Они стали громоотводом для крикунов и во многих других случаях. Любой
может требовать информации об обмане в науке. Эти двое теперь имеют
официальное разрешение от своих начальников на то, чтобы тратить часть своего времени
на преследование нарушителей порядка в науке.
Национальные институты здравоохранения и национальный фонд науки
опубликовали в "Федеральном сборнике" соответственно За 1988 и 1989 гг. свои системы
официальных положений, касающихся обмана в науке. Эти две системы положений,
занимающие много страниц, по существу идентичны. Обе призывают университет
(если обман произошел в университете) вначале изучить ситуацию и лишь после
этого передавать дело по инстанции. В конце 1989 г. Служба здравоохранения
(вышестоящая организация для Национальных институтов здравоохранения)
постановила, что после января 1990 г. заявки на исследования от университета
приниматься не будут, если он не подтвердит, что у него имеется система
официальных положений, как поступать при обмане в науке. Как раз в тот момент и у
Калтеха возникла необходимость иметь такие правила. В рамках Национальных
институтов здравоохранения был создан отдел научной честности. Это название
вызывает в памяти образы из книги Оруэлла "1984 год" (сейчас этот год в
прошлом, но когда-то он был в будущем) . Национальный научный фонд пока не имеет
такого отдела, зато имеет генерального инспектора, который, видимо, выполняет
примерно такие же функции. Эти инстанции занимаются делами об обмане, о
должностных преступлениях и о злоупотреблении служебным положением — тремя видами
недостойного поведения, которые не всегда легко различить.
Любой думающий человек должен задаться вопросами: Насколько обычен обман в
науке? Как часто он встречается? Не настолько ли редко, что об этом не стоит
и беспокоиться? Одна из причин того, что никто точно не знает, насколько
распространен обман в науке, состоит в том, что никто точно не знает, что такое
обман в науке. Что мы имеем в виду под этим выражением? В поисках ответа
обратимся сначала к самому авторитетному из существующих источников —
положениям Калтеха. Положения Калтеха определяют обман в науке или обман при
исследованиях как "весьма недостойное поведение с намерением обмануть, например
фальсификация данных, плагиат или незаконное присвоение идей". Это ясное
определение. Вашингтонский адвокат Барбара Мишкин, на которую ссылаются в связи
с этой темой, указала три типа недостойного поведения в науке:
1) сознательно неправильная интерпретация данных, методик или анализов;
2) плагиат или другие нарушения в отношении авторского права, например
фиктивное (со)авторство и т.п. (фиктивное соавторство означает проставление
фамилии начальника на статье, даже если в действительности он не
проводил никакого исследования);
3) откровенное нарушение законов природы, например законов, относящихся к
человеческому организму, рекомбинантным ДНК и т.п.
В положениях Калтеха рассматриваются два первых типа, а третий тип исключен
в явном виде, как не подпадающий под юрисдикцию Калтеха. Если нарушают закон,
относящийся, например, к человеческому организму, то уже существуют средства
и методы, чтобы заняться этим делом.
Лично я полагаю, что эти определения не охватывают всех возможных случаев.
За 25 лет работы в качестве ученого самыми серьезными случаями (гораздо серь-
езнее остальных) в моей области, известными мне из первых рук, были случаи
"анонимных" обзоров журнальных статей (без ссылки на подлинного автора) и
научных предложений. Подобные вещи никогда не упоминаются юристами, философами
или социологами, занимающимися темой недостойного поведения в науке. Ведь эти
специалисты не являются учеными, работающими в области точных или
естественных наук. Если же взглянуть на проблему из моего собственного "узкого окопа"
в физике, то именно здесь и обнаруживается недостойное поведение.
Доказательство обмана, как он определяется гражданским процессуальным
кодексом, существенно отличается от того, что мы рассматриваем как достаточный
признак обмана в науке. Прежде всего, закон предусматривает истца и
ответчика; кто-то должен подать дело в суд. Для того чтобы добиться своего, истец
должен доказать пять пунктов:
1) было сделано ложное утверждение, иначе говоря, ответчик обманул;
2) ответчик знал, что оно ложное, или проявил халатность, не выяснив, так
ли это;
3) было намерение внушить веру в этот обман;
4) у истца были разумные основания для веры;
5) в результате имел место ущерб.
Что касается обмана в науке, то никто не обращает внимания на четвертый и
пятый пункты (основания для веры и реальный ущерб). Никто не делает вид, что
нужно что-то доказывать с целью предъявления кому-то обвинения в научном
обмане. Положения Калтеха, в которых говорится о "серьезном случае недостойного
поведения с целью обмана" и т.п., фактически охватывают три первых пункта:
ложное утверждение; знание, что оно ложно; намерение внушить веру. Но я
полагаю, что умный юрист, взявшийся за подлинное дело об обмане наподобие тех
нескольких недавних случаев, о которых я упоминал, мог бы утверждать, что там
не было ложных утверждений в обычном понимании. В большинстве случаев
человек, совершивший обман в науке, не пытался увековечить неправду; пожалуй, он
пытался протащить то, что, по его мнению, было правдой2. Мы вернемся к этому
вопросу несколько позже, когда будем обсуждать конкретные исторические
случаи .
Во всяком случае, в судебном прецеденте барьер для доказательства обмана
значительно выше, чем в стандартах, применяемым к ученым. Разумеется, мы,
ученые, склонны к высокомерию; нам кажется, мы знаем, что правильно, а что
нет, но закон обладает огромным опытом в отношении поведения реальных людей,
а поскольку наука — область очень "человеческой" деятельности, вероятно,
необходимо выяснить у юристов кое-что о стандартах для доказательства столь
серьезных обвинений, как обман. Пять юридических пунктов, необходимых для
доказательства обмана, основаны на хорошем знании по опыту, как люди ведут себя
на самом деле, в то время как представление о том, в чем заключается обман в
науке, основано на том, что я называю мифом о Благородном ученом.
Предполагается, что Благородный ученый так или иначе более добродетелен и честен, чем
обычные люди, и, следовательно, можно ожидать, что он не будет вести себя
недостойно даже в мелочах. Этот миф лишь делает нас более склонными к
ошибочному пониманию того, что мы делаем и что, в самом деле, составляет обман.
Последствия этого можно наблюдать при анализе журналистских сообщений об обмане
в науке.
В 1982 г. в издательстве "Саймон и Шустер" вышла книга "Изменившие правде"
Уильяма Броуда и Николаса Уэйда. Оба автора были репортерами журнала "Сай-
енс", а Уэйд — ныне член редколлегии газеты "Нью-Йорк Тайме". Едва ли они
2 Большинство примеряется с очевидными фактами довольно быстро, но есть меньшинство, которое
не делает этого никогда. Через год после того, как была показана иллюзорность N-лучей Блонд-
ло, "первооткрыватель" все-таки выпустил книгу об N-лучах. (Примеч. пер.)
халтурщики. Вместо того, чтобы попытаться проанализировать содержание моей
картотеки, заполненной газетными вырезками, можно взять эту книгу в качестве
примера серьезного исследования обмана в науке лучшими журналистами, так как
они понимают науку лучше, чем их коллеги, и, вероятно, тому, что они пишут,
можно верить с большим основанием.
Книга имеет приложение, озаглавленное "Известные или предполагаемые случаи
обмана в науке". Оно включает в себя "дело" Клавдия Птолемея,
александрийского астронома II в. н.э., автора "Альмагеста" — трактата, на котором
основывалась астрономия до Коперника. Броуд и Уэйд заявляют, что Птолемей совершил
обман, так как, очевидно, он не мог сделать астрономические наблюдения,
которые, по его утверждению, он якобы сделал. Методами археоастрономии
(использование сведений об изменении картины звездного неба для того, чтобы узнать,
как выглядело небо в конкретный период времени в прошлом) исследователи
установили, что наблюдения, приводимые Птолемеем, были сделаны отнюдь не в
Александрии во II в. н.э., а на широте острова Родос во II в. до н.э. Отсюда был
сделан вывод, что на самом деле данные результаты получены Гиппархом с
Родоса .
Другим "действующим лицом" из списка "известных или предполагаемых случаев
обмана в науке" является тот же Гиппарх с Родоса, которому приписывали
наблюдения, по утверждению Броуда и Уэйда, сделанные древними вавилонянами. Авторы
никак не комментируют это невероятное противоречие. Оба обвинения не могут
быть правильными. Очевидно, сами авторы придерживаются менее жесткого
стандарта , чем тот, который они применяют к ученым.
Среди других ученых они обвиняют в "известных или предполагаемых случаях
обмана" Галилея, Ньютона, Дальтона, Менделя, Милликена и целый ряд других. Я
лично не знаком с "делом Менделя", который исследовал генетику гороха и
представил данные, слишком хорошие, чтобы быть правдивыми, как считают некоторые,
но я знаком из первых рук с "делами" кое-кого из остальных, например Исаака
Ньютона. Ньютон объяснил распространение звуковых волн в воздухе. Теория
Ньютона была настолько хороша, что он смог вычислить скорость звука и затем
сравнить ее с результатами измерений. Когда он это сделал, то расхождение
составило примерно 10%.
Следует иметь в виду, что до того никто и понятия не имел, почему звук
распространяется в воздухе, и вычисление скорости с точностью 10% было
интеллектуальным триумфом. Тем не менее, 10%-ное расхождение беспокоило Ньютона, и
он взялся объяснить его. В действительности это расхождение, как оказалось,
обусловлено тем, что процесс распространения звука является адиабатическим, а
не изотермическим, как полагал Ньютон. Иначе говоря, в звуковой волне имеет
место нагревание и охлаждение, в результате чего звук распространяется
несколько быстрее. Ньютон не учел этого эффекта и поэтому получил скорость,
которую имел бы звук при постоянной температуре. Эту едва уловимую разницу не
смогли понять и в течение двухсот следующих лет, так что, конечно, нельзя
винить Ньютона за то, что он этого не знал. Но поскольку он был обеспокоен тем,
что его теория не вполне соответствует наблюдениям, он попытался состряпать
какое-то объяснение этому расхождению. Он выдвинул разного рода
предположения , которые сейчас звучат для нас смешно: не учтены водяные пары в воздухе,
не учитывалось пространство, занимаемое молекулами воздуха, и прочее в том же
духе. Ньютон сделал кое-какие прикидки, пока, наконец, не получил теорию,
соответствующую экспериментам. Подобные вещи в настоящее время делает любой
теоретик; если у вас есть теория, которая не вполне согласуется с
экспериментом, вы размышляете над тем, что могло вызвать небольшое расхождение. Именно
так поступал и Ньютон. Это — пример обмана, по мнению упомянутых журналистов.
С высоты сегодняшнего для подгонки Ньютона смешны. Однако именно так в
действительности и поступают люди. Но разве это обман? Нет, это не обман.
Другой пример, приведенный Броудом и Уэйдом, — наш "канонизированный"
Роберт Эндрю Милликен. Обвинение основано на записях в его лабораторных
дневниках, которые хранятся в архиве нашего Калтеха, и которые я читал и показывал
студентам. Вообще-то я показываю эти записи буквально каждый год, так как они
поучительны: они говорят нам кое-что о реальном мире. Милликен измерял
электрические заряды масляных капель. Он хотел доказать, что электронный заряд
проявляется в определенных целочисленных количествах и является квантованным,
а затем измерить это целое число. Фактически он уже выполнил предварительные
измерения и примерно знал ответ. У Милликена был соперник Феликс Эренхафт,
который считал, что электрический заряд является непрерывной, а не
квантованной величиной. Эренхафт подверг критике результаты Милликена, поэтому
Милликен вернулся в лабораторию, чтобы получить данные получше и обеспечить себе
защиту от Эренхафта. Позже он опубликовал в журнале "Physical Review" статью,
в которой говорит примерно следующее: "Я непредвзято привел абсолютно все
полученные мной научные данные; я проверил 60 капель, и вот все эти 60
капель. ..", — или что-то в этом роде.
Если же просмотреть его рабочие журналы, то дело будет обстоять несколько
иначе. Записи на каждой странице относятся только к одной капле. Милликен
обычно тратил целый вечер на одну каплю, наблюдая, как она поднимается и
опускается в электрическом поле, измерял ее скорость, записывал данные, делал
вычисления и получал результат — значение заряда. Разумеется, он знал, какого
ждать результата. Поэтому в некоторых случаях он писал красным (все остальное
— черным): "Прекрасно — публиковать!" или "Один из лучших результатов,
которые я получил, — публиковать". А далее на одной странице он написал: "Очень
мало — что-то не так". И вы знаете, что это не опубликовано, хотя он и
сказал , что напечатал все.
Что же происходило? Просто Милликен представлял себе, чего он ожидает, и
когда получал неправильный результат, это служило ему сигналом: что-то не
так. Но он не отказывался от результата только потому, что он ему не
нравился. Он пересматривал свой опыт с целью выяснить, где он ошибся, и когда
находил ошибку, то непременно отмечал ее ("неправильное расстояние" — записал он
на той конкретной странице). Люди совершают ошибки. Эксперименты всегда
раздвигают пределы возможного. Ученые всегда находятся на уровне развития своей
области, и мы все время делаем ошибки в лаборатории. Но если бы требовалось
опубликовывать каждую ошибку, научная литература была бы настолько
замусорена , что ее невозможно было бы читать. Она и так достаточно плоха. То, что
делал Милликен, было абсолютно законным: он исследовал "неправильный"
результат и обнаруживал, что сделал ошибку, при этом он приходил к выводу, что этот
результат должен быть отброшен. Разумеется, он не трудился столь же усердно,
чтобы найти причину для отбрасывания результатов, которые были "правильными".
Именно здесь в его результат входит предвзятость. Этот вид предвзятости
присущ любому научному исследованию. Даже если принять тщательно продуманные
меры предосторожности (например, двойные "слепые" проверки) для того, чтобы
попытаться избежать этого вида невольной предвзятости, она все же, так или
иначе, войдет в научные результаты. Но называть ее обманом, как это делают Броуд
и Уэйд, абсолютно безответственно. Милликен — просто очередная жертва мифа о
Благородном ученом, игнорирующего динамику работы реальных ученых.
Милликен и Ньютон не были виновны в обмане, но некоторые другие,
несомненно, виновны. Кто они? Социолог из Принстонского университета Патриция Вулф
исследовала 26 серьезных случаев недостойного поведения в науке, всплывших
тем или иным образом, за период с 1980-го по 1987 г. Оказалось, что из этих
26 случаев два имели место в области химии и биохимии, один — в физиологии,
два — в психологии, а 21 — в медико-биологических науках. Кроме того, из этих
26 случаев примерно в 17 были виновны доктора медицины, а не доктора филосо-
фии3. Таким образом, напрашивается вывод, что обман в науке — это в основном
обман в биологии и медицине, по крайней мере, в последнее время. Вопрос
вопросов : почему это так?
Одна из причин, как предполагают некоторые, заключается в том, что в
медико-биологических науках больше денег, а деньги развращают. Однако и в таких
областях, как история, где денег очень мало, не является необычным обман в
виде плагиата. Поэтому, мне кажется, деньги — не главный побудительный мотив.
Более важным я считаю давление карьеры4. В каждом случае обмана в науке,
который я проверял, кто-то продвигался по службе, а не добивался денег. Еще
предполагают, что поскольку в обмане виновны в основном доктора медицины, а
не доктора философии, то, возможно, у докторов медицины особая этика — врачи
беспокоятся о здоровье больного, а не о чистой правде в науке. Воспитание в
таких этических нормах могло привить другое отношение к вопросу о том, что
допустимо, а что нет. Этот аргумент представляется довольно хрупким, и я не
знаю, есть ли у него хоть какое-то основание.
При определении критерия научной истины исходят из теории, касающейся
воспроизводимости результатов. Считается, что в физике и в других областях, где
мало обмана, эксперименты в точности воспроизводимы в том смысле, что если
кто-то другой придет в лабораторию и повторит тот же опыт, то он получит
такие же результаты. Тем не менее, каждый экспериментатор знает, что это не
совсем так, В действительности опыты слишком трудны, чтобы это имело место на
самом деле, однако широко распространено представление, что здесь причинно-
следственные связи относительно прямые и поэтому результаты воспроизводимы.
Следовательно, с моей стороны было бы глупо подделывать экспериментальную
точку, так как кто-то другой повторит опыт и получит эту точку в другом
месте .
Вернемся к соперничеству между Милликеном и Эренхафтом. Именно это
соперничество удержало Милликена от слишком рыцарского поведения и заставило
сохранить лишь хорошие результаты. Он знал, что, получи он неправильный результат,
его соперник расправился бы с ним без малейших колебаний. Возможно, поэтому
фальсификация результатов физиками менее вероятна, чем биологами или учеными
в области медико-биологических наук, где "истина" является скорее
статистической, чем каузальной или точной. Мне кажется, здесь никто и не стал бы
раскрывать небольшой обман, так как он находится в пределах погрешности
эксперимента .
Так я рассуждал, прежде чем приступить к проверке некоторых случаев обмана.
И вот что я обнаружил: в каждом отдельном случае человек, совершивший обман,
полагал, что он знает ответ. Это совсем другое, чем предполагать, что ты
находишься в некой неточной области, где явления не слишком воспроизводимы. Эти
ученые действительно считали, что знают ответ, и что фальсификацией данных
они лишь чуть-чуть содействуют получению результата. Они не подправляли
неправильный результат, а лишь слегка сократили себе путь, опустив несколько
операций, которые на самом деле, якобы не были необходимы, так как ответ был
известен. Таков случай Сирила Берта, психолога, который подтасовывал данные
по идентичным близнецам. Он знал, что интеллект наследуется, а пойти и
отыскать еще 33 пары идентичных близнецов, разлученных при рождении, было бы
невероятно трудно. И в этом, действительно, не было необходимости, так как он
знал, каков был бы ответ, если бы он выполнил всю эту работу. Так зачем ее
выполнять, не правда ли?
3 Сюда относятся технические, физико-математические, химические и общественные науки. (При-
меч. пер.)
4 Это еще более касается денег, только денег для себя. Потеря работы в одном месте может
навсегда лишить шанса найти ее в другом.
Подобное можно заметить даже в случае с "пилтдаунским человеком". К 1912 г.
были обнаружены останки доисторического человека во Франции и Германии, при
этом было указание на то, что они могли бы быть даже где-то в Африке. А ведь
все знали, что Бог — англичанин. И если находка обнаружилась в других местах,
то уж в Англии останки доисторического человека должны быть непременно. Надо
было лишь немного посодействовать этому.
Вокруг этой проблемы много загадок, и, вероятно, каждый из упомянутых
факторов играет свою роль. Представляется ясным, что ученые чрезвычайно
подвержены обману или "срезанию углов" в следующих обстоятельствах:
1) когда на них давит необходимость выдать что-то для карьеры;
2) когда они считают, что знают ответ, и полагают, что хлопоты, связанные с
добыванием данных, лишь замедляют неизбежный процесс;
3) когда они предполагают, что несколько защищены "слабой
воспроизводимостью" .
Нет такой области человеческой деятельности, которая могла бы выдержать
сияние безжалостной абсолютной честности. Мы все вносим немного притворства в
то, что мы думаем, для того, чтобы хоть немного облегчить себе жизнь.
Поскольку наука — очень "человеческая" область деятельности, то, делая ее, мы
также неизбежно вносим притворство и искажения. К примеру, каждая научная
статья пишется так, как будто это конкретное исследование и является
триумфальным шествием от одной истины к другой. Однако все мы, практические
работники, знаем, что каждый научный эксперимент хаотичен, как война. Никогда не
знаешь, что происходит; никак не понять, что означают данные. Но, в конце
концов, дело проясняется, и тогда "задним числом" описываешь ясную и четкую
последовательность шагов. Это своего рода лицемерие, но оно глубоко проникло
в те методы, которыми мы делаем науку. Мы так привыкли к ним, что уже и не
считаем это фальшивой подачей материала.
Например, фальшивая фраза "типичный наилучший случай" обычно означает, что
эти данные типичны, но представляют собой наилучший набор полученных данных.
Все это делают, и все признают, что именно так делают все. Это считается
приемлемым поведением и не считается обманом. Однако есть одно важное различие:
если я представляю свой наилучший случай как типичный, это приемлемо. Но если
я возьму эти данные и сдвину одну экспериментальную точку, чтобы одна
выглядела получше, то это уже обман. Есть нечто священное в отношении данных:
существует четкая граница, которую нельзя переходить.
В глоссариях, объясняющих действительные значения выражений, фигурирующих в
научных статьях5, иногда наблюдается "обход" нежелательных моментов.
Например, слова "вследствие затруднений при манипуляции с образцом" в
действительности означают нечто вроде "мы уронили его на пол". Этим лишь признается, что
научные статьи могут искажать то, что случилось в действительности, хотя им
положено излагать вещи абсолютно честно. Мы не обучаем "правилам" фальшивого
изложения в научных статьях, но ученичество, через которое проходишь, чтобы
стать ученым, обязательно включает в себя ознакомление с ними. Однако это же
ученичество прививает также глубокое уважение к неприкосновенности научных
данных. Обучают тому, как различать ту неприкосновенную границу, которая
отделяет безвредную выдумку от настоящего обмана.
Мне кажется, что в своей основе ученые — честные люди, даже если они и не
вполне соответствуют мифу о Благородном ученом. Дела Саммерлина и Дарси
потрясли всех ученых, которых я знаю. Хотя я сказал, что мы могли бы выяснить
пару вопросов у юристов, я не имею в виду, что мы должны пройти по всем
юридическим каналам и настаивать на доказательстве тех самых пяти пунктов, чтобы
продемонстрировать обман. Если кто-то жульничал с научными данными, то это
5 Смотрите, например, предпоследнюю страницу №9 журнала «Домашняя лаборатория» За 2007 г.
следует рассматривать как обман и при этом не нужно больше ничего доказывать.
Тем не менее, я думаю, что миф о Благородном ученом не сослужит нам хорошей
службы. Ученым тоже свойственно ошибаться. Это же касается конгрессменов и
журналистов. Нам всем не помешало бы немного больше понимания и честности в
отношении того, что мы на самом деле делаем, и как и почему мы это делаем.
КОЕ-ЧТО ИЗ ЗАБЛУЖДЕНИЙ
Ллойд Дж., Митчинсон Дж., Фрай С.
«Через заблуждения к истине".
Анри Сусо (1300-1365),
"Маленькая книга истины"
Предисловие
Иногда меня попрекают тем, что я много Знаю. "Стивен, - говорят мне с
укоризной, - ты много знаешь". Ага, все равно, что сказать человеку, к которому
прилипла пара песчинок, что он весь в песке. Если представить себе все то
огромнейшее количество песка, что существует в мире, такого человека, в
сущности, можно считать беспесочником. Мы все беспесочники. Мы все невежды. Вокруг
столько пляжей, пустынь и дюн знаний, о существовании которых мы даже не
догадываемся, - не говоря уже о том, чтобы там побывать!
Сказать вам, друзья, кого нам надо остерегаться больше всего? Тех, кто
считает , что они знают все, что положено знать. "Все объясняется в этом тексте,
- говорят они нам, - а больше знать ничего не нужно". Тысячи лет мы мирились
с подобного рода заявлениями. А тех, кто говорил: "Э-э... минуточку, по-
моему, в этом вопросе мы с вами несведущи, ну-ка, посмотрим..." - травили
ядами, выкалывали им глаза и вытягивали кишки через задний проход.
Возможно, сегодня мы даже в большей опасности, полагая, что знаем больше,
чем в те далекие и мрачные времена религиозных предрассудков (если они
действительно ушли в прошлое). Весь багаж знаний, накопленных человечеством, нынче
к нашим услугам - стоит лишь щелкнуть мышью. Конечно, такое положение дел
просто-таки превосходно, зато опасность теперь в другом: все это запросто
может превратиться еще в один священный текст. Что нам по-настоящему нужно, так
это сокровищница - но не знания, а невежества. Книга заблуждений, которая не
дает ответы, но ставит вопросы. Книга, которая прольет свет - нет, не на
очевидные факты, а на темные и сырые уголки нашего невежества. И текст, который
вы, друзья, держите сейчас в руках, как раз и есть тот пылающий факел, что
поможет нам всем отправиться в путешествие к простоте, понятной даже неучам и
глупцам. Читайте его с умом, ибо велика сила заблуждений.
Бытует мнение, будто человечеству, в общем и целом, понятно, как устроена
Вселенная. Не нам с вами, разумеется, а всяким там "ученым", "профи" и
"экспертам" . Как ни прискорбно, но это совсем не так. По словам Томаса Эдисона,
человека, который вовсе не изобрел электрическую лампочку, "мы ни о чем не
знаем и миллионной доли процента".
Эта публикация для людей, которые знают, что они много чего не знают. В ней
- сотни фактов, о коих обычный человек даже не догадывается. Но она не
проникает глубже поверхности того, что мы называем невежеством, поскольку
невежество, по сути, - это готовые ответы. А вот по-настоящему интересные вопросы -
нечто совсем другое. Что есть жизнь? Не знает никто. Что есть свет? Или
любовь? Или смех?
Есть одна вещь, которую держат в строжайшем секрете и которой не учат в
школе: никто не имеет ни малейшего понятия, что же такое гравитация. Или
сознание, или электричество, или вирусы. Мы не знаем, почему есть нечто, а не
ничто; нам также неизвестно, как и откуда взялась Вселенная. А что еще хуже,
96% этой самой Вселенной, похоже, где-то отсутствует. Мир не сплошной, он
состоит из энергии и пустоты. Однако никто не знает, что есть энергия, и все
лишь только подозревают, что такой вещи, как пустота, тоже не существует.
Мы многого не понимаем, и одна из непонятных штук - это интересность.
Любопытно, что у римлян никогда не было термина, означающего "интерес". Никто до
сих пор не смог толком определить, что же это за зверь такой - интересность;
равно как и объяснить, почему то, чего мы не знаем, гораздо интереснее того,
о чем в курсе.
Биологи говорят, что человеком движут три основные силы: еда, секс,
самосохранение - никакой разницы с животным миром. Мы же говорим, что есть
четвертая движущая сила, которая и делает из нас человека, - любознательность.
Дикобраза абсолютно не волнует смысл существования. Трубкозубы и мотыльки не
устремляют взор в ночное небо и не вопрошают, что это за точки мерцают там. А
вот люди - да.
Человеческий мозг - самый сложный объект во всем космосе. Он способен
устанавливать больше связей, чем положительно заряженных частиц во Вселенной.
Никто не знает, почему процесс сей так запутан, и что нам делать со всей этой
поразительной вычислительной мощью.
Так что задавайте побольше вопросов.
Сколько у вас ноздрей?
Четыре. Две вы видите, а две - нет.
К такому открытию приводят наблюдения за процессом дыхания у рыб. Рыбы
получают кислород из воды. У большинства из них две пары ноздрей: передняя -
для впуска воды и пара "выхлопных труб" - для ее выпуска.
Вопрос: если человечество произошло от рыб, куда девалась вторая пара?
Ответ: в глубь головы, превратившись во внутренние ноздри, называемые
choannae - в переводе с греческого "дымоходы". Они соединяются с горлом и
являются тем самым приспособлением, что позволяет нам дышать через нос.
Для этого внутренним ноздрям необходимо каким-то образом обеспечить
обратный проток через рот. Невероятно, но факт: совсем недавно китайские и
шведские ученые обнаружили рыбу под названием Kenichthys campbelli - ископаемое
чудище, возраст которого составляет 395 млн. лет, - демонстрирующую данный
процесс в его срединной стадии. Между передними зубами рыбы ясно видны два
ноздреподобных отверстия.
Рыба Kenichthys campbelli - прямой предок земноводных, способных дышать как
на суше, так и в воде. Один комплект ноздрей позволял ей лежать на мелководье
и поглощать пищу, в то время как второй торчал из воды - почти как у
крокодила .
Подобные зазоры между зубами можно наблюдать на ранних стадиях развития
человеческого эмбриона. Когда эти зазоры не срастаются, получается "волчья
пасть". Вот так одна древняя рыбина может разъяснить сразу две давнишние
загадки человечества.
Новейшие исследования, кстати, говорят о том, что мы используем каждую из
двух наших внешних ноздрей, чтобы различать запахи, вдыхая ноздрями разное
количество воздуха, и тем самым, создавая своего рода носовое стерео.
Где находится самое сухое место на Земле?
В Антарктиде1. Некоторые районы этого материка не видели дождя вот уже два
миллиона лет.
Технически пустыней считается место, где за год выпадает менее 254 мм
осадков .
В Сахаре, к примеру, их выпадает всего 25 мм. Среднегодовое количество
осадков в Антарктиде примерно такое же, однако, 2% всей территории
континента, известные как Сухие долины, полностью свободны ото льда и снега, и там
вообще никогда не идет дождь.
Следующее по сухости место на Земле - пустыня Атакама в Чили. В некоторых
ее районах дожди не отмечались вот уже 400 лет, а среднегодовое количество
осадков составляет крошечную цифру в 0,1 мм. Такие мизерные показатели делают
Атакаму второй по сухости мировой пустыней - в 250 раз суше Сахары.
Однако Антарктида не только самое сухое место на планете. Одновременно
материк претендует на звание самого влажного и самого ветреного. Именно там, в
виде льда, находится 70% мировых запасов воды, а ветры достигают скоростей,
бьющих все мировые рекорды.
Уникальные природные условия в районе Сухих долин вызваны так называемыми
катабатическими ветрами (от греческого слова, означающего "дующий вниз"). Они
возникают, когда холодный и плотный воздух опускается по склону холма
исключительно под воздействием силы тяжести. Такие ветры могут достигать скорости
320 км/ч, полностью испаряя встречающуюся на пути влагу - воду, лед, снег.
И хотя Антарктида, в общем-то, является пустыней, наиболее сухие ее части,
несколько иронически, именуют оазисами. Они настолько близки к природным
условиям Марса, что НАСА проводит там испытания спускаемых космических
аппаратов "Викинг".
Широко распространено мнение, что самым сухим местом является высокогорная пустыня Атакама
на территории Чили, при этом жарким местом ее никак не назовешь - летом температура там
редко поднимается выше 17-18 градусов по Цельсию.
Где находится самая высокая гора?
На Марсе.
Гигантский вулкан Олимп - или, по-латыни, Olympus Mons - является
высочайшей горой Солнечной системы и других известных человечеству частей Вселенной.
При высоте 22 км и диаметре 624 км гора Олимп почти в три раза выше
Эвереста и настолько широка, что ее основание способно покрыть Аризону или всю
территорию Британских островов. Кратер наверху имеет ширину около 72 км и
глубину более 3 км - вполне достаточно, чтобы там уместился такой мегаполис,
как Лондон.
Следует отметить, однако, что Олимп не совсем точно подпадает под
определение "гора", как его понимает большинство людей. Вершина Олимпа совершенно
плоская - вроде огромного плато посреди моря, из которого выкачали воду, - а
склоны никак не назовешь крутыми. Легкий уклон в 1-3 градуса означает, что,
совершая восхождение, вы даже не вспотеете.
Традиционно мы привыкли оценивать горы по их высоте. Если бы мы оценивали
горы по их размеру, было бы совершенно бессмысленно отделять одну гору в
хребте от всех остальных. При таком подходе Олимп оказался бы лилипутом в
сравнении с Эверестом. Поскольку Эверест - лишь часть гигантской горной
системы Гималаи - Каракорам - Гиндукуш - Памир, растянувшейся почти на 2400 км.
Как называется самая большая гора в мире?
Мауна-Кеа, высочайшая точка на острове Гавайи.
Потухший вулкан поднимается над уровнем моря всего на 4206 м, однако, если
измерить расстояние от морского дна до вершины, мы получим 10 200 м -
приблизительно на 1,2 км больше, чем высота Эвереста.
Что касается гор, то на сегодняшний день "самым высоким" условно принято
считать расстояние от уровня моря до пика, а "самым большим" - расстояние от
подножия горы до ее вершины.
Таким образом, Эверест при высоте 8848 м является самой высокой горой в
мире, но не самой большой.
Одни, к примеру, доказывают, что гора Килиманджаро в Танзании (5895 м)
больше Эвереста, поскольку поднимается прямо из Африканской равнины, в то
время как Эверест - всего лишь один из множества пиков, увенчивающих
огромнейшее подножие Гималаев вкупе еще с тринадцатью высочайшими горами мира.
Другие утверждают, что гораздо логичнее измерять расстояние от горного пика
до центра Земли.
Поскольку Земля - сфера скорее приплюснутая, чем идеально круглая, ее
экватор отстоит примерно на 21 км дальше от центра, чем каждый из полюсов.
С одной стороны, это хорошая новость для репутации тех гор, что
располагаются близко к экватору, - например, для горы Чимборазо в Андах, - но есть и
другая сторона медали: в этом случае придется признать, что даже пляжи в
Эквадоре "выше" Гималаев.
При всем своем величии Гималаи на удивление молоды. К моменту их
окончательного формирования динозавры были мертвы всего 25 млн. лет.
В Непале Эверест известен как Джомолунгма, то есть "мать Земли". В Тибете
его называют Сагармата, что на местном наречии означает "лоб неба". Как и
любой здоровый юноша, Эверест продолжает расти, правда, не сильно впечатляющими
темпами - всего на 4 мм в год.
Какой из живых организмов является самым крупным?
Ответ: гриб.
Причем даже не какой-то там особенно редкий. На пнях в вашем саду вы
наверняка не раз встречали колонии обыкновенных опят (Armillaria ostoyae).
Ради вашего же блага будем надеяться, что они не достигнут размеров самого
крупного из официально зарегистрированных экземпляров. Растущий в
Национальном заказнике Малур, штат Орегон, опенок-рекордсмен занимает площадь в 890
гектаров, а его возраст - что-то между двумя и восемью тысячами лет. Большая
его часть скрыта от глаз и находится под землей в виде массивной подстилки из
усикоподобной белой грибницы (mycelia) (грибной эквивалент корней). Грибница
опутывает древесные корни, вызывая повальную гибель деревьев, и лишь изредка
пробивается сквозь почву в виде безобидных небольших россыпей золотистых
грибков.
Первоначально считалось, что гигантский опенок из Орегона - это отдельные
скопления, растущие по всему лесу, однако не так давно ученые пришли к
единому мнению: мы имеем дело с самым крупным в мире целостным организмом,
соединяющимся под землей.
Что из перечисленного способен проглотить голубой кит?
а) Очень крупный гриб.
б) Маленький семейный автомобиль.
в) Грейпфрут.
г) Моряка.
Весьма интересно, что глотка голубого кита по своему диаметру не превышает
его пупок (с блюдце) и чуть меньше его барабанной перепонки (примерно с
мелкую тарелку).
Восемь месяцев в году голубые киты не едят почти ничего, однако, все лето
они питаются практически без остановки, поглощая по три тонны пищи в день.
Как вы, вероятно, помните из уроков биологии, диета голубого кита состоит
исключительно из мелких розовых рачков, иначе именуемых криль, - лакомство,
которое к тому же очень легко проглатывается. Криль удобно сервируется прямо в
пасть кита огромными косяками, каждый из которых может достигать 100 тыс.
тонн и более.
Слово криль пришло из Норвегии. Оно происходит от голландского kriel, то
есть "мелочь", но в современном языке также используется в значении "пигмей"
или "мелкий картофель". Палочки из криля пользовались сравнительно неплохим
спросом в Чили, однако так называемый "креветочный фарш" стал настоящим
бедствием для России, Польши и Южной Африки из-за опасно высокого содержания
фтора2. Его источником был панцирь криля - слишком мелкий, чтобы счищать с
каждого из рачков, перед тем как пустить в мясорубку.
А поскольку глотка у голубого кита чересчур узкая, значит, он даже при всем
желании не мог проглотить Иону. Единственный вид кита, в горло которого может
пролезть человек, - это кашалот, однако в его желудке настолько высокая
кислотность, что выжить в китовом чреве попросту невозможно. А знаменитая
история 1891 года о "современном Ионе" - английском матросе Джеймсе Бартли, якобы
проглоченном гигантским кашалотом и спустя пятнадцать часов спасенном
коллегами-китобоями, - чистейшей воды выдумка и шарлатанство.
За исключением глотки, все остальное у голубого кита очень большое. При
Действительно, в 70-80-е гг. прошлого века в СССР мясо криля было чрезвычайно популярно и
относительно доступно по сравнению с прочими продуктами. Когда же стало известно, что
излишек фтора чрезвычайно опасен для Здоровья, криль исчез с прилавков наших магазинов. Фтор
накапливается в костях и является причиной многих серьезных болезней, его излишек провоцирует
вывод из организма магния, что, в свою очередь, приводит к уменьшению содержания кальция -
основы костей, которые в результате начинают разрушаться.
длине в 32 м это самое крупное из всех существ, когда-либо живших на нашей
планете. Он в три раза больше самого крупного из динозавров, а весит как 2700
человек вместе взятые. Один язык голубого кита весит больше, чем слон, сердце
у него размером с семейный автомобиль, а желудок может вместить более тонны
разнообразной еды. Кроме того, издаваемый голубым китом звук - самый громкий
из всех, что способно произвести живое существо: собратья могут услышать его
низкочастотный "гул" на расстоянии более чем 16 тыс. км.
Какая птица несет самые мелкие по
сравнению с собственными размерами яйца?
Страус.
Являясь самой крупной единичной клеткой в природе, страусиное яйцо
составляет менее 1,5% веса матери. Вес яйца крапивника, к примеру, равен 13%
собственного веса птицы. Самое крупное яйцо по отношению к размерам птицы
принадлежит самке малого серого киви. Вес ее яйца достигает 26% от веса матери -
все равно как если бы обычная женщина родила шестилетнего ребенка.
Яйцо страуса весит как двадцать четыре куриных; чтобы сварить его всмятку,
потребуется три четверти часа. Королева Виктория с наслаждением вкушала
лакомство на завтрак, уверяя, что ничего вкуснее отродясь не едала.
Самое крупное яйцо, когда-либо снесенное живым существом, включая
динозавров, принадлежало эпиорнису - гигантской страусообразной птице, жившей на
Мадагаскаре и истребленной в 1700 году. Яйцо было в десять раз больше
страусиного, девяти литров в объеме и эквивалентно 180 куриным.
Полагают, что именно эпиорнис (Aepyornis maximus), или "птица-слон", стала
прообразом свирепой птицы Рух, с которой сражался Синдбад в "Тысяче и одной
ночи".
У кого слишком короткая память?
Только не у золотой рыбки.
Несмотря на пресловутый статус якобы общеизвестного факта,
продолжительность памяти аквариумной золотой рыбки вовсе не три секунды.
Результаты исследования, проведенного в Школе психологии Плимутского
университета в 2003 году, не оставляют ни малейших сомнений в том, что золотые
рыбки запоминают не меньше, чем на три месяца, и могут распознавать формы,
цвета и звуки. Для того чтобы получить награду в виде угощения, их приучали
нажимать на маленький рычажок; когда же рычажок отрегулировали так, чтобы тот
работал лишь час в день, рыбки быстро научились приводить его в действие в
нужное время. Ряд схожих экспериментов показал, что рыбу в садках можно легко
приучить к кормежке в одно и то же время и в одном и том же месте - в ответ
на тот или иной звуковой сигнал.
Золотые рыбки не врезаются в стенку аквариума вовсе не потому, что видят
ее, а потому что используют чувствительную к давлению систему, называемую
боковая линия. Некоторые виды слепых пещерных рыб прекрасно ориентируются в
полной темноте с помощью одной лишь своей боковой линии.
И коль скоро речь зашла о мифах, гуляющих о золотых рыбках, давайте сразу
отметим: беременная золотая рыбка не являлась, не является и не может
являться образцом "тупости". Золотые рыбки не беременеют - они мечут икру, которую
самцы оплодотворяют прямо в воде.
В принципе, может, и существует слово для мечущей икру рыбы-самки - что-
нибудь вроде "доды", "дурынды" или "чипки", - но ни одно из них в приличных
словарях не упоминается.
Какое животное из когда-либо живших
на нашей планете является наиболее опасным?
Добрая половина людей, умерших за всю историю человечества - что-то около
45 миллиардов, - были убиты самками комаров (самцы кусают только растения).
Комар (или москит) является переносчиком более сотни потенциально
смертельных болезней, включая малярию, желтую лихорадку, денге, энцефалит, филяриатоз
и элефантиаз (слоновая болезнь). Даже сегодня каждые двенадцать секунд это
насекомое убивает по одному из нас.
Поразительно, но вплоть до конца XIX века никто и подумать не мог, что
комары настолько опасны. Лишь в 1877 году доктор сэр Патрик Мэнсон - известный
также как "Москит" Мэнсон - доказал, что элефантиаз вызывается укусами
комаров .
Семнадцать лет спустя, в 1894 году, у Мэнсона появляется мысль, что,
возможно, причиной малярии также являются комары. Он предлагает своему ученику
Роналду Россу - в то время еще молодому врачу, практикующему в Индии, -
проверить эту гипотезу.
Росс стал первым, кто показал, как самка малярийного комара передает
паразита Plasmodium через собственную слюну. Свою теорию он проверял на птицах.
Мэнсон же переплюнул ученика. Чтобы продемонстрировать работу теории, он
заразил собственного сына - используя малярийных комаров, которых вывез из Рима
в дипломатическом багаже. (К счастью, после немедленной дозы хинина мальчик
выздоровел.)
В 1902-м Росс получает Нобелевскую премию по медицине. Мэнсона избирают
членом Королевского общества и посвящают в рыцари. Он также становится
основателем Лондонской Школы тропической медицины.
На сегодняшний день известно 2500 видов комаров, 400 из которых являются
представителями семейства Anopheles, и 40 из них способны переносить малярию.
Самки откладывают яички в воду и используют высосанную кровь для их
созревания. Из яичек вылупляются водные личинки, или куколки. В отличие от
большинства насекомых, куколки комаров, также известные как "дергуны", очень
активны и могут быстро скользить по воде.
Комары-самцы жужжат более высоким тоном, чем самки; их можно соблазнить
обычным камертоном, выдающим ноту си.
Комаров-самок привлекают влага, молоко, углекислота, телесное тепло и
движение . У потных людей и беременных женщин гораздо больше шансов быть
укушенными.
На испанском и португальском слово mosquito означает "мелкая мушка".
Безобидны ли сурки?
Нет, поскольку они убивают людей. Закашливают их до смерти.
Сурки (или мармоты) - добродушные пузанчики, представители семейства
беличьих. Размером они примерно с кошку и громко пищат в случае опасности.
Однако на этом их обаяние заканчивается. Обитающая в Монголии разновидность -
степной (или обыкновенный) сурок - особенно восприимчива к инфекционному
заболеванию легких, вызываемому бактерией Yersinia pestis и более известному
как бубонная чума.
Сурки разносят чуму, кашляя на соседей; заражая блох, крыс и, в конечном
счете, людей. Все великие эпидемии, пронесшиеся сквозь Восточную Азию и
скосившие Европу, пришли от степных монгольских сурков. По оценкам историков,
число умерших от чумы превысило миллиард, что ставит сурка на второе место
после малярийного комара в списке величайших убийц человечества.
Когда сурок или человек становятся жертвой чумы, лимфатические узлы у них
под мышками и в паху чернеют и распухают (такие язвы называют "бубонами", от
греческого boubon, "пах", отсюда и слово "бубонная"). Монгол ни за что не
притронется к подмышкам сурка, поскольку "там прячется душа мертвого
охотника".
Остальные части сурка считаются в Монголии деликатесом. Местные охотники
совершают целые ритуалы, перед тем как подкрасться к добыче: надевают
фальшивые кроличьи уши, пританцовывают и размахивают хвостом яка. Пойманного сурка
зажаривают целиком над раскаленными камнями. Жир альпийского сурка ценится в
Европе как целебная мазь от ревматизма.
К другим представителям сурков относятся луговая собачка и
североамериканский лесной сурок. День сурка отмечается 2 февраля. Каждый год сурка,
известного как Панксатонский Фил, и живущего на Индюшачьей горке городка Панксатони
в Пенсильвании, достают из норы с электрическим подогревом. Облаченные в
смокинги "хранители" задают Филу вопрос: видит ли он свою тень? Если сурок
шепчет "да", значит, зима продлится еще шесть недель. С 1887 года метеоролог Фил
ни разу не ошибался.
Бубонная чума не оставляет нас и по сей день - последняя серьезная вспышка
произошла в Индии в 1994 году. Чума является одной из трех болезней,
внесенных в США в список заболеваний, требующих обязательного карантина (две другие
- желтая лихорадка и холера).
Как умирают лемминги?
Нет, они не кончают массовым самоубийством - если это то, о чем вы
подумали3 .
Судя по всему, идеей о самоубийстве мы обязаны научному труду натуралистов
XIX века, наблюдавших (но так и не понявших) за четырехлетним "бумо-спадовым"
популяционным циклом норвежского лемминга (Lemmus lemmus).
Лемминги обладают феноменальной способностью к воспроизводству. Одна самка
может ежегодно давать до восьмидесяти отпрысков. Внезапные всплески
численности леммингов даже навели скандинавов на мысль, что те самопроизвольно
плодятся при благоприятной погоде. На самом же деле происходит следующее: мягкие
зимы приводят к перенаселению, что, в свою очередь, ведет к чрезмерному
стравливанию пастбищ. В поисках еды лемминги отправляются осваивать
неизведанные территории и идут до тех пор, пока не наткнутся на естественное
препятствие вроде пропасти, озера или моря. А задние все напирают. Создается
паника и сумбур. Бывают и несчастные случаи. Но это не самоубийство.
Существует и еще один, побочный миф: якобы вся эта идея массового
самоубийства была выдумана в диснеевском фильме "Белая пустошь" (1958). Правда Здесь
то, что фильм был абсолютной фальшивкой. Его снимали в окруженной сушей и
никогда не видевшей леммингов канадской провинции Альберта, зверьков-актеров
приходилось свозить аж из Манитобы, за несколько сотен миль. Кадры "массовой
миграции" делались с помощью десятка леммингов на усыпанной снегом поворотной
платформе. А знаменитая финальная сцена (где лемминги бросаются в море под
трагичный, наполненный безысходностью закадровый голос Уинстона Хибблера:
"Последний шанс повернуть, но их уже не остановишь; еще шаг - и тела их
срываются в бездонную пропасть") снималась и вовсе без особых затей: создатели
фильма попросту швыряли бедолаг в реку.
Более ста лет биологов интриговало поведение мелкого грызуна, обитающего в северных
широтах. Лемминги имеют обыкновение дружно бросаться с обрыва в воды моря. Это Загадочное
поведение безобидного Зверька спровоцировало появление легенды о том, будто бы всякий раз, когда
их численность становится слишком уж огромной и пищи на всех не хватает, лемминги
объединяются в одно полчище и совершают массовое самоубийство.
Однако Дисней виновен лишь в том, что пытался воссоздать уже укоренившуюся
в наших мозгах историю. Вот как она описывается в наиболее влиятельном
учебнике для детей начала XX века - "Детской энциклопедии" Артура Ми, - увидевшем
свет в 1908 году: "Они идут через холмы и лощины, сквозь сады, фермы,
деревни, падая в пруды и колодцы, отравляя воду и вызывая тиф... все вперед и
вперед, к морю, и дальше - в воду, к собственной гибели... Это ужасно и грустно,
но, если бы не такой печальный исход, лемминги давно уже поглотили бы всю
Европу" .
Что делают хамелеоны?
Они вовсе не меняют свой цвет в зависимости от окружающего фона.
Никогда не меняли и никогда не будут. Абсолютный миф. Полная выдумка.
Наглая ложь.
Окрас хамелеона зависит от его эмоционального состояния. И если цвет вдруг
совпадет с окружающим фоном, то это именно совпадение, ничего более.
Хамелеон меняет цвет, когда он испуган, или его взяли в руки, или если он
победил в драке другого хамелеона. Они меняют цвет, когда в их поле зрения
попадает представитель противоположного пола, а иногда - вследствие изменений
температуры или освещения.
Кожа хамелеона содержит несколько слоев особых клеток, так называемых хро-
матофоров (от греческого chroma, "цвет", и pherein, "нести"), каждый со
своими цветовыми пигментами. Изменение соотношения между слоями вынуждает кожу
отражать разные типы света, делая хамелеона эдакой ходячей цветомузыкой.
Даже странно, насколько устойчиво убеждение, будто хамелеоны меняют цвет в
Зависимости от окружающей обстановки. Данный миф впервые появился примерно в
240 году до н.э. в трудах Антигона из Каристы - второстепенного греческого
сочинителя занимательных историй и кратких биографий. Аристотель - фигура
гораздо более влиятельная и к тому же писавший веком ранее - уже тогда
абсолютно верно связывал изменение цвета хамелеона с его страхом. В эпоху
Возрождения от теории "окружающего фона" в очередной раз почти полностью отказались.
Однако с тех пор взгляды поменялись на диаметрально противоположные, и на
сегодняшний день это, пожалуй, единственное, что большинство людей "знают" о
хамелеонах.
Хамелеоны могут оставаться абсолютно неподвижными по несколько часов
подряд. По этой причине, а также из-за того, что едят хамелеоны крайне немного,
в течение многих веков бытовало мнение, будто они питаются воздухом. Это,
разумеется, тоже неправда.
Слово хамелеон в переводе с греческого означает "земляной лев". Самым
мелким видом является Brookesia minima, длина которого составляет всего 25 мм;
самый крупный, Chamaeleo parsonnii, имеет длину 610 мм. Хамелеон же
обыкновенный с гордостью носит латинское имя Chamaeleo chamaeleon, что звучит прямо
как вступление песни.
Хамелеон может вращать и фокусировать глаза абсолютно независимо друг от
друга и смотреть одновременно в два противоположных направления. Но при этом
он абсолютно глухой. Библия запрещает употреблять хамелеонов в пищу.
Как маскируются белые медведи?
Прикрывают свой черный нос белой лапой, не так ли?
Милое, конечно, убеждение, но, к сожалению, совершенно безосновательное. И
еще они не левши. Натуралисты наблюдали за белыми медведями многие сотни
часов и не увидели ни одного свидетельства осмотрительного "носоприкрывания"
или "леволапости".
Хотя белым медведям очень нравится зубная паста. Мы регулярно слышим о
белых медведях, которые дают выход своей энергии в арктических туристских
лагерях: сбивают палатки, топчут оборудование и снаряжение - и все ради того,
чтобы присосаться к тюбику "Пепсодента".
Возможно, это и есть одна из причин, почему в местечке Черчилль в канадской
провинции Манитоба организовали большую бетонную "тюрьму для белых медведей".
Некоторые из "заключенных" отбывают там по несколько месяцев, прежде чем их
выпускают обратно в общество: озлобленных, исправленных, безработных. Бывшее
помещение морга военной базы - официально тюремный блок носит название
"Здание D-20". "Медвежий КПЗ" может вместить до двадцати трех "постояльцев"
одновременно. Летом белые медведи ничего не едят, так что некоторых "узников" не
кормят месяцами. Их держат в "камере" до весны или осени - время охотничьего
сезона белых медведей, - чтобы после освобождения те сразу отправлялись на
рыбалку, а не шлялись по мирному Черчиллю.
Самый первый из известных белых медведей, попавших в неволю, принадлежал
египетскому фараону Птолемею II (308-246 гг. до н.э.). Мишку держали в
частном зоопарке монарха в Александрии. В 57 году римский поэт Сикул Тит Кальпур-
ний писал о белых медведях, которых натравливают на тюленей в заполненном
водой амфитеатре. Охотники-викинги ловили детенышей белого медведя следующим
способом: они убивали мать, сдирали с нее шкуру, раскладывали на снегу и
хватали медвежат, приходивших на ней полежать.
Научные названия могут несколько сбить с толку. Ursus arctos - это не белый
медведь, это бурый медведь. Ursus означает "медведь" на латыни, a arctos -
тот же "медведь", но по-гречески. Именно Арктика названа в честь медведя, а
не наоборот; это была "земля медведей", где жили медведи, и куда указывал
большой медведь в небе - созвездие Большой Медведицы. А белый (он же
полярный) - это Ursus maritimus, то есть "медведь морской".
Созвездие Большой Медведицы распознавалось как медведь целым рядом
народностей и культур, включая японских айны - на востоке, американских индейцев -
на западе и нас самих - посередке. И хотя полярные мишки появляются на свет,
в буквальном смысле, под Большой Медведицей, по Зодиаку все они - Козероги,
рожденные в конце декабря - начале января.
Бурый медведь относится к тому же виду, что и гризли - так зовут бурых
медведей, живущих на территории Северной Америки. Самцов и самок медведей по-
английски называют boar и sow, то есть "хряк" и "свинья", хотя к свиньям они
имеют такое же отношение, как коалы к тюленям. На самом деле ближайшие
родственники медведей - собаки.
Сколько галактик видно невооруженным глазом?
Пять тысяч? Два миллиона? Десять миллиардов?
Ответ - четыре, хотя оттуда, где вы сейчас сидите, видно всего лишь две,
причем одна из них - Млечный Путь (в которой мы и находимся).
Учитывая, что, по оценкам специалистов, Вселенная насчитывает более 100
миллиардов галактик, от 10 до 100 миллиардов звезд в каждой, такой ответ
немного разочаровывает. И все-таки это факт - всего четыре галактики видно с
Земли невооруженным глазом, причем одновременно можно увидеть лишь половину
из них (по две из каждого полушария) . В Северном - Млечный Путь и Андромеду
(М31), в Южном - Большое и Малое Магеллановы Облака.
Некоторые граждане с феноменальным зрением утверждают, будто способны
видеть еще три: МЗЗ в Треугольнике, М81 в Большой Медведице и М83 в Гидре, но
это крайне трудно доказать. Число звезд, предположительно видимых
невооруженным глазом, колеблется в очень широких пределах, однако все сходятся в том,
что общий итог значительно меньше 10 000. Большинство любительских астрономи-
ческих компьютерных программ пользуются одной и той же базой данных: ее
список "видимых невооруженным глазом звезд" насчитывает 9600. По другим оценкам,
это число варьируется от 8000 до менее чем 3000.
Когда-то ходила шутка, что в бывшем Советском Союзе кинотеатров больше
(около 5200), чем звезд на ночном небе.
На канадском веб-сайте www.starregistry.ca всего за 98 канадских долларов
можно назвать звезду в честь самого себя или своего друга/подруги (а за 175 -
еще и получить соответствующий сертификат в рамочке). Канадский список звезд,
видимых невооруженным глазом, насчитывает 2873 позиции. Правда, ни одна из
них не продается, поскольку все они уже носят исторические либо научные
имена .
Какие из творений рук человеческих видно с Луны?
Минус десять очков, если вы ответили: "Великая Китайская стена".
Ни одно из творений рук человеческих не увидишь с Луны просто так, за
здорово живешь.
Представление о том, что Великая Китайская стена - "единственное творение
человека, которое видно даже с Луны", является общераспространенным, но при
этом путают "Луну" с "космосом".
Космос от нас достаточно близко. Он начинается примерно в 100 км от
поверхности Земли. Из космоса видны многие искусственные объекты: автострады,
корабли на море, железные дороги, города, поля с урожаем и даже некоторые
отдельные здания.
Однако стоит вам покинуть орбиту Земли - и через несколько тысяч километров
ни одного объекта искусственного происхождения уже не видать. С Луны - а это
более 400 тыс. км - даже наши континенты и те едва различимы.
Так что, вопреки заверениям популярной настольной игры "Счастливый случай",
на Луне нет такой точки, с которой видна "лишь" Великая Китайская стена.
Что из этого является китайским изобретением?
а) Стекло.
б) Рикша.
в) Чоп суй.
г) Печенье с предсказанием.
Чоп суй. Существует масса фантастических историй об американском
происхождении этого блюда, и все же оно - китайское.
В авторитетном труде Е.Н. Андерсона "Пища Китая" (1988) чоп суй поименовано
как блюдо, распространенное в провинции Тоисан, в Южном Кантоне. Местные
жители называют его tsap seui, что по-кантонски означает "перемешанные
остатки" . Большинство первых иммигрантов прибыли в Калифорнию именно из этой части
Китая - отсюда и раннее появление блюда в Америке.
Стекло пришло к нам не из Китая: наиболее ранний из известных человечеству
стеклянных предметов относится к 1350 году до н.э. и происходит из Древнего
Египта. Самый же древний китайский фарфор восходит к временам династии Хан
(206 г. до н.э. - 220 г. н.э.). Китайцы построили на фарфоре целую культуру,
но так и не смогли освоить производство прозрачного стекла. Иногда это
обстоятельство используют при объяснении, почему в Китае никогда не было
научно-технической революции, сравнимой с той, что произошла на Западе, и ставшей
возможной благодаря созданию линз и прозрачной стеклянной посуды.
Рикшу придумал американский миссионер Джонатан Скоби: он первым впрягся в
двухколесную коляску для перевозки своей больной жены по улицам японского го-
рода Иокогама в 1869 году.
Печенье с предсказанием - тоже американское, хотя его появлению мы,
вероятнее всего, обязаны японскому иммигранту Макато Хагиваре - садовнику и
ландшафтному планировщику, который спроектировал известный Чайный сад в парке
"Золотые Ворота" в Сан-Франциско. Начиная где-то с 1907 года, он подавал в
своей чайной маленькие сладкие японские булочки со словами благодарности
внутри. Рестораторы местного Чайнатауна быстро подхватили его начинание, и
уже скоро запеченные записочки начали предсказывать судьбу.
Но разве кто жалуется? Изобретательность китайцев дала нам: арбалет,
бренди , бумагу, бурение, вертолет, водяной насос, воздушные шарики, воздушного
змея, гравюру, десятичную систему, железный плуг, зонтик, календарь, катушку
для спиннинга, колокола, компас, кривое зеркало, лак, механические часы,
огнемет, отрицательные числа, парашют, подвесной мост, порох, рельефные карты,
руль, сейсмограф, сливной туалет, спички, стремя, счеты, тачку, фарфор,
фейерверки, хомут и шелк.
Откуда родом был Марко Поло?
Из Хорватии.
Марко Поло (или, в переводе с английского, "Марк Цыпленок") - урожденный
Марко Пилим. Он родился в 1254 году на острове Корсула, в Далмации (в то
время протекторат Венеции).
Похоже, мы так никогда и не узнаем правды: действительно в семнадцатилетнем
возрасте юноша сопровождал своих дядьев-негоциантов в путешествии на Дальний
Восток или же попросту записывал рассказы торговцев с Великого Шелкового
пути, что останавливались передохнуть на их черноморской фактории. Бесспорно
одно: знаменитая книга воспоминаний Марко о путешествиях в значительной
степени была творением Рустичелло да Пиза - сочинителя любовных романов, с
которым Поло делил тюремную камеру после того, как попал в плен к генуэзцам в
1296 году. Марко диктовал, а Рустичелло записывал по-французски: на этом
языке Поло не говорил.
Увидевший свет в 1306-м результат был предназначен исключительно для
развлечения и стал настоящим бестселлером в эру до изобретения книгопечатания. В
плане же исторической точности его статус гораздо менее прочен.
Оригинальное название книги "II Milione", то есть "Миллион", - по причинам,
нам не понятным, хотя в народе книгу быстро переименовали в "миллион врак", а
Поло - к тому времени богатый человек и успешный негоциант - получил прозвище
"Мистер Миллион". По всей видимости, для XIII века такое название было
броским и легко запоминающимся - вроде современной "Чудо-книги о чудесах". Ни
одного оригинального манускрипта не сохранилось.
Бытует мнение, что именно Марко Поло дал Италии мороженое и макароны.
На самом деле паста была известна в арабских странах еще в IX веке, а сухие
макароны упоминались в Генуе в 1279 году - за четверть века до того, как
Поло, по его же собственному утверждению, вернулся в Италию. Согласно Алану
Дэвидсону, известному эксперту по истории кулинарии, миф этот возник лишь в
1929 году, когда о нем впервые упомянули в американском отраслевом журнале
торговцев макаронными изделиями.
Мороженое вполне могло быть китайским изобретением, однако нам кажется
маловероятным, что его появление на Западе как-то связано с Поло, поскольку
вплоть до середины XVII века никаких упоминаний о нем нигде больше не
встречается .
Кто завез в Англию табак и картофель?
Вовсе не тот, о ком вы подумали. Уолтер Рейли - поэт, придворный,
первооткрыватель и эрудит - типичный пример того, как популярные мифы сами
притягиваются к притягательным личностям. Его нынешняя слава почти целиком покоится
на вещах, которых он не совершал.
Первое сообщение о курящем англичанине пришло из Бристоля и касалось
матроса, которого видели "пускающим дым из ноздрей". Пускал он дым в 1556 году, За
четыре года до рождения Рейли.
Рейли никогда лично не посещал ни Вирджинию, ни любые другие части Северной
Америки. Первым табак во Францию прислал посол этой страны при португальском
дворе Жан Нико, от фамилии которого и происходит слово "никотин". Это
случилось в 1560-м, и именно из Франции, а не из Нового Света табак попадает в
Англию.
Рейли был заядлым курильщиком и, вероятно, лишь способствовал популяризации
привычки к табаку после того, как сам перенял ее от сэра Фрэнсиса Дрейка.
Термин "курение" (англ. smoking) - неологизм конца XVII века; до тех пор в
Англии говорили "пить дым" (drinking smoke).
Картофель стал известен в Испании к середине XVI века и на Британские
острова, по-видимому, попал скорее через Европу, чем напрямую из Америки. Будучи
представителем семейства пасленовых, растение считалось ядовитым (каковыми на
самом деле являются его верхние части). Когда Рейли посадил первую
картофелину у себя в саду в Ирландии, соседи пригрозили спалить его дом.
Мало-помалу картофель все же прижился. В середине XVII века хирург Уильям
Уолтер Рейли родился в 1554 г. в семье обедневшего английского аристократа. В двадцать один
род он познакомился с королевой Елизаветой во время медвежьей охоты и вскоре стал фаворитом
сорокадвухлетней королевы-девственницы. Какое-то время он командовал службой ее охраны, а
Затем пустился в свободное плавание. В 1581 г. Рейли Заявил о своем намерении открыть для
англичан северо-западный торговый путь в Индию и Китай. Он был пожалован каптерским
патентом, что давало возможность легально грабить иностранные суда. Именно Рейли превратил кап-
терство в регулярный и поощряемый бизнес. В 1586 г. всего на двух кораблях - "Змея" и "Мери
Спарк" - он напал на испанский флот. Небольшие подвижные корабли англичан были недостижимы
для выстрелов больших и тяжелых испанских галеонов, и после 32-часовой битвы англичане
одержали победу. Выкуп За каждого пленника был солидным - Золото, равное по количеству их весу.
Рейли обвенчался с фрейлиной королевы и хранил это в тайне семь лет, пока жена не
Забеременела. Гнев королевы, желавшей царствовать и в его сердце, был безграничен. Елизавету Рейли
отправили в Тауэр, где она провела пять месяцев, ребенок умер в младенчестве, а Рейли вновь
отправился в море. В 1587 г. была объявлена война с Испанией, победы в которой были особенно
важны для Рейли после скандала с женитьбой. 23 июля 1588 г. состоялось сражение при
Портленде, продолжавшееся весь день, к концу которого Рейли разгромил целую испанскую армию. В 1596
г. при Кадисе он впервые в истории применил тактику, получившую впоследствии название
психической атаки. В 1600 г. Рейли Захватил купеческий караван нейтральной Венеции, объясняя это
тем, что для перевозки были использованы испанские суда. Подобные действия возвратили ему
расположение королевы, по-прежнему получавшей свою долю награбленного. Личная жизнь его тоже
складывалась неплохо - на свет один За другим появились Уолтер и Кэрью Рейли. В 1604 г.,
после смерти королевы, к власти пришел Яков Шотландский, являвший собой полную
противоположность Елизавете, и внешней политикой Англии стал мир с Испанией. Сэр Рейли был обвинен в
государственной измене и шпионаже в пользу... Испании, приговорен к смертной казни и Заключен
в Тауэр. В 1616 г. его временно выпустили и назначили командовать экспедицией в Америку За
Золотом, поставив Заведомо невыполнимое условие: ни одного убитого испанца. Экспедиция была
провальной. Команды были подобраны из висельников, которые не собирались выполнять приказы,
и корабли отставали один За другим. Кроме того, Рейли не верил в существование американского
Золота и даже не предпринимал никаких попыток исследовать берег в его поисках. Назад он
вернулся на одном корабле с двадцатью двумя матросами. Кузен уговорил его бежать во Францию, и
обвинения в измене наконец обрели почву. Он снова был Заключен в Тауэр, и 29 октября 1618 г.
приговор был приведен в исполнение. Рейли до последней минуты вел себя как настоящий
джентльмен , и, когда палач поднял отрубленную голову, из толпы крикнули: "Этой голове в Англии
цены не было!".
Салмон утверждал, что картофель лечит туберкулез, бешенство, а также
"усиливает семя и провоцирует вожделение, вызывая плодовитость у обоих полов".
Что же касается плаща, расстеленного перед королевой прямо на луже, легенда
эта возникла уже после смерти Рейли благодаря Томасу Фуллеру, английскому
историку, богослову и биографу. А своей мировой известностью она обязана сэру
Вальтеру Скотту и его роману "Кенильворт" (1821), посвященному временам
королевы Елизаветы.
Фамилию Рейли (англ. Raleigh) писали по-всякому, но произносили, судя по
всему, как "Ролай". А имя, вероятно, произносилось как "Уотер".
Пятнадцать лет Рейли провел в камере смертников, ожидая казни и попутно
работая над своей грандиозной задумкой - пятитомным трудом "История мира".
Однако он так и не продвинулся дальше 1300 года до н.э.
После казни голову Рейли забальзамировали и вручили его жене. Вдова везде
носила ее с собой в бархатной сумке вплоть до собственной смерти спустя
двадцать девять лет, после чего голова самого романтического пирата
Елизаветинской эпохи вернулась в гробницу Рейли, расположенную в церкви Св. Маргариты в
Вестминстере.
Кто изобрел паровую машину?
а) Джеймс Уотт.
б) Джордж Стефенсон.
в) Ричард Тревитик.
г) Томас Ньюкомен.
д) Херон из Египта.
Приз уходит Херону (иногда его еще называют Херон Александрийский) - причем
лет за 1600 до машины Ньюкомена 1711 года.
Херон жил в Александрии примерно в 62 году н.э. и более известен как
математик и геометр. Он также был большим выдумщиком и изобретателем, и именно
его aeropile, или "ветровой шар", стал первой рабочей паровой машиной.
Используя тот же принцип, что и у современного реактивного двигателя, движимый
паром металлический шар раскручивался до 1500 об/мин. К сожалению (для Херо-
на), никто не разглядел практической пользы изобретения, и потому его
посчитали не более чем занятной причудой.
Удивительно (эх, знал бы об этом Херон!), но рельсовая дорога была
изобретена 700 годами ранее коринфским тираном Периандром. Именуемая Диолкос (то
есть "эллинг" или "стапель"), она тянулась на 6 км, перпендикулярно пересекая
Коринфский перешеек (или Истмус), и представляла собой дорогу, мощенную
пористыми известняковыми плитами. Посередине дороги шли две колеи, выдолбленные
на расстоянии 1,5 м друг от друга. По этим колеям двигались колесные повозки,
на которые погружались лодки. Их толкали бригады рабов, и все это вместе
образовывало некий "земляной канал", являвшийся самым коротким путем между
Эгейским и Ионическим морями.
Диолкос просуществовал почти 1500 лет, покуда окончательно не обветшал и не
пришел в негодность в 900 году. После чего принцип железнодорожной колеи был
напрочь забыт примерно на 500 лет: лишь в XIV веке кто-то догадался
использовать его для вагонеток в угольных шахтах.
Известный историк Арнольд Тойнби написал замечательное эссе, где рассуждал,
как мог сложиться ход истории, если бы соединились два изобретения вместе и
дали миру глобальную греческую империю, основанную на сети быстрых
железнодорожных сообщений, афинской демократии и религии буддистского типа,
построенной на учении Пифагора. Мельком он даже ссылается на неудавшегося пророка,
жившего по адресу: Назарет, Железнодорожная Выемка, дом 4.
Херон также изобрел торговый автомат - за пять драхм машина выдавала порцию
святой воды - и портативное устройство, гарантирующее, что никто чужой не
сможет отпить вина, которое вы принесли на вечеринку из разряда тех, куда
каждый приходит "со своей выпивкой".
Кто изобрел телефон?
Антонио Меуччи. Чудаковатый, но порой просто выдающийся флорентийский
изобретатель приехал в США в 1850 году. В 1860-м Меуччи впервые демонстрирует
рабочую модель электрического устройства, которое он назвал teletrofono ("те-
летрофон"). В 1871 году - За пять лет до того, как Александр Грэхем Белл
Запатентовал свой телефон, - он подает предварительную заявку (своего рода
временный патент) на изобретение.
В том же году Меуччи получает сильнейший ожог при взрыве бойлера парома на
Стейтен-Айленд. Слабо знавший английский язык, и живущий лишь на пособие по
безработице, Меуччи так и не смог выкроить 10 долларов, чтобы возобновить
свою Заявку в 1874 году.
Когда в 1876-м был зарегистрирован патент Белла, Меуччи подал в суд. Дело в
том, что за два года до этого итальянец послал оригинальные эскизы и рабочие
модели в лабораторию крупной американской телеграфной компании "Вестерн юни-
он". По странной случайности, Белл работал в той же самой лаборатории, и все
присланные Меуччи модели таинственным образом исчезли. Меуччи умер в бедности
в 1889 году, так и не дожив до решения суда по его иску против Александра
Белла. В результате вся слава изобретения телефона досталась не Меуччи, а
Беллу. В 2004-м равновесие было частично восстановлено. Нижняя палата
конгресса США приняла резолюцию "о необходимости отдать должное жизни и
достижениям Антонио Меуччи и признанию его заслуг в деле изобретения телефона".
И не то чтобы Белл был таким уж отъявленным мошенником. К примеру, будучи
еще молодым человеком, он научил своего пса говорить "Ты как, ба?" - своего
рода способ коммуникации, когда бабушка Белла находилась где-нибудь в другой
комнате. И еще он превратил телефон в практический инструмент.
Как и его друг, Томас Эдисон, Белл был неутомим в своем стремлении к
поискам нового. И, как и у Эдисона, эти поиски не всегда заканчивались успехом.
Его металлоискатель, к примеру, так и не смог определить местоположение пули
в теле раненого президента Джеймса Гарфилда. Судя по всему, машину сбили с
толку металлические пружины в президентском матрасе.
Вторжение Белла в область генетики животных было вызвано его желанием
увеличить количество случаев появления двойней и тройней у овец. Он обратил
внимание, что овцы с более чем двумя сосками рожают больше двойняшек. Но
добиться ему удалось лишь овцы с большим числом сосков.
Что же касается положительных достижений, то Белл действительно помог в
изобретении судна на подводных крыльях, "Эйч-Пи-4", которое в 1919 году
установило мировой рекорд скорости на воде - рекорд в 114 км/ч продержался десять
лет. Самому Беллу в то время было уже восемьдесят два, так что изобретатель
благоразумно отказался подняться на борт.
Белл всегда говорил о самом себе как об "учителе глухих". Его мать и жена
страдали глухотой, а среди его учеников была Хелен Келлер - известная
деятельница Американского общества слепых и автор целого ряда книг. Свою
автобиографию она посвятила ему.
Что весьма примечательного можно сказать о Шотландии, килтах,
волынках, хаггисе, овсянке, виски и тартане?
Ничто из упомянутого не является шотландским.
Шотландия (англ. Scotland, то есть "страна скоттов") названа так в честь
кельтского племени, пришедшего из Ирландии и осевшего на землях, которые в V-
VI веках н.э. древние римляне именовали Каледонией. К XI веку скотты уже
господствовали на всей территории материковой Шотландии. "Гэльский язык скоттов"
- на самом деле диалект ирландского языка.
Килт (предмет мужской одежды шотландцев; представляет собой кусок ткани,
обернутый вокруг талии и закрепленный с помощью пряжек и ремешков) был
изобретен ирландцами, но само слово - датское (kilte op - "подгибать").
Волынки пришли из древности и, скорее всего, были изобретены в Центральной
Азии. О них упоминается в Ветхом Завете (Книга пророка Даниила, 3: 5, 10, 15)
и в греческой поэзии IV века до н.э. Вероятно, в Британию их привезли с собой
римляне, однако наиболее ранние образцы пиктской резьбы датируются VIII веком
н.э.
Хаггис (блюдо из бараньих потрохов, порубленных с луком, толокном, салом,
приправами и солью и сваренных в овечьем или бараньем желудке) был
древнегреческой колбасой. (Аристофан в своей комедии "Облака", 423 г. до н.э.,
упоминает , как одна такая колбаса взорвалась.)
Овсянка обнаружена в желудках сохранившихся в болотах останков человека
времен неолита в Центральной Европе и Скандинавии, возраст которых составляет
не менее 5000 лет.
Виски изобрели в Древнем Китае. До Шотландии оно попало в Ирландию, и
вначале его дистилляцией занимались монахи. Само слово "виски" (англ. whisky)
происходит от ирландского uisge beatha, а оно, в свою очередь, от латинского
aqua vitae, или "вода жизни".
Замысловатая система клановых тартанов (или "шотландки") - чистейшей воды
миф, возникший в начале XIX века. Все шотландские костюмы, включая
всевозможные тартаны и пледы, были запрещены после якобитского восстания 1745 года.
Чтобы отметить высокий визит короля Георга IV в Эдинбург в 1822 году, в
английских гарнизонах начали придумывать собственные тартаны. Всплеску моды на
"шотландку" способствовало и заявление королевы Виктории о том, что только
люди, одетые в свои тартаны, будут приглашаться, и допускаться на королевские
обеды и балы.
К шотландским изобретениям и открытиям относятся совсем другие вещи: Банк
Англии; "Британская энциклопедия"; вакцина против тифа; велосипедные педали;
ВМФ США; газонокосилка; гипноз; гребной винт; грузовики; гудрон; десятичная
точка; заряжающееся через казенник ружье; зеркальный телескоп; инсулин;
клеящиеся марки; колесный пароход; конденсационная камера; кукурузный крахмал;
лекарство от малярии; логарифмы; мармелад; надувные колеса; парафин; паровой
молот; педали фортепиано; перьевая авторучка; плащ-дождевик; почтовый
штемпель; проволочный трос; радар; сберегательные кассы; сканер магнитного
резонанса; снятие отпечатков пальцев; сок из плодов лайма; спидометр; страхование
автомобилей; телетайп; термос; трубчатая сталь; ультразвуковой сканер;
Универсальное стандартное время; хлороформ; цветная фотография; шкала Кельвина;
шприцы для подкожных инъекций; электрический генератор, работающий за счет
энергии волн; электромагнетизм; ядро клетки.
Кто изобрел шампанское?
Не французы.
Для них это может оказаться сюрпризом - где-то даже оскорблением, - но
шампанское - изобретение англичан.
Как хорошо известно любому, кто хоть раз сам готовил имбирный эль,
продуктом естественного брожения являются пузырьки. Единственная проблема -
научиться их контролировать.
Вкус к "шипучке" выработался у англичан еще в XVI веке, когда они
импортировали из провинции Шампань зеленое, "плоское" вино и добавляли в него сахар
и патоку, чтобы вино забродило. Британцы также придумали крепкие, обожженные
в угольной топке стеклянные бутыли и пробки для сдерживания процесса.
Как следует из документов Британского Королевского общества, метод, который
сейчас принято называть methode champenoise (шампанизация - фр.), впервые был
описан в Англии в 1662 году. Французы, конечно, добавили изящества и
маркетингового привкуса, но современную "сухую" технику (или брют) они довели до
совершенства лишь в 1876-м (да и то для экспорта все в ту же Англию).
Соединенное Королевство является крупнейшим потребителем шампанского,
поставляемого Францией. В 2004 году в Британии было выпито 34 миллиона бутылок.
Это практически треть всего экспортного рынка Франции: в два раза больше, чем
в США, в три - чем в Германии, и в двадцать раз больше, чем в Испании.
Монах-бенедиктинец Дом Периньон (1638-1715) не изобретал шампанского - на
самом деле большую часть времени он посвятил как раз попыткам избавиться от
пузырьков.
Его знаменитое восклицание "Смотрите, я пью звезды", якобы обращенное к
собратьям-монахам, было придумано для рекламы шампанского в конце XIX века.
Истинное же наследие Периньона применительно к шампанскому заключалось в
искусном смешивании (купажировании) сортов винограда с разных виноградников и
использовании проволочной или пеньковой сетки для бутылочной пробки.
Лазейка в законодательстве позволяет американцам официально называть свои
игристые вина "шампанскими". Согласно Мадридскому договору 1891 года о
международной регистрации знаков, только провинция Шампань может использовать это
название. Положение было повторно закреплено в Версальском договоре 1919
года , который американский сенат отказался ратифицировать, а вместо него США
подписали с Германией сепаратный мирный договор.
Когда отменили "сухой закон", американские виноторговцы тут же
воспользовались лазейкой в законе и принялись свободно продавать свое собственное
"шампанское" - к вящему раздражению французов.
Похожие на широкие чаши кубки (coupe), из которых принято пить шампанское,
не изготавливались по форме и размеру груди Марии-Антуанетты. Впервые такие
кубки были произведены в 1663 году (в Англии) , задолго до ее правления. Но
"топлес"-дамочки в качестве модели сосуда для пития шампанского,
альтернативной английской, никто пока так и не предложил.
Где изобрели гильотину?
В Галифаксе, графство Йоркшир.
"Виселица из Галифакса" представляла собой два пятиметровых деревянных
столба, между которыми висело железное лезвие. Лезвие было закреплено на
заполненной свинцом перекладине, управлявшейся с помощью веревки и ворота.
Официальные документы свидетельствуют, что с помощью данного орудия в период с
1286 по 1650 год было казнено, по меньшей мере, пятьдесят три человека.
Средневековый Галифакс жил торговлей сукном. Огромные отрезы дорогой
материи оставляли сушиться возле мельниц на деревянных рамах. Воровство стало для
города серьезной проблемой, и торговцам требовалось действенное средство
устрашения .
Это и подобное, более позднее устройство под названием "Шотландская Дева"
("The Maiden") вполне могли вдохновить французов на то, чтобы позаимствовать
идею и дать ей собственное имя.
Доктор Жозеф Гийотен был гуманным и мягким человеком, профессором анатомии,
не любившим публичных казней. В 1789 году Гийотен представил Национальному
собранию претенциозный проект реформирования французской пенитенциарной сис-
темы и придания ей большей гуманности. Доктор предложил универсальный
механический способ казни, не дискриминировавший простолюдинов (которых до этого
довольно неуклюже вешали) по отношению к богачам и аристократам (которым
относительно чисто рубили головы мечом или топором).
Большинство предложений Гийотена были отвергнуты с ходу, однако идея
эффективного орудия убийства крепко засела в депутатских головах. Начинание было
подхвачено и усовершенствовано доктором Антуаном Луи, секретарем Академии
хирургии. Именно Луи, а не Гийотен стал автором чертежей, по которым в 1792
году было изготовлено первое рабочее устройство с характерным тяжелым косым
ножом. Его даже окрестили, для краткости, "Луизон" ("Louison"), или "Луизетта"
("Louisette"), - в честь создателя.
Однако впоследствии к "машине смерти" каким-то непостижимым образом
прилипло имя Гийотена и, несмотря на все усилия его семейства, упорно держится и
поныне. Вопреки народной молве, Гийотен не был убит своей механической
тезкой; он умер в 1814 году от инфекции, явившейся следствием фурункула на
плече .
Гильотина стала первым "демократическим" способом казни и быстро вошла в
обиход на всей территории Франции. По оценкам историков, за первые десять лет
с ее помощью было обезглавлено 15 тыс. человек. Больше казнили на гильотине
только нацисты в Германии: с 1938 по 1945 год число казненных преступников
составило порядка 40 тыс.
Последним французом, казненным на гильотине, стал иммигрант из Туниса по
имени Хамид Джандуби, приговоренный к смерти за изнасилование и убийство
маленькой девочки в 1977 году. Смертная казнь была окончательно отменена во
Франции в 1981 году.
Невозможно с точностью проверить, как долго отрубленная голова остается в
сознании. По оптимистичным прикидкам, от пяти до тринадцати секунд.
Сколько узников вышло на
свободу после взятия Бастилии?
Семь.
Во Франции день 14 июля - День взятия Бастилии - является общенародным
праздником и великим национальным символом - таким же, как 4 июля в США.
Глядя на восторженные произведения живописи, рисующие сцены тех дней, вы
наверняка представляете себе сотни благородных революционеров, высыпавших из
тюремных ворот на улицы Парижа с "триколорами" в руках. На самом же деле на
момент штурма в крепости содержалось не более полудюжины арестантов5.
Штурм Бастилии произошел 14 июля 1789 года. Вскоре на столичных улицах уже
торговали устрашающими гравюрами, на которых закованные в цепи узники
томились в мрачных темницах чуть ли не в обнимку со скелетами. Так формировалось
общественное мнение об условиях содержания в крепости. Не изменилось оно и
сегодня.
Построенная в XIII веке крепость служила тюрьмой на протяжении нескольких
столетий. Во времена Людовика XVI здесь в основном содержались люди,
арестованные по приказу короля или его министров за государственные преступления -
Заговор или попытку свержения. Среди знаменитых узников был и сам Вольтер:
трагедия "Эдип" (1718) написана им в камере Бастилии. В день знаменитого
штурма арестантов оказалось всего семеро; виконт де Соланж, приговоренный к
тюремному заключению за "сексуальный мисдиминор" (мисдиминор - незначительные
преступления, за которые обычно положено не уголовное, а административное на-
Штурм Бастилии был проведен с целью Захвата имеющегося там вооружения, собственно говоря,
узники никого не интересовали, поскольку эта тюрьма была для аристократов. - Прим. ред.
казание), двое душевнобольных (один из которых был то ли англичанином, то ли
ирландцем по имени Мейджор Уайт - с бородой до пояса и считавший себя Юлием
Цезарем) и четверо сидели за подделку векселей.
Сто человек расстались с жизнью во время штурма, включая и коменданта
крепости, чью насаженную на пику голову с гордостью пронесли по всему Парижу.
Тюремный гарнизон Бастилии состоял из инвалидов - солдат, демобилизованных
из регулярной армии по инвалидности, - а условия содержания для большинства
заключенных были вполне комфортными, камеры неплохо меблированы, а узникам
полагались часы посещения.
На эскизе художника Жана Фрагонара один из "посетительских дней" в Бастилии
1785 года: светские дамы прогуливаются по двору под ручку с узниками.
Арестанты получали весьма неплохие деньги на карманные расходы, а также табак и
спиртное в избытке; им даже разрешалось держать домашних животных.
Жан Франсуа Мармонтель, узник Бастилии в 1759-1760 годах, писал: "Вино
было , конечно, не отменное, но вполне сносное. Десерт не давали: надо же было
нас чего-то лишить. В общем, я понял, что в тюрьме очень недурно кормят".
Запись в дневнике Людовика XVI в день штурма Бастилии ограничивается всего
одним словом: "Rien" (фр. "ничего").
Король имел в виду пустую сумку после охоты в тот день.
Как хорошо вы знаете швейцарцев?
а) Они едят швейцарские рулеты.
б) Они едят собак.
в) Они изобрели часы с кукушкой.
г) У них нет армии.
Швейцарский рулет (Swiss roll (англ.) - бисквитный рулет с джемом, кремом
или вареньем.) вовсе не он: никто не знает, почему его называют "швейцарским"
только в Англии и нигде больше. В самой Швейцарии его Зовут Biscuitrolle либо
gateau roule, "бисквитный рулет"; испанцы пользуются фразой brazo de gitano,
"рука цыганки", а американцы называют jelly roll (в Америке jelly - то же,
что в Англии jam, "джем" или "варенье").
Вопреки известному монологу Орсона Уэллса из фильма Кэрола Рида "Третий
человек6" (194 9), часы с кукушкой придумали в Германии в 1738 году.
Швейцарцы в ответе за более современные и полезные достижения нашей жизни.
Благодаря им сегодня у нас есть вискоза, целлофан, застежки-"липучки",
молочный шоколад и швейцарский армейский нож.
Швейцарцы соблюдают нейтралитет, но они не пацифисты. Каждый швейцарец-
мужчина в возрасте от двадцати до сорока состоит в Швейцарской национальной
милиции и держит дома ружье. Если бы швейцарцам пришлось воевать, их "армия"
насчитывала бы полмиллиона человек. В годы Второй мировой швейцарские ВВС
невозмутимо сбивали как самолеты немцев, так и авиацию союзников.
В общем, остается лишь поедание собак. Практичные, законопослушные
швейцарцы - единственные из европейцев, кто уписывает собачье мясо.
Никто не знает, сколько собак заканчивает свою жизнь в солениях,
копченостях или в виде колбасы в глухих альпийских деревушках, но это, определенно,
факт. Кошек, кстати, тоже. Аргумент? Пожалуйста. Это разумный способ перера-
Фильм "Третий человек" был снят по сценарию Грэма Грина. Именно в этом фильме Уэллс
произносит свою Знаменитую речь про часы с кукушкой: "В Швейцарии все любят друг друга по-
братски, пятьсот лет демократии и мира, и что они произвели? Часы с кукушкой!" Это
единственный монолог в фильме, не написанный Грином. Его придумал сам Уэллс. В то же время
рассказывают , что для Грэма Грина это был самый ненавистный эпизод.
ботки любимых питомцев, да и вообще пользительно для здоровья. После поедания
наиболее лакомых частей все остальное превращается в лярд (топленое сало) и
используется для лечения простуды.
Что сенбернары носят на шее?
Сенбернары никогда - повторяем, никогда - не носили на шее бочонков с
бренди.
Миссия сенбернара - сугубо трезвая (не говоря уже о том, что давать бренди
человеку с гипотермией - чудовищная ошибка), однако идея безумно понравилась
туристам, и потому сенбернары всегда позируют с бочонком, крепко привязанным
к ошейнику.
До того как эти милые четвероногие стали трудиться спасателями, их активно
использовали монахи из приюта Св. Бернара на Большом перевале в Альпах -
горном маршруте, соединяющем Швейцарию и Италию. Собаки таскали на себе провизию
- крупные размеры и покладистый нрав делали их прекрасными вьючными
животными .
Идея пресловутого бочонка посетила молодого английского художника, сэра
Эдвина Лэндсира (1802-1873), пользовавшегося благосклонностью самой королевы
Виктории. Лэндсир был известен своими пейзажами и изображениями животных, но
более всего он прославился картиной "Монарх из Глена" и скульптурами львов у
подножия колонны Нельсона на Трафальгарской площади.
В 1831 году Лэндсир написал полотно под названием "Альпийские мастиффы
приводят в чувство заблудившегося путника", изображавшее двух сенбернаров, у
одного из которых на шее висит бочонок с бренди, - эту деталь художник добавил
"для интереса". С тех пор ярлык навешен на всех сенбернаров. Лэндсиру также
приписывают популяризацию нынешнего названия породы - "сенбернар" (вместо
"альпийского мастиффа").
Первоначально порода носила название "барри" - искаженное от немецкого
Вагеп, "медведи". Один из первых спасателей известен как "Барри Великий": за
период с 1800 по 1814 год этот знаменитый сенбернар спас сорок человек, но, к
сожалению, погиб от руки сорок первого, который принял его за волка.
После смерти из Барри сделали чучело, и сегодня оно с гордостью выставлено
в Музее естественной истории в Берне. В честь величайшего из спасателей
лучшего щенка-мальчика в каждом новом помете в приюте Святого Бернара непременно
Зовут Барри.
Иногда святой долг обеспечить страждущим стол и кров оказывался для приюта
Занятием довольно хлопотным. Так, в один из вечеров 1708 года брату Винсенту
Камо пришлось кормить сразу 400 путников. Чтобы сэкономить рабочую силу, он
смастерил похожее на большое беличье колесо устройство, прикрепленное к
вертелу. Внутри колеса, вращавшего шампур с мясом, рысил один из приютских
сенбернаров .
По некоторым данным, начиная с 1800 года собаки спасли более 2500
путешественников ; правда, ни одного - за последние пятьдесят лет. В итоге монахи
приняли решение продать четвероногих друзей, заменив их вертолетами.
Сколько у человека чувств?
Как минимум девять.
Пять - те, что всем нам известны, то есть зрение, слух, вкус, обоняние и
осязание - были впервые перечислены еще Аристотелем, который, будучи
выдающимся ученым, все же нередко попадал впросак. (К примеру, согласно
Аристотелю , думаем мы с помощью сердца, пчелы происходят от разлагающихся туш быков,
а у мух всего по четыре лапки.)
По общепринятому мнению, у человека есть еще четыре чувства:
1. Термоцепция - чувство тепла (или его отсутствия) на нашей коже.
2. Эквибриоцепция - чувство равновесия, которое определяется содержащими
жидкость полостями в нашем внутреннем ухе.
3. Ноцицепция - восприятие боли кожей, суставами и органами тела. Странно,
но сюда не относится мозг, в котором вообще нет чувствительных к боли
рецепторов. Головные боли - независимо от того, что нам кажется, -
исходят не изнутри мозга.
4. Проприоцепция - или "осознание тела". Это понимание того, где находятся
части нашего тела, даже мы не чувствуем и не видим их. Попробуйте
закрыть глаза и покачать ногой в воздухе. Вы все равно будете знать, где
находится ваша ступня по отношению к остальным частям тела.
Каждый уважающий себя невропатолог имеет свое собственное мнение насчет
того, существуют ли еще какие-то чувства, кроме этих девяти. А некоторые вообще
убеждены, что их не меньше двадцати одного. Скажем, как насчет чувства
голода? Или жажды? Чувства глубины? Чувства смысла? Языка? Или бесконечно
интригующая синестезия, когда чувства сталкиваются и переплетаются так, что музыка
начинает восприниматься в цвете?
А как насчет чувства электричества? Или чувства опасности - когда волосы
становятся дыбом?
Кроме того, существуют чувства, которые есть у некоторых животных, но
отсутствуют у людей. Акулы, например, обладают сильной электроцепцией,
позволяющей им чувствовать электрические поля; магнитоцепция определяет поля
магнитные и используется в системах навигации птиц и насекомых; эхолокация и
"боковая линия" практикуются рыбами для ориентации, а инфракрасное зрение
необходимо оленям и совам для ночной охоты или поиска пищи.
Сколько у вещества агрегатных состояний?
Три - что может быть проще? Твердое, жидкое и газообразное?
На самом же деле их не меньше пятнадцати, причем список продолжает расти
практически с каждым днем.
Вот наши последние "наилучшие усилия":
Твердое, аморфное твердое, жидкое, газообразное, плазма, сверхтекучее,
сверхтвердое, вырожденное вещество, нейтрониум, сильно симметричное вещество,
слабо симметричное вещество, кварк-глюонная плазма, фермионный конденсат,
конденсат Бозе-Эйнштейна и странное вещество.
Если не вдаваться в непостижимые (и для большинства из нас абсолютно
ненужные) детали, одним из наиболее забавных агрегатных состояний вещества
является бозе-эйнштейновский конденсат.
Конденсат Бозе-Эйнштейна (который зачастую называют "бозе-конденсат", или
попросту "бэк") возникает, когда вы охлаждаете тот или иной химический
элемент до чрезвычайно низких температур (как правило, до температуры чуть выше
абсолютного нуля, минус 273 градуса по Цельсию, - теоретическая температура,
при которой все перестает двигаться).
Вот тут с веществом начинают происходить совершенно странные вещи.
Процессы, обычно наблюдаемые лишь на уровне атомов, теперь протекают в масштабах,
достаточно крупных для наблюдения невооруженным глазом. Например, если
поместить "бэк" в лабораторный стакан и обеспечить нужный температурный режим,
вещество начнет ползти вверх по стенке и, в конце концов, само по себе
выберется наружу.
Судя по всему, здесь мы имеем дело с тщетной попыткой вещества понизить
собственную энергию (которая и без того находится на самом низком из всех
возможных уровней).
Теоретическая возможность существования бозе-конденсата была предсказана
Альбертом Эйнштейном еще в 1925 году, после изучения работ Шатьендраната Бо-
Зе, однако получить его экспериментально удалось лишь в 1995 году в Америке -
за эту работу его создателям была присуждена Нобелевская премия по физике
2001 года. Сама же рукопись Эйнштейна, считавшаяся утерянной, была обнаружена
лишь в 2005-м.
Каково нормальное состояние стекла?
Твердое.
Возможно, вы не раз слышали, что стекло - жидкость, которая остыла, но не
кристаллизовалась и которая просто течет фантастически медленно. Это неверно
- стекло bona fide (по-настоящему, поистине - лат.) твердое.
В подтверждение заявлений о том, что стекло - жидкость, люди часто приводят
в пример церковные витражи: указывают на нижнюю часть окна, где стекло толще.
Однако причина здесь вовсе не в том, что стекло со временем перетекло вниз.
У средневековых стекольщиков порой просто не получалось отлить идеально
равномерные стеклянные листы. В таких случаях они вставляли стекло в витраж
толстым краем к полу - по вполне понятным причинам.
Путаница насчет того, считать стекло жидкостью или твердым телом, возникла
от неверного прочтения работы немецкого физика Густава Тамманна (1861-1938),
изучавшего свойства стекла и описавшего его поведение по мере затвердевания.
Согласно наблюдениям Тамманна, молекулярная структура стекла
неупорядоченная - в отличие от четкого и аккуратного расположения молекул, скажем, в
металлах .
Ища аналогию, ученый сравнил стекло с "переохлажденной жидкостью". Но
сказать , что стекло похоже на жидкость, вовсе не означает, что стекло и есть
жидкость.
В наши дни твердые тела подразделяют на кристаллические и аморфные. Стекло
- это аморфное твердое тело.
Какой металл является жидким при комнатной температуре?
Помимо ртути, жидкими при комнатной температуре могут быть также галлий,
цезий и франций. Поскольку все эти жидкости очень плотные (металлы все-таки),
кирпичи, лошадиные подковы и пушечные ядра теоретически будут в них плавать.
Галлий (Ga) был открыт в 1875 году французским химиком по имени Лекок де
Буабодран. Все, конечно, считали, что название нового элемента навеяно чисто
патриотическими соображениями, однако на самом деле слово gallus по-латыни
означает и "галл" ("француз") , и "петух" - то же, что и "Lecoq" ("Лекок") .
Галлий стал первым химическим элементом, подтвердившим предсказанную Дмитрием
Менделеевым периодическую таблицу. Из-за уникальных электронных характеристик
галлий главным образом используют в кремниевых микросхемах. Его также
применяют в проигрывателях компакт-дисков, поскольку в смеси с мышьяком галлий
трансформирует электрический ток в лазерный луч, который и "считывает"
информацию с поверхности диска.
Наиболее заметная область применения цезия (Cs) - атомные часы. Здесь цезий
используется для определения атомной секунды. При контакте цезия с водой
происходит крайне интенсивный взрыв. Слово "цезий" обозначает "небесно-голубой"
- из-за ярко-голубых линий в его спектре. Впервые это явление было отмечено в
1860 году немецким ученым Робертом Бунзеном. Бунзен использовал спектроскоп,
который изобрел вместе с Густавом Кирхгофом - человеком, доказавшим, что
сигналы по телеграфным проводам проходят со скоростью света.
Франций (Fr) - один из самых редких химических элементов: по подсчетам уче-
ных, на Земле он присутствует в количестве всего тридцати граммов. Это
связано с тем, что франций столь радиоактивен, что моментально распадается,
превращаясь в другие, более устойчивые элементы. В общем, металл этот жидкий, но
ненадолго - максимум на пару секунд. Франций был выделен в 1939 году Маргерит
Пере, работавшей в Институте Кюри в Париже. Он был последним элементом из
найденных в природе.
Все эти химические элементы становятся жидкими при необычайно низких для
металлов температурах, поскольку электроны в их атомах расположены таким
образом, что им чрезвычайно трудно приблизиться друг другу и сформировать
кристаллическую решетку.
Каждый атом плавает совершенно свободно, не притягиваясь к соседям, - точь-
в-точь как и в других жидкостях.
Какой металл является наилучшим проводником?
Серебро.
Самый лучший проводник тепла и электричества является также и самым
отражающим из всех химических элементов. Главный недостаток серебра в том, что
оно слишком дорогое. Единственная причина, почему в нашем электрооборудовании
мы используем не серебряные, а медные провода, заключается в том, что медь -
второй по проводимости элемент - намного дешевле.
Помимо украшений, серебро главным образом используется в
фотопромышленности, батарейках с длительным сроком эксплуатации и солнечных панелях.
Серебро обладает любопытнейшей способностью стерилизовать воду. Причем
требуется буквально крошечное количество - десять частей на миллиард. Сей
удивительный факт был известен еще с древнейших времен: так, в V веке до н.э.
Геродот писал о персидском царе Кире, который постоянно возил с собой личный
запас воды, взятой из особого источника, вскипяченной и запечатанной в
серебряные сосуды.
И римляне, и греки не раз отмечали, что еда и питье, помещенные в
серебряную посуду, сохраняются намного дольше. Сильные бактерицидные качества
серебра использовались за множество веков до того, как были обнаружены сами
бактерии. Этим можно объяснить, почему на дне древних колодцев часто находят
серебряные монеты.
Небольшое предостережение, прежде чем вы начнете лить пиво в свою
серебряную кружку.
Во-первых, серебро хоть и убьет бактерии в лабораторных условиях, однако
далеко не факт, что оно даст тот же самый эффект, оказавшись у вас внутри.
Многие из предполагаемых достоинств серебра до сих пор не подтверждены. А
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и
медикаментов в США даже запретило компаниям рекламировать пользу серебра для здоровья.
Во-вторых, существует такая болезнь - аргирия. Ее развитие напрямую связано
с попаданием внутрь организма человека частиц серебра, растворенных в воде.
Наиболее явным симптомом аргирии является отчетливый голубой оттенок кожи.
С другой стороны, соли серебра являются наиболее безопасным заменителем
хлора в воде плавательных бассейнов, а в США серебром даже пропитывают носки
легкоатлетов, чтобы ноги не пахли.
Вода - исключительно плохой проводник электричества, особенно вода чистая,
которая, кстати, используется как диэлектрик. Все дело в том, что
электричество проводят не молекулы Н20, а растворенные в воде химикаты - например,
соль.
Морская вода проводит электричество в сто раз лучше пресной, но даже при
этом она в миллион раз худший проводник электричества по сравнению с
серебром.
Какой из химических элементов является самым плотным?
Либо осмий, либо иридий - в зависимости от того, как мерить.
Оба металла чрезвычайно близки друг к другу по плотности и несколько раз
менялись местами за последние годы. Третьим по плотности элементом является
платина, за которой следуют рений, нептуний, плутоний и золото. Свинец где-то
далеко в конце списка - он лишь вполовину такой же плотный, как осмий или
иридий.
Осмий (Os) - очень редкий и очень твердый серебристо-голубой металл,
открытый (вместе с иридием) в 1803 году английским химиком Смитсоном Теннантом
(1761-1815) .
Сын викария из Ричмонда, Теннант также был первым, кто показал, что алмаз
есть одна из форм чистого углерода.
Название "осмий" происходит от греческого osme, "запах". Металл выделяет
высокотоксичный осмиевый ангидрид (или четырехокись осмия), обладающий едким,
раздражающим запахом, способным повредить легкие, кожу, глаза и вызвать
сильные головные боли. Осмиевый ангидрид активно используют при снятии отпечатков
пальцев, поскольку его пары вступают в реакцию даже с мельчайшими следами
жира, оставляемыми пальцами, и образуют черные отложения.
Исключительная твердость и коррозионная стойкость осмия нашли применение в
производстве долговечных граммофонных иголок, стрелок компасов и напайках на
кончик пера дорогих авторучек - отсюда название торговой марки "Осмироид".
Осмий также имеет необычайно высокую температуру плавления, 3054 °С. В 1897
году это обстоятельство вдохновило Карла Ауэра на создание осмиевой нити
накаливания для электрической лампочки, намного превосходившей по качеству
бамбуковое волокно, которое использовал Эдисон. Впоследствии осмий был заменен
вольфрамом, плавящимся при 3407 °С. Торговая марка "Осрам" была
зарегистрирована Ауэром в 1906 году и является акронимом слов "ОСмий" и "вольфРАМ".
Ежегодно в мире производится менее 100 кг осмия.
Иридий (1г) - желтовато-белый металл, относящийся, как и осмий, к группе
платиновых. Название (греч. iris - "радуга") получил благодаря красивой,
разнообразной окраске своих солей.
Иридий также имеет чрезвычайно высокую точку плавления (2446 °С) и в
основном используется при изготовлении тиглей для металлического литья и закалки
платины.
Иридий - один из самых редких элементов на Земле (восемьдесят четвертое
место из девяноста двух); однако в тонком скальном слое на границе мелового и
третичного периодов, возникшем примерно 65 млн. лет назад, были обнаружены
невероятно большие запасы этого металла.
Геологи полагают, что иридий мог появиться там только из космоса, и это
лишь подкрепляет теорию, что именно падение на Землю гигантского астероида
стало причиной исчезновения динозавров.
Откуда берутся алмазы?
Из вулканов. Все алмазы образуются под землей, под воздействием
сверхвысоких температур и давления, а на поверхность их выносят извержения вулканов.
Образование алмазов происходит на глубине от 160 до 480 км. Большинство
алмазов находится в вулканической породе, называемой кимберлитовой, и
добывается в районах, где вулканическая активность - обычное явление. Все остальные,
случайные, алмазы попросту вымывает из кимберлитовых трубок.
На сегодняшний день в мире насчитывается двадцать стран, где добывают
алмазы. Южная Африка по объемам добычи занимает пятое место - после Австралии,
Демократической Республики Конго, Ботсваны и России.
Алмазы состоят из чистого углерода. Так же как и графит - вещество, из
которого делают грифели для карандашей, но в котором атомы углерода расположены
по-другому. Алмаз - одно из самых твердых веществ, встречающихся в природе:
десять баллов по шкале твердости Мооса; графит же, наоборот, является одним
из наиболее мягких веществ с показателем всего полтора балла, то есть чуть
тверже, чем самое мягкое вещество по той же шкале - тальк.
Самый большой из всех известных человечеству алмазов имеет 4000 км в
поперечнике и весит десять миллиардов триллионов триллионов карат. Обнаруженный
прямо над Австралией (на расстоянии восьми световых лет), алмаз сидит внутри
Звезды Люси в созвездии Кентавра.
Астрономы назвали эту огромную звезду "Люси" в честь незабвенной классики
"Битлз" "Люси в небесах с алмазами", однако "техническое" ее имя - "белый
карлик Би-Пи-Эм 37093". Сама же песня была названа так из-за рисунка сына
Джона Леннона, Джулиана, на котором он изобразил свою четырехлетнюю подружку
Люси Ричардсон.
Когда-то алмазы были самым твердым из известных человечеству материалов.
Однако в августе 2005 года немецким ученым удалось получить в лабораторных
условиях еще более твердую штуку. Названный ACNR, новый материал состоит из
связанных друг с другом углеродных "наностержней" и получается путем сжатия и
нагревания сверхсильных молекул углерода до температуры 2226 °С.
Каждая из таких молекул состоит из шестидесяти атомов, переплетенных в пен-
тагональной и гексагональной геометрии; говорят, что они напоминают крошечные
футбольные мячи. ACNR - материал настолько твердый, что без труда царапает
даже алмаз.
Как мы измеряем силу землетрясений?
По шкале MMS (иначе - шкала магнитуды сейсмического момента, или шкала Ка-
намори). Шкала MMS была разработана в 1979 году сейсмологами Хиро Канамори и
Томом Хэнксом (никакой связи) из Калифорнийского технологического института.
Ученые посчитали общепринятую шкалу Рихтера недостаточной, поскольку она
измеряет лишь силу сейсмических волн, которая не вполне отражает последствия
землетрясения. Серьезные землетрясения, имеющие одинаковый балл по шкале
Рихтера, могут причинять разрушения абсолютно разных масштабов.
Шкала Рихтера измеряет сейсмические волны (или вибрацию), ощущаемые на
расстоянии 600 км от очага землетрясения. Она была предложена в 1935 году
Чарльзом Рихтером, который, как и Канамори с Хэнксом, работал сейсмологом в
Калифорнийском технологическом институте. Рихтер разрабатывал свою шкалу вместе
еще с одним ученым, Бенно Гуттенбергом, - первым, кому удалось точно измерить
радиус ядра Земли. Руттенберг умер от гриппа в 1960 году, так и не дожив до
возможности измерить Великое Чилийское землетрясение (сильнейшее из всех
когда-либо зарегистрированных и произошедшее четыре месяца спустя).
В отличие от шкалы Рихтера, шкала MMS суть выражение энергии, выделившейся
при землетрясении. Сейсмический момент здесь высчитывается путем умножения
смещения двух частей разлома на общую площадь пораженной зоны. Цель - дать
значения, более понятные по сравнению с их эквивалентами на шкале Рихтера.
Обе эти шкалы являются логарифмическими: увеличение на два пункта означает
в 1000 раз больше энергии. Так, взрыв ручной гранаты - это 0,5 по шкале
Рихтера, а атомная бомба в Нагасаки - 5,0. Шкала MMS используется только для
крупных землетрясений - выше 3,5 балла по шкале Рихтера.
По данным Геологической службы США, самыми крупными из всех официально
Зарегистрированных землетрясений в Северной Америке были малоизвестные
землетрясения в долине реки Миссисипи в 1811-1812 годах - исходя из площади
поражения (600 тыс. кв. км) и площади, на которой ощущались толчки (5 млн. кв.
км). В результате образовались новые озера, полностью изменилось речное
русло . Площадь же чувствительных сотрясений в десять раз превысила ту, что имела
место в Сан-Франциско в 1906 году. Церковные колокола звонили сами по себе аж
до самого Массачусетса.
Предсказать, когда случится очередное землетрясение, невозможно. Один
эксперт утверждал, что самый надежный способ - подсчитать число объявлений о
пропавших собаках и кошках в местной газете.
В Британии каждый год происходит до 300 землетрясений, однако, все они
столь малы, что население замечает лишь каждое десятое.
Какое вещество является самым распространенным в мире?
а) Кислород.
б) Углерод.
в) Азот.
г) Вода.
Ни одно из перечисленных. Правильный ответ: перовскит - минеральное
соединение магния, кремния и кислорода.
Перовскит составляет около половины общей массы нашей планеты. Именно из
него в основном состоит мантия Земли. По крайней мере, так считают ученые,
однако никому до сих пор не удалось взять образцы, подтверждающие эту
гипотезу.
Перовскиты - семейство минералов, названное так в честь русского минеролога
графа Льва Перовского в 1839 году. Перовскит - настоящая чаша Грааля для
исследователей сверхпроводников: ведь материал этот способен проводить
электричество без всякого сопротивления при обычных температурах.
Благодаря перовскиту мир "плавающих" поездов и суперскоростных компьютеров
стал бы реальностью. А пока сверхпроводники работают лишь при бесполезно
низких температурах (самая высокая из официально зарегистрированных на
сегодняшний день - минус 135 °С).
Считается, что помимо перовскита мантия Земли состоит из магниевого вюстита
(формы окиси магния, найденной также в метеоритах) и небольшого количества
шистовита (названного так в честь Льва Шистова, аспиранта Московского
университета, который в 1959 году синтезировал новую форму кремнезема под высоким
давлением).
Мантия находится между корой и ядром Земли. Предполагается, что она
твердая, хотя кое-кто из ученых считает, что на самом деле мантия - это очень
медленно движущаяся жидкость.
Откуда же нам все это известно? Ведь даже извергнутые вулканами камни
залегали не глубже 200 км от поверхности Земли, а до начала нижней мантии - ровно
660 км?
Чтобы оценить плотность и температуру внутри планеты, можно послать вниз
импульсы сейсмических волн и записать сопротивление, с которым этим импульсам
пришлось столкнуться.
Далее полученный результат можно сопоставить с нашими знаниями о структуре
минералов, образцы которых у нас имеются - из коры и метеоритов, - и о том,
что происходит с минералами под воздействием интенсивных температур и
высокого давления.
Однако все это - как и многое другое в естествознании - всего лишь
очередная высоконаучная догадка.
Что вращается вокруг чего:
Земля вокруг Луны или наоборот?
И то и другое. Они вращаются друг вокруг друга.
Орбиты двух небесных тел имеют один общий центр масс, расположенный
примерно в 1600 км вглубь от поверхности Земли, так что Земля совершает три разных
вращения: вокруг собственной оси, вокруг Солнца и вокруг этой точки.
Запутались? Не расстраивайтесь. Даже сам Ньютон говорил, что от мыслей о
движении Луны у него пухнет голова.
Сколько у Земли лун?
Как минимум семь.
Разумеется, знакомая всем Луна (как называют ее астрономы) - единственное
небесное тело, строго придерживающееся орбиты Земли. Однако теперь нам
известно еще шесть "околоземных астероидов" (или "астероидов NEA"), которые
следуют вместе с Землей вокруг Солнца, несмотря на то, что увидеть их
невооруженным глазом нет никакой возможности.
Первым из так называемых "коорбиталов", который удалось идентифицировать,
был астероид Круинья (от названия самого древнего из зарегистрированных в
Британии кельтских племен) - спутник размером около 5 км, открытый в 1997
году. Его орбита напоминает вытянутую лошадиную подкову.
С тех пор обнаружено еще пять, очень остроумно поименованных: 2000 РН5,
2000 WN10, 2002 АА29, 2003 YN107 и 2004 GU9.
Но действительно ли они - наши луны? Многие астрономы ответят, что нет,
хотя никто, разумеется, не назовет их заурядными астероидами. Как и Земле, им
требуется примерно год, чтобы полностью обогнуть Солнце (представьте два
гоночных болида, идущих по треку с одинаковой скоростью, но по разным
дорожкам) , и иногда они действительно подходят к нам так близко, что даже
оказывают едва заметное гравитационное влияние.
В общем, как бы вы их ни называли - будь то "псевдолуны", "квазиспутники"
или "астероиды-попутчики", - все они вполне заслуживают того, чтобы за ними
приглядывать, - хотя бы потому, что в один прекрасный день некоторые из них
вполне могут обосноваться на более правильной орбитальной траектории.
Сколько всего планет в Солнечной системе?
Девять - это неправильный ответ.
Их либо восемь, либо десять, а может, и двадцать одна. Есть даже те, кто
скажет: пара миллионов. Наверняка на этот вопрос мы с вами все равно не
ответим - до тех пор, пока Международный астрономический союз, наконец, не придет
к какому-то решению с давно просроченным определением "планеты".
Никто уже не считает Плутон девятой планетой. Даже наиболее консервативные
астрономы и те признали, что это планета скорее по "культурным", чем по
научным соображениям (фактически это означает, что они не станут понижать ее
статус, дабы не огорчать народ).
Первооткрыватели Плутона в 1930 году сами были не вполне уверены в этом
вопросе - почему, собственно, и называли его "транс-Нептуновым объектом", или
ТНО, - эдакое нечто на задворках Солнечной системы, где-то там, за Нептуном.
Плутон гораздо меньше остальных восьми планет; он даже меньше семи их лун.
И не намного больше, чем его собственный основной спутник Харон (еще два,
меньшие по размеру, были открыты в 2005 году). Орбита Плутона эксцентрическая
и лежит в отличной от остальных планет Солнечной системы плоскости, плюс ко
всему у Плутона абсолютно иной химический состав.
Четыре наиболее близкие к Солнцу планеты имеют среднюю величину и скалистый
рельеф; оставшиеся четыре - газовые гиганты. Плутон - это крошечный шарик
льда, один из 60 тысяч маленьких кометоподобных объектов, и это как минимум,
образующих пояс Койпера на самом краю Солнечной системы.
Все эти планетоидные объекты (включая астероиды, ТНО и массу прочих суб-
классификаций) в совокупности известны как "малые планеты". На сегодняшний
день официально зарегистрировано 330 795 таких небесных тел, и каждый месяц
открывают еще по 5000 новых. По оценкам астрономов, всего подобных объектов с
диаметром более километра может быть что-то около двух миллионов. Большинство
из них слишком малы, чтобы именоваться планетами, однако двенадцать дадут
Плутону сто очков вперед.
Одна из таких "малых планет", открытая в 2005 году и получившая
очаровательное имечко 2003 UB313, на самом деле даже больше Плутона. Недалеко от
него ушли и остальные, вроде Седны, Оркуса и Кваора.
Вполне может случиться, что в конечном итоге мы с вами окажемся с двумя
системами: восьмипланетной7 Солнечной и системой пояса Койпера, включающей в
себя Плутон и все остальные новые планеты.
Такой прецедент, кстати, уже был. Крупнейший из астероидов Церес считался
десятой планетой Солнечной системы с момента своего открытия в 1801 году и
вплоть до 1850-х, когда его статус был понижен до астероида.
Как бы вы летели сквозь пояс астероидов?
Глядели бы в оба, но вряд ли столкнулись бы хоть с чем-нибудь.
Вопреки тому, чего вы насмотрелись в плохих научно-фантастических фильмах,
пояса астероидов, в большинстве своем, места довольно пустынные. Бойкие по
сравнению с остальным космосом, но все равно пустынные.
Вообще говоря, зазор между крупными астероидами (способными нанести
космическому кораблю значительные повреждения) составляет примерно два миллиона
километров.
И хотя существуют целые группы астероидов, называемые "семействами", - это
те, что сравнительно недавно сформировались из более крупного небесного тела,
- маневрировать внутри пояса астероидов совсем не сложно. Фактически, если
выбрать абсолютно случайный курс и при этом встретить хотя бы один астероид,
можно считать, что вам крупно повезло.
Но уж коли такое произойдет, вам безусловно захочется дать этому астероиду
имя.
На сегодняшний день в Международном астрономическом союзе имеется
специальный Комитет по номенклатуре малых небесных тел, состоящий из пятнадцати
членов и отвечающий за контроль наименования неуклонно раздувающегося штата
малых планет. Как показывают последние примеры, занятие это вовсе не такое
серьезное. Судите сами:
7 В августе 2006 г. на XXVI Ассамблее Международного астрономического союза (MAC) астрономы
со всего мира приняли "Пражский планетный протокол". Согласно тексту документа, Плутон
окончательно лишается статуса "классической планеты" и переводится в "карликовые планеты".
Теперь, согласно выработанному комиссией определению, планетой считается только небесное тело,
вращающееся вокруг Солнца, обладающее достаточной массой, чтобы его собственная гравитация
превысила силы сцепления твердых тел и оно приняло близкую к шару форму, и Занимающее свою
орбиту в одиночку (то есть "соседи" не должны иметь сопоставимых размеров). Таким образом, в
Солнечной системе имеется восемь планет - четыре Земной группы (Меркурий, Венера, Земля и
Марс) и четыре планеты-гиганта (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Карликовыми планетами (dwarf
planet) считаются Плутон, Харон (прежде называвшийся спутником Плутона), астероид Церера,
обращающийся между орбитами Марса и Юпитера, а также объекты пояса Койпера - Эрида (объект
2003 UB313) и Седна (объект 90377). Кроме того, MAC в "ответах на вопросы" назвал систему
"Плутон-Харон" "двойной карликовой планетой".
(15887) Дейвкларк, (14965) Бонк, (18932) Робингуд, (69961) Милошевич,
(2829) Боббоп, (7328) Шонконнери, (5762) Уэнки, (453) Чай, (3904) Хонда,
(17627) Шалтайболтай, (9941) Игуанодон, (9949) Бронтозавр, (9778) Изабельаль-
енде, (4479) Чарлипаркер, (9007) Джеймс Бонд, (39415) Джейностин, (11548)
Джерри-льюис, (19367) Пинк Флойд, (5878) Шарлин, (6042) Чеширскийкот, (4735)
Гэри, (3742) Солнечный свет, (17458) Дик, (1629) Пекер и (821) Фэнни. (Bonk -
"трах", в самом интересном смысле слова; wanky - "дрочило"; Dick - по-англ.
как мужское имя, так и "член"; pecker - "клюв" и, опять же, "половой член";
fanny - "женская задница", если не сказать хуже.)
Смит, Джонс, Браун и Робинсон - все это официальные имена астероидов; так
же как и Бикки, Бас, Бок, Лик, Кви, Хиппо (Bus - автобус; lick - лизать;
hippo - гиппопотам.), Мистер Спок, Родденберри и Суиссэйр.
Эксцентричность в присвоении планетам имен - штука отнюдь не новая. Так,
например, Плутон был назван Плутоном в 1930 году одиннадцатилетней школьницей
из Оксфорда по имени Венеция Берни: ее дед, в то время работавший
библиотекарем в Оксфордском университете, передал высказанное внучкой за завтраком
предложение своему хорошему другу Герберту Холлу Тернеру, оксфордскому
профессору астрономии.
Возможно, 2003 UB313 в конце концов переименуют в Руперта - название,
данное Дугласом Адамсом десятой планете Солнечной системы в его книге
"Автостопом по Галактике". Случалось и не такое. Буквально за день до скоропостижной
смерти Адамса в 2001 году очередной астероид получил имя (18610) Артур-дент8.
А теперь и у Адамса есть свое собственное небесное тело: (25924) Дугласадамс.
Что находится внутри атома?
Да собственно, почти ничего. Основное содержимое атома - это пустота.
Для пущей наглядности попробуйте представить себе атом размером с
международный стадион. При этом электроны разместятся на самом верху трибун, каждый
- мельче булавочной головки. Ядро же окажется ровно в центре футбольного
поля, и размер этого ядра будет не больше горошины.
На протяжении многих веков считалось, что атомы (тогда еще чисто
теоретическое понятие) есть мельчайшие единицы материи; отсюда и само слово "атом",
по-гречески означающее "неделимый".
Однако в 1897 году был открыт электрон, а в 1911-м - ядро. В 1932-м атом
удалось расщепить - так мир узнал про нейтроны.
Но этим дело ни в коем случае не заканчивается. Положительно заряженные
протоны и незаряженные нейтроны в ядре состоят из еще более мелких элементов.
Эти поистине крошечные частицы, называемые кварками, получили в физике
прозвища "странность" и "шарм" и представляются не в формах и размерах, а в
"ароматах".
Дальние спутники ядра - отрицательно заряженные электроны - настолько
необычны, что никто их так больше не называет. Их нынешний официальный титул -
"заряды плотности вероятностей".
К 1950 году было открыто так много субатомных частиц (более 100), что
становится даже как-то неловко. Чем бы материя ни была, никто, похоже, так и не
смог добраться до ее сути.
Энрико Ферми - итальянец по происхождению, получивший в 1938 году
Нобелевскую премию по физике за работы в области атомных реакторов, - сказал
буквально следующее: "Если бы я мог запомнить имена всех этих частиц, я был бы
ботаником".
Артур Филипп Дент - главный герой серии юмористических научно-фантастических романов
Дугласа Адамса "Автостопом по Галактике".
Со времен Ферми ученым вроде как удалось договориться насчет числа
субатомных частиц, находящихся внутри атома, - двадцать четыре. Эта максимально
правдоподобная версия известна как "стандартная модель атома", создающая
впечатление, будто теперь у нас с вами имеется вполне сносное представление о
том, что есть что в этом мире.
Вселенная, насколько мы можем предполагать, так же мало населена, как и
атом. Космос, в среднем, содержит буквально пару атомов на кубический метр.
Хотя время от времени сила тяготения собирает их вместе, превращая в звезды,
планеты и жирафов, что само по себе не менее поразительно.
Каков главный ингредиент воздуха?
а) Кислород.
б) Углекислый газ.
в) Водород.
г) Азот.
Азот. Как известно любому двенадцатилетнему школьнику, доля азота в воздухе
составляет 78%.
Менее 21% в составе воздуха - это кислород. И лишь три сотых процента -
углекислый газ.
Высокий процент содержания азота в воздухе есть результат вулканических
извержений, происходивших во время формирования Земли. Огромные количества
этого газа выбрасывались в атмосферу. Будучи более тяжелым, чем водород или
гелий, азот оседал ближе к земной поверхности.
В человеке весом 76 кг содержится 1 кг азота.
Nitre (По-английски азот - nitrogen.) - древнее название селитры, или
нитрата калия. Ключевой ингредиент пороха, селитра также используется для
консервирования мяса, в качестве консерванта в мороженом, и как анестетик в
зубной пасте для чувствительных зубов.
На протяжении нескольких столетий богатейшим источником селитры считалась
органическая мульча (перегной), которая просачивалась в земляной пол жилых
помещений. В 1601 году в английском парламенте был поднят вопрос о
беспринципных действиях так называемых "селитровиков". Они вламывались в дома - и
даже в церкви, - выкапывали полы и продавали добытую таким образом землю на
оружейный порох.
Слово nitrogen в переводе с греческого означает "образующий соду".
Пивные банки с чувствительными к давлению "прибамбасами" содержат азот, а
не углекислый газ. Благодаря маленьким пузырькам азота пивная пена становится
более гладкой, густой и сочной.
Кроме уже перечисленных, единственным значимым газом в составе воздуха
является аргон (1%).
Открыл его английский физик Уильям Джон Стретт, лорд Рэлей; он же был
первым, кто догадался, почему небеса голубые.
Куда бы вы отправились за хорошим глотком озона?
Не трудитесь отправляться на побережье. Столь популярный в XIX веке культ
здорового морского воздуха основывался на элементарном непонимании. Бодрящий,
солоноватый привкус не имеет ничего общего с озоном - газом нестабильным и
в е сьма опа сным.
Озон был открыт в 1840 году немецким химиком Кристианом Шёнбайном. Исследуя
своеобразный запах, возникавший рядом с работающим электрооборудованием,
ученый обнаружил неизвестный доселе газ Оз и назвал его в честь греческого ozein
("пахнуть").
Озон, или "тяжелый воздух", снискал большое расположение ученых-медиков,
которые до сих пор не могут освободиться от тисков "миазматической" теории
болезней. Суть этой теории заключается в том, что ухудшение состояния
здоровья человека якобы возникает от дурных запахов. Озон же, как считалось,
именно то, что нужно, чтобы очистить легкие от вредного "зловония", а морское
побережье - как раз то место, где можно его получить в достатке.
Вокруг "озонового лечения" и "озоновых гостиниц" со временем выросла целая
индустрия (в Австралии до сих пор можно встретить гостиницы с подобным
названием) . Вплоть до 1939 года морской курорт Блэкпул похвалялся "самым здоровым
озоном в Британии".
Сегодня-то мы знаем, что на морском побережье не пахнет озоном - там пахнет
гнилыми водорослями. Нет никаких доказательств того, полезен для здоровья
такой запах или, наоборот, вреден (ведь основной компонент в его составе -
сера) . Возможно, он всего лишь вызывает в мозгу человека положительные
ассоциации, пробуждая воспоминания о счастливых деньках детских каникул.
Что же до озона, то газы из выхлопной трубы вашего автомобиля (в соединении
с солнечным светом) создают его гораздо больше, чем все, что найдется на
морском пляже. И если вам и правда приспичит набрать полные легкие озона, самое
лучшее - это присосаться к выхлопной трубе. Чего лично мы категорически не
рекомендуем делать. Мало того, что вы нанесете непоправимый ущерб своим
легким, вдобавок вы еще сильно обожжете губы.
Озон используют при изготовлении отбеливателей, а также для уничтожения
бактерий в питьевой воде - как менее ядовитую альтернативу хлорке. Кроме
всего прочего, он вырабатывается высоковольтным электрическим оборудованием,
таким, как телевизоры и копировальные аппараты.
Озон выделяют и некоторые деревья - например, дуб или ива, - что может
отравлять окружающую растительность.
Постепенно разрушающийся озоновый слой, что защищает нашу планету от
вредного ультрафиолетового излучения, при вдыхании неминуемо вызвал бы
смертельный исход. Озоновый слой располагается в 24 км от поверхности нашей планеты и
по запаху отдаленно напоминает герань.
С какой скоростью движется свет?
Как сказать.
Мы часто слышим, что скорость света постоянна, но это не так. Своей
максимальной скорости почти в 300 тыс. км/с свет достигает лишь в полном вакууме.
В любой другой среде скорость света сильно отличается от максимума и всегда
ниже той цифры, которую наизусть знает каждый из нас. Сквозь алмазы, к
примеру, свет проходит более чем в два раза медленнее, примерно 130 тыс. км/с.
До недавнего времени самая пустяковая официально зарегистрированная
скорость света (сквозь натрий при температуре минус 272 °С) была чуть больше 60
км/ч - гоночный велосипед и тот резвее.
В 2000 году той же группе ученых (из Гарвардского университета) удалось
привести свет к полной остановке, направив его на "бэк" (конденсат Бозе-
Эйнштейна) химического элемента рубидий.
Рубидий был открыт немецким химиком Робертом Бунзеном (1811-1899), который
не изобретал горелку Бунзена, названную в его честь.
Поразительно, но свет невидим.
Сам по себе свет увидеть нельзя, вы можете видеть только то, на что он
наталкивается. Световой луч в вакууме, падающий перпендикулярно по отношению к
наблюдателю, абсолютно невидим.
Все это, разумеется, очень странно, но вполне логично. Если бы свет был ви-
димым, он образовывал бы нечто вроде тумана между нашими глазами и всем, что
находится перед нами.
Темнота - не менее странная штука. Ее нет, но сквозь нее ничего не видно.
Летят ли мотыльки на пламя?
Их к нему совершенно не тянет. Оно их просто дезориентирует.
Если не считать лесных пожаров, искусственные источники света существуют на
Земле крайне недолго по сравнению с возрастом взаимоотношений между
мотыльками и Солнцем с Луной. Многие насекомые используют эти естественные источники
света для ориентации в пространстве и днем, и ночью.
Поскольку Луна и Солнце очень и очень далеко, в результате эволюции
насекомые приучились к тому, что свет должен бить им в глаза в одном и том же месте
в разное время дня или ночи. Это позволяет им рассчитывать полет по прямой.
Когда же заявляются люди со своими переносными мини-солнцами и мини-лунами,
свет сбивает насекомое с толку. Оно считает, что двигается по криволинейной
траектории, поскольку его положение относительно стационарной "луны" или
"солнца" каким-то образом неожиданно изменилось.
Мотылек начинает выверять свой курс до тех пор, пока вновь не увидит свет
как стационарный. Когда же источник света настолько близко, единственная
возможность для объекта, находящегося рядом с ним, - это бесконечно нарезать
круги.
Кстати, мотыльки (по сути, та же моль) одежду не едят. (Этим занимаются их
гусеницы.)
Сколько ног у сороконожки?
Не сорок.
Несмотря на то что сороконожек изучают гораздо дольше, чем сорок лет, до
сих пор не найдено ни одной, у кого этих ног было бы ровно сорок.
У кого-то больше, у кого-то меньше. В 1999 году была обнаружена особь, ног
у которой оказалось почти сто. А если более точно, их насчитали ровно
девяносто шесть, и этот экземпляр - настоящий уникум среди многоножек, поскольку
является единственным из всех известных науке, обладающим четным числом пар
ног: сорок восемь.
Все остальные многоножки имеют нечетное число пар ног, и разброс тут от 15
до 191.
Из чего сделан рог носорога?
Вопреки тому, что думают некоторые из вас, рог носорога вовсе не из волос.
Он состоит из чрезвычайно тонких, тесно сплетенных волокон рогового
вещества, называемого кератин. Кератин - это белок, содержащийся в волосах и ногтях
человека, а также когтях и копытах животных, птичьих перьях, иглах дикобразов
и панцирях броненосцев и черепах.
Носорог - единственное животное, рог которого полностью состоит из
кератина; в отличие от рогов домашнего скота, баранов, антилоп и жирафов внутри
носорожьего рога нет рогового стержня. По черепу мертвого носорога вы даже не
догадаетесь, что когда-то здесь присутствовал рог; при жизни зверя рог
надежно прикреплен к загрубелому наросту на коже над носовой костью.
Если отрезать или повредить рог носорога, тот буквально разматывается,
однако у молодых особей он может отрасти заново. Никто не знает, какова его
настоящая функция, хотя самки, у которых рог удален, почему-то совершенно
перестают присматривать за потомством.
Носороги находятся под угрозой исчезновения, и в первую очередь это
объясняется огромным спросом на их рога. Рог африканского носорога очень ценится
на Ближнем Востоке, особенно в Йемене, - как по медицинским соображениям, так
и для изготовления рукояток традиционных кинжалов. Начиная с 1970 года в
Йемен было импортировано 67 050 кг носорожьих рогов. При средней массе одного
рога 3 кг это означает, что было убито 22 350 носорогов.
Человечество никак не может избавиться от неверного представления, будто
рог носорога - сильный афродизиак. Китайские травники убеждают нас, что это
не так, что эффект у рога скорее охлаждающий, чем разогревающий, и что он,
как правило, используется при лечении высокого кровяного давления и
лихорадки .
Название rhinoceros (носорог - англ.) происходит от двух греческих слов:
rhino ("нос") и keras ("рог"). На сегодняшний день в мире существует пять
видов носорога: черный, белый, индийский, яванский и суматранский. Из яванских
в живых осталось лишь шестьдесят особей. Это четвертое место среди исчезающих
видов - после китайского озерного дельфина из реки Янцзы, сурка с острова
Ванкувер и футлярохвостой (или мешко-крылой) летучей мыши, обитающей на
Сейшельских островах.
Белый носорог вовсе не белый. Слово white на самом деле искаженное weit,
что на языке африкаанс означает "широкий". Это определение скорее относится к
пасти животного, чем к объему его грудной клетки, поскольку, в отличие от
черных особей, у белых отсутствуют подвижные губы, обычно использующиеся для
поедания веток деревьев.
У любого носорога прекрасное обоняние и слух, однако зрение - просто
кошмар. Живут носороги обычно поодиночке и сходятся лишь для спаривания.
Если носорога застать врасплох, он обильно мочится и испражняется. Нападая,
азиатский носорог кусается; африканский атакует, бросаясь вперед. Черный
носорог, несмотря на короткие ноги, может бежать со скоростью 55 км/ч.
Какое из африканских млекопитающих
убивает больше людей, чем любое другое?
Гиппопотам.
К несчастью, гиппопотамы обожают держаться у заросших по берегам пресных
водоемов - в тех же местах, что облюбовал для себя человек.
Большинство неприятностей происходит либо из-за того, что находящемуся под
водой гиппопотаму нечаянно заедут по голове веслом, и он решит отомстить,
перевернув лодку, либо людям приспичит прогуливаться при луне - в тот самый
час, когда гиппопотамы вылезают из воды пожевать травки. "Затоптан испуганным
гиппопотамом" - не слишком-то подходящий заголовок для некролога.
Гиппопотамы - самые крупные представите ли семейства бегемотовых.
Родственники наших свиней, они делятся на два вида: обыкновенные и карликовые.
Обыкновенный гиппопотам (он же бегемот) - третье по величине наземное
млекопитающее после африканского и индийского слонов.
Немного найдется тех, у кого хватит глупости напасть на гиппопотама.
Гиппопотам - зверь крайне раздражительный, особенно в юные годы. Со львами он
расправляется, швыряя их в воду и топя в глубине, крокодилов перекусывает
пополам, а акул вытаскивает на сушу и затаптывает насмерть. При этом гиппопотамы
- строгие вегетарианцы, и вся их агрессивность идет в основном от
самообороны . Главная пища гиппопотама - трава.
Кожа гиппопотама весит целую тонну, что составляет 25% массы самого
животного. Ее толщина, 4 см, - пуленепробиваемая для большинства видов стрелкового
оружия. Сквозь поры кожи у гиппопотама выделяется маслянистая красная
жидкость, защищающая его от пересыхания, - именно она породила миф о том, что
гиппопотамы потеют кровью. Не позволяйте этой туше себя одурачить. Взрослый
гиппопотам без труда обгонит любого из вас.
Кроме китов и дельфинов, гиппопотамы - единственные млекопитающие, кто
спаривается и рожает под водой. Они могут закрывать ноздри, поджимать уши и
оставаться полностью погруженными до пяти минут.
У гиппопотамов жутко зловонное дыхание. Когда вам кажется, что гиппопотам
зевает, на самом деле он обдувает все вокруг своим халитозом - мол,
держитесь-ка от меня подальше. И это весьма полезный совет: клыки у гиппопотама
острые, а челюсти могут запросто перекусить конечность.
У гиппопотамов четыре "зуба", их материал - слоновая кость. Вставная
челюсть Джорджа Вашингтона была частично сделана из таких клыков.
Согласно "Оксфордской энциклопедии продуктов питания", самая вкусная часть
бегемота - молочные железы, тушенные в горшочке с травами и специями. При
отсутствии таковых сойдут мышцы спины, приготовленные подобным же образом.
Где живет большинство тигров?
В США.
Еще сто лет назад в Индии насчитывалось около 40 ООО тигров. На сегодняшний
день их от 3000 до 4700. По оценкам некоторых ученых, в природе осталось
всего от 5100 до 7500 диких тигров. С другой стороны, считается, что в одном
лишь Техасе в неволе содержится 4000 тигров. По мнению Американской
ассоциации зоопарков и аквариумов, в США в частных владениях находится до 12 000
особей. Так, лично у Майка Тайсона целых четыре тигра.
Частично такая огромная популяция объясняется американским
законодательством. Лишь в девятнадцати штатах запрещено заводить тигров частным образом, в
пятнадцати требуется лицензия, в остальных же шестнадцати ограничений не
существует вовсе.
Кроме того, удовольствие это не такое уж дорогое. Маленький тигренок
обойдется вам всего в 1000 долларов, а за 3500 долларов вы сможете купить себе
пару взрослых бенгальских тигров; 15 000 долларов вполне хватит на модного
белого тигра с голубыми глазами.
Как это ни парадоксально, сегодняшняя ситуация - результат успеха программ
разведения тигров в американских цирках и зоопарках. Переизбыток тигрят в
1980-1990-х годах привел к значительному снижению цен на них. По оценкам
Американского общества по борьбе с жестоким обращением с животными, только в
Хьюстоне содержится около 500 львов, тигров и других больших кошек.
На протяжении XX века популяции диких тигров был нанесен непоправимый
ущерб. К 1950-м тигры полностью исчезли в районе Каспийского моря, а в период
между 1937 и 1972 годом - на островах Бали и Ява. В Южном Китае тигры тоже
практически не встречаются - в дикой природе их осталось всего тридцать
особей .
Несмотря на отчаянные усилия борцов за экологию, есть опасение, что к концу
нынешнего века тигры напрочь исчезнут из дикой природы.
Домашняя кошка примерно в сто раз меньше тигра.
Тигры не переносят запах алкоголя. И растерзают любого, кто приложился к
бутылке.
Тигры блекнут по мере старения, но кто же их в этом упрекнет?
Чем бы вы воспользовались, чтобы справиться с крокодилом?
а) Скрепкой для бумаг.
б) Зажимом-"крокодилом".
в) Бумажным пакетом.
г) Дамской сумочкой.
д) Резиновой лентой.
Чтобы справится с крокодилом, длина которого достигает 2 м, вполне хватит
обычной резиновой ленты.
Мышцы, закрывающие челюсти аллигатора и крокодила, такие мощные, что
обладают силой сорвавшегося со скалы грузовика. Но вот мышцы, которые открывают
те же самые челюсти, слабы настолько, что вы можете преспокойно удерживать
пасть закрытой, лишь слегка надавливая на нее рукой. Технически разница между
крокодилом и аллигатором заключается в том, что крокодилье рыло длиннее и
уже, глаза посажены ближе к носу, а четвертый зуб торчит наружу из нижней
челюсти, вместо того чтобы аккуратно входить в верхнюю. Кроме того, крокодилы,
как правило, живут в соленой воде, в то время как большинство аллигаторов
обитает в пресных водоемах. Слово "крокодил" означает ящерицу - от греческого
krokodeilos. Название это впервые использовал Геродот, заметивший несколько
особей, гревшихся на покрытых галькой берегах Нила. Аллигатор - искаженное от
испанского el lagarto das Indias, "ящерица Индий".
Ни одно из животных не плачет, терзая вас насмерть. Крокодиловы слезы -
очередной миф, придуманный средневековыми путешественниками. В 1356 году сэр
Джон Мандервилль так описывал свои наблюдения: "Во многих местах Индии живет
много кокадрилов - что-то вроде длинных змей. Эти змеи убивают людей и
поедают их, заливаясь при этом слезами".
У крокодила действительно имеются слезные протоки, однако опорожняются они
прямо в пасть, так что слез как таковых снаружи не видно. Происхождение
легенды, возможно, связано с тем, что у крокодила слезные железы располагаются
близко к горлу. Из-за этого при попытке проглотить что-нибудь громоздкое или
сопротивляющееся глаза крокодила могут слегка слезиться. Улыбаться крокодилы
тоже не могут: ни у них, ни у аллигаторов нет губ.
В крокодильем желудочном соке содержится столько соляной кислоты, что он
способен растворять железо и сталь.
С другой стороны, вам совершенно незачем беспокоиться насчет аллигаторов,
якобы заполонивших городские канализации. Аллигатор не может существовать без
ультрафиолета, благодаря которому его организм усваивает кальций. Историю
этой городской легенды можно проследить до 1935 года, когда в "Нью-Йорк
тайме" появилась статья о парнях из Гарлема, которые вытянули из
канализационного люка аллигатора и забили насмерть лопатами. Вероятнее всего, бедняга
просто выпал с какого-нибудь корабля и случайно заплыл в штормовой водовод.
Что в три раза опаснее войны?
Работа - гораздо больший убийца, чем алкоголь, наркотики и война.
Ежегодно от несчастных случаев на производстве и профессиональных
заболеваний умирает два миллиона человек - в противоположность всего 650 тысячам, что
погибают в военных конфликтах.
В целом по миру самыми опасными считаются профессии в сельском хозяйстве,
горнодобывающей промышленности и строительстве. По данным Бюро трудовой
статистики США, только в 2000 году на своих рабочих местах умерло 5915 человек -
включая и тех, кого сердечный приступ застал прямо за письменным столом.
Самой опасной была признана профессия лесоруба - 122 смертельных случая на
100 тыс. работников. На второе место попали моряки рыболовного флота, на
третье - пилоты гражданской авиации с уровнем смертности 101 на 100 тыс.
Хотим сразу успокоить: практически все погибшие в авиакатастрофах пилоты сидели
за штурвалами небольших самолетов, а не пассажирских авиалайнеров.
Работающие со стальными конструкциями строители и горняки заняли
соответственно четвертое и пятое места, хотя уровень смертности в обеих профессиях был
менее половины уровня смертности лесозаготовителей.
Независимо от рода занятий, третьей из наиболее распространенных причин
смертности на производстве оказалось убийство: 677 смертельных случаев. В
2000 году было убито пятьдесят полицейских. Зато продавцов - аж 205 человек!
Второе место среди причин смертности заняли падения с высоты - 12% от
общего числа. Главные жертвы здесь - кровельщики и монтажники-высотники.
Самой распространенной причиной смертности на работе оказались дорожно-
транспортные происшествия, доля которых в общем числе составила 23%. Как
выяснилось, даже полицейские имеют большую вероятность умереть за рулем, чем от
рук убийцы.
Самой опасной из редких профессий считается работа краболова в Беринговом
море.
Риск смерти можно рассчитать с помощью специальной шкалы, придуманной
Фрэнком Даквортом, редактором журнала Королевского статистического общества
Великобритании. Шкала Дакворта измеряет вероятность смерти в результате той или
иной деятельности. Самый безопасный вид деятельности оценивается нулевым
баллом; восьмерка несомненно приведет к смертельному исходу.
К примеру, "русская рулетка" по степени риска дает 7,2 балла. Двадцать лет
скалолазания тянут на 6,3. Шанс погибнуть от рук убийцы равен 4,6.
Автомобильная поездка длиной 160 км, когда за рулем трезвый водитель средних лет,
набирает 1,9 балла - чуть рискованнее смерти от падения астероида (1,6).
В шкале Дакворта особенно опасным считается показатель 5,5. Для мужчин это
риск смерти в дорожно-транспортном происшествии или случайное падение с
высоты; для обоих полов - риск умереть при домашней уборке, мытье посуды или
просто шагая по улице.
Что было основной причиной смерти во
время морского сражения в XVIII веке?
Самая обычная щепка.
Ядра, выстреливавшие из пушек военных судов, не взрывались (что бы там ни
выдумывал Голливуд) - они попросту пробивали корпус корабля, отчего во все
стороны летели огромные деревянные щепы, поражая всех, кто находился в
пределах досягаемости.
Британские военные корабли того времени часто оказывались прогнившими и
непригодными к плаванию. Многие офицеры покупали себе чины и звания, а потому
понятия не имели, как управляться с парусами, вести бой и командовать
подчиненными. Грыжи от таскания на горбу многих акров мокрой парусины стали
настолько частым явлением, что флот был вынужден вместе с обмундированием
выдавать бандажи. В довершение всего, за сто лет матросам и офицерам ни разу не
повышали жалованье.
С близкого расстояния пятнадцатикилограммовое ядро пробивало дерево на
глубину до 60 см. И самым лучшим способом остановить расщепление (разумеется,
кроме строительства металлических кораблей) было использовать виргинский дуб
- сорт дерева, который не давал щепок, будучи одной из наиболее твердых
пород. Виргинский дуб (Quercus virginiana) является эмблемой Джорджии и
символом силы и стойкости для всех южных штатов: это дерево, обвитое длинными
гирляндами мха, сплошь и рядом встречается в фильмах типа "Унесенных ветром".
Кто отбил нос у Сфинкса?
Сфинкс (в переводе с греческого - "душитель") - мифологическое существо с
головой женщины, телом льва и крыльями птицы. Как вы, возможно, заметили, его
гигантская 6500-летняя статуя возле египетских пирамид - безносая. На протя-
жении многих веков в том, что нос Сфинкса был намеренно отбит по каким-то
особым соображениям, обвиняли разные армии и отдельных личностей - британцев,
немцев, арабов. Однако в основном вину все же принято перекладывать на
Наполеона .
Почти ни одно из этих обвинений не имеет под собой почвы. На самом деле
единственным, про кого можно с уверенностью сказать, что он действительно
нанес Сфинксу ущерб, был суфийский фанатик Мухаммед Саим аль-Дах, которого
местные жители забили насмерть за вандализм в 1378 году.
Британская и германская армии, побывавшие в Египте во время обеих мировых
войн, не виноваты: есть фотографии Сфинкса без носа, датированные 1886 годом.
Что же касается Наполеона, то сохранились зарисовки с безносым Сфинксом,
сделанные европейскими путешественниками в 1737 году - за тридцать два года
до рождения будущего французского императора. Когда двадцатидевятилетний
генерал впервые положил глаз на древнюю статую, носа у нее не было, скорее
всего , уже сотни лет.
Поход Наполеона в Египет имел целью нарушить английские связи с Индией.
Французская армия дала в этой стране два крупных сражения: битву у Пирамид
(которая, кстати говоря, происходила вовсе не у Пирамид) и битву при Ниле (не
имевшую к Нилу никакого отношения). Вместе с 55-тысячной армией Наполеон
привел 155 гражданских специалистов - так называемых savants (ученые; крупные
специалисты в какой-либо области - франц.). Это была первая профессиональная
археологическая экспедиция в Египет.
Когда Нельсон потопил наполеоновский флот, император вернулся во Францию,
бросив и армию, и "ученых", которые продолжали работать без своего
руководителя. В результате появился научный труд под названием "Description de
I'Egypte"("Описание Египта" - франц.) - первая точная картина страны,
дошедшая до Европы.
Тем не менее, несмотря на все эти факты, египетские экскурсоводы до сих пор
рассказывают многочисленным толпам туристов о том, что нос у Сфинкса украл
Наполеон и переправил в парижский Лувр.
Наиболее правдоподобная причина отсутствия у Сфинкса столь важного органа -
это 6000 лет воздействия ветра и погодных условий на мягкий известняк.
Что делал Нерон, пока горел Рим?
Уж точно не играл на скрипке, которую изобрели лишь в XV веке.
Еще Нерона обвиняли в том, что в 64 году, когда Рим был охвачен огнем, он
якобы пел песню о горящей Трое, намекая, что сам же и устроил весь этот
поджог .
На самом деле, когда разразился пожар, Нерон находился в 56 км от Рима, на
своей даче на побережье. Услышав страшную весть, Нерон немедленно поскакал в
горящий город и лично возглавил работы по тушению огня. Подозрение, что Нерон
хотел сжечь Рим, могло возникнуть из неоднократно высказываемых им
честолюбивых замыслов полностью перестроить Великий город.
Теперь пара слов о том, что Нерон действительно делал. Человек этот был
трансвеститом, любившим наряжаться в женское платье, петь, играть на
музыкальных инструментах и устраивать оргии. По приказу Нерона была убита его
собственная мать. Он очень гордился своими музыкальными способностями;
считается, что его последними словами были:
"Какого великого артиста теряет мир!"
Как утверждают, Нерон часто аккомпанировал себе на китаре (родственница
лиры) , но он также играл на волынке.
Дион Хризостом, греческий ритор и философ, писавший в 100 году, отмечал:
"Говорят, он может писать, высекать статуи и играть на aulos ртом и подмыш-
кой, под которую засунут надутый мешок".
В начале VI века греческий историк Прокопиус упоминал, что волынки были
популярным инструментом в римской пехоте, в то время как кавалерия отдавала
предпочтение трубе.
Еще Нерон изобрел мороженое (гонцы приносили ему горный снег, куда затем
добавляли фруктовый сок), а его личная отравительница, искусница Локуста,
стала первой в истории официально зарегистрированной серийной убийцей.
Локуста переводится как "омар" или "саранча": латинский язык использует
одно и то же слово в обоих значениях.
Что вероятнее: гибель от удара
молнии или от упавшего астероида?
Каким бы абсурдным ни казалось это утверждение, но вероятность смерти от
астероида почти в два раза выше.
По оценкам ученых, большой астероид (или, как их теперь называют,
"околоземный объект") падает на Землю раз в миллион лет. Статистически на
сегодняшний день событие это давно просрочено.
Опасным считается "околоземный объект" диаметром более 2 км. Сила его удара
о Землю эквивалентна одному миллиону мегатонн тротила. Если такое произойдет,
общее число погибших превысит один миллиард, так что ваш личный риск умереть
от удара астероида в текущем году составляет примерно одну шестимиллионную.
Среднегодовой риск гибели от прямого удара молнии в Соединенном Королевстве
равен одной десятимиллионной - приблизительно такая же вероятность, как
заработать укус гадюки.
Молния - это разряд электричества напряжением до 30 млн. вольт. Она
достигает температуры 30 ООО °С, что в пять раз горячее поверхности Солнца.
Вспышка молнии движется со скоростью, превышающей 115 млн. км/ч.
Один разряд молнии несет в себе электрический ток силой в 100 тыс. ампер -
вполне достаточно, чтобы в течение минуты освещать город с населением 200
тыс. человек. Каждый день молния ударяет в Землю более 17 млн. раз, то есть
около 200 ударов в секунду.
Наиболее часто удары молнии наблюдаются в прибрежных зонах - в среднем
примерно по два удара на квадратный километр в год. Судя по всему, большого
ущерба они не причиняют: электричество быстро рассеивается по поверхности
моря, и кое-кто даже лично наблюдал, как довольно поют киты во время сильной
грозы.
С другой стороны, людей молния ударяет в десять раз чаще, чем положено по
теории вероятностей.
Мужчины попадают под удар в шесть раз чаще женщин.
Каждый год от молнии погибает от трех до шести британцев и сто американцев,
причем многие из-за того, что имели при себе "переносные молниеотводы":
клюшки для гольфа, удочки из углеродного волокна или бюстгальтеры с проволокой.
Если гроза застала вас на открытой местности, знайте: самая безопасная поза
- подальше от деревьев встать на четвереньки и задрать задницу вверх.
Каким жестом римский император приговаривал гладиатора к смерти?
Подняв большой палец вверх.
Ни римские зрители, требующие смерти гладиатора, ни римские императоры,
санкционирующие оную, никогда не показывали "пальцы вниз". Более того,
римляне вообще не использовали знак "пальцы вниз". Если гладиатор должен был
умереть, пальцы вздымались вверх - как обнаженный меч. Когда же побежденному
хотели даровать жизнь, большой палец подгибался внутрь сжатого кулака - подобно
оружию в ножнах. По-латыни есть даже специальная фраза: pollice compresso
favor iudicabatur, "благосклонность решается большим пальцем, спрятанным
внутри".
Прежде чем Ридли Скотт дал согласие взяться за режиссуру знаменитого
"Гладиатора", продюсеры показали ему полотно французского художника
девятнадцатого века Жана-Леона Жерома под названием "Pollice verso". Изображенный на
картине римский гладиатор ждет решения судьбы своего соперника, а сидящий в ложе
император тычет большим пальцем вниз, вынося смертный приговор. Скотт был
настолько потрясен этим впечатляющим образом, что принял решение не сходя с
места.
Режиссер даже не подозревал, что источник его вдохновения имеет мало общего
с действительностью. Картина Жерома единолично ответственна за одно из
величайших заблуждений двух последних столетий: что "пальцы вниз" означают
смерть.
Историки единодушны в том, что художник неверно понял латинскую фразу,
предположив, будто pollice verso, "отогнутый палец", означало "отогнутый
вниз", тогда как фраза эта значит "отогнутый вверх".
Если требуются дополнительные доказательства, пожалуйста. В 1997 году в
Южной Франции был найден римский медальон 11 или III века. На нем изображены
два гладиатора после боя и арбитр, поджимающий большой палец к сжатому
кулаку. Надпись на медальоне гласила: "Стоящие на ногах должны быть отпущены".
Использование жестикуляции большими пальцами в современном мире может
восприниматься неоднозначно и угрожать опасной двусмысленностью. Так, в странах
Ближнего Востока и Южной Америки "пальцы вверх" считаются грубым оскорблением
- примерно то же, что и знак "V" на Западе9. В Ираке, например, это вызывало
определенные проблемы для американских солдат, которые не могли понять,
приветствует их местное население или посылает куда подальше.
Десмонд Моррис, автор книги "Голая обезьяна", прослеживает положительные
коннотации "пальцев вверх" в средневековой Британии, где этот знак
использовался при удачном заключении сделки. Новую жизнь знак получил во время Второй
мировой войны, когда его взяли на вооружение американские летчики как сигнал
о готовности к взлету.
В конечном итоге Скотту все-таки рассказали о заблуждении насчет "пальцев
вниз", но режиссер решил не менять сцену, где Коммод показывал "палец вверх",
даря жизнь Максимусу, - чтобы "не путать зрителя".
Каково число Зверя?
616.
На протяжении 2000 лет символом ужасного Антихриста, который придет править
миром перед Страшным судом, считалось число 666. Для многих это число
несчастливое: даже в Европарламенте место под номером 666 всегда остается пустым.
Число 666 пришло к нам из Откровения - самой последней и самой странной из
всех книг Библии. "Кто имеет ум, тот сочти число зверя, ибо это число
человеческое; число его шестьсот шестьдесят шесть".
Но это неправильное число. В 2005 году был сделан перевод самого раннего из
известных человечеству текстов Книги Откровения, который ясно дает понять,
что речь идет о числе 616. 1700-летний папирус был найден на свалке
египетского города Оксиринхус и расшифрован группой ученых-палеографов из
Бирмингемского университета под руководством профессора Дэвида Паркера.
Может обозначать символ победы - когда указательный и средний палец поднимаются в форме
буквы V ладонью наружу; но может считаться и грубым жестом, выражающим презрение, - в этом
случае указательный и средний палец подняты так же, но ладонь обращена внутрь.
Если новое число действительно правильное, находка вряд ли обрадует тех,
кто потратил целое состояние, стараясь избежать старого варианта. Так, в 2003
году знаменитое американское шоссе 666 - известное как "Шоссе дьявола" - было
переименовано в шоссе 4 9110. Еще меньше обрадуется Департамент транспорта
города Москвы. В 1999 году его чиновники присвоили новый номер "зловещему"
автобусному маршруту 66611. Автобус стал именоваться 616.
Споры по поводу числа Зверя не прекращаются со II века. Вариант Библии,
ссылающийся на цифру 616, был раскритикован лионским епископом Иринеем (130-
200) как "ошибочный и ложный". Фридрих Энгельс проанализировал Библию в своей
книге "О религии" (1883). Он также рассчитал число Зверя как 616, а не 666.
Откровение является первой книгой Нового Завета и полно числовых загадок. У
каждой из двадцати двух букв древнееврейского алфавита есть соответствующее
число, так что любое из чисел можно прочесть как слово.
И Паркер, и Энгельс доказывают, что Книга Откровения - это политический,
антиримский трактат, численно закодированный с целью завуалировать главное
послание. Число Зверя (каким бы оно ни было) относится либо к Калигуле, либо
к Нерону - ненавистным преследователям первых христиан, - а не к какому-то
воображаемому злому духу в человеческом образе.
Страх перед числом 666 известен как Hexa-kosioihexekontahexaphobia. Боязнь
числа 616 (вы первые, кто это прочел) называется Hexakosi-oidekahexaphobia.
Сумма всех чисел на колесе рулетки равняется 666.
Для чего служат "пояса верности"?
Истории о крестоносцах, которые, защелкнув на любимой женушке пояс верности
и повесив ключ себе на шею, скачут на войну, - типичные россказни,
придуманные в XIX веке на потребу охочих до пикантных штучек читателей.
Никаких сколь ни будь достоверных свидетельств того, что в раннем
Средневековье практиковали пояса целомудрия, нет. Первый рисунок одного из таких
устройств относится к началу XV века. Книга Конрада Кайзера "Bellifortis"
("Военные укрепления", 1405), где описывается военная техника тех времен, вышла в
свет намного позже завершения последнего крестового похода. Именно в ней есть
картинка, на которой изображены "прочные железные панталоны" - предмет
туалета флорентийских матрон.
На рисунке хорошо виден ключ, означающий, что вовсе не рыцарь, а именно
дама контролировала доступ к устройству, защищавшему девичье целомудрие от
нежелательного внимания флорентийских щеголей.
Большое число "средневековых" поясов верности, хранящихся в музейных
коллекциях, вызвали серьезные сомнения в своей подлинности и были со временем
сняты с экспозиций. Как и в случае со "средневековыми" орудиями пыток,
основная их часть была изготовлена в Германии в XIX веке, дабы удовлетворить
"профессиональный" интерес коллекционеров.
Американскую автотрассу "шоссе 666" переименовали не только из-за прогрессирующего
суеверия, но и потому, что дорожные указатели с номером трассы постоянно воровали на сувениры.
Собственно, шоссе 666, пролегавшее через штаты Юта, Аризона. Колорадо и Нью-Мексико, было
шестым ответвлением от трассы № 66. Данная трасса была известна своей необычайно высокой
статистикой ДТП со смертельным исходом, что приписывалось местными жителями "числу Зверя".
Теперь трасса носит номер 491, а статистика ДТП так и осталась высокой. Эксперты связывают
это с тем, что пустынный ландшафт, где пролегает трасса, провоцирует водителей на нарушение
скоростного режима.
11 Автобусный маршрут 666, следовавший от метро "Новые Черемушки" до метро "Проспект
Вернадского", был действительно переименован под давлением верующих в. . . 616! А следом За ним,
кстати, переименовали и маршрут поезда, который курсировал между Москвой и Осташковом.
Теперь он не 666-й, а 604-й.
Девятнадцатый век также стал свидетелем роста объемов продаж и совсем новых
"поясов целомудрия" - правда, уже не для женщин.
Медицинские теоретики Викторианской эпохи утверждали, будто бы мастурбация
необычайно пагубна для здоровья. Когда родители сомневались в том, что их
чадо способно держать руки при себе, мальчика впихивали в усовершенствованные
стальные трусы.
Однако по-настоящему резкий скачок в торговле произошел в последние
пятьдесят лет, когда "взрослые" магазины воспользовались бурным развитием рынка
продукции для садомазохистских игр.
Сегодня в мире продается намного больше "поясов целомудрия", чем когда-либо
в Средневековье. Как это ни парадоксально, но в наше время они призваны
скорее стимулировать секс, чем оберегать от него.
Каким было проклятие Тутанхамона?
Никакого проклятия не было. Была обыкновенная газетная "утка".
История о "проклятии фараона", настигшем всех, кто присутствовал при
открытии гробницы Тутанхамона, обнаруженной Говардом Картером в 1922 году12,
оказалась делом рук каирского корреспондента "Дейли экспресс" (и была позднее
перепечатана "Дейли мейл" и "Нью-Йорк тайме").
В заметке говорилось о таинственной надписи, якобы сулящей "быстрокрылую
смерть всякому, кто войдет в сей священный склеп".
Однако в действительности такой надписи в гробнице нет. Наиболее похожий по
смыслу эквивалент - защитное заклинание рядом со статуей Анубиса, бога с го-
12
Говард Картер (1873-1939) - Знаменитый английский археолог и египтолог, совершивший в 1922
г. в Долине царей близ Луксора открытие гробницы Тутанхамона, признанное одним из решающих и
наиболее известных событий в египтологии. В 1906 г. Говард Картер познакомился с археологом-
любителем и коллекционером древностей лордом Карнарвоном, выделившим средства на дальнейшие
археологические изыскания коллеги-профессионала. В 1914 г. Картер и Карнарвон приступили к
совместным раскопкам в Долине царей. Сотрудничество Картера и Карнарвона в раскопках Фиван-
ского некрополя привело к открытию гробницы Аменхотепа I и Захоронений нескольких цариц
XVIII династии. Дальнейшие раскопки были прерваны Первой мировой войной, но, как только
позволили обстоятельства, Картер убедил Карнарвона продолжить исследования в Долине царей.
Тандем Картера и Карнарвона вскоре стал всемирно Знаменитым: азартный Карнарвон нашел
храброго, практичного и самоотверженного энтузиаста, идеально подходившего для реализации идеи,
которой был одержим лорд, - находки гробницы неизвестного до тех пор эфемерного фараона
конца XVIII династии, Тутанхамона. Научное сообщество скептически отнеслось к изысканиям
Картера и Карнарвона, а вскоре и сам лорд утратил интерес к неудачным раскопкам. Однако 4 ноября
1922 г. Картер нашел Засыпанный вход в гробницу, причем печати на дверях оказались
нетронутыми , что вселяло серьезные надежды на возможность совершения крупнейшего археологического
открытия века. Строители усыпальницы фараона XX династии Рамсеса VI, видимо, Засыпали путь в
гробницу Тутанхамона, что объясняло ее относительную сохранность. 26 ноября 1922 г. Картер и
Карнарвон стали первыми За три тысячелетия людьми, спустившимися в гробницу (грабители,
которые могли побывать в гробнице, очевидно, спускались в нее еще во времена XX династии).
После длительных раскопок, 16 февраля 1923 г. Картер наконец спустился в погребальную камеру
гробницы ("Золотой чертог"), где находился сам саркофаг фараона. Среди утвари и прочих
предметов, погребенных с фараоном, было обнаружено множество образцов произведений искусства,
носящих печать влияния Амарнского периода. Гробница юноши-царя, остававшаяся Запечатанной
более трех тысяч лет, оказалась практически не тронута расхитителями гробниц и содержала
более трех с половиной тысяч предметов искусства, большая часть которых находится ныне в
Каирском музее. Самым прославленным экспонатом музея считается найденная в той же гробнице
посмертная маска Тутанхамона, выполненная из 11,26 кг чистого Золота и множества драгоценных
камней. Открытие гробницы малоизвестного преемника Знаменитого Эхнатона освещалось в
средствах массовой информации как самое Значительное открытие в истории египтологии и, возможно,
археологии вообще. Владелец обнаруженных сокровищ, тогда еще практически неизвестный юный
правитель Египта, сразу же превратился в объект повышенного внимания, а феноменальное
открытие не только сделало его имя общеизвестным, но и вызвало очередной всплеск обновленного
интереса ко всем следам египетской цивилизации в современном мире.
ловой собаки, стража гробницы. Но и в этом заклинании речь скорее идет о
способности противостоять пустыне: "Это я не даю пескам задушить сию тайную
камеру. Я здесь, чтобы защитить усопших".
В преддверии экспедиции Картера сэр Артур Конан Дойл, свято веривший в
черную магию, уже заронил семя "ужасного проклятия" в души и умы прессы. А когда
патрон Картера, лорд Карнарвон, скоропостижно скончался от септического укуса
москита через несколько недель после вскрытия гробницы, Мария Корелли - автор
сенсационных бестселлеров и Дэн Браун своего времени - заявила, что она
предупреждала покойного об опасности, которую тот навлек на себя, нарушив покой
Тутанхамона.
В действительности же и Конан Дойл, и Корелли попросту вторили вымыслу,
которому не исполнилось еще и ста лет. Родоначальницей суеверия стала молодая
английская писательница Джейн Лоудон Вебб. Именно ее необычайно популярному
роману "Мумия" (1828) мы обязаны сюжетом о проклятой гробнице с ожившей
мумией, вознамерившейся отомстить всем, кто осмелился нарушить ее покой.
Увлекательная тема нашла отклик в произведениях самого разного рода - даже
Луиза Мэй Олкотт, автор "Маленьких женщин", в 1869 году опубликовала рассказ
о "проклятии мумии", - однако пика своего она достигла с приходом "Тутанхамо-
новой лихорадки".
Ни в одной из древнеегипетских гробниц не обнаружено никаких проклятий. В
исследовательской работе, опубликованной в "Британском медицинском журнале" в
2002 году, ясно дается понять, что из двадцати шести смертей,
предположительно вызванных "проклятием" Тутанхамона, лишь шесть произошли в течение первого
десятилетия после вскрытия гробницы, а сам Говард Картер (вот уж кто точно
был мишенью номер один!) прожил еще целых семнадцать лет.
Тем не менее, пресловутая история никак не хочет покидать умы человечества.
В 1970-м, когда выставку предметов из знаменитой гробницы возили по странам
Запада, один из охранников в Сан-Франциско пожаловался на внезапный приступ,
вызванный "проклятием мумии".
Компьютерное сканирование мумии Тутанхамона в 2005 году показало, что
девятнадцатилетний фараон был худым юношей ростом 1 м 70 см с дураковатым
прикусом. Судя по всему, Тутанхамон не был убит своим братом, как считалось
ранее, а умер от заражения крови вследствие открытого перелома ноги.
Какого цвета Вселенная?
а) Черного с серебряными точками.
б) Серебряного с черными точками.
в) Бледно-зеленого.
г) Бежевого.
Официально Вселенная бежевая.
В 2002 году, проанализировав свет от 200 тыс. галактик, собранный
австралийскими специалистами в рамках проекта "Составление карты галактик с помощью
красного смещения", американские ученые из университета Джона Хопкинса пришли
к выводу, что цвет Вселенной - бледно-зеленый. Если принять за основу палитру
красок "Дьюлакс", то цвет этот окажется где-то между "мексиканской мятой",
"нефритовой гроздью" и "шелком Шангри-Ла".
Правда, уже через несколько недель после доклада Американскому
астрономическому обществу ученым пришлось признать, что в их расчеты вкралась досадная
ошибка, и что на самом деле по цвету Вселенная скорее ближе к этаким унылым
оттенкам серо-коричневого.
Еще в XVII веке величайшие и наиболее пытливые умы задумывались над
вопросом: почему ночью небо темное? Ведь если Вселенная бесконечна и в ее про-
странстве равномерно рассеяно бесконечное число звезд, то повсюду, куда ни
взгляни, обязательно окажется какая-то звезда, а значит, ночное небо должно
быть таким же ярким, как днем.
В науке эта загадка известна как "фотометрический парадокс Ольберса" - в
честь немецкого астронома Генриха Вильгельма Ольберса, описавшего (но не
первым в истории) сей таинственный феномен в 1826 году.
Тем не менее до сегодняшнего дня никто так и не нашел по-настоящему
убедительного ответа на этот вопрос. Возможно, число звезд во Вселенной все же
конечно , а может, свет от наиболее удаленных звезд просто до нас пока не дошел.
Ольберс решил задачу по-своему: по его мнению, в далеком прошлом светили не
все звезды, и в один прекрасный день что-то их все же "включило".
Эдгар Алан По в своей пророческой поэме "Эврика" (1848) первым предположил,
что свет от самых далеких звезд все еще на пути к нам.
В 2003 году был проведен интересный эксперимент: широкоугольная камера
космического телескопа "Хаббл" сфотографировала участок ночного неба,
представлявшийся наиболее пустым. Эффективная выдержка снимка составила миллион
секунд (около одиннадцати дней).
Полученное изображение показало десятки тысяч доселе неизвестных галактик,
каждая из которых состоит из сотен миллионов звезд, исчезающих в дальних
уголках космоса.
Какого цвета Марс?
Цвета жженого сахара.
Или коричневого. Или оранжевого. А может, хаки в бледно-розовую крапинку.
Один из наиболее знакомых нам признаков Марса - красный окрас на фоне
ночного неба. Краснота, однако, обусловлена пылью, содержащейся в атмосфере
планеты. Поверхность же самого Марса - совсем другая история.
Первые сенсационные снимки планеты пришли с орбитального аппарата "Викинг-
1" ровно через семь лет после знаменитой высадки Нила Армстронга на Луну. На
них изображалась огромная красная пустыня, усеянная темными скалами, - точь-
в-точь так, как ожидалось.
Это сразу насторожило тех, кто во всем привык видеть подвох: они заявили,
что НАСА намеренно "подшаманило" снимки, дабы придать им привычный вид.
Дело в том, что камеры спускаемых аппаратов обоих "Викингов", достигших
поверхности Марса в 1976 году, не делали цветных снимков. Цифровые изображения
захватывались в полутоновой шкале (технический термин для черно-белого), а
затем пропускались через три цветных фильтра.
Регулировка таких фильтров для придания изображению "правдивости" - штука
крайне мудреная и такое же искусство, как и наука. А поскольку на Марсе никто
никогда не был, мы не имеем ни малейшего понятия, каков его истинный цвет.
В 2004-м "Нью-Йорк тайме" заявила, что первые цветные фотографии Марса были
опубликованы с легким "перебором розового", и последующая корректировка
подтвердила, что поверхность планеты по цвету скорее ближе к жженому сахару.
Последние пару лет на планете работает американский марсоход "Спирит".
Самые свежие из опубликованных фотографий, полученных с его помощью, показывают
зеленовато-коричневый пейзаж с серо-голубыми скалами и пятнами песка цвета
лососины.
Вероятнее всего, мы с вами так и не узнаем настоящего цвета Марса, пока
кто-нибудь не доберется туда и не расскажет, что видел.
В 1887 году итальянский астроном Джованни Скиапарелли составил первую карту
поверхности Марса. На светлых участках ученому привиделась сеть длинных
прямых линий, которые он назвал canali ("протоки"). Однако при переводе с
итальянского слово canali неправильно поняли и переименовали в каналы - так роди-
лись слухи о цивилизации и жизни на Марсе.
Считается, что вода на Марсе присутствует в виде пара, а также в ледниковых
покровах на полюсах, - но что касается "каналов" Скиапарелли, то подтвердить
их существование не удалось даже с помощью современных космических
телескопов .
Столица Египта Каир, кстати, получила свое название по имени планеты Марс
(по-арабски "Аль-Кахир" - "Победитель небес").
Какого цвета вода?
Обычно на данный вопрос отвечают, что у воды нет никакого цвета, что она
"чистая" или "прозрачная" и что море лишь кажется голубым из-за отражающегося
в нем неба. Это заблуждение. Вода действительно голубая. Невероятно слабого
оттенка, но все-таки голубая. Вы можете сами убедиться, если посмотрите в
глубокую яму в снегу или сквозь толстый лед замерзшего водопада. А если взять
очень большой и очень глубокий белый бассейн, заполненный водой, и посмотреть
сквозь нее, вода окажется голубой.
Однако этот едва заметный оттенок не объясняет, почему порой вода принимает
поразительно голубой вид, когда мы смотрим не сквозь нее, а на нее.
Отраженный цвет неба определенно играет здесь важную роль. В пасмурный день, к
примеру, море не выглядит таким уж особенно голубым.
Но все же не весь тот свет, который мы видим, отражается от поверхности
воды; часть его поступает из-под этой поверхности. Чем грязнее вода, тем больше
света она отражает.
В крупных водоемах - таких, как моря и озера, - в воде, как правило,
содержатся высокие концентрации микроскопических растений и водорослей. В реках и
прудах во взвешенном состоянии присутствует много грунта и других твердых
тел.
Все эти частицы отражают и рассеивают свет, возвращающийся к поверхности, в
результате чего создается огромное цветовое разнообразие, которое мы и видим.
Этим объясняется, почему иногда под ярко-голубым небом Средиземное море
кажется изумрудно-зеленым.
Каким был цвет неба в Древней Греции?
Бронзовым. В древнегреческом языке нет слов, обозначающих "голубой".
Ближайшие по смыслу слова - glaukos и kyanos - являются скорее выражением
относительной интенсивности света и тьмы, нежели попыткой описать цвет.
Известный древнегреческий поэт Гомер в поэмах "Илиада" и "Одиссея"
упоминает лишь четыре фактических цвета, приблизительно переводимых как черный,
белый, зеленовато-желтый (применительно к меду, жизненным сокам и крови) и
пурпурно-красный .
Когда Гомер называет небо "бронзовым", он скорее имеет в виду его
ослепительную яркость (как блеск щита), чем "бронзовый цвет". В подобном же духе
поэт расценивает вино, море и овец: все они описываются одним цветом -
"пурпурно-красным" .
Аристотель выделял семь цветовых оттенков, и все они, по его мнению,
происходили от черного и белого, но эти последние, в его понимании, являются
степенями не цвета, а яркости.
Интересно, что и древний грек, живший 2500 лет назад, и современные "марсо-
ходы" НАСА подходят к вопросу цвета почти одинаково.
В эпоху Дарвина была выдвинута теория, утверждавшая, будто сетчатка глаз
древних греков была недостаточно развита, чтобы воспринимать цвета. Однако
сегодня считается, что древние греки группировали объекты, исходя не из цве-
та, а из качеств; так что слово, которое, по идее, должно было обозначать
"желтый" или "светло-зеленый", в действительности означало "жидкий", "свежий"
и "живой" - и, соответственно, использовалось для описания крови, жизненного
сока человека.
На самом деле все это не такое уж редкое явление, как можно бы ожидать. На
островах Папуа - Новая Гвинея существует больше языков, чем где бы то ни
было, однако во многих из них, кроме различия между светлым и темным, нет
никаких других слов для обозначения цвета.
В классическом уэльском (валлийском) языке полностью отсутствовали слова,
передающие такие цвета, как коричневый, серый, голубой и зеленый. Цветовой
спектр делился совсем по-другому. Одно слово (glas) охватывало часть
зеленого; другое - остаток зеленого, весь голубой, синий и часть серого; третье же
имело дело с остатками серого и большей - или меньшей - частью коричневого.
Современный уэльский использует слово glas в значении английского blue,
однако в русском языке какого-то одного слова, эквивалентного английскому blue,
не существует. Русский язык использует два слова - голубой и синий, - которые
на английский обычно переводятся как light blue и dark blue, в то время как
для самих русских это два совершенно отдельных, различных цвета, а не разные
оттенки одного и того же.
Во всех языках цветовая терминология развивается одинаково. Третьим, после
черного и белого, обычно называют красный; четвертым и пятым идут зеленый и
желтый (в том или ином порядке); шестым - голубой (синий); седьмым -
коричневый. В современном уэльском, кстати, для коричневого цвета слова так и не
появилось.
Какую часть Земли составляет вода?
Даже при том, что семь десятых земной поверхности покрыто водой, во всей
массе планеты вода составляет чуть менее одной пятидесятой части процента.
Земля - тяжелая и весит 6 миллионов миллиардов миллиардов килограммов.
Половина этого веса заключена в ее нижней мантии - массивном полурасплавленном
слое, начинающемся на глубине 660 км от земной коры. Даже на водянистой коре
Земли масса суши в сорок раз больше, чем масса всех ее океанов.
В 2002 году журнал "Science" опубликовал результаты японского эксперимента,
которые позволяют нам предположить, что в нижней мантии Земли растворено в
пять раз больше воды, чем плещется на поверхности.
Используя высокое давление (200 тыс. кг/см) и температуру (1600 °С), японцы
создали четыре минеральных соединения, сходных с теми, что были найдены в
нижней мантии. После чего их поместили в воду и измерили, сколько впитали в
себя эти минералы.
Если ученые правы, то водяную долю нашего мира придется подкорректировать в
сторону увеличения - до 0,1%.
В каком направлении сливается вода в ванне?
а) По часовой стрелке.
б) Против часовой стрелки.
в) Вертикально вниз.
г) Зависит от обстоятельств.
Зависит от обстоятельств. Широко распространенное убеждение, будто вода в
ванне при сливе закручивается по спирали под воздействием силы Кориолиса,
вызываемой вращением Земли вокруг своей оси, является ошибочным.
Несмотря на то, что сила Кориолиса действительно влияет на масштабные и
длительные синоптические ситуации, такие, как ураган или океаническое
течение, она чересчур слаба, чтобы хоть как-то влиять на бытовую канализацию.
Направление слива зависит от формы раковины, с какой стороны она наполнялась, а
также от вращения, привнесенного самим процессом мытья, или когда вы
выдергиваете затычку.
Разумеется, если взять идеально симметричный чан с крошечным сливным
отверстием и пробкой, которую можно выдернуть, не нарушая равновесия воды,
наполнить этот чан и оставить так на неделю, чтобы любое движение полностью
улеглось, то, в теории, можно заметить очень слабый эффект Кориолиса, который в
Северном полушарии имел бы направление против часовой стрелки, а в Южном - по
часовой.
Многие уверовали в такой миф благодаря сюжету, включенному в одну из
программ Майкла Палина13 "От полюса к полюсу". Это был фильм о шоумене из
кенийского города Наньюки, который пытался демонстрировать эффект Кориолиса по
разные стороны экватора. Но даже если предположить, что такой эффект
действительно существует, именно в этом фильме направление циркуляции как раз вышло
строго наоборот.
Что верблюды хранят у себя в горбах?
Жир.
Верблюжьи горбы наполнены вовсе не водой, а жиром, который используется как
резервный запас энергии. Вода же распределена по всему телу животного,
особенно в системе кровообращения, что позволяет верблюдам подолгу избегать
обезвоживания.
Верблюды могут терять до 40 процентов массы тела, прежде чем это начнет
сказываться на их организме, и обходиться без воды до семи дней. Но уж когда
верблюд присосался к поилке, это действительно нечто - в один присест
"корабль пустыни" способен выхлебать до 225 литров.
Вот ряд весьма интересных фактов, касающихся верблюдов, но не имеющих
отношения к их горбам.
Еще до того как репутацию животных с хорошей памятью приобрели слоны,
древние греки считали, что никогда ничего не забывают как раз верблюды.
Персидские борзые - салюки - охотились на верблюдах. Они лежали на
верблюжьей холке, высматривая оленей, а заметив, сигали вниз и неслись за
добычей. Салюки способна подпрыгнуть с места на высоту до 6 м.
В 1977 году Дэвид Тейлор, автор книги "Ветеринар из Зоопарка", отмечал, что
"верблюды как скороварки - копят в себе обиду до тех пор, пока в один
прекрасный день у них не срывает крышку, и вот тогда они приходят в настоящее
бешенство".
Погонщик успокаивает разбушевавшегося верблюда, бросая ему свой халат.
"Животное устраивает одежде настоящую выволочку: прыгает сверху, кусает,
разрывает в клочья. Когда верблюд чувствует, что оторвался по полной, между
животным и человеком наступают мир и согласие, и они снова могут жить душа в
душу" .
Сегодня на верблюжьих бегах в Объединенных Арабских Эмиратах вместо
традиционных наездников-детей используют жокеев-роботов. Дистанционно управляемые
седоки были специально созданы после вступления в силу запрета на
эксплуатацию наездников младше шестнадцати лет, наложенного Ассоциацией верблюжьих
бегов ОАЭ в марте 2004-го.
Майкл Палин (р. 1943) - британский актер, сценарист, композитор и продюсер, участник
известнейшей комик-группы "Монти Пайтон"; снимался в фильмах "Рыбка по имени Ванда",
"Бразилия" , "Джабервоки", "Монти Пайтон и священный Грааль" и мн. др.
К сожалению, новый закон соблюдается не всегда, в результате чего резко
возросла торговля детьми: четырехлетних мальчишек похищают в Пакистане и
держат в бедуинских поселениях Аравийского полуострова. Чтобы стать верблюжьим
наездником, особых талантов не требуется: достаточно мало весить и уметь
вопить во всю глотку (крик подгоняет верблюдов).
Знаменитая мораль из Евангелий от Матфея, Марка и Луки о том, что "легче
верблюду пройти сквозь игольное ушко, нежели богатому войти в Царство Божие",
вероятнее всего, является неправильным переводом с арамейского, где
оригинальное слово gamta ("крепкая веревка") попросту перепутали с gamla
("верблюд") .
В таком виде фраза имеет гораздо больше смысла - к вящему утешению наших
зажиточных соотечественников.
Откуда верблюды родом?
Из Северной Америки.
Символы пустынь Аравии и Африки по происхождению - американцы.
Так же как лошади и собаки, верблюды эволюционировали в степях Америки 20
млн. лет назад. Правда, тогда они больше походили на жирафов или газелей, чем
на горбатых вьючных великанов, которых мы так хорошо знаем и любим. Лишь 4
млн. лет назад верблюды решились пересечь Берингию - перешеек, когда-то
соединявший Аляску с Евразией.
Из Северной Америки верблюды ушли во время последнего ледникового периода
и, в отличие от лошадей и собак, на свою историческую родину больше не
возвращались .
Никто не знает, почему североамериканские верблюды вымерли. Разумеется,
виновата, прежде всего, перемена климата. Точнее, исчезновение верблюдов могло
быть связано с изменениями в процентном содержании кремния в траве пастбищ.
По мере того как климат североамериканского континента становился прохладнее
и суше, уровень содержания кремния в травах утроился. Из-за такого
сверхжесткого корма даже у самых длиннозубых травоядных истирались резцы, и лошади с
верблюдами, будучи больше не в состоянии пережевывать пищу, постепенно
умирали от голода.
Также имеется ряд указаний на то, что этих и без того ослабленных особей -
путь в Азию для которых теперь был закрыт навсегда по причине исчезновения
Берингии 10 тыс. лет назад - попросту добили охотники-люди.
В честь кого назвали Америку?
Вовсе НЕ в честь итальянского торговца, мореплавателя и картографа Америго
Веспуччи. Америка названа по имени уэльсца Ричарда Америка, зажиточного купца
из Бристоля.
Америк финансировал вторую трансатлантическую экспедицию Джона Кабота -
английское имя итальянского мореплавателя Джованни Кабото, - чьи путешествия
в 1497 и 14 98 годах обеспечили задел для последующих претензий англичан на
Канаду. В 1484-м Кабот перебирается из Генуи в Лондон и от самого Генриха VII
получает санкцию на поиск неизведанных земель Запада.
В мае 14 97-го на своем маленьком корабле "Мэтью" Кабот достиг берегов
Лабрадора, став первым официально зарегистрированным европейцем, ступившим на
американскую землю - на два года раньше Веспуччи.
Кабот составил карту побережья Северной Америки - от Новой Шотландии до
Ньюфаундленда.
Будучи главным спонсором экспедиции, Ричард Америк, разумеется, ожидал, что
новооткрытые земли назовут в его честь. В календаре Бристоля читаем запись за
тот год:
"...в день св. Иоанна Крестителя [24 июня] найдена земля Америка купцами из
Бристоля, прибывшими на корабле из Бристоля с названием "Мэтью"".
Нам кажется, запись ясно дает понять, как все было на самом деле.
И хотя авторская рукопись календаря не сохранилась, имеется целый ряд
других документов того времени, где о нем упоминается неоднократно. Это первое в
истории употребление слова "Америка" в качестве названия нового континента.
Самая ранняя из дошедших до нас карт, где использовано то же название, -
большая карта мира Мартина Валдсмюллера 1507 года. Однако относится оно лишь
к Южной Америке. В своих записях Валдсмюллер делает предположение, что
"Америка", вероятнее всего, происходит от латинского варианта имени Америго Вес-
пуччи. Именно Веспуччи открыл Южную Америку и составил карту ее побережья в
1500-1502 годах.
Получается, что Валдсмюллер не знал наверняка и просто пытался как-то
объяснить слово, которое встречал на других картах - в том числе и на карте
Кабота. Единственным же местом, где знали и активно использовали термин
"Америка", был Бристоль - город, который живший во Франции Валдсмюллер вряд ли
когда-либо посещал. Тем более что в своей карте мира 1513 года он уже заменяет
слово "Америка" на "Terra Incognita"(Неизвестная страна - лат.).
Америго Веспуччи в Северной Америке никогда не бывал. Все ранние карты этой
страны и торговля с ней были английскими. Более того, сам Веспуччи никогда не
использовал название "Америка" для своего открытия.
Тому, кстати, имеются достаточные основания. Новые страны и континенты ни
разу не называли в чью-либо честь по имени человека - только по его фамилии
(Тасмания, Земля Ван Димена или острова Кука).
Если бы итальянский исследователь осознанно решил назвать Америку в свою
честь, она стала бы "Землей Веспуччи" (или "Веспуччией").
За что нам следует благодарить Томаса Крэппера?
а) За крышку канализационного люка.
б) За магазинную витрину с унитазами.
в) За шаровой кран.
г) За сливной туалет.
За все перечисленное, кроме последнего.
Томас Крэппер (1836-1910) был лондонским сантехником и имел девять
патентов: на крышки канализационных люков, спускные трубы, трубные соединения и,
самое главное, на шаровой кран.
Витрина его лавки в Челси пользовалась неимоверной популярностью, хотя
очевидцы утверждали, будто некоторые дамы при виде выставленных напоказ
"неприличностей" буквально падали в обморок. Компания "Крэпперз", которую основал
племянник изобретателя Джордж, просуществовала на Кингз-роуд вплоть до 1966
года.
"Крэппер и Ко" являлись поставщиком двора Его Величества и владели четырьмя
королевскими патентами. Когда в 1880 году принц Уэльский (впоследствии король
Эдуард VII) приобрел Сандринхем14, именно фирма Крэппера выполняла там все
водопроводно-канализационные и кровельные работы.
В своей книге "Смыто с гордостью" (1969) Уоллис Рейбурн приписывает Крэппе-
ру изобретение сливного туалета и утверждает, будто бы именно за эти заслуги
ему был присвоен рыцарский титул, а имя "Крэппер" навечно вошло в Британскую
Сандринхем - одна из Загородных резиденций английских королей; находится в графстве
Норфолк .
энциклопедию. Как вам ответит любой сантехник, ни одно из утверждений Рейбур-
на не соответствует истине.
И хотя "тихое бесклапанное предохранительное устройство для сточных вод"
Крэппера действительно было сливным туалетом, патент принадлежал не ему:
заявка была зарегистрирована в 1819 году на имя некоего мистера Алфреда Гибли-
на.
Самый древний сливной туалет был обнаружен в 2000 году в Китае, во дворце
императора династии Хан (206 г. до н.э. - 220 г. н.э.) . Это была каменная
уборная с сиденьем, подлокотником и системой сливных труб. Первый же
современный "ватерклозет", вероятнее всего, был изобретен в 1592 году сэром Джоном
Харингтоном, по совместительству крестником королевы Елизаветы I.
Что касается фамилии Крэппер, от которой якобы и произошел популярный
жаргонизм, обозначающий туалет (сгаррег - сортир, толчок - англ. сленг), то тут
действительно - все может быть. В официальной печати слово впервые появилось
лишь в 1930 году, тогда как понятие crap (дерьмо - англ. сленг) относится аж
к 1440 году - правда, тогда оно означало исключительно "ерунду", "дрянь" и к
1600 году полностью устарело и вышло из употребления. Викторианцы, к примеру,
не поняли бы слова сгаррег, не говоря уже о том, чтобы посчитать его
забавным.
Считается, что английские поселенцы привезли это слово в Америку, где оно
вульгаризировалось до своего современного значения. Когда американские
солдаты высадились в Англии в Первую мировую и увидели клеймо "Крэппер",
выгравированное практически во всех английских уборных, они нашли его жутко
уморительным - и термин прилип уже навсегда.
Уоллис Рейбурн, кстати, пошел еще дальше и в 1971 году опубликовал книгу
"Бюст вверх: приподнимающая история Отто Тизлинга" - нелепейшую выдумку о
человеке, якобы придумавшем женский бюстгальтер.
Как называется столица Таиланда?
Крунг-Теп.
Повседневное название города, означающее "Город Ангелов" (то же, кстати,
что и Лос-Анджелес), - лишь часть полного официального наименования,
являющегося самым длинным в мире названием населенного пункта.
Одни лишь невежественные иностранцы называют столицу Таиланда Бангкоком -
это слово в самом Таиланде не используется вот уже более 200 лет. Европейцы
(и все европейские энциклопедии) упорно продолжают именовать город Бангкоком,
хотя это равнозначно тому, как если бы таиландцы упорно твердили, что столица
Британии - Биллингзгейт или Уинчестер15.
Бангкоком назывался маленький рыбный порт, существовавший до того, как
король Рама I перенес туда свою столицу в 1782 году, построил город и дал ему
новое имя.
Полное официальное наименование столицы Таиланда звучит следующим образом:
Крунгтеп Маханакон Аморн Раттанакосин Махинтара Юдтая Махадилок Поп Нопарат
Ратчатани Буриром Удомратчнивес Махасатарн Аморн Пимарн Авалтарнсатит Сака-
таттия Висанукрам Прасит.
По-тайски оно пишется в одно слово, состоящее из 152 букв, или 64 слогов.
Перевести его можно как "Город Ангелов, величайшая сокровищница небесных
жемчужин, великая и неприступная земля, самое главное и выдающееся из
королевств , царственная и восхитительнейшая столица, одаренная девятью благород-
БиллингЗгейт - большой оптовый рыбный рынок в лондонском Сити, слово это также означает
"базарная ругань", "площадная брань"; Уинчестер - древний город, в Средние века - один из
политических центров Англии, находится в графстве Хэмпшир.
ными самоцветами, изобилующая высочайшими королевскими дворцами,
напоминающими райское жилище, божественный приют и пристанище для реинкарнированных
душ".
Первая половина названия "Бангкок" представляет собой разговорное тайское
bang, означающее "деревня". Вторая же половина предположительно происходит от
древнего слова такок, означающего некие фрукты (то ли маслины, то ли сливы,
то ли гибрид того и другого) . Так что Бангкок может быть как "Деревней
Маслин", так и "Деревней Слив". Никто, похоже, не знает наверняка - да всем, в
общем-то, и до фонаря.
Крунг-Теп (или Бангкок, если вы так уж сильно настаиваете) - единственный
большой город в Таиланде. Он почти в сорок раз крупнее следующего по величине
таиландского города.
Какой город мира является самым крупным?
а) Мехико.
б) Сан-Паулу.
в) Мумбай.
г) Гонолулу.
д) Токио.
Гонолулу - хотя вопрос этот слегка с подковыкой. Согласно гавайскому
государственному уложению, принятому в 1907 году, город и округ Гонолулу являются
единым и неделимым муниципальным образованием. Округ включает в себя не
только остаток территории главного острова Оаху, но и все остальные
северозападные острова Гавайев, растянувшиеся по Тихому океану на 2400 км.
Таким образом, Гонолулу занимает самую крупную по сравнению с остальными
мегаполисами территорию - 5509 кв. км, - и это притом, что население его
составляет всего 876 156 человек. Семьдесят два процента городской территории
покрыто морской водой.
Самый густонаселенный город мира - Мумбай (бывший Бомбей) : 12,8 млн.
человек, живущих на территории 440 кв. км (только представьте: 29 042 человека на
одном квадратном километре!). Если же включать пригороды, то самым
многолюдным городом окажется Токио - 35,2 млн. человек на 13 500 кв. км.
Гонолулу хоть и является государственной столицей Гавайев, но сам город
располагается отнюдь не на острове Гавайи. Он расположен на острове Оаху,
который гораздо меньше и плотность населения там намного выше. Гавайи - самый
обособленный из крупных населенных пунктов мира.
Острова Гавайского архипелага - это выступающие острия самого большого
горного хребта в мире. Гавайи - единственный штат США, где растет кофе. Более
трети ананасов поступают к нам из Гавайев, а сами гавайцы считаются
крупнейшими в мире потребителями тушенки на душу населения, ежегодно пропуская
сквозь свои гавайские желудки по семь миллионов банок.
Столь бешеная популярность мясных консервов - просто загадка, хотя,
вероятнее всего, объясняется она большим военным присутствием армии и флота США во
время войны и тем обстоятельством, что консервированное мясо - очень удобная
штука в периоды ураганов. Классикой гавайской кухни считается жареный рис с
тушенкой.
Гавайские острова были открыты капитаном Куком в 1778 году и переименованы
в Сандвичевы острова - в честь патрона Кука сэра Джона Монтегю, 4-го графа
Сэндвичского. Сам Кук принял смерть от гавайских аборигенов в 1779-м.
В начале XIX века острова были известны как Королевство Гавайи. И хотя в
1900-м Гавайи стали американской территорией, а в 1959-м - пятидесятым штатом
США, они по-прежнему остаются единственным из американских штатов, где на го-
сударственном флаге красуется британский "Юнион Джек16".
Что является самой большой искусственной
монолитной структурой на Земле?
Неправильные ответы: пирамида Хеопса, Великая Китайская стена и (в случае
особых умников) башня Мубарак аль-Кабир17 в Кувейте. Наш ответ: Фреш Киллз,
мусорная свалка на острове Стейтен-Айленд в Нью-Йорке. Хотя нам безумно
нравится альтернативный вариант Джимми Карра18 - Голландия.
Открытая в 1948 году, свалка бытовых и коммерческих отходов Фреш Киллз (от
голландского kil, "речушка") со временем превратилась в один из крупнейших
проектов в мировой истории и, в конце концов, превзошла (по объему) Великую
Китайскую стену, став самым большим творением человеческих рук.
Территория объекта составляет 12 км2. Когда свалка еще работала, ежедневно
там разгружалось по двадцать барж, каждая из которых везла до 650 тонн
мусора. Если бы Фреш Киллз оставалась открытой, как и планировалось, она бы
выросла до таких размеров, что стала бы высочайшей точкой Восточного побережья
США. Вершина ее и так уже возвышалась над статуей Свободы на целых 25 м.
Под давлением местного населения в марте 2001 года власти были вынуждены
закрыть Фреш Киллз, но уже скоро работа свалки возобновилась, дабы принять
обломки разрушенных башен-близнецов Всемирного торгового центра.
На сегодняшний день деятельность на Фреш Киллз полностью прекращена, и
введение новых ограничений означает, что возобновиться она никогда не сможет
(создание мусорных свалок в пределах городской черты Нью-Йорка официально
запрещено) . В настоящее время идут работы по выравниванию площадки и ее
благоустройству в целях переоборудования в заповедник и парковую зону. М-да, очень
мило.
Разумеется, можно поспорить, что существуют конструкции, занимающие гораздо
большее пространство, чем Фреш Киллз. К примеру, дорожная сеть США? Интернет?
Или спутниковая сеть GPS? И все же нью-йоркская свалка Фреш Киллз по-прежнему
остается самой большой искусственной конструкцией на Земле, образующей единое
целое.
Где находится самое холодное место во Вселенной?
В Финляндии.
В 2000 году группа ученых из Хельсинкского технологического университета
охладила кусок родия до температуры лишь на десять миллиардных градуса выше
абсолютного нуля (-273 °С).
Родий - редкий металл, в основном использующийся в автомобильных
нейтрализаторах выхлопных газов.
Второе по "холодности" место занимает Массачусетский технологический
институт. В 2003 году исследовательскому коллективу этого учреждения под
руководством Вольфганга Кеттерле удалось получить чрезвычайно холодный газ натрия.
В 2001-м Кеттерле был удостоен Нобелевской премии по физике за работы над
конденсатом Бозе-Эйнштейна - новым агрегатным состоянием, в котором вещество
существует лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. Интерес к науке
16"Юнион Джек" - государственный флаг Соединенного Королевства Великобритании и Северной
Ирландии .
Башня Мубарак аль-Кабир в Кувейте - 250-этажная башня, строительство которой началось в
сентябре 2006 г. Высота ее составит 1000 м; она будет в два раза больше самого высокого на
сегодняшний день Здания - башни "101" в Тайпее.
Джимми Карр (р. 1972) - британский актер и сценарист.
у Кеттерле пробудился в раннем детстве - когда он развлекался с кубиками
"Лето".
Столь низкие температуры, полученные в лабораторных условиях, являются
выдающимся достижением. Ведь даже в глубоком космосе, за пределами Солнечной
системы, температура практически не опускается ниже минус 245 градусов по
Цельсию.
Единственное известное исключение составляет туманность Бумеранг, открытая
австралийскими астрономами в 1979 году. Она, кстати, и правда похожа на
бумеранг (а может, на галстук-бабочку) . В самом центре туманности находится
умирающая звезда, масса которой троекратно превышает массу нашего Солнца.
Все последние 1500 лет туманность Бумеранг испускает газ в виде ветра,
дующего со скоростью 500 ООО км/ч. Подобно тому, как охлаждается воздух, который
мы выдыхаем, охлаждается и газ, выжатый из туманности. Газ оказывается на два
градуса холоднее пространства, в котором он впоследствии расширяется. Из-за
быстрого расширения молекулы газа туманности охладились до -271 °С, что
является самой низкой из официально зарегистрированных в природе естественных
температур.
Самая низкая температура в Солнечной системе, -235 °С, измеренная в 1989
году космическим аппаратом "Вояджер II" на поверхности Тритона (одном из двух
спутников планеты Нептун), по сравнению с этим - легонькая прохладца. А самая
низкая из температур, когда-либо зарегистрированных на Земле, -89,2 °С, в
Антарктиде, в 1983 году, - настоящие тропики.
Исследования в области низких температур необычайно важны для изучения
сверхпроводников - материалов, которые имеют нулевое электрическое
сопротивление, но при этом (по крайней мере, до настоящего времени) работают лишь при
очень низких температурах.
Если бы человечество смогло обуздать сверхпроводники, они полностью
изменили бы окружающий мир.
Благодаря им резко возросла бы вычислительная мощность компьютеров, и при
этом значительно снизились как стоимость электроэнергии, так и выбросы газов,
виновных в парниковом эффекте. Мы получили бы транспорт, способный
передвигаться без топлива, альтернативный способ заглянуть внутрь тела человека, не
пользуясь вредными для здоровья рентгеновскими лучами, а также электронную
бомбу - оружие, выводящее из строя электронную аппаратуру противника без
необходимости кого-либо убивать.
Когда закончился последний ледниковый период?
Мы все еще в нем.
Географы определяют ледниковый период как этап в геологической истории
Земли, при котором на ее полюсах присутствуют "ледяные шапки" - ледники.
Сегодняшний климат представляет собой "межледниковье". Но это отнюдь не означает
"между ледниковыми периодами". Термин используется для описания этапа внутри
ледникового периода, когда из-за потепления льды отступают.
"Наше" межледниковье началось 10 000 лет назад - во время того, что принято
считать четвертым ледниковым периодом. Когда оно закончится, остается только
гадать: версии насчет продолжительности межледниковья допускают промежуток от
12 000 до 50 000 лет (без поправки на техногенную деятельность человека).
Причины таких колебаний ясны не вполне. Возможные факторы включают как
положение, в котором находится суша, так и состав атмосферы, а также изменение
орбиты вращения Земли вокруг Солнца. А возможно, и собственной орбиты Солнца
внутри Галактики.
Во время так называемого Малого ледникового периода, начавшегося примерно в
1500 году и продолжавшегося 300 лет, среднегодовая температура в Северной Ев-
pone упала на один градус по Цельсию. Понижение температуры совпало с
периодом чрезвычайно низкой солнечной активности, хотя вопрос, насколько связаны
эти два фактора, до сих пор является предметом научного обсуждения.
Во время Малого ледникового периода ледовый щит Арктики так далеко
распространился на юг, что нам известно шесть разных случаев, когда эскимосы
достигали Шотландии на своих лодках-каяках, а жителям Оркнейских островов
приходилось отгонять от своих жилищ совершенно растерянных белых медведей.
Недавние исследования в Утрехтском университете связывают Малый ледниковый
период с Черной смертью19.
По версии голландских ученых, катастрофическое сокращение населения в
Европе во время эпидемии привело к тому, что опустевшие фермерские земли
постепенно зарастали лесами. А это, в свою очередь, вело к значительному
уменьшению в атмосфере углекислого газа и вызывало снижение среднегодовых температур
- своего рода "антипарниковый эффект".
Кто живет в иглу?
Вероятно, больше никто.
Слово иглу (igloo или iglu) на инуитском20 языке означает "дом".
Большинство иглу делается из снега или звериных шкур.
Иглу из снежных блоков были частью культуры Туле21 - предшественников инуи-
тов - и до сравнительно недавнего времени использовались в Центральной и
Восточной Канаде.
Однако иглу из снега строят исключительно канадские эскимосы. На Аляске они
совершенно не известны, а из 14 ООО эскимосов, живущих в Гренландии (согласно
переписи 1920-х годов), лишь 300 лицезрели "снежную хижину" своими глазами.
Первые иглу, когда-либо виденные европейцами, попались на глаза Мартину
Фробишеру на Баффиновой Земле в 1576 году - во время экспедиции в поисках
Северо-Западного прохода. При этом один из эскимосов ранил великого
путешественника в зад. В отместку люди Фробишера убили несколько инуитов, а одного
захватили живьем и привезли в Лондон, где бедолагу выставляли на показ
публике , точно диковинное животное.
В 1920-х одна из газет в Денвере, штат Колорадо, воздвигла снежное иглу
возле муниципальных зданий, где держали северных оленей, и наняла эскимоса с
Аляски, который должен был объяснять посетителям, что он сам и все остальные
аляскинские оленеводы живут именно в таких домах, когда приезжают к себе на
родину. На самом же деле бедняга эскимос никогда раньше не видел диковинных
снежных домов - ну разве что в кино.
А вот в Туле, на северо-востоке Гренландии, местные жители, наоборот, были
такими большими мастерами в строительстве иглу, что возводили изо льда целые
залы для танцев, пения и борцовских состязаний в долгие темные зимы. Община
жила настолько уединенно и вдалеке от других людей, что вплоть до начала XIX
века ее жители искренне считали себя единственным населением мира...
Смогли бы вы обозвать кого-нибудь эскимосом?
(В русском варианте принято обзываться "чукчей".)
Понятие "эскимос" охватывает целый ряд различных групп и вовсе не
обязательно (как считают некоторые) является оскорблением. К эскимосам относят
людей, живущих в высокоширотных арктических районах Канады, Аляски и Гренлан-
Черной смертью в средневековой Европе называли чуму.
Инуиты - самоназвание эскимосов.
Туле - древняя эскимосская культура, расцвет которой приходится на период с 1000 по 1600 г.
дии. Само слово принадлежит языку индейских племен кри и алгонкинов и имеет
несколько возможных значений: "тот, кто говорит на чужом языке", "тот, кто
родом из другой земли" или "тот, кто ест сырое мясо". В Канаде (где
политически корректным является термин инуит) считается грубостью обозвать кого-либо
эскимосом, хотя эскимосов с Аляски такое название вполне устраивает. Более
того, многие из них предпочитают как раз термин "эскимос", поскольку
категорически не являются инуитами - народом, живущим главным образом в северной
части Канады и некоторых районах Гренландии.
Назвать калааллита в Гренландии, инувиалюлита в Канаде и инюпиата, юпигета,
юплита и алютиита на Аляске "инуитом" - все равно что именовать всех
чернокожих "нигерийцами", а всех белых - "германцами". Живущие в Сибири и на юго-
западе Аляски юшки даже не Знают, что значит "инуит" (Inuit) . А значит это,
кстати говоря, "народ"; хотя слово "юпик" (Yupik) его даже перещеголяло - оно
означает "настоящий человек".
Языки эскимосско-алеутской семьи являются родственными по отношению друг к
ДРУГУ, но никак не связаны с прочими языками планеты.
На инуитском языке, развивающемся довольно активно, говорят в северных
районах Аляски и Канады, а также в Гренландии, где он считается официальным и на
нем ведется школьное обучение. Известный как инюпиак (Inupiaq) и инуктитут
(Inuktitut), инуитский язык имеет всего три гласных звука и ни одного
прилагательного . В США язык инуитов был под запретом в течение семидесяти лет.
Эскимосы покупают холодильники, чтобы не дать пище переохладиться, а если
вдруг нужно посчитать дальше двенадцати, им приходится переходить на датский
язык.
Они не "трутся носами", когда Здороваются. Большинство эскимосов злятся от
подобных предположений. Kunik - что-то вроде нежного и ласкового (в отличие
от сексуального) сопения, в основном практикующегося между матерью и
ребенком, но иногда и между супругами.
В некоторых эскимосских языках понятия "целоваться" и "нюхать" передаются
одним и тем же словом.
В 1999 году канадские эскимосы добились собственной государственности: им
выделили пятую часть территории Канады (второй по величине страны мира).
Нунавут (Nunavut) - одно из самых молодых национальных государств; на
инуитском языке это означает "наша земля".
По пять человек в машине, все эскимосы мира могли бы разместиться на
парковке в международном аэропорту Лос-Анджелеса. В Икалюите (Iqualuit), столице
Нунавута, компьютером пользуется больше людей, чем в любом населенном пункте
Канады. Здесь также самый высокий во всей Северной Америке процент
самоубийств на душу населения.
Рост среднестатистического эскимоса - 1,62 м, средняя продолжительность
жизни - 39 лет.
Сколько у эскимосов слов для понятия "снег"?
Не более четырех.
Часто говорят, что у эскимосов 50, 100 или даже 400 слов для понятия
"снег", в отличие от одного-единственного английского snow, однако это не
так. Начнем с того, что в английском для понятия "снег" в различных его
состояниях имеется далеко не одно слово (ice, slush, crust, sleet, hail,
snowflakes, powder - Лед, шуга, наст, крупа, град, хлопья, пороша - и т.д.).
Большинство же эскимосских групп признают лишь два слова, эквивалентных
нашему "снегу". Похоже, что во всех эскимосских языках для снега найдется не
более четырех корневых слов.
Эскимосско-алеутские языки являются агглютинативными (или полисинтетически-
ми ) , где само слово "слово", в сущности, ничего не значит. Адгьектированные
и глагольные морфемы добавляются к словарным основам цепочкой, так что многие
их "словогруппы" скорее эквивалентны нашим предложениям. К примеру, tikit-
qaag-mina-it-ni-ga-a по-инюпиакски означает "он(а) сказал(а), что он(а) не
сможет прийти первым" (буквально "приходить первым смочь не сказал ему он").
Количество словарных основ относительно невелико, однако возможности для их
определения практически неограниченны. В инуитском языке имеется более 400
аффиксов (морфем, добавляемых в конце или в середине основ), но всего один
префикс. Таким образом, получается множество "производных слов".
Иногда эти "производные" кажутся излишне усложненными интерпретациями
элементарных для нас, англичан, понятий. Так, nalunaar-asuar-ta-at ("то, с
помощью чего обычно общаются второпях") является гренландским неологизмом 1880-х,
означающим самый обычный "телеграф".
Если взглянуть шире и не зацикливаться на "словах, обозначающих снег", мы
увидим то, что действительно отличает эскимосско-алеутские языки от всех
остальных, - указательные местоимения.
В английском их всего четыре (this, that, these и those - этот, тот, эти и
те) . Эскимосско-алеутская семья языков - особенно инюпиакский, юпикский и
алеутский - имеет их более тридцати. Каждое из слов, означающих "этот" или
"тот", может стоять в восьми различных падежах, а изобилие способов выразить
расстояние, направление, высоту, видимость и контекст с помощью одного такого
указательного местоимения просто поразительно.
Например, по-алеутски hakan означает "то, что там, высоко вверху" (как в
случае птицы в воздухе), qakun - "то, что там, внутри" (как в другой
комнате) , a utak означает "это, которое не видно" (то есть услышанное, понюханное,
почувствованное).
От кого произошел человек?
Не от человекообразных - и уж точно не от других обезьян.
Homo sapiens sapiens24, и человекообразная обезьяна произошли от одного
общего предка, хотя никому пока так и не удалось разыскать этого неуловимого
парнишку. А жил он в эру плиоцена - от восьми до пяти миллионов лет назад.
Само это существо произошло от белкоподобной тупайи, которая, в свою
очередь, эволюционировала из ежа, а тот - из морской звезды.
Последние сопоставления геномов человека и нашего ближайшего родственника
шимпанзе говорят о том, что мы разделились намного позже, чем предполагалось
вначале. То есть, прежде чем окончательно и бесповоротно разойтись 5,4 млн.
лет назад, мы, вероятно, скрещивались и производили на свет нигде не
зафиксированный и на сегодняшний день вымерший гибридный вид.
Стивен Джей Гоулд25 однажды заметил, что homo sapiens sapiens - это свежая
африканская веточка на кустистом дереве человеческой эволюции. И хотя ни одно
из существующих доказательств не исключает возможности происхождения человека
в других местах нашей планеты, наиболее правдоподобной по-прежнему считается
Полисинтетические языки - языки, в которых предложение стремится превратиться в одно слово.
Адъектированные - то есть употребленные в качестве прилагательного.
24 Homo sapiens sapiens - подвид homo sapiens (человека разумного) , к которому принадлежат
современные люди.
25 « «
Стивен Джеи Пзулд - американский палеонтолог и популяризатор науки. Известен как автор
концепции прерывистой эволюции, согласно которой эволюция в живой природе происходит не
медленно и постепенно, как предполагает дарвиновская теория, а в результате быстрых прорывов
("быстрых" , конечно, только по масштабам геологического времени). Эти эволюционные "скачки"
чередуются с продолжительными, измеряемыми порой миллионами лет, периодами покоя, в течение
которых виды существенно не изменяются.
африканская теория распространения человеческой расы.
Генетические исследования подтверждают, что одной из первых популяций за
пределами Африки были коренные жители Андаманских островов26. Островитяне
жили в полной изоляции на протяжении целых 60 тыс. лет - дольше, чем аборигены
Австралии.
К нашему времени коренных андаманцев осталось менее 400. Половина из них
относятся к двум крупным племенам: джарава и сентинельцы, не имеющим
практически никаких контактов с внешним миром. Эти 100 или около того сентинельцев
ведут настолько уединенную жизнь, что никто до сих пор не смог изучить их
язык. Другие андаманские языки образуют собственную группу - наиболее древнюю
в Южной Азии и не родственную ни одной другой языковой группе. В их обиходе
всего пять чисел: "один", "два", "еще один", "еще несколько" и "всё". При
этом у них целых двенадцать слов для описания различных состояний спелости
фрукта, два из которых перевести попросту невозможно.
Андаманцы - одна из двух племенных групп мира, которые до сих пор так и не
научились добывать огонь (вторыми являются пигмеи Аке, живущие в Центральной
Африке). Вместо этого у них существует замысловатая процедура хранения и
переноски тлеющих полешек и горящих углей в глиняных сосудах. В таком состоянии
угли поддерживаются тысячелетиями и, вероятно, берут свое начало еще от
доисторических ударов молнии.
Кому-то покажется странным, но у коренных жителей Андаманских островов
довольно привычное для нас представление о Боге. Их верховное божество Пулуга -
невидимый, вечный, бессмертный, всезнающий Создатель всего сущего, за
исключением зла; он гневается, когда мы грешим, и дает утешение бедствующим. В
наказание людям за их проступки Пулугу наслал бурю и великий потоп.
Цунами 2004 года обрушилось на Андаманские острова всей своей мощью,
однако, насколько нам известно, ни одно из местных туземных племен практически не
пострадало.
Кто является автором выражения "выживают сильнейшие"?
Герберт Спенсер.
Инженер, философ и психолог, в свое время Спенсер был не менее знаменит,
чем Чарльз Дарвин.
Термин "survival of the fittest" ("выживают сильнейшие") был впервые
предложен им в работе "Принципы биологии" (1864), написанной под влиянием "теории
естественного отбора" Дарвина.
Дарвин, в свою очередь, сделал коллеге ответный комплимент, употребив новое
выражение в пятом издании своего "Происхождения видов путем естественного
отбора" (1869) :
"Этот принцип, в силу которого каждая слабая вариация сохраняется, если она
полезна, я назвал термином "естественный отбор", для того чтобы указать этим
на его отношение к отбору, производимому человеком. Но выражение, часто
употребляемое м-ром Гербертом Спенсером, - "выживание наиболее приспособленных" -
более точно, а иногда и одинаково удобно".
Герберт Спенсер (1820-1923) был старшим из девяти детей, восемь из которых
умерли еще в младенчестве. Инженер-строитель по образованию, Спенсер стал
философом, психологом, социологом, экономистом и изобретателем. Общий тираж его
книг еще при жизни автора составил миллион экземпляров. Спенсер первым
применил теорию эволюции к психологии, социологии и философии.
А еще он изобрел скрепку. Штуковина так и называлась - "скрепляющая булавка
Спенсера" и производилась на усовершенствованной машине для изготовления
Андаманские острова - архипелаг в Индийском океане между Индией и Мьянмой.
одежных крючков мануфактурщиком по фамилии Аккерманн, контора которого
располагалась на лондонском Стрэнде.
В первый год производство шло весьма неплохо и принесло изобретателю доход
в 70 фунтов стерлингов. Однако вскоре спрос на скрепки упал, Аккерманн
застрелился, а об изобретении Спенсера полностью забыли вплоть до 1899 года,
когда норвежский инженер Иоганн Валер официально зарегистрировал патент
современной скрепки в Германии.
В годы Второй мировой скрепка стала символом сопротивления Норвегии
немецкой оккупации. Когда оккупанты запретили норвежцам носить пуговицы и значки с
изображением находившегося в изгнании короля Хаакона VII, те дружно нацепили
на лацканы скрепки. Позже в Осло установили пятиметровый памятник
канцелярской скрепке.
Сегодня в мире ежегодно продается 11 миллиардов скрепок. Правда, как
показал недавний опрос, из каждых 100 тысяч проданных скрепок лишь пять
действительно используются по своему прямому назначению - скреплять бумаги. Большую
часть приспосабливают в качестве фишек для покера, ершиков для чистки
курительных трубок, английских булавок и зубочисток. Остальные же попросту
роняют , теряют или гнут до неузнаваемости во время неловких и скучных телефонных
разговоров.
Кто изобрел шариковую авторучку?
а) м-р Биро.
б) м-р Биш.
в) м-р Куайет27.
г) м-р Лауд.
До наступления эры шариковых ручек письмо считалось довольно опасным и
хлопотным занятием. Писчие перья приходилось регулярно обмакивать в чернильницу,
ручки постоянно текли, а тушь (которая по-английски называется Indian ink,
"индийские чернила", но изобретена в Китае) сохла на бумаге чересчур долго.
Все эти проблемы были впервые озвучены в патенте, зарегистрированном 30
октября 1888 года дубильщиком кож по имени Джон Дж. Лауд. Именно он создал
ручку с вращающимся шариком вместо острого наконечника, который непрерывно
"купался" в чернилах, поступающих из специальной емкости. И хотя его ручка все
равно протекала, писать ею на коже было намного удобнее, чем обычной
перьевой . К сожалению, Лауду так и не удалось довести свое изобретение до ума. В
противном случае мы с вами говорили бы об одноразовых "лаудах", а не о
шариковых "биро".
Венгр Ласло Биро (1899-1985) хоть и изучал медицину, но степень доктора так
и не получил. Прежде чем всерьез посвятить себя журналистике, Биро
перепробовал самые разнообразные занятия, включая гипноз и автомобильные гонки.
Озадаченный разницей во времени засыхания типографской краски и содержимого
перьевой авторучки, Ласло Биро и его брат-химик Георгий попробовали оснастить
ручку крошечным шарикоподшипником, который успешно "вытягивал" печатную
краску по мере вращения. Так родилась знаменитая "биро".
Братья запатентовали изобретение в Венгрии в 1938-м, а в 1940-м, спасаясь
от нацистов, эмигрировали в Аргентину, где повторно запатентовали шариковую
ручку уже в 1943-м. Одним из их первых клиентов стали Королевские ВВС
Великобритании, восхищенные прекрасной функциональностью "биро" даже на большой вы-
Никакого "мистера Куайета" на самом деле не существовало; авторы просто обыграли имя
реального мистера Лауда (то есть, в буквальном переводе, мистера Громкого), противопоставив ему
вымышленного мистера Куайета (то есть мистера Тихоню).
соте. Вскоре название "биро" превратилось в Британии в синоним шариковой
авторучки .
Первые поступившие в широкую продажу "биро" были сделаны в 1945 году. В то
же время Биро продал лицензию на производство шариковых ручек французу по
имени Марсель Биш (Bich).
Биш назвал свою компанию "BiC" и, слегка модифицировав модель Биро,
Запустил невероятно дешевую шестигранную пластмассовую авторучку в массовое
производство .
Компания "BiC" и по сей день остается мировым лидером в производстве и
сбыте шариковых авторучек с ежегодным объемом продаж 1,38 миллиарда евро. В 2005
году была продана их 100-миллиардная авторучка. Бестселлер продукции "BiC",
марка "Кристалл", продается в количестве 14 миллионов экземпляров в день.
В знак уважения к Биро аргентинцы - которые, кстати, называют авторучки
birome - празднуют национальный День изобретателя 29 сентября, в дату его
рождения .
Чем пишут на школьной доске?
Гипсом.
Школьный "мел" - это вовсе не мел. Мел состоит из карбоната кальция - так
же как коралл, известняк, мрамор, скелет человека и рыб, хрусталики глаз,
накипь в чайниках и таблетки от расстройства желудка - "Ренниз", "Сетлерз" и
"Тамс".
Гипс же состоит из сульфата кальция. Кто-то возразит, что, мол, подумаешь,
невелика разница, но хотя и тот и другой очень похожи внешне, фактически они
совершенно разные и даже не состоят из одних и тех же химических элементов.
С другой стороны, многие субстанции, которые кажутся совершенно разными, на
деле составлены из одних и тех же химических элементов. Взять, к примеру,
углерод, водород и кислород. Соединенные в разных пропорциях, они дают такие
разные вещи, как тестостерон, ваниль, аспирин, холестерин, глюкозу, уксус и
спирт.
Технически известный как гидратированный сульфат кальция, гипс является
одним из наиболее широко распространенных материалов в мире. Гипс добывают 4000
лет - штукатурка внутри египетских пирамид выполнена как раз из гипса, - и
сегодня он применяется в огромнейшем диапазоне промышленных процессов,
наиболее распространенный из которых - обычная строительная штукатурка.
Около 75% всего производимого в мире гипса используют для изготовления
штукатурки и прочей строительной продукции: гипсокартона, кафеля и так
называемого "парижского", или строительного гипса (plaster of Paris). Гипс является
ключевым ингредиентом цемента и служит для производства удобрений, бумаги и
текстильных изделий. В типовом новом американском доме присутствует более
семи тонн этого материала.
Строительный гипс называют "парижским" потому, что в самом Париже и вокруг
него, особенно на Монмартре, в глине содержатся богатые залежи гипса.
В природе гипс встречается и в виде алебастра - белоснежного,
полупрозрачного материала, который идет на статуи, бюсты и прочее.
Алебастр можно покрасить практически в любой цвет, а нагрев, даже сделать
его похожим на мрамор. Размолотый в порошок алебастр традиционно считался
лекарственным средством при боли в ногах. В старину было обычным делом
отковырять кусочек от церковной статуи для приготовления лечебной мази.
Как это ни иронично звучит, но само слово "гипс" происходит от греческого
gypsos, что в переводе означает "мел".
Что делают из целлулоида?
Шарики для пинг-понга и вкладыши для придания жесткости воротничкам.
Кинопленку из целлулоида не делают уже давно. Основной ингредиент
целлулоида - нитрат целлюлозы; современная же кинопленка производится из ацетата
целлюлозы .
Целлулоид принято считать первым пластиком. В строго технических терминах
это термопластмасса, то есть каждый раз при повторном нагревании ей можно
придать практически любую форму.
Целлулоид состоит из нитрата целлюлозы и камфоры. В природе целлюлоза
встречается в клеточных стенках растений. Камфору же получают из камфорного
лавра; ее можно отличить по характерному запаху нафталина, шарики которого,
кстати говоря, из нее и делают.
Впервые в истории целлулоид был получен в английском городе Бирмингем
Александром Парксом, который запатентовал его для использования при производстве
водонепроницаемой одежды. А еще целлулоид стал дешевым заменителем слоновой
кости: из него начали делать бильярдные шары и искусственные зубы.
В силу своей пластичности целлулоид сделал возможным кино - ведь жесткие
стеклянные пластины не проходят через проектор. Правда, с другой стороны,
целлулоид - штука не только жутко горючая, но и быстро разлагающаяся, что
сильно затрудняет хранение. Поэтому в наши дни использование целлулоида
значительно сократилось.
На смену целлулоиду пришли более стабильные пластики: ацетат целлюлозы
(получаемый из древесной массы) и полиэтилен (побочный продукт при производстве
бензина).
Нитрат целлюлозы (или нитроцеллюлоза) был изобретен случайно в 184 6 году
Кристианом Шёнбайном - человеком, шестью годами ранее открывшим озон.
Экспериментируя на кухне с азотной и серной кислотой, Шёнбайн нечаянно
разбил бутыль, вытер все это безобразие со стола хлопковым фартуком жены и
повесил сушиться на печь. Но ткань тут же сгорела со взрывом - так было открыто
первое новое взрывчатое вещество (самое первое, порох, изобрели еще в Древнем
Китае).
Новый материал получил название "ружейный хлопок" (guncotton). Он был
бездымным и в четыре раза более мощным, чем обычный порох. Шёнбайн сразу же
запатентовал открытие и продал эксклюзивные права на его производство "Джону
Холлу и сыновьям". В следующем же году их фабрика в Фавершаме, графство Кент,
взлетела на воздух, похоронив под обломками двадцать одного рабочего.
Многочисленные взрывы с человеческими жертвами произошли также во Франции,
России и Германии. Стабильный продукт удалось получить лишь через сорок лет,
в 1889 году, когда английские химики Джеймс Дьюар и Фредерик Абель на основе
нитроцеллюлозы и нитроглицерина разработали кордит.
Семью годами ранее Дьюар изобрел термос.
Кто изобрел резиновые сапоги?
Известно, что еще с незапамятных времен амазонские индейцы умели делать
"быстрые" сапоги: заходили по колено в жидкий латекс28 и стояли, пока тот не
высохнет.
Сапоги, сделанные специально для герцога Веллингтона в 1817 году и
названные в его честь, были из кожи. Первые резиновые сапоги появились лишь в 1851-
м, за год до смерти герцога.
Поначалу каучук был настоящей катастрофой для легкой промышленности: в жару
Млечный сок каучуконосных растений.
пропитанная им ткань плавилась прямо на человеке, а зимой становилась твердой
как камень. Прорыв произошел в 1839-м, когда Чарльз Гудьир, нагревая смесь
каучука с серой, случайно пролил несколько капель на кухонную плиту.
История жизни Гудьира - вдохновляющая и одновременно трагичная. Всю жизнь
ему приходилось бороться с ужасающей бедностью - шестеро из двенадцати его
детей умерли от недоедания, - однако Гудьир был просто помешан на каучуке и
упорно не прекращал попыток улучшить качества того, что сам изобретатель
называл "овощной кожей".
Случайно открытый процесс решал давнюю проблему каучука - придавал ему
стабильную консистенцию. Гудьир поделился образцами полученного материала с
Томасом Хэнкоком и Чарльзом Макинтошем - известными торговцами каучуком.
Проанализировав представленные образцы, Хэнкок и Макинтош смогли
самостоятельно воспроизвести весь процесс и запатентовали его в 1843 году, назвав
"вулканизацией" - в честь древнеримского бога огня. Гудьир пробовал судиться,
но безуспешно - и уже не в первый раз отправился в долговую тюрьму, или "мой
отель", как он ласково ее называл.
Гудьир умер, так и не сумев выкарабкаться из долгов, хоть и заслужил
широкое признание своим упорством и проницательностью. Однажды Гудьир написал:
"Жизнь нельзя оценивать только в долларах и центах. Я не намерен жаловаться
на то, что семена посеял я, а плоды пожинают другие. У человека есть причина
для сожаления лишь тогда, когда он посеял, а собирать некому".
Через сорок лет после кончины Гудьира его бессмертие было обеспечено
основателями "Гудьир Раббер Компани" - крупнейшего на сегодняшний день
производителя автомобильных покрышек и других резиновых изделий, - которые назвали
свою компанию в его честь. В 2005 году их оборот составил 19,7 миллиарда
долларов США.
Правда ли, что первый компьютерный баг был реальным насекомым?
(Англ. "bug" имеет несколько значений: "жучок" (в разных смыслах) и "ошибка
в программе" (компьютерный сленг).)
И да и нет.
Начнем с "да". В 1947 году стоявшая в большой аудитории (без кондиционера)
Гарвардского университета вычислительная машина ВМФ США "Марк-II" была
выведена из строя обычным мотыльком, застрявшим между контактами
электромеханического реле. Операторы извлекли расплющенное насекомое, вклеили клейкой лентой
в технический журнал с сопроводительной записью и лишь после этого
перезапустили ЭВМ.
Механическая природа данной машины делала ее особенно уязвимой для
вмешательства насекомых. Большинство первых компьютеров, например ENIAC
("Электронный числовой интегратор и вычислитель") при университете Пенсильвании,
были уже электронными и использовали специальные вакуумные трубки для защиты
от мотыльков.
Но действительно ли термин "bug" возник после случая в Гарварде? Ответ:
нет. В значении "ошибка" или "сбой" в том или ином механизме слово
использовалось еще в XIX веке. "Оксфордский словарь английского языка" цитирует
выдержку из газетного сообщения 1889 года, повествующего о том, как Томас
Эдисон "не спал две последние ночи, пытаясь отыскать "баг" в своем фонографе".
Словарь Вебстера в издании 1943 года также приводит слово "bug" в его
современном значении.
Невзирая на то, что говорят нам многочисленные веб-сайты и книги, термин
"debugging" (Устранение дефектов [в оборудовании], исправление ошибок,
отладка [компьютерной программы] - англ.) использовали задолго до того, как гар-
вардский мотылек застопорил ход вещей.
Вполне показательный пример: жизнь имитирует язык - ожившая метафора, в
буквальном смысле.
Кто вероятнее всего уцелеет в ядерной войне?
Тараканы - ответ неправильный.
То, почему столь многие упорно держатся мнения, будто тараканы неистребимы,
- тема весьма интересная уже сама по себе. Тараканы топчут планету намного
дольше, чем мы с вами (примерно 280 млн. лет), и заслужили всеобщую ненависть
как переносчики заразы, от которых ужасно трудно избавиться. Плюс эти твари
могут прожить неделю даже без головы. И все же таракана победить можно!
Вдобавок, после поистине новаторского исследования докторов Уартона и Уартона в
1959 году, мы знаем, что таракан станет одним из первых насекомых, кто даст
дуба при ядерной катастрофе.
В чем же заслуга двух этих ученых? Уартоны занимались тем, что подвергали
целый ряд насекомых воздействию разных уровней излучения. В итоге доктора
пришли к выводу, что если для человека смертельной является доза в 1000 рад,
то таракан умрет при 20 000, плодовая мушка - при 64 000, а паразитическая
оса - лишь при 180 000 рад.
Настоящей же королевой радиационной выносливости является бактерия
Deinococcus radiodurans, способная выдержать поистине колоссальную дозу
излучения - 1,5 миллиона рад. И это если ее не морозить, поскольку в замороженном
состоянии радиационная стойкость бактерии удваивается.
Эта чудо-бактерия - ласково прозванная "Конан" - розового цвета и пахнет
гнилой капустой. Когда ее обнаружили в первый раз, та преспокойно росла в
банке облученных мясных консервов.
С тех пор изучением бактерии занялись вплотную. Оказалось, что в природе
малышка Конан встречается не только в слоновьих экскрементах и какашках лам,
но и в облученной рыбе, утином мясе и даже граните из Антарктиды.
Сопротивляемость бактерии Конан радиоактивному излучению и низким
температурам, а также ее способность сохранять свою ДНК в целости и
неприкосновенности даже в самых экстремальных условиях убедили ученых НАСА, что наконец-то у
них появился ключ к разгадке тайны жизни на Марсе.
Какая часть стручкового перца является самой жгучей?
Целое поколение телевизионных поваров вынудило нас поверить, что самая
жгучая часть стручкового перца - его семена. Но это не так.
Правильный ответ: внутренняя пластинка, на которой держатся эти самые
семена. Пластинка (или мембрана) содержит наибольшее количество так называемого
капсаицина - вещества без цвета и запаха, которое и придает перчику его
характерную жгучесть.
Острота стручкового перца измеряется по специальной шкале, предложенной в
1912 году американским фармацевтом Вилбуром Сковиллом и названной его именем.
Проводя первые тесты, Сковилл разводил спиртовые экстракты различных перцев в
подслащенной воде. А затем давал группе дегустаторов пробовать различные
сорта "чили" в разных концентрациях до тех пор, пока те не переставали ощущать
жгучесть. В результате подобных экспериментов была выведена численная шкала,
показывающая удельную остроту стручкового перца.
У перца "халапеньо", к примеру, показатель остроты составляет 4500 единиц
по шкале Сковилла (SHU), поскольку для потери жгучести его приходится
разводить в пропорции 1:4500.
Самый жгучий перчик в мире растет в графстве Дорсет, на Юго-Западном побе-
режье Англии. "Дорсетский нага" (naga на санскрите означает "змей") Майкла и
Джой Мишо вырос на стебле, привезенном из Бангладеш.
В 2005 году "нага" был протестирован двумя американскими лабораториями и
дал поистине "горлодёрный" результат - 923 ООО "сковиллей". Даже полстручка
"нага" сделает карри полностью несъедобным, а стрескать стручок целиком -
значит обеспечить себе прямую дорогу в ближайший госпиталь. Несмотря на все
эти ужасы, каждый год в мире продается 250 тысяч стручков "нага".
Для полноты картины следует отметить, что капсаицин в чистом виде дает 15-
16 млн. единиц по шкале Сковилла. Он настолько жгуч, что экспериментирующим с
ним фармацевтам приходится работать в специальной "токсикологической камере",
оснащенной мощными фильтрами, и в полностью закрытых защитных скафандрах,
дабы не допустить попадания воздуха.
По разным оценкам, на сегодняшний день в мире существует 3510 видов
стручкового перца.
Откуда взялись тюльпаны?
Из Амстердама или еще откуда, но тюльпаны являются таким же всемирно
известным символом Голландии, как ветряные мельницы и башмаки на деревянной
подошве . Хотя родина их вовсе не Нидерланды.
Естественной средой обитания тюльпана является гористая местность.
Первые тюльпаны попали в Нидерланды из Константинополя (ныне Стамбул) в
1544 году. Дикие тюльпаны и сегодня можно встретить в Южной Европе, Северной
Африке и некоторых частях Азии, в районе северо-востока Китая. Тюльпан
является национальным цветком Турции и Ирана.
Название этого чудо-цветка происходит от слова tiilbent - так по-турецки
произносят персидское dulband, что означает "тюрбан". Связано это с тем, что
на языке этимологов именуется "воображаемым сходством": нераспустившийся
цветок по форме напоминает тюрбан (хотя, возможно, причина в том, что у турков
издревле принято носить цветок тюльпана в головном уборе).
В Нидерландах (а именно так следует называть эту страну, поскольку
"Голландия" охватывает лишь две из двенадцати ее областей) тюльпаны действительно
завоевали необычайную популярность. Однако истории о большом мыльном пузыре
под названием "тюльпаномания" в начале XVII века сегодня представляются
сильно преувеличенными.
Согласно мнению профессора Петера Гарбера, директора по глобальной
стратегии "Дойче Банк", все наиболее ужасающие истории о разорениях и банкротствах
того времени, якобы вызванных резким падением цен на тюльпаны, берут начало
из одной-единственной книги - "Наиболее распространенные заблуждения и
безумства толпы", написанной в 1852 году Чарльзом Маккеем. Вероятнее всего, такие
"страшилки" являлись результатом кампании, которую голландские власти затеяли
исключительно с целью воспрепятствовать спекуляции тюльпанами.
Верно, цена на тюльпаны в те времена была действительно вздута (одна
луковица наиболее ценных сортов могла стоить как хороший жилой дом), но, с другой
стороны, история знает немало примеров, когда в разных странах растения
ценились еще выше, например орхидеи в Англии XIX века.
Гарбер утверждает, что голландская спекуляция, в самом диком ее варианте,
"была явлением, длившимся не более месяца унылой зимой 1637 года... и не
имела реальных экономических последствий".
Сегодня в Голландии ежегодно выращивается около трех миллиардов луковиц
тюльпанов, два из которых идут на экспорт.
Сколько крокусов нужно собрать,
чтобы получить килограмм шафрана?
От 85 ООО до 140 ООО. Вот почему даже в наши дни розничная стоимость
полкило высококачественного испанского шафрана "манча" составляет три тысячи
семьсот пятьдесят (3750) фунтов стерлингов.
На острове Крит, на остатках фресок древних минойских дворцов (1600 год до
н.э.) можно увидеть изображение сбора шафрана. Александр Македонский мыл
шафраном волосы, дабы придать им приятный апельсиновый блеск. Шампунь, надо
сказать, не из дешевых: в те времена шафран слыл такой же редкостью, как алмазы,
и стоил дороже золота.
В средневековом Нюрнберге, а также во времена царствования Генриха VIII в
Англии "разбодяживание" шафрана путем смешивания с чем-то еще каралось
смертной казнью. Виновных сжигали на костре либо закапывали живьем вместе с их
криминальным товаром.
Городок Саффрон-Вальден, расположенный в графстве Эссекс, неподалеку от
Кембриджа, получил свое название от драгоценной пряности (По-английски шафран
- saffron.): когда-то здесь был центр английской торговли шафраном. Легенда
гласит, что началось все с украденной луковицы посевного шафрана, которую в
XIV веке принес сюда пилигрим с Ближнего Востока, спрятав в свой посох
странника. До тех пор городок назывался всего одним словом - Вальден.
Лишь появление таких продуктов, как чай, кофе, шоколад и ваниль, постепенно
привело к спаду в разведении крокусов, хотя в Италии, Франции и Испании
шафран довольно долго оставался важнейшей сельскохозяйственной культурой.
Слово "шафран" происходит от арабского asfar, что означает "желтый".
Какое изобретение человека первым преодолело звуковой барьер?
Хлыст.
Хлыст придумали в Китае 7000 лет назад, однако вплоть до изобретения
моментальной фотографии в 1927 году никому и в голову не приходило, что его
"щелчок" - это не просто удар кожаного ремешка по рукоятке, но еще и
сверхзвуковой хлопок в миниатюре.
Щелчок сопровождает петлю, которая формируется, когда вы резко взмахиваете
хлыстом. Петля проходит по всей длине хлыста и, поскольку кожа сужается к
кончику, ускоряется по мере движения, достигая скорости, более чем
десятикратно превышающей изначальную. Сам же "щелчок" происходит, когда петля
преодолевает звуковой барьер на скорости примерно 1194 км/ч.
Официально принято считать, что первым звуковой барьер преодолел
американский летчик Чак Йегер на экспериментальном истребителе "Bell Х-1" в 1947
году. В 1948-м он же достиг скорости 1540 км/ч на высоте 21 900 м - этот
показатель и поныне занимает девятое место среди пилотируемых полетов всех времен
и народов.
Мировой же рекорд по-прежнему принадлежит самолету Х-15А - 6389 км/ч на
высоте 31 200 м, дело происходило в 1967 году.
Максимальная скорость, с которой когда-либо передвигался человек,
составляет 39 897 км/ч. Пилотируемый космический корабль "Аполлон-10" достиг ее в
1969 году.
Какая музыка завораживает змей больше всего?
Без разницы - змеям все едино.
Торчащая из корзины заклинателя кобра реагирует на вид флейты, а не на ее
звук.
Музыку как таковую змеи не слышат, хотя, конечно же, они не глухие. Да, у
них нет барабанных перепонок и наружных ушей, зато змеи прекрасно чувствуют
вибрацию, передающуюся от земли к их челюсти и брюшным мышцам. Кроме того,
через свое внутреннее ухо они, похоже, могут распознавать и те звуки, что
переносятся по воздуху.
Считалось, что змеи не слышат вообще, поскольку не реагируют на громкий
шум, однако результаты исследования, проведенного в Принстонском
университете, свидетельствуют о том, что слух у змей весьма неплохой. Американцы
выяснили, как функционирует внутреннее ухо змеи. Подопытных гадов подключали к
вольтметрам, а затем измеряли импульсы в мозгу в зависимости от раздававшихся
рядом звуков. Оказывается, змеиный слух "настроен" на частотный диапазон
вибраций и звуков, которые производят лишь более крупные животные.
Следовательно , музыка для змей не имеет никакого смысла.
"Зачарованная" кобра, чувствуя угрозу, встает торчком и начинает
покачиваться в такт движениям инструмента. Если змея попытается укусить флейту, то
непременно поранится, так что во второй раз делать этого она не станет.
У большинства кобр ядовитые зубы предварительно удаляют, но даже при этом
кобра способна нанести удар лишь на расстоянии, не превышающем длину ее
собственного тела, - примерно как если вы поставите локоть на стол и попробуете
ударить по столу кулаком.
Поза кобры является защитной, а не агрессивной.
Почему исчезли додо?
а) На них охотились ради пищи.
б) На них охотились ради забавы.
в) Из-за исчезновения привычной среды обитания.
г) Из-за соперничества с другими видами.
Маврикийского дронта, или додо (Raphus cucullatus), неизменно считают
символом двух явлений: мертвости и глупости.
Нелетающие аборигены острова Маврикий, додо эволюционировали в окружении,
свободном от наземных хищников, и исчезли с лица земли менее чем за сто лет,
потому что, во-первых, был уничтожен лес - среда их обитания, а во-вторых, на
острове значительно расплодились свиньи, крысы и собаки, которых завезли
колонисты. Невероятно, но предками додо были обыкновенные голуби. Однако, в
отличие от другого всемирно известного вымершего вида, странствующего голубя,
на этих птиц никто не охотился ради пищи, поскольку мясо додо было
практически несъедобным - голландцы даже называли дронтов walgvogel, то есть
"отвратная птица".
Португальское имя dodo тоже не больно лестное, оно означает "болван".
Дронт, чувствуя себя в полной безопасности, совершенно не боялся людей, а
потому никуда не убегал и, следовательно, не представлял ценности для охоты. К
1700 году маврикийский дронт исчез полностью.
В 1755 году директор Ашмола - Музея истории природы и археологии при
Оксфордском университете - решил, что их чучело додо слишком попорчено жучками и
молью, чтобы держать его дальше, и распорядился бросить "мусор" в костер. Это
был единственный остававшийся в мире экспонат додо. Проходящий мимо работник
пытался вытащить чучело из огня, но ему удалось спасти лишь голову и часть
лапки.
В течение долгого времени все, что нам было известно о додо, основывалось
на этих жалких останках, нескольких описаниях, трех-четырех картинах маслом и
горстке косточек. Даже о динозаврах мы знали намного больше. Лишь в декабре
2005 года ученым удалось обнаружить на Маврикии массовое захоронение дронтов,
что позволило более точно воспроизвести внешний вид легендарной птицы.
Со времени исчезновения маврикийских дронтов и вплоть до выхода "Алисы в
стране чудес" в 1865 году о додо практически не вспоминали. Чарльз Доджсон29
преподавал в Оксфорде математику и, скорее всего, видел додо в музее Ашмола.
В "Алисе в стране чудес" додо появляется в сцене "бега по кругу" -
состязании, где "все бежали когда хотели и останавливались когда хотели" и где побе-
ждают все и каждый получает награду . Каждая из птиц в этой сцене - намек на
реальных лиц, присутствовавших на лодочной экскурсии, когда Доджсон рассказал
свою историю в первый раз, а Додо, как считают исследователи творчества
писателя , - это сам Льюис Кэрролл.
Иллюстрации Джона Тенниела быстро вернули дронту былую известность. Идиома
"dead as a dodo" (отживший свой век) также относится к этому периоду.
Кто прячет голову в песок?
А вот и неправильно.
Никто никогда не видел, чтобы страус прятал в песок голову. Когда страусам
угрожает опасность, они удирают прочь - как любое здравомыслящее животное.
Миф о голове и песке, вероятно, возник из-за того, что иногда страусы лежат
в своих гнездах (по сути, неглубоких ямках), вытянув шею вперед, и тщательно
осматривают горизонт на предмет опасности. Если хищник подходит чересчур
близко, страусы вскакивают и дают стрекача. Страус может бежать со скоростью
65 км/ч без остановки в течение получаса.
Страус - самая крупная птица на Земле: самец достигает 2 м 70 см в высоту,
однако мозги у них размером с грецкий орех - меньше, чем их глазные яблоки.
Карл Линней31 классифицировал страуса как Struthio camelus, то есть
"воробей-верблюд" , - возможно, из-за того, что страусы живут в пустыне и у них
длинные шеи, напоминающие верблюжьи. Греки называли страуса homegas strouthos
- "большой воробей".
Самый первый миф о страусе, прячущем голову в песок, встречается в трудах
древнеримского историка Плиния Старшего, который, кстати, считал, что страусы
сверлят свои яйца свирепым взглядом, дабы потомство побыстрее проклюнулось.
Плиний, правда, забыл упомянуть о способности страусов проглатывать
абсолютно странные вещи.
Помимо камней, которые страусы используют для улучшения пищеварения, они
готовы проглотить практически все на свете, будь то железо, медь, кирпич или
даже стекло. А один чудо-экземпляр из Лондонского зоопарка умудрился слопать
метр веревки, кассету с пленкой, будильник, велосипедный золотник, карандаш,
расческу, три перчатки, носовой платок, золотое ожерелье, наручные часы и
целую кучу монет.
Есть сведения, что страусы в Намибии не прочь полакомиться даже алмазами.
Где спят гориллы?
В гнездах.
Эти крупные, мускулистые приматы каждый вечер (а то и после сытного обеда)
Более известный как Льюис Кэрролл.
30 Термин "бег по кругу" (caucus race) в Англию пришел из Соединенных Штатов и был
переосмыслен англичанами; обычно он употреблялся членами одной партии в уничижительном смысле, когда
речь шла о партии противников. Возможно, Кэрролл употребил этот термин символически, имея в
виду, что члены комитетов различных партий обычно Заняты бессмысленной беготней, которая ни
к чему не ведет.
31
Карл Линнеи (1707-1778) - шведский натуралист, основатель современной систематики в
Зоологии и ботанике.
вьют себе новое гнездо - на земле либо на нижних ветвях деревьев.
За исключением совсем молодых особей, расклад у горилл такой: одна обезьяна
- одно гнездо.
Конечно, эти гнезда трудно назвать произведениями искусства - всего лишь
незатейливое логовище из переплетенных веток с листвой в качестве матраса, на
постройку которого уходит не более десяти минут. Причем самки с детенышами
предпочитают спать на деревьях, а самцы, или "доминанты", устраиваются на
земле.
Согласно некоторым наблюдениям, гориллы, живущие в низинах, весьма
чистоплотны и домовиты; гориллы же горные равнодушны к гигиене, регулярно
загаживают свои гнезда и совершенно не брезгуют спать на кучах собственного дерьма.
Плавать гориллы так и не научились. А хромосом у них сорок восемь - на две
больше, чем у людей.
Каждый год бушмены съедают больше горилл, чем содержится во всех зоопарках
мира.
Какая птица является самой распространенной в мире?
Вне всякого сомнения, речь идет об обыкновенной домашней курице.
На сегодняшний день общее число цыплят во всем мире составляет
приблизительно 52 миллиарда - примерно по девять на каждого жителя Земли. Семьдесят
пять процентов рано или поздно попадут к нам на стол, однако вот уже почти
3000 лет их главным образом выращивают ради яиц. До того как в Британию
пришли римляне, никому и в голову не приходило есть саму птицу.
Предком всех домашних кур и петухов принято считать таиландского фазана под
названием "красная джунглевая курица" (Сalius gallus gallus) . Ее ближайший
современный родственник - бойцовый петух.
Массовое производство цыплят и яиц началось в 1800 году. В те времена
куриное мясо являлось побочным продуктом производства яиц. В пищу и на продажу
шло мясо лишь тех куриц, что уже слишком состарились, чтобы давать яйца. В
1963 году куриное мясо все ещё считалось роскошью. Лишь в 1970-х оно
становится доступным для большинства из нас и приобретает широкую популярность.
Сегодня куриное мясо составляет практически половину всего объема мясных
продуктов , употребляемых в пищу британцами.
В результате селекции и обработки гормонами теперь достаточно сорока дней,
чтобы вырастить цыпленка до зрелого состояния, - это в два раза быстрее, чем
если бы процесс шел своим чередом, как задумано природой.
Девяносто восемь процентов выращиваемых в мире цыплят - в том числе
органических - являются потомками пород, выведенных тремя американскими компаниями.
Так, половина всех "бройлеров" (то есть мясных цыплят) в мире - это "Кобб-
500", выведенные в 1970-х годах компанией "Кобб Бридинг Ко.".
До 1500 года ни в одной из Америк цыплят не было вообще. Их завезли
испанцы.
Более трети цыплят Соединенного Королевства производит шотландская компания
"Грампиан Кантри Фудз Групп". Она поставляет куриное мясо во все крупные сети
универсамов и является одним из крупнейших спонсоров, финансирующих
британскую Консервативную партию. Через восемь огромнейших инкубаторных центров,
один из которых расположен как раз в Таиланде, еженедельно проходит до 3,8
миллиона цыплят. Девиз компании: "Традиционно хорошее качество".
Большинство цыплят, продающихся в сегодняшних магазинах, - женского пола.
Самцы, откармливаемые на мясо, - это кастрированные петухи, или каплуны. В
наши дни кастрация происходит химическим путем - с помощью гормонов,
вызывающих атрофию яичек.
Промышленным термином для куриной лапки является слово "ножка". Большинство
американских "ножек" идет на экспорт в Китай, несмотря на то, что в этой
стране насчитывается три миллиарда собственных цыплят.
В честь какого животного названы Канарские острова?
В честь собак. Канарейки названы в честь островов (аборигенами которых они
и являются), а не наоборот.
Архипелаг получил свое имя от латинского названия самого крупного из
островов, который римляне прозвали "Островом Собак" (Insula Canada) из-за
огромного количества на нем этих животных - как диких, так и одомашненных.
Говорят, что вулкан на острове Пальма, входящем в архипелаг, может
разрушить всю его западную половину, вызвав цунами, способное пересечь
Атлантический океан и спустя всего восемь часов обрушить на Восточное побережье США
волну, высота которой составит до тридцати метров.
Одна из достопримечательностей Канар - так называемый "гомерский свист"
(Silbo Gomero): способ общения, использующийся на Канарском острове Гомера
для передачи информации на гористой, изрезанной ущельями местности.
"Говорящие" на таком языке называются "сильбадурами" (silbadors). И хотя изначально
общение происходило на родном языке гуанчей, со временем "сильбадуры"
приспособились свистеть по-испански. Сегодня "гомерский свист" является
обязательным предметом в местных школах.
Канарейки - мелкие птички вроде зябликов. На протяжении многих веков
британское горное законодательство в обязательном порядке предписывало держать в
шахтах этих крошечных птичек для обнаружения газа. Канареек использовали в
такой роли до 1986 года, а соответствующая статья оставалась в правилах
безопасности для горных работ вплоть до 1995-го. Суть данного требования
заключалась в том, что токсические газы вроде угарного и метана убивали птиц раньше,
чем их концентрация могла представлять угрозу для жизни горняков.
Предпочтение было отдано канарейкам потому, что они много поют, так что наступившую
тишину, когда птица замолкает, можно заметить практически сразу.
Поют, кстати, исключительно самцы; они также могут подражать звонкам
телефонов и других бытовых приборов. Желтенький Твити Пай в известной серии
мультфильмов "Песенки с приветом" ("Looney Tunes") - тоже канарейка.
Изначально цвет канареек был зеленовато-коричневым, однако 400 лет
кроссбридинга32 привели к привычному желтому, "канареечному" цвету. Никому еще не
удавалось вывести красную канарейку, однако диета из красного перца изменяет
цвет птицы на оранжевый.
Лондонский Остров собак33 был впервые назван так на карте, датированной
1588 годом, - возможно, потому, что на острове располагались королевские
псарни, хотя вполне может быть, что название было просто ругательным
термином. По странному совпадению, именно здесь расположена башня Канэри-Уорф34
(или Канареечный причал).
Как долго еще растут ногти и волосы человека после его смерти?
"Три дня после смерти наши ногти и волосы продолжают расти, а телефонные
Звонки сходят на нет", - одна из последних шуток великого Джонни Карсона35.
Однако здесь известный телеведущий, веселивший аудиторию не один десяток
Кроссбридинг - скрещивание особей разных пород или разновидностей.
Остров собак - район лондонского Ист-Энда, ограниченный с трех сторон рекой Темзой.
34 Административное высотное Здание, построено в 1991 г., высота 244 м.
35
Джонни Карсон (1925-2005) - очень популярный американский комик, ведущий передачи "Сегодня
вечером" (1962-1992) , он является одним из основоположников развлекательного телевидения.
лет, явно ошибся. Все это стопроцентный вымысел. Когда человек умирает, его
тело обезвоживается, а кожа стягивается, за счет чего и создается иллюзия
роста волос и ногтей.
Данным заблуждением человечество во многом обязано Эриху Марии Ремарку и
его классическому роману "На Западном фронте без перемен", в котором Пауль
Боймер, от лица коего и ведется повествование, рассуждает о смерти своего
друга Кеммериха: "Мне вдруг приходит в голову, что эти ногти не перестанут
расти и после того, как Кеммерих умрет, они будут расти еще долго-долго, как
белые призрачные грибы в погребе. Я представляю себе эту картину: они
свиваются штопором и все растут и растут, и вместе с ними растут волосы на гниющем
черепе, как трава на тучной земле, совсем как трава..."
Несмотря на все это, "жизнь" после смерти не прекращается; более того, ваш
труп буквально расцветет, если можно так выразиться, буйным цветом. Бактерии,
жучки, клещи и червяки - для них наступает время настоящего пира, в
значительной степени способствующего процессу разложения.
Одним из наиболее восторженных завсегдатаев вашего тела станет так
называемая phrorid - она же муха-горбатка, или "гробовая мушка". Эта муха - также
известная как "муха-торопыга" из-за своих неуклюжих полетов - способна
провести под землей всю свою жизнь, питаясь исключительно гниющими трупами.
Особенно жадны горбатки до человеческой плоти. Для этих мух обычное дело -
прорыть почву на метр в глубину, чтобы добраться до гроба.
Один из видов мухи-горбатки, из рода Apocephalus, был недавно использован
для борьбы с буйно разросшейся популяцией огненных муравьев (или муравьев-
ацтеков), завезенных на юго-восток Америки в 1930-е годы бразильским торговым
судном. Мухи откладывают яйца в головах муравьев. Личинки питаются содержимым
муравьиных голов и спустя несколько дней вылупляются наружу.
Что держит Атлант на своих плечах?
Небо, а вовсе не мир.
Согласно мифологии древних греков, Зевс приказал Атланту (или Атласу)
поддерживать небесный свод в наказание за попытку восстания вместе с титанами
против олимпийцев. При этом чаще всего Атланта действительно изображают
поддерживающим нечто, сильно смахивающее на глобус, - особенно это заметно на
обложке атласа, составленного Меркатором, фламандским географом XVI века.
Однако при более тщательном рассмотрении видно, что глобус этот вовсе не
Земля, а именно небо. Более того, свой картографический труд Меркатор назвал
не в честь знаменитого Титана, а по имени мифического философа, короля Атласа
Мавританского (в его честь названы и горы в Африке), считающегося первым, кто
составил "небесный" (в отличие от "земного") глобус.
Книга стала известна как "Атлас Меркатора", и позже словом "атлас" стали
называть любой новый картографический сборник.
Герард Меркатор, сын сапожника, родился в 1512 году. При рождении мальчик
получил имя Герард Кремер. По-фламандски его фамилия означала "рынок", и
впоследствии Герард латинизировал ее в "Меркатор", то есть "торговец".
Меркатор считается отцом современной картографии и, вполне возможно,
наиболее известным и влиятельным бельгийцем в истории человечества.
Его знаменитая система картографической проекции 1569 года - первая попытка
точного изображения мира с помощью прямых линий, меридианов и параллелей - до
сих пор остается для большинства из нас наиболее убедительным представлением
"мира". Но что гораздо важнее, благодаря картографии Меркатора у
мореплавателей впервые появилась возможность надежной и точной навигации, а "эпоха
Великих географических открытий" получила научную основу.
Из-за своих искажений проекция Меркатора в наши дни редко используется в
картах и атласах, а в 1989 году ведущие картографические ассоциации США
выступили с инициативой отказаться от нее в принципе.
Как ни странно, это ничуть не помешало НАСА использовать проекцию великого
фламандца при составлении карты Марса.
Насколько высоко седьмое небо36?
Согласно Международному атласу облаков, самым высоким считается Облако 0,
более известное как "перистое" (циррус), - белое и волокнистое, состоящее из
тонких нитей или хлопьев. Высота перистого облака может достигать 12 тыс. м.
Девятое облако - кучево-дождевое (кумуло-нимбус), массивная "башня",
предвещающая грозовой ливень. Кумулонимбус находится в самом низу шкалы,
поскольку одно-единственное облако такого типа может охватывать целый диапазон высот
- от нескольких сотен метров до самого края стратосферы (приблизительно 15
тыс. м).
Как в случае с большинством идиоматических фраз, "седьмое небо" или
"девятое облако" вряд ли можно привязать к какому-то одному конкретному источнику.
Облако семь, восемь, девять - все они официально зарегистрированы, так что,
скорее всего, люди просто остановились на цифре девять, поскольку девятка
казалась им счастливым числом. Тем более кто ж станет отрицать, насколько это
привлекательная штука - возлежать на большом мягком облаке и наслаждаться
жизнью?
Международный атлас облаков был впервые издан в 1896 году, после
Международной метеорологической конференции, учредившей Комитет по облакам с целью
согласования международной системы именования и идентификации различных типов
облаков.
Десять означенных категорий базировались в основном на оригинальных идеях
Люка Хауарда (1772-1864) - английского химика, опубликовавшего в 1802 году
"Эссе о модификации облаков".
Большое влияние на труды Хауарда оказал его личный опыт: случай аномальных
погодных условий, с которыми Люк столкнулся в 1783 году, будучи еще ребенком,
- когда вулканические извержения в Японии и Исландии привели к образованию
"Великого тумана", накрывшего большую часть Европы.
Работы Хауарда вдохновляли таких знаменитых пейзажистов, как Джон Констебл,
Д.М.У. Тернер и Каспар Давид Фридрих. Великий Гете посвятил Хауарду четыре
стихотворения, назвав скромного английского квакера "крестным отцом облаков".
Облака суть скопление крошечных капель воды или кристалликов льда,
удерживаемых в атмосфере во взвешенном состоянии. Все эти капельки или кристаллы
формируются вследствие конденсации водяных паров вокруг еще более мелких
частичек таких известных нам всем вещей, как дым или соль. Ученые называют их
"ядрами конденсации".
Перистые - единственные облака в небе, целиком состоящие изо льда. В
атмосфере они представлены гораздо значительнее, чем считалось ранее. Более того,
они помогают регулировать температуру Земли. Довольно часто инициатором их
образования становятся конденсационные следы реактивных самолетов.
Когда после трагедии 11 сентября 2001 года воздушное движение было
полностью блокировано, дневные колебания температуры на территории США в течение
последующих сорока восьми часов возросли на 3 °С. Причина - сокращение
перистой защиты и, как следствие, испускание большего тепла в ночное время и
пропускание большего количества солнечного света днем.
По-английски "седьмое небо" Звучит как "seventh heaven" и как "cloud nine", то есть
"девятое облако". В данном случае речь пойдет именно об облаках.
Из-за чего пенится шампанское?
Не из-за углекислого газа, а из-за грязи. В идеально гладком и чистом
бокале молекулы углекислоты испаряются незаметно, и в течение довольно
длительного времени считалось, что образование пузырьков вызывают незначительные
дефекты бокала. Современные методы фотографии показали, однако, что все эти
практически не видимые глазу зазубринки и полости чересчур малы, чтобы
пузырьки могли к ним прилипнуть, и что на самом деле образование пузырьков
вызывается микроскопическими частицами пыли и пуха, которые неизменно
присутствуют абсолютно в любом бокале. Выражаясь языком техники, именно грязь/
пыль/пух, присутствующие в бокале, играют роль ядер конденсации для
растворенного в напитке углекислого газа.
По информации "Моэт и Шандон37", в любой среднестатистической бутылке
шампанского присутствует 250 миллионов пузырьков.
Последними словами Чехова были: "Давно я не пил шампанского38".
Немецкий врачебный этикет того времени требовал, чтобы доктор, когда
надежды на спасение уже не осталось, предложил больному бокал шампанского.
Какой формы дождевые капли?
Дождевые капли - сферические, они вовсе не имеют форму слёз.
Изготовители дроби и шарикоподшипников используют данное свойство жидкости
в своем производственном процессе: пропущенный через сито расплавленный
свинец падает с большой высоты в резервуар с охлаждающей жидкостью, и в
результате выходит множество маленьких шариков.
Раньше для этой цели строились специальные башни. Одна такая стояла в
Лондоне рядом с мостом Ватерлоо вплоть до 1951 года, когда ее снесли, чтобы ос-
39
вободить место для проведения "Фестиваля Британии ".
При высоте всего 71 м, башня Феникс в американском городе Балтимор (стоит
до сих пор) была самым высоким зданием в Америке до 1888 года, когда пальма
первенства перешла к 169-метровому мемориалу, построенному после Гражданской
войны в честь Джорджа Вашингтона.
Что производит большую часть атмосферного кислорода?
Водоросли.
Водоросли высвобождают кислород в виде отходов процесса фотосинтеза.
Количество регенерируемого ими кислорода превышает объемы, вырабатываемые всеми
"Моэт и Шандон" - всемирно известный французский дом шампанских вин, основанный в 1743 г.
Клодом Моэтом в г. Эперне, центре провинции Шампань. Под руководством внука основателя - Жа-
на-Реми Моэта (1758-1841), много путешествовавшего по свету, фирма Завоевала европейский
рынок . Процветанию предприятия во многом способствовала популярность шампанского при дворе
французских королей - в число Знаменитых клиентов дома "Моэт" входили королевская фаворитка
маркиза де Помпадур и Наполеон Бонапарт. "Моэт и Шандон" и по сей день остаются официальным
поставщиком королевских дворов Европы. В 1832 г. фирма переходит Виктору Моэту и Зятю Жана-
Реми Пьеру Габриэлю Шандону и с тех пор носит название "Моэт и Шандон".
"В начале ночи он проснулся и первый раз в жизни сам попросил послать За доктором, -
вспоминала Ольга Леонардовна Книппер-Чехова. - Пришел доктор, велел дать шампанского. Антон
Павлович сел и как-то Значительно, громко сказал доктору по-немецки: "Я умираю.." Потом взял
бокал, повернул ко мне лицо, улыбнулся своей удивительной улыбкой, сказал: "Давно я не пил
шампанского. ..", покойно выпил все до дна, тихо лег на левый бок и вскоре умолк навсегда..."
39 Британская юбилейная выставка проводилась в районе Саут-Банк в Лондоне в 1951-1952 гг. в
ознаменование столетия "Великой выставки" и для демонстрации достижений За сто лет.
Одновременно по стране были организованы выставки и музыкальные фестивали. Специально к этому
событию был построен, например, Ройял-Фестивал-холл.
деревьями и прочей наземной растительностью, вместе взятыми.
Ископаемые водоросли также являются основной составляющей нефти и газа.
Наиболее древней из известных человечеству жизненных форм считаются сине-
зеленые водоросли, или кианобактерии (от греческого kyanos - "сине-зеленый").
Сохранившимся в земной коре ископаемым остаткам сине-зеленых водорослей около
3,6 млрд. лет.
Классификация водорослей довольно долго кренилась то в сторону растений, то
к лагерю бактерий. На сегодняшний день водоросли прочно осели в королевстве
Монера (от греческого moneres - "одинарный", имея в виду их одноклеточную
структуру).
Один из видов синезеленых водорослей - спирулина - дает в двадцать раз
больше протеина на гектар, чем соя. Спирулина на 70% состоит из протеина
(сравните с говядиной - 22%), 5% жиров, никакого холестерина плюс,
впечатляющий набор витаминов и минералов. Отсюда - растущая с каждым днем популярность
спирулиновых коктейлей.
Кроме того, спирулина укрепляет иммунную систему человека, особенно
выработку протеиновых интерферонов - передний край нашей обороны против вирусов и
раковых клеток.
Питательные и лечебные свойства спирулины много веков назад использовали
мексиканские ацтеки, живущие к югу от Сахары народы Африки и розовые
фламинго .
Важность водорослей для будущего человечества поистине огромна: ведь их
можно выращивать на абсолютно не плодородной земле, используя для полива (а
заодно и рециркуляции) солоноватую воду. Эта сельскохозяйственная культура не
вызывает эрозии почв, не требует удобрений и пестицидов и, ко всему прочему,
освежает атмосферу планеты гораздо больше, чем любое другое растение на
Земле .
Из чего шили форму немецких солдат в Первую мировую войну?
Из крапивы.
В годы Первой мировой войны как в Германии, так и в Австрии запасы хлопка
практически иссякли.
В поисках подходящего заменителя ученые случайно пришли к оригинальнейшему
решению: смешать крошечные количества хлопка с крапивой - точнее, с крепкими,
морозоустойчивыми волокнами крапивы двудомной (Urtica dioica).
Без какого-либо систематического способа производства немцам удалось
культивировать 1,3 млн. кг этого материала в 1915-м и еще 2,7 млн. кг - в
следующем году.
После одной из коротких стычек в 1917 году британцы завладели двумя
германскими мундирами и проанализировали состав сукна - удивлению их не было
предела .
С точки зрения сельскохозяйственного производства у крапивы масса
преимуществ по сравнению с хлопком: хлопку непременно нужен обильный полив, растет
он лишь в теплом климате и, если его выращивать действительно по-хозяйски,
требует значительной обработки пестицидами.
Также совершенно незачем опасаться ожогов "цельнокрапивной оболочки40",
поскольку жгучие волоски - крошечные кварцевые шприцы, заполненные ядом, - в
производстве сукна не используются. В дело идут лишь длинные волокна стеблей.
Немцы были отнюдь не первыми, кто обнаружил многочисленные полезные
свойства данного растения. Археологические раскопки по всей Европе свидетельствуют
У классика кино Стэнли Кубрика есть Знаменитый военный фильм "Цельнометаллическая
оболочка" .
о том, что крапиву использовали десятки тысяч лет назад для изготовления
одежды, бечевки и рыбацких сетей.
В британском графстве Дорсет, в пивной "Боттл Инн", расположенной в городке
Марш-вуд, ежегодно проводят весьма экзотическое соревнование - чемпионат мира
по поеданию крапивы. Правила крайне строгие: никаких перчаток, никаких
обезболивающих для полости рта (кроме пива) и никакого срыгивания.
Фишка, похоже, в том, чтобы правильно свернуть крапивный лист, протолкнуть
в рот, не касаясь губ, и как можно быстрее запить добрым глотком эля. Сухой
рот, как любят говорить участники чемпионата, - значит больной рот.
Победителем становится тот, у кого к концу часа останется самое большое по длине
количество объеденных стеблей.
Нынешний мировой рекорд - 14,6 м у мужчин и около 8 м у женщин.
Кому принадлежит открытие пенициллина?
Вопреки всеобщему убеждению, сэр Александр Флеминг значится далеко в конце
списка.
Вот уже более тысячи лет бедуины в Северной Африке готовят целебную мазь из
плесени, которую соскребают с ослиных упряжей.
В 1897 году молодой военврач из Лиона по имени Эрнст Дюшен сделал
"открытие", наблюдая за тем, как арабские мальчишки-конюхи применяют плесень с еще
сырых седел для обработки ран на спинах лошадей, натертых этими же самыми
седлами.
Дюшен тщательно исследовал взятую плесень, определил ее как Penicillium
glaucum, опробовал на морских свинках для лечения тифа и обнаружил ее
разрушающее действие на бактерии Escherichia coli. Это было первое в истории
клиническое испытание того, что вскоре станет известным всему миру пенициллином.
Молодой человек представил результаты своих исследований в виде докторской
диссертации, настойчиво предлагая продолжить работу в данной области, однако
парижский Институт Пастера не удосужился даже подтвердить получение документа
- видимо, потому, что Дюшену было всего двадцать три, да и вообще, чего
путного может написать никому не известный студентик военно-медицинского
училища?
Впоследствии в дело вмешался армейский долг, и в 1912 году Дюшен умер в
безвестности от туберкулеза - болезни, которую вскоре победят с помощью его
же открытия.
Заслуженная слава пришла к Дюшену уже после смерти, в 194 9 году, - через
пять лет после того, как сэр Александр Флеминг был удостоен Нобелевской
премии за открытие (уже в третий раз) антибиотического эффекта пенициллина.
Термин "пенициллин" был придуман Флемингом в 1929 году. По счастливой
случайности, явившейся результатом стечения ряда обстоятельств, столь
невероятных, что в них почти невозможно поверить41, ученый обратил внимание на анти-
В отличие от своих аккуратных коллег, очищавших чашки с бактериальными культурами после
окончания работы с ними, Флеминг не выбрасывал культуры по 2-3 недели кряду, пока его
лабораторный стол не оказывался Загроможденным посудой. Тогда он принимался За уборку,
просматривая культуры одну За другой, чтобы не пропустить что-нибудь интересное. В одной из чашек
он обнаружил плесень, которая, к его удивлению, угнетала высеянную культуру бактерии.
Отделив плесень, Флеминг установил, что "бульон, на котором разрослась плесень... приобрел
отчетливо выраженную способность подавлять рост микроорганизмов, а также бактерицидные и
бактериологические свойства". Неряшливость Флеминга и сделанное им наблюдение явились всего
лишь двумя обстоятельствами в целом ряду случайностей, способствовавших открытию. Плесень,
которой оказалась Заражена культура, относилась к очень редкому виду. Вероятно, она была
Занесена из лаборатории, расположенной этажом ниже, где выращивались образцы плесени, взятые
из домов больных, страдающих бронхиальной астмой. Флеминг оставил ставшую впоследствии
Знаменитой чашку на лабораторном столе и уехал отдыхать. Наступившее в Лондоне похолодание соз-
бактериальные свойства плесени, которую он определил как Penicillium rubrum.
Как выяснилось, определение Флеминга оказалось неверным. Лишь через много лет
Чарльз Том откорректировал его оценку и дал грибку правильное название -
Penicillum notaturn.
Данная плесень изначально именовалась Penicillium из-за того, что под
микроскопом ее спороносные лапки выглядели как крошечные кисточки. А по-латыни
кисточка для письма называлась penicillum - то же самое слово, от которого
происходит английское "pencil" ("карандаш"). Хотя на деле клетки плесени
Penicillum notatum скорее напоминают нечто совсем иное и более жуткое -
кистевые кости человеческого скелета. Довольно показательную фотографию этого
грибка можно увидеть на сайте по адресу:
http://botit.botany.wise.edu/Toms_fungi/nov2003.html.
Известные виды сыра - такие, как "Стилтон", "Рокфор", "Дейниш блю", "Гор-
гонзола", "Камамбер", "Лимбургер" и "Бри", - содержат пенициллин.
Что вызывает язву желудка?
Не стресс и не острая пища.
Вопреки десятилетиям врачебных заверений, убеждающих нас в обратном,
причиной язвы желудка или кишечника является не стресс и не образ жизни, а самые
обыкновенные бактерии.
Язвенная болезнь - явление даже сегодня довольно частое: она поражает
каждого десятого жителя Земли. Язва - штука болезненная и потенциально
смертельная. Наполеон и Джеймс Джойс оба умерли от осложнений, связанных с язвой
желудка .
В начале 1980-х два австралийских врача-патолога, Барри Маршалл и Робин
Уоррен, обратили внимание на ранее никем не идентифицированную бактерию,
колонии которой присутствовали в нижней части желудков людей, страдающих язвой
или гастритом. Ученые культивировали неведомую бактерию, дали ей имя
(Helicobacter pylori) и приступили к экспериментам. Оказалось, что стоило
уничтожить бактерии - как язвы тут же затягивались.
Тем не менее, даже сегодня многие продолжают упорно считать, что язвенная
болезнь вызывается стрессами. Медики объясняют это так: мол, стрессовое
состояние приводит к оттоку крови от желудка, в результате чего снижается
продуктивность его защитной слизистой оболочки. Со временем находящаяся под
слизистой ткань разъедается кислым желудочным соком и вот вам, здрасьте-
пожалуйста, - язва.
Предположение Маршалла и Уоррена, что общее физиологическое состояние может
являться инфекционным заболеванием, точно так же как волдырь или синяк, для
современной медицины было поистине беспрецедентным.
Тогда Маршалл решает провести эксперимент на себе. Он выпил полную чашку
бактерий и уже скоро слег с тяжелейшим приступом гастрита. Ученый проверил
себя на наличие бактерий - его желудок буквально кишел ими, - а затем
излечился , приняв курс антибиотиков по специально разработанной им самим схеме.
Медицинское сообщество было посрамлено.
В 2005 году дальновидность и сила духа Маршалла и Уоррена были оценены по
достоинству: ученые стали лауреатами Нобелевской премии по медицине.
Helicobacter pylori присутствуют в организме у половины населения планеты -
и почти у каждого в развивающихся странах. В организм человека эти бактерии,
как правило, попадают еще в раннем детстве и могут существовать в наших
желудках всю жизнь. Однако лишь в 10-15% случаев заражение Helicobacter pylori
дало благоприятные условия для роста плесени, а наступившее Затем потепление - для бактерий.
Как выяснилось позднее, стечению именно этих обстоятельств было обязано Знаменитое открытие.
приводит к язве.
Мы до сих пор не знаем, почему так происходит, зато мы знаем, как с этим
бороться.
У кого в шее больше костей - у мыши или жирафа?
У обоих по семь шейных позвонков - как и у всех остальных млекопитающих, за
исключением морских коров и ленивцев. Поскольку у двупалых ленивцев позвонков
в шее шесть, бедняги с трудом ворочают головой.
Птицы, которым просто необходимо вертеть головой, чтобы чистить перышки,
имеют намного больше шейных позвонков, чем млекопитающие. У сов их
четырнадцать , у уток - шестнадцать, однако безусловным рекордсменом среди пернатых
является лебедь-шипун, у которого шейных позвонков целых двадцать пять.
Вопреки заявлениям многих людей, совы не могут вертеть головой на 360° :
максимум, на что они способны, - это 270° . Такое умение достигается за счет
дополнительных позвонков и специальных мышц, которые позволяют костям
двигаться независимо друг от друга.
Способность вертеть головой компенсирует совам их неспособность перемещать
взгляд. Если возникает необходимость изменить угол зрения, сове приходится
поворачивать голову.
Глаза у сов смотрят только вперед, что значительно усиливает их
бинокулярное зрение - способность видеть вещи в трех измерениях. Такая функция
жизненно необходима для ночной охоты. Совиные глаза также чрезвычайно велики -
чтобы захватить максимум света. Если бы у нас были глаза такого же масштаба, они
были бы размером с грейпфрут.
По форме совиные глаза скорее трубчатые, чем сферические, что увеличивает
размеры сетчатки. Глаза неясыти обыкновенной, к примеру, в сто раз
чувствительнее к свету, чем глаза человека. Они могут увидеть мышь, даже если
уровень освещения ограничен одной-единственной свечкой, мерцающей на расстоянии
500 метров.
Как долго кельты живут в Британии?
С 21 июня 1792 года.
Именно в этот день группа лондонских "бардов" устроила на Примроуз-Хилл42
придуманную от начала до конца церемонию - они даже выложили из булыжников
каменный круг, - заявляя, что тем самым якобы возрождается ритуал, уходящий
корнями к древним племенам кельтов и их друидам.
Если верить официальным источникам, до сей даты слово "кельт" в качестве
описания жителей Британии или Ирландии перед приходом римлян никогда не
использовалось, и уж точно не являлось термином, которым эти народы называли
сами себя.
Слово "кельт" придумал греческий историк Геродот в 450 году до н.э.: им он
назвал племена, жившие в верховьях Дуная, к северу от Альп.
Римляне использовали другое слово, Galli (то есть "петухи"). Жителей же
Британских островов они именовали Brittani и никогда не называли их
"кельтами" .
Появление слова "кельт" в английском языке произошло в XVII веке. Живущий в
Оксфорде уэльский лингвист Эдвард Ллуйд обратил внимание на сходства,
присущие языкам, на которых говорят в Ирландии, Шотландии, Уэльсе, Корнуолле и
Бретани. Он назвал эти языки "кельтскими" - и название прижилось.
Примроуз-Хилл - небольшая возвышенность в северной части Риджентс-парка в Лондоне, в
переводе - Холм примул.
Слово "кельтский" также используется для описания "завитушного" стиля
разнообразных украшений, продающихся в сувенирных лавках Ирландии. Нет, однако,
никаких доказательств того, что такой дизайн был придуман этнически
однородной группой людей.
Большинство современных историков полагают, что язык и культура, которые мы
привыкли называть "кельтскими", распространялись посредством контактов, а не
вторжений. Люди "становились" кельтами, перенимая архитектуру, моду, манеру
говорить, потому как находили их полезными и привлекательными, а вовсе не
потому, что принадлежали к той же этнической группе.
Романтическое представление об империи кельтов - искусных мастерах,
обожающих своих лошадей; старых и мудрых друидах; перебирающих струны арфы поэтах;
свирепых бородатых воинах, - все это продукт так называемой "эпохи кельтского
Возрождения", которая началась в конце XVIII века. И имеет гораздо большее
отношение к современному ирландскому, уэльскому и шотландскому национализму,
чем к исторической действительности.
Кто был первым человеком, совершившим кругосветное плавание?
Черный Генри.
Имя, не известное практически никому. Энрике де Малака был рабом и
переводчиком Фердинанда Магеллана.
Сам Магеллан свое кругосветное путешествие так и не завершил43. В 1521 году
он был убит на Филиппинах, когда находился всего лишь на полпути к цели.
Магеллан впервые посетил Восточную Азию в 1511 году, приплыв туда из
Португалии через Индийский океан. Там-то он и нашел Черного Генри. Магеллан купил
его в Малайзии на рынке рабов, а потом забрал с собой в Лиссабон, вернувшись
обратно тем же самым путем.
Во всех последующих путешествиях Генри неизменно сопровождал своего хозяина
- включая попытку кругосветного плавания, в которое Магеллан отправился в
1519 году. На этот раз каравеллы шли в противоположную сторону - через
Атлантический и Тихий океаны, - так что, когда экспедиция достигла Восточной Азии
в 1521 году, Генри стал первым в истории человеком, полностью обогнувшим
земной шар.
Никто не Знает, откуда Черный Генри родом, - вероятно, его захватили и
продали в рабство еще ребенком пираты с Суматры, - но когда он прибыл на
Филиппины, то с удивлением обнаружил, что местные жители говорят на его родном
языке.
После гибели командира экспедиция продолжила путь, с успехом завершив
кругосветный поход под командованием заместителя Магеллана - Хуана Себастьяна
Элькано, баска по происхождению.
Правда, Черного Генри на корабле уже не было. Элькано отказался выполнить
обещание своего патрона, изложенное в его последней воле, - освободить Генри
из рабства, - так что Генри решил бежать, и больше его никто никогда не
видел.
Таким образом, Хуан Себастьян Элькано стал первым в истории человеком, обо-
Фердинанд Магеллан (1480-1521) - португальский исследователь и мореплаватель. В 1517 г.
предложил свои услуги испанскому королю, убедив его, что "Острова пряностей" должны
принадлежать Испании, а достичь их целесообразнее Западным путем, чтобы не возбуждать подозрений у
португальцев. В 1519 г. Магеллан на пяти каравеллах отплыл от берегов Испании, пересек
Атлантический океан и обогнул Южную Америку, пройдя через пролив, ныне носящий его имя. В 1521
г. флотилия подошла к неизвестным островам, позднее названным Филиппинами. Вскоре Магеллан
был убит в стычке с местными жителями на о-ве Себу. Оставшиеся в живых члены команды бежали
на Молуккские о-ва, а Затем на единственном уцелевшем корабле вернулись в Испанию, обогнув
Африку и Завершив, таким образом, первое кругосветное путешествие.
гнувшим земной шар за одно плавание.
Он вернулся в Севилью в сентябре 1522-го. Четырьмя годами ранее в море
отправилось пять каравелл, но добраться до дома смогла лишь одна "Виктория".
Судно ломилось от специй, однако из 264 человек, первоначально ушедших в
кругосветное путешествие с Фердинандом Магелланом, в живых осталось лишь
восемнадцать : цинга, недоедание и стычки с туземцами расправились с остальными.
Испанский король пожаловал Элькано герб с изображением земного шара и
девизом: "Ты первый проплыл вокруг меня".
В наше время Черный Генри считается национальным героем у нескольких юго-
восточных народов.
Кто первым объявил, что Земля вращается вокруг Солнца?
Аристарх Самосский, родившийся в 310 году до н.э. - За 1800 лет до Николая
Коперника.
Аристарх не только был первым, кто заявил, что Земля вращается вокруг
неподвижного Солнца, - он также рассчитал относительные размеры и расстояния
между Землей, Солнцем и Луной и определил, что небо не сфера, но Вселенная
практически бесконечных размеров. Однако идеи его так и остались без
внимания .
При жизни Аристарх был известен скорее как математик, чем астроном. Мы мало
что знаем о нем лично, кроме того, что учился он в Александрийском лицее и
впоследствии был упомянут римским архитектором Витрувием44 как человек,
"осведомленный во всех областях науки". Аристарх также изобрел полукруглые
солнечные часы.
До наших дней сохранился лишь один из его трудов - "О размерах и
расстояниях Солнца и Луны". К сожалению, теория Аристарха о солнечном центре в нем не
упоминается. А известно нам обо всем этом по одной-единственной ремарке в
текстах Аристотеля, где умозаключения Аристарха упоминаются лишь для того,
чтобы с ними не согласиться.
Конечно же, Коперник знал об Аристархе Самосском, недаром он отдает ему
долг в эпохальном для своего времени труде "Об обращениях небесных сфер".
Однако, когда в 1514-м книгу напечатали, все упоминания о дальновидном греке
были тщательно вымараны из текста, - вероятно, издатель попросту побоялся,
что они могут подорвать претензии книги на оригинальность.
Кто вывел знаменитую теорию относительности?
Нет, это был не Эйнштейн. Теория относительности была впервые изложена Га-
лилео Галилеем в его "Диалоге о двух главнейших системах мира" в 1632 году.
Чтобы понять теорию относительности, первым делом нужно понять теорию,
которую она собой заменила. Речь идет о теории "абсолютного покоя",
постулированной Аристотелем в IV веке до н.э. Согласно версии Аристотеля, покой
является естественным состоянием любого тела, и, предоставленное само себе, тело
непременно вернется в это естественное состояние.
Теория же относительности утверждает, что все тела находятся в движении
относительно друг друга и что определение тела как находящегося "в покое" суть
чистая условность. Отсюда следует, что скорость того или иного тела нельзя
выразить как абсолютную - только как "относительную" чему-то другому.
Итальянский астроном и философ Галилео Галилей был также одним из основопо-
Марк Витрувий Поллио (жил в I в. до н.э.) - римский архитектор и инженер, известный в
основном благодаря своему трактату "Десять книг об архитектуре". Его книга - единственная из
сохранившихся до наших дней работ по архитектуре, написанных в Римской империи.
ложников современной физики. Он более всего известен как человек,
поддержавший теорию Коперника (или Аристарха) о том, что Земля вращается вокруг
Солнца .
Католическая церковь посчитала гипотезу еретической и подвергла ученого
суду инквизиции. Однако Галилей вовсе не сгнил в кишащем крысами каземате за
свои принципы. Срок заключения он отбывал в роскошном доме архиепископа
Сиенского, после чего Галилею разрешили вернуться под комфортабельный домашний
арест на свою виллу недалеко от Флоренции. Лишь в 1992 году Церковь
официально признала, что как бы ошиблась насчет Галилея, и взгляды ученого на
строение Солнечной системы были все-таки верными.
В данном вопросе Галилей действительно оказался прав, но даже такой
человек, как он, отнюдь не был застрахован от ошибок. Так, любимым аргументом
Галилея, подтверждавшим вращение Земли, было то, что именно такое движение
вызывает приливы и отливы. Галилей заметил, что Средиземное море гораздо больше
подвержено действию приливов, чем Красное, и приписал это "плесканию" воды,
вызванному вращением Земли, действие которого, по его словам, сильнее в
случае Средиземного моря, поскольку оно ориентировано с востока на запад.
Доводы Галилея были напрочь опровергнуты показаниями непосредственных
очевидцев - моряков, утверждавших, что приливы и отливы происходят по два раза в
день, а не один, как предполагал Галилей. Ученый отказался поверить в
"подобную чушь".
Альберт Эйнштейн понимал, что Галилей допустил ошибку и в своей теории
относительности, - точнее, что теория "разваливалась" в исключительных
обстоятельствах .
В работе Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел", опубликованной в
1905 году, речь впервые шла о "специальной теории относительности", которая
описывала необычные свойства частиц, движущихся в вакууме со скоростью,
близкой к скорости света.
"Общая теория относительности", накладывающая принципы специальной теории
на крупномасштабные явления вроде силы тяготения, увидела свет десятью годами
позднее - в 1915 году.
Какой формы была Земля в представлении Колумба?
а) Плоская.
б) Круглая.
в) Грушевидная.
г) Сплюснутая сфера.
Сам Колумб никогда не утверждал, что Земля круглая, - он считал ее
грушевидной , размером примерно в четверть реального.
Несмотря на все, что говорилось потом, целью путешествия Колумба в 14 92
году было не открытие нового континента: Колумб отправился в плавание с целью
доказать, что Азия гораздо ближе, чем все предполагали. И оказался не прав.
На самом деле нога Колумба никогда не ступала на землю Американского
континента - самое близкое, до чего ему удалось добраться, были Багамы (вероятно,
маленький островок Плана-Ки), - но мореплаватель заставил свою команду
поклясться, что если их спросят, все подтвердят, что достигли берегов Индии.
Христофор Колумб умер в испанском городе Вальядолид в 1506 году, до последнего
дня пребывая в уверенности, что доплыл до Азии.
Просто поразительно, до чего разнятся дошедшие до нас сведения о Колумбе
как человеке. Большинство свидетельств указывает на то, что он был сыном
генуэзского ткача Доменико Колумбо, однако в остальной биографии будущего
первооткрывателя так много противоречий, что его с тем же успехом можно назвать
сефардийским евреем, испанцем, корсиканцем, португальцем, каталонцем и даже
греком. Родным языком Колумба был генуэзский (не итальянский) диалект, читать
и писать он учился на испанском (с заметным португальским акцентом) и латыни,
а свой тайный дневник Колумб вел на греческом языке.
Мы не знаем, как выглядел Колумб - не сохранилось ни одного прижизненного
портрета, - но сын его утверждал, что до тридцати лет отец был светловолосым,
после чего его шевелюра полностью поседела.
Мы не знаем даже, где погребен великий мореплаватель. Известно лишь, что
после смерти с тела Колумба удалили плоть (так было принято в XVI веке для
сильных мира сего), а кости предали земле сначала в Вальядолиде, затем - в
монастыре Куэвас, затем - в Санта-Доминго (Куба), затем - в Гаване и, наконец
(опять же, предположительно), вернули назад в Испанию, торжественно похоронив
под монументальным надгробием в Севильском кафедральном соборе.
Тем не менее, в Санта-Доминго до сих пор стоит саркофаг с именем Колумба, а
итальянские Генуя и Павия наперебой претендуют на то, что именно в их городе
покоятся останки знаменитого первопроходца. В настоящее время проводятся
тесты на ДНК, и все-таки место последнего упокоения Колумба - или Колумбо, или
Колона (как он сам предпочитал себя называть), - вероятно, останется таким же
спорным, как и вся жизнь и достижения этого великого человека.
Какой формы была Земля в представлении людей Средневековья?
Не такой, как вы думаете.
Примерно с IV века до н.э. практически никто уже не считал Землю плоской.
Хотя если бы вам действительно потребовалось показать Землю в виде плоского
диска, у вас получилось бы нечто похожее на нынешний флаг ООН.
Вообще говоря, миф о плоской Земле возник в XIX веке. Виной тому -
полухудожественный роман Вашингтона Ирвинга "Жизнь и путешествия Христофора
Колумба" (1828), где автор ошибочно написал, что Колумб отправился в свое
знаменитое путешествие, чтобы доказать, что Земля - круглая, а не плоская, как якобы
считалось в то время.
Всерьез идея о плоской Земле была впервые озвучена в 1838 году
эксцентричным чудаком-англичанином по имени Сэмюэл Бёрли Роуботам, опубликовавшим 16-
страничный труд под названием "Цететическая астрономия: описание некоторых
экспериментов, доказывающих, что морская поверхность - идеальная плоскость, а
Земля не шар". (Слово "цететический" происходит от греческого zetein -
"искать , выяснять".)
Чуть более века спустя член Королевского астрономического общества и верный
христианин Сэмюэл Шентон преобразовал "Всемирное Цететическое общество" в
"Международное общество сторонников теории плоского строения Земли".
По идее, вопрос этот раз и навсегда должна была похоронить космическая
программа НАСА 1960-х годов, кульминацией которой стала высадка на Луну. Однако
Шентона это ничуть не смутило. Проглядев снимки земного шара, сделанные из
космоса, Шентон прокомментировал так: "Эти космонавты большие хитрецы. Зачем-
то им понадобилось, чтобы люди верили в то, что Земля круглая. Потому они так
безбожно и фальсифицируют фотографии". А лунная посадка "Аполлона", по его
мнению, являлась не чем иным, как тщательной мистификацией Голливуда,
срежиссированной по сценарию Артура Кларка. Число членов Общества взлетело до
небес .
Шентон умер в 1971 году, успев, однако, назначить преемника на пост
президента Общества. Бразды правления Шентон передал чудаковатому, но жутко хариз-
матичному Чарльзу К. Джонсону, который поставил перед собой цель собрать под
знаменами Общества всех, кто готов присоединиться к героическому движению
"Против Большой Науки". К концу 1990-х число членов Общества достигло 3500.
Джонсон, который жил и работал в пустыне Мохаве, был убежден, что мир, в
котором мы живем, - это плоский диск с Северным полюсом в центре, окруженный
сплошной 45-метровой стеной льда. Солнце и Луна - по 52 км в диаметре, а до
звезд от Земли "так же далеко, как от Сан-Франциско до Бостона".
В 1995-м пустынное убежище Джонсона сгорело дотла, а вместе с ним все
архивы и списки членов. Чарльз К. Джонсон умер в 2001 году, когда в Обществе
осталось лишь несколько сотен человек. На сегодняшний день Общество существует
в виде веб-форума, www.theflatearthsociety.org, и насчитывает около 800
зарегистрированных пользователей.
Кто первым обнаружил, что Земля круглая?
Можете не стараться. Первыми до этого додумались пчелы.
За годы эволюции у пчел выработался свой собственный замысловатый язык, с
помощью которого они сообщают друг другу места, где находится самый лучший
нектар. При этом в качестве ориентира пчела использует солнце. Более всего
поражает то, как пчелы чувствуют ориентир даже в ненастный день и в ночное
время, определяя положение солнца на противоположной стороне земного шара. А
это означает, что пчела способна учиться и хранить информацию, несмотря на то
что мозг ее меньше нашего в 1,5 млн. раз.
В мозге пчелы примерно 950 тысяч нейронов. В человеческом их от 100 до 200
миллиардов.
Пчелы обладают своеобразной внутренней "картой" перемещения солнца все
двадцать четыре часа в сутки и могут оперативно корректировать ее под окружающие
условия: решение, куда лететь, принимается в течение пяти секунд.
Кроме того, пчелы гораздо чувствительнее к магнитному полю Земли, чем любое
другое существо. Эта способность используется ими для навигации и при
изготовлении ячеистых сот в ульях. Если рядом с еще недостроенным ульем поместить
сильный магнит, результатом станут причудливые соты цилиндрической формы, не
похожие ни на что иное в природе.
Температура в пчелином улье примерно такая же, как у тела человека.
Эволюция пчел происходила 150 млн. лет назад, в меловой период, - примерно
в то же самое время, что и у цветковых растений. Семейство пчел медоносных,
Apis, появилось не ранее 25 млн. лет назад. На самом деле это одна из
разновидностей травоядной осы.
Пчелы чувствуют запах своими усиками. Царица, или пчелиная матка, испускает
особый гормон, называемый "маточное вещество", который подавляет половую
деятельность рабочих особей.
Для того чтобы приготовить чайную ложку меда, двенадцать пчел должны
трудиться всю жизнь. За один рейс пчела преодолевает до 12 км - и так семь раз
на дню. Чтобы собрать полкило меда, пчеле пришлось бы пролететь около 75 тыс.
километров, то есть обогнуть Землю практически дважды.
Зачем пчелы жужжат?
Для общения.
Пчелы используют жужжание - равно как и движение, или "танец", - для
передачи информации. Ученые выделили десяток отчетливых звуков, издаваемых
пчелами, часть из которых напрямую связана с конкретными видами пчелиной
деятельности .
Наиболее явной из областей применения является "обдувка". Она служит для
охлаждения улья. Звук этот громкий и ровный, примерно 250 колебаний в
секунду, - к тому же он усиливается самим ульем. Громкость жужжания возрастает и
когда надо передать сигнал об опасности (любой, кто приблизится к улью, не-
пременно заметит изменение в тоне). Когда опасность миновала, следует серия
всплесков с интенсивностью 500 колебаний в секунду - это означает, что "все
чисто", и улей утихомиривается.
Особенно богат звуковой диапазон у пчелиной матки. Когда проклевывается
новая матка, она издает очень высокий стрекот, напоминающий писк рожка. Ее
сестры (все еще скрючившиеся в своих ячейках) отвечают на зов особого рода
"карканьем". С их стороны это большая ошибка: царица в улье может быть только
одна. Используя "карканья" в качестве ориентира, вылупившаяся матка обходит
конкуренток по очереди, разрывает их ячейки и либо жалит соперниц насмерть,
либо отрывает им головы.
Слышат пчелы лапками: все звуковые "сообщения" в улье передаются путем
вибрации разной интенсивности. Однако самые последние исследования показывают,
что кроме выполнения функции химических рецепторов, необходимых для
"обоняния", усики пчелы могут также использоваться в качестве "ушей". Как
выяснилось, пчелиные усики сплошь покрыты крошечными пластинками, похожими на
барабанные перепонки. Это объясняет, почему рабочие пчелы касаются грудки
танцующей пчелы-разведчицы усиками, вместо того чтобы "вилять" брюшком во время так
называемого "виляющего танца": они скорее слушают инструкции о направлении, в
котором находится источник нектара, чем видят их. Тем более что в улье темно.
Вопрос о том, чем пчела жужжит, - гораздо более спорный. До недавнего
времени основной версией считалась следующая: пчела использует четырнадцать
дыхательных отверстий (так называемых "дыхальцев"), расположенных у нее по
бокам, - примерно так, как трубач управляет звуком своего инструмента с помощью
губ.
Тем не менее, совсем недавно была выдвинута новая гипотеза, которая говорит
о том, что жужжание отчасти вызывается вибрацией пчелиных крылышек, слегка
усиливаемой грудкой пчелы. Если обстричь крылышки, жужжание не прекратится,
но его тембр и интенсивность заметно изменятся.
Чей мозг самый крупный по сравнению с размерами тела?
а) Слоновий.
б) Дельфиний.
в) Муравьиный.
г) Человеческий.
Муравьиный.
Мозг муравья - это примерно 6% от общего веса тела насекомого. Если
применить те же пропорции к голове человека, она станет в три раза больше, и мы с
вами будем походить на каких-нибудь кибер-мутантов.
Средний человеческий мозг весит 1,6 кг, что составляет чуть более 2% от
веса нашего тела. Муравьиный мозг весит приблизительно 0,3 мг. Несмотря на то,
что число нейронов в мозге муравья представляет собой лишь крошечную долю тех
нейронов, что содержатся в мозге человека, колония муравьев - это настоящий
сверхорганизм. Среднего размера муравейник из 40 тысяч особей обладает
примерно таким же количеством мозговых клеток, что и человек.
Муравьи появились 130 млн. лет назад, и, пока мы тут с вами умничаем, по
земле рыщет что-то около 10 000 триллионов этих насекомых. Общая масса всех
муравьев на планете чуть больше, чем общая масса людей.
На сегодняшний день известно примерно 8000 видов муравьев. Муравьи
составляют 1% всех насекомых планеты. Общее же число насекомых в мире оценивается
цифрой в один квинтиллион (или 1 000 000 000 000 000 000).
Муравей спит лишь несколько минут в день и может выдержать под водой
девятнадцать суток. Лесной рыжий муравей способен обходиться без головы целых два-
дцать четыре дня. Однако в одиночку, вне колонии муравей жить не может - хоть
с головой, хоть без.
Судя по всему, муравьи обладают фотографической памятью, которая помогает
им ориентироваться в пространстве. Они как бы делают снимки бросающихся в
глаза объектов окружающей местности. Ученые до сих пор не понимают, как
крошечный мозг муравья может хранить столько информации.
Муравьи не сильнее людей. И хотя муравей действительно способен поднять
груз, во много раз превышающий его собственный вес, это лишь потому, что он
маленький. Чем мельче животное, тем сильнее его мышцы по отношению к массе
тела. Будь люди того же размера, что муравьи, они были бы точно такими же
сильными.
Какой процент нашего мозга мы используем?
100%.
Или 3%.
Принято считать, что человек использует лишь 10% своего мозга. Что
неизменно приводит к дискуссиям насчет того, чего добился бы каждый из нас, сумей он
пустить в ход оставшиеся 90%.
На самом деле в тот или иной момент времени человек задействует весь свой
мозг. С другой стороны, недавно опубликованная работа Питера Пенни из Центра
невральных наук при Нью-Йоркском университете указывает, что в идеале
человеческий мозг не должен "выстреливать" более чем тремя процентами нейронов
одновременно - в противном случае энергия, необходимая для "перезарядки"
каждого из нейронов после "залпа", оказывается настолько мощной, что наш мозг
просто не в состоянии с ней справиться.
Центральная нервная система человека состоит из спинного и головного мозга
и представлена двумя видами клеток: нейронами и клетками глии.
Нейроны - основные процессоры информации: они принимают входные сигналы и
отправляют сигналы выходные. Входной сигнал поступает в нейрон через
напоминающие ветки деревьев дендриты; выходной сигнал отсылается по похожим на
кабели аксонам.
В каждом нейроне содержится до 10 000 дендритов, но только один аксон.
Аксон может быть в тысячи раз длиннее крошечного тела клетки нейрона. Самые
длинные аксоны - у жирафов: длина их может достигать 4,5 м.
Область контакта между аксонами и дендритами называется синапсом. Именно
там электрические импульсы превращаются в химические сигналы. Синапсы - это
что-то вроде тумблеров, соединяющих нейроны между собой и превращающих наш
мозг во взаимосвязанную сеть.
Глиальные клетки, или глиоциты, обеспечивают каркасную конструкцию мозга:
они управляют нейронами и выступают в роли мозговых уборщиц, "выметая" мусор
после отмирания нейронов. Глиоцитов в мозге человека в пятьдесят раз больше,
чем нейронов.
Всего же в одном человеческом мозге содержится пять миллионов километров
аксонов, один квадриллион (1 000 000 000 000 000) синапсов и до 200
миллиардов нейронов. Если бы нейроны можно было расставить бок о бок, они заняли бы
площадь в 25 тыс. кв. м, или четыре футбольных поля. Количество способов, с
помощью которых в мозгу человека происходит обмен информацией, больше, чем во
Вселенной атомов. С таким поразительным потенциалом - неважно, какой процент
мозга мы с вами используем, - от всех нас, без сомнения, могло быть хоть
чуть-чуть больше толку.
Какого цвета ваш мозг?
Пока вы живы, он розовый. Цвет идет от кровеносных сосудов. Без свежей,
насыщенной кислородом крови (как в случае, когда мозг извлечен из черепа)
человеческий мозг становится серым.
Чтобы запутать вас еще больше: живой мозг примерно на 40% состоит из так
называемого "серого вещества" и на 60% - из "белого вещества". Оба эти
термина не являются точным описанием цвета, который мы с вами видим, но,
разрезанные на тонкие полоски, белое и серое вещество в сечении представляют собой
два абсолютно разных типа мозговой ткани.
Используя мозговое сканирование, мы только начинаем понимать, какую функцию
выполняет каждое из них. Серое вещество содержит те клетки, где происходит
фактическая "обработка" информации. При этом потребляется примерно 94% всего
кислорода, что используется нашим мозгом.
Белое вещество - это жировой протеин (так называемый миелин), который
играет роль изолирующей оболочки для торчащих из мозговых клеток дендритов и
аксонов . Иными словами, это коммуникационная сеть мозга, связывающая различные
части серого вещества, а также само серое вещество со всем остальным
организмом.
Весьма подходящая аналогия - знакомый нам всем компьютер, где серое
вещество - процессор, а белое - электропроводка. А то, что мы зовем интеллектом,
требует совместной работы того и другого, причем на высокой скорости.
Ну вот, а теперь самое интересное. Не так давно в университетах Калифорнии
и Нью-Мексико провели забавный эксперимент: ученые просканировали мозги
группы мужчин и женщин с абсолютно одинаковым коэффициентом умственного развития
(IQ). Результат получился поистине потрясающим: оказывается, в мозге мужчин в
шесть с половиной раз больше серого вещества, чем у женщин; зато у женщин
почти в десять раз больше вещества белого.
Причем женское белое вещество в основном сосредоточено в лобных долях,
тогда как у мужчин его там не оказалось вообще. И это очень существенный факт:
ведь именно лобным долям, как считают ученые, принадлежит ключевая роль в
управлении эмоциями, формировании определяющих личность особенностей
характера и рассудительности.
Таким образом, получается, что все эти замысловатые теории насчет тендерных
различий из серии "мужчины с Марса, женщины с Венеры" вполне могут обрести
психологическую подоплеку. Очень похоже, что мужской и женский мозг
действительно подключены и сконфигурированы по-разному. Результат на выходе
(интеллект) тот же, но то, как он достигается, различается довольно сильно.
Как алкоголь воздействует на клетки мозга?
Хорошая новость. Алкоголь не "убивает" клетки мозга. Он лишь мешает новым
клеткам быстро расти.
Идея, что алкоголь якобы разрушает наш мозг, родилась в начале XIX столетия
благодаря сторонникам трезвости, требовавшим запрета на все спиртные напитки
без исключения. Ни один научный факт данную теорию не подтвердил.
Образцы, взятые у людей пьющих и трезвенников, не показали никакой
существенной разницы - как в плане общего количества нейронов, так и с точки зрения
плотности их размещения. Множество прочих исследований как раз говорит о том,
что выпивка в умеренных дозах может повышать способность к познанию. Так,
эксперимент, проведенный в Швеции, показал, что у мышей, которым давали
алкоголь, мозговых клеток выросло больше, чем у мышей, лишенных этого
удовольствия .
Злоупотребление алкоголем действительно ведет к серьезным последствиям, в
том числе и для мозга, однако нет никаких свидетельств того, что все эти
проблемы как-то связаны с отмиранием мозговых клеток, - вероятнее всего,
алкоголь просто вмешивается в рабочие мозговые процессы.
Причина похмелья - сжатие мозга в результате обезвоживания, когда наш мозг
вынужден стягивать свою собственную защитную оболочку. Болит именно оболочка.
Сам мозг не чувствует ничего - даже если воткнуть в него нож.
Продольный желобок между верхней губой и носом, названия которого никто
никогда не знает, на самом деле называется фильтром. Именно благодаря фильтру
мы можем пить пиво прямо из бутылки, запуская внутрь воздух.
Если бы вам пришлось открывать банку с пивом в условиях невесомости, вся
жидкость моментально вылилась бы наружу и плавала вокруг вас в виде мелких
сферических капелек.
Не так давно астрономы обнаружили огромный запас алкоголя в нашем районе
Млечного Пути. Это гигантское облако метанола - 4 63 миллиарда км в
поперечнике. И хотя алкоголь, который нам с вами так по душе, представляет собой
хлебный спирт (известный также как спирт этиловый, или этанол), а метанол -
сплошная отрава, открытие ученых некоторым образом подкрепляет известную
теорию о том, что Вселенная создана для того, чтобы мы ее пили.
Что пьют дельфины?
Дельфины не пьют вообще.
Дельфин - как животное в пустыне без доступа к пресной воде. Жидкость он
получает из пищи (состоящей по большей части из кальмаров и рыбы), а также
сжигая жиры в своем теле, в результате чего выделяется вода.
Дельфины - те же киты; самым крупным представителем семейства дельфиновых
является хищная касатка, которую еще принято называть "кит-убийца" (killer
whale). Интересно, что английское название - это обратная перестановка
первоначального испанского asesina-ballenas, означающего "убийца китов" (whale
killer). А назвали их так потому, что стаи касаток частенько нападают на
более крупных китов и убивают их.
Не поспособствовал репутации касаток и Плиний Старший. По словам римского
историка, касатку "нельзя ни обрисовать, ни описать должным образом, кроме
как некую огромную тушу, вооруженную не знающими пощады зубами".
Во рту дельфина имеется до 230 зубов - больше, чем у любого другого
млекопитающего. Несмотря на это обстоятельство, рыбу дельфин заглатывает целиком.
Зубы нужны ему исключительно для того, чтобы схватить добычу.
Спят дельфины весьма необычно: на время сна они отключают одну половину
мозга и противоположный глаз. Другая же половина мозга при этом бодрствует, а
второй глаз остается начеку на случай появления хищников или препятствий, не
забывая давать дельфину команды вовремя подниматься к поверхности, чтобы
глотнуть воздуха. Спустя два часа стороны меняются местами. Такая процедура
называется "логгинг" ("logging").
Дельфины работают на военный флот США еще со времен войны во Вьетнаме, где
они честно исполняли свой долг. В настоящее время в Военно-морских силах США
служат около ста дельфинов и три десятка прочих морских млекопитающих. Совсем
недавно шесть морских львов сивучей были прикомандированы к американскому
военному контингенту в Ираке, где и несут службу.
После урагана "Катрина" прошел слух, будто в результате на свободе
оказались тридцать шесть специально тренированных на атаку дельфинов ВМФ США,
вооруженных особыми токсическими дротиками. Вся эта история представляется нам
очередной "уткой", не говоря уже о том, что "боевых" дельфинов не тренируют
для нападения - исключительно для поиска объектов.
Что не стоит пить при обезвоживании организма?
Алкоголь - можно. Точно так же, как чай и кофе.
В сущности, гидратации поможет любая жидкость, хотя от морской воды все же
стоит держаться подальше.
Непонятно, откуда взялась эта странная мысль, будто к обезвоживанию
приводит любая жидкость, кроме воды. Никакой научной основы под таким утверждением
нет. Будучи диуретиком (то есть мочегонным), кофеин действительно приводит к
потере влаги - однако лишь малой доле того, что вы добавляете в организм,
выпивая чашечку кофе. В плане замещения жидкости у детей одинаково хорошо все -
будь то чай, кофе, молоко или лимонад.
Рон Моан, профессор кафедры физиологии человека из медицинского колледжа
при Университете Абердина, занимаясь изучением воздействия алкоголя (тоже,
кстати, считающегося диуретиком) на человеческий организм, установил, что в
умеренных дозах алкоголь практически не влияет на состояние жидкостного
баланса среднего человека.
Результаты его исследований, опубликованные в "Журнале прикладной
физиологии", показывают, что спиртные напитки с содержанием алкоголя менее 4%
(например, слабое или светлое пиво) можно спокойно употреблять для
предупреждения обезвоживания. Морская же вода, наоборот, является рвотным средством, так
что вас непременно вывернет наизнанку, если вы решите бороться с
обезвоживанием с ее помощью. Но если вам все же удастся пересилить себя и проглотить
хоть чуть-чуть, вся содержащаяся в клетках вашего организма влага, следуя
закону осмоса, устремится к этой высококонцентрированной соленой жидкости,
чтобы ее разбавить.
В результате ваши клетки лишатся воды, а в особо тяжелых случаях это может
даже привести к спазмам, нарушению мозговой деятельности, а также печеночной
и почечной недостаточности.
Как был изобретен тефлон?
Несмотря на упорные заверения в обратном, тефлон появился не как побочный
продукт космической программы. "Тефлон" - торговая марка политетрафторэтилена
(ПТФЭ), или фторполимерной смолы. Тефлон был открыт абсолютно случайно
доктором Роем Планкеттом в 1938 году. В коммерческую продажу он поступил в 194 6-м.
Экспериментируя с газами, относящимися к группе холодильных агентов, типа
фреона, Планкетт обнаружил, что оставленный под воздействием холода образец
за одну ночь превратился в воскообразное твердое тело беловатого цвета с
довольно интересными свойствами. Мало того, что материал обладал необычайно
скользкой поверхностью, он оказался поразительно стойким к воздействию
практически всех химикатов и растворителей, включая сильно разъедающие кислоты.
Работодатели Планкетта, компания "Дюпон", быстро нашли новому открытию
практическое применение - сначала в "Проекте Манхэттен" (кодовое название
программы по созданию ядерного оружия в 1942-1946 годах), а затем для
кухонной утвари.
Никто до настоящего времени так и не смог указать источник происхождения
мифа о "космонавтике" - кроме, пожалуй, того, что космическая программа
"Аполлон" во многом зависела от тефлона, применявшегося для изоляции кабелей.
К другим заблуждениям, связанным с тефлоном, относится миф, будто бы пули с
тефлоновым покрытием намного лучше пробивают бронежилеты, чем любые другие.
На самом деле задача тефлонового покрытия - уменьшить износ внутренней
поверхности оружейного ствола, что не имеет никакого отношения к эффективности
самой пули.
Тефлон действительно обладает минимальным коэффициентом трения по сравнению
с другими известными твердыми материалами - поэтому-то он так хорошо работает
в качестве антипригарного покрытия для кухонных сковородок.
Но если тефлон такой скользкий, как же его заставляют прилипать к
сковородке? Процесс требует предварительной пескоструйной обработки, в результате
чего на поверхности сковороды образуется множество мелких царапин, на которые
тонким слоем распыляется жидкий тефлон. Все это сушится под воздействием
высоких температур, тефлон застывает и надежно схватывается. Затем его
покрывают специальным герметиком и подвергают повторной термообработке.
Сколько длятся сутки?
Зависит от обстоятельств.
Сутки - это период времени, за который Земля совершает один поворот вокруг
своей оси. И он никогда не бывает ровно двадцать четыре часа.
Поразительно, но данный показатель может колебаться в ту или другую сторону
на целых пятьдесят секунд! Это потому, что скорость вращения Земли все время
меняется - из-за трения, вызываемого синоптическими ситуациями,
приливами/отливами и геологическими событиями.
В среднем за год сутки на долю секунды короче, чем двадцать четыре часа.
Когда эти расхождения выявили с помощью атомных часов, было принято решение
переопределить секунду как фиксированную долю "солнечных" суток, - точнее,
миллионшестьсот-сорокатысячную.
Новая секунда вошла в обиход в 1967 году и определена как "интервал
времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между
двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при
отсутствии возмущения внешними полями". Точнее не скажешь - только уж больно муторно
выговаривать все это в конце долгого дня.
Новое определение секунды означает, что солнечные сутки постепенно
сдвигаются по отношению к атомным. В результате ученым пришлось вводить в атомный
год так называемую "високосную секунду" (или "секунду координации"), с тем,
чтобы согласовать атомный год с солнечным.
Последний раз "високосная секунда" (уже седьмая с момента, когда в 1972
году учредили Универсальное координированное время - UTC) была добавлена 31
декабря 2005 года по указанию Международной службы оценки параметров вращения и
координат Земли, базирующейся в Парижской обсерватории.
Хорошая новость для астрономов и тех из нас, кто любит, когда часы идут в
ногу с движением Земли вокруг Солнца, но головная боль для компьютерных
программ и всей той аппаратуры, что стоит на космических спутниках.
Идея ввода "високосной секунды" встретила решительный отпор со стороны
Международного союза телекоммуникаций, который даже внес официальное предложение
полностью отменить ее к декабрю 2007 года.
Возможен, конечно, компромисс: дождаться, пока разница между Универсальным
координированным временем (UTC) и Средним временем по Гринвичу (GMT)
достигнет ровно часа (где-то через 400 лет) и уже тогда привести все в порядок. Ну
а пока дебаты вокруг того, что считать "реальным" временем, продолжаются.
Какое животное самое длинное?
Не голубой кит. Уж простите.
И не волосистая медуза цианея.
Правильный ответ: ленточный червь, он же Lineus longissimus. Этот червячок
может достигать в длину шестидесяти метров, что в два раза длиннее голубого
кита и на треть длиннее самой длинной волосистой медузы, предыдущего
рекордсмена .
Ленточного червя можно разложить от одного конца олимпийского бассейна до
другого - и еще останется чуток про запас.
Ленточные черви принадлежат к группе низших червей немертин (от греческого
Nemertes, "морская нимфа"). На сегодняшний день известно более тысячи видов,
большинство из которых - морские. Они длинные и тонкие: даже самый длинный
ленточный червь может быть всего пару миллиметров в диаметре.
Многие источники утверждают, что ленточный червь достигает всего 30 м, а
значит, никак не дотягивает до волосистой медузы. Однако самая свежая
информация говорит о необычайной способности ленточных червей вытягиваться в
длину. Так, в нескольких случаях были зафиксированы экземпляры, чья длина "в
полный рост" составляла более 50 м.
Судя по возрасту ископаемых останков, ленточный червь живет на Земле, по
меньшей мере, 500 млн. лет.
У ленточных червей нет сердца - кровь перекачивается мышцами, - и они самые
простые из всех организмов, у кого рот и анус - две разные вещи.
Ленточные черви - настоящие хищники, причем крайне прожорливые. Чтобы
пронзить и "оглушить" жертву (крошечных ракообразных), ленточный червь
выстреливает длинной и тонкой трубочкой - липкой или снабженной крошечными ядовитыми
крючками. Такая трубка может быть в три раза длиннее тела самого червя.
Большинство ленточных червей сливаются с мраком океанских глубин, но
некоторые , наоборот, расцвечены очень ярко.
Немертины способны полностью восстанавливаться, если их повредить. А кое-
кто из ленточных червей размножается путем деления на мелкие части, каждая из
которых впоследствии вырастает в нового червяка.
Какое из океанских существ самое шумное?
Креветка.
И хотя самый громкий звук из всех отдельно взятых животных в воде и на суше
издает голубой кит, самый громкий естественный шум в природе производят
именно креветки.
Шум "слоя креветок" - единственный из всех естественных шумов, способный
"ослепить" сонар подводной лодки, оглушив акустика сквозь наушники.
Находясь под креветочным слоем, гидроакустик не слышит, что происходит над
ним, и наоборот. Слышимость из-под слоя креветок можно обеспечить лишь одним
способом: поднять сквозь него мачту.
Уровень шума, производимого скопищем креветок, доходит до оглушительных 246
децибел. Даже с учетом того, что звук в воде распространяется быстрее, он
приравнивается к 160 децибелам в воздухе - гораздо громче, чем шум при взлете
реактивного самолета (140 дБ) или порог болевой чувствительности человека.
Некоторые наблюдатели приводили следующее сравнение: это как если бы все
жители нашей планеты одновременно взялись жарить на сковородке бекон.
Источником сплошного шума являются триллионы креветок, одновременно
щелкающие своей единственной "негабаритной" клешней. Щелкающие креветки,
представители разнообразных видов Alpheus и Synalpheus, встречаются в неглубоких водах
тропиков и субтропиков.
То, как все это происходит, даже более интересно, чем как это все звучит.
На видеосъемке, сделанной с частотой 40 000 кадров в секунду, хорошо видно,
что звук возникает через 700 микросекунд после того, как захлопывается
клешня. Оказывается, шум производит не щелчок клешни, а лопанье пузырька -
эффект, известный науке как "кавитация".
Как же все это выглядит? Маленький бугорок на одной стороне клешни входит в
углубление на другой ее стороне. Клешня закрывается так быстро, что из нее
выстреливает струйка воды. При этом скорость водяной струйки доходит до 100
км/ч - вполне достаточно для образования расширяющихся пузырьков водяного
пара. Когда вода замедляется и давление нормализуется, пузырьки разрываются,
производя сильное тепло (до 20 ООО °С), громкий хлопок и свет, - последнее
считается довольно редким явлением и называется "звуколюминесценцией", то
есть когда звук генерирует свет.
Креветки используют свой шум, чтобы оглушить добычу, а также для общения и
поиска половых партнеров. Помимо выведения из строя сонара, этот резкий и
интенсивный звук оставляет вмятины в гребных винтах кораблей.
Почему фламинго розовые?
Да потому что они едят много сине-зеленых водорослей.
Верно, фламинго едят и креветок, но цвет птицы идет именно от водорослей.
Несмотря на свое название, сине-зеленые водоросли могут быть красными,
фиолетовыми, коричневыми, желтыми и даже оранжевыми.
Фламинго получили свое имя за яркий цвет. Так же как и "огненный" танец
фламенко, имя этой красивой птицы происходит от латинского flamma, что
означает "огонь". Красно-белый флаг Перу раскрашен так в честь фламинго45.
Фламинго бывают четырех видов. Всем им не меньше десяти миллионов лет, и
когда-то они водились в Европе, Австралии и Америке. Сегодня фламинго можно
встретить в отдельных уголках Африки, Индии, Южной Америки и на юге Европы.
Все фламинго моногамны. Они несут по одному яйцу в год, откладывая его на
холмике земли или ила. Насиживают яйцо по очереди оба родителя, и оба же
выделяют из горла ярко-красное, высокопитательное "молоко", которым
вскармливают птенцов первые два месяца. Фламинго - один из двух видов птиц, "дающих
молоко"; вторым являются голуби. В неволе фламинго, даже не будучи сами
родителями , непроизвольно вырабатывают молоко, если слышат поблизости писк птенцов.
После того как птенцы покидают родительское гнездо, они переходят жить в
просторные "ясли". И хотя в таких местах может находиться до 30 ООО птиц
одновременно, юных фламинго кормят только их собственные родители, которые
узнают своих отпрысков по крику.
Фламинго едят, выгнув шею так, чтобы верхняя челюсть оказывалась внизу. В
отличие от других птиц, фламинго фильтруют пищу - точно так же поступают киты
и устрицы. Края их массивных, выгнутых вниз клювов оснащены мелкими роговыми
пластинками, которые процеживают взмученный грунт, задерживая лишь съедобную
его часть. Малый фламинго (Phoeniconaias minor) имеет такой плотный фильтр,
что способен задерживать планктон диаметром менее 0,05 мм. Язык фламинго
работает как насос, прокачивая воду сквозь клюв четыре раза в секунду.
Фламинго спят, стоя на одной ноге, причем спит только одна половина тела
(как у дельфинов), другая же всегда начеку.
Фламинго живут пятьдесят лет. Обитают они в озерах, не приспособленных для
жизни других животных, с высоким содержанием соли и соды, где вода непригодна
для питья и ничего не растет. Поэтому главные хищники для фламинго -
служители зоопарков.
Какого цвета пантера?
Такой штуки, как "пантера", просто не существует.
Согласно легенде, генерал Хосе де Сан-Мартин (1778-1850), один из руководителей Войны За
независимость испанских колоний в Латинской Америке, появившись в Перу в 1820 г., увидел
много фламинго. Приняв это За добрый Знак, он решил, что красный и белый должны стать
цветами Перуанского легиона, который он создал, чтобы освободить Перу. Белый цвет символизирует
мир, достоинство и прогресс, красный - войну и храбрость.
Само слово, вероятнее всего, происходит от санскритского pandarab,
"беловато-желтый", изначально применявшегося по отношению к тигру.
Древние греки заимствовали и адаптировали его в panthera, означавшее "всех
зверей". Причем использовалось оно для описания как реальных, так и
мифологических животных.
В средневековой геральдике пантеру изображали благородным многоцветным
зверем с умильной мордой.
Выражаясь языком науки, пантерами называют все четыре общеизвестных вида из
рода крупных животных семейства кошачьих.
Так, лев - это Panthera leo, тигр - Panthera tigris, леопард - Panthera
pardus, а ягуар - Panthera onca. Они единственные из кошек, кто умеет рычать.
Животные, которых большинство из нас считает пантерами, - на самом деле либо
черные леопарды (в Африке и Азии), либо черные ягуары (в Южной Америке).
Ни одно из животных не является полностью черным. При более близком
рассмотрении видно, что на их шкуре имеются едва заметные пятна. Это результат
генетической мутации, то есть черный пигмент в шерсти доминирует над
оранжевым.
Редкая "белая пантера" - это леопард-альбинос или ягуар-альбинос.
В США, когда люди говорят "пантера", они имеют в виду черную пуму. Несмотря
на множество неподтвержденных сведений и якобы наблюдений собственными
глазами , никто еще не поймал ни одного экземпляра.
Что заставляет животных различать красный цвет?
Миф о том, что красный цвет приводит быка в ярость, гуляет по свету как
минимум с 1580 года. Именно тогда известный в свое время романист и драматург
Джон Лили написал: "Тот, кто предстанет перед Слоном, не должен быть одет в
яркие цвета; равно как и тот, кто предстанет перед Быком, - в красное".
Хотим мы того или нет, но факт остается фактом: подобно крысам,
гиппопотамам, совам и муравьедам, быки не различают цвета. Бык бросается не на красное
- в бешенство его приводят угрожающие движения плаща матадора; цвет же лишь
служит в угоду толпе.
Собаки различают желтый и голубой, но не могут отличить красное от
зеленого. На светофоре собаки-поводыри решают, можно ли переходить улицу, слушая
шум транспортного потока. Отсюда и пикающие сигналы на современных пешеходных
переходах.
Совсем иное дело - цыпленок.
Работники птицеферм слишком хорошо знают, что происходит, когда цыпленок
"увидел красное". Стоит на одном из них появиться капельке крови, как
остальные тут же бросаются на беднягу и принимаются клевать точно одержимые.
Такое каннибальское поведение - если пустить его на самотек - может
приводить к массовому смертоубийству и стремительному снижению поголовья на
птицеферме .
Традиционное решение данной проблемы - подрезать цыплячьи клювы горячим
ножом: тупой клюв причиняет гораздо меньше ущерба. Однако в 1989-м компания
"Анималенс" предложила кардинально иной выход из ситуации: они запустили в
производство красные контактные линзы для куриц-несушек. Первые результаты
эксперимента казались обещающими: поскольку все вокруг стало красным, куры
меньше дрались и, коль скоро их активность значительно понизилась, меньше
ели, продолжая нести то же количество яиц.
Яйцепроизводящая индустрия дает очень небольшой процент прибыли - 1,6%.
Всего в США в то время было 250 миллионов несушек, из которых 150 миллионов
содержались на пятидесяти птицефермах. Красные контактные линзы обещали
тройной прирост прибыли.
К сожалению, процесс "надевания" контактных линз оказался чересчур
трудоемким и хлопотным. Лишенные доступа кислорода, куриные глаза быстро
деградировали , причиняя птицам страдание и боль. Под нажимом защитников прав животных
"Анималенс" пришлось отказаться от производства своей продукции.
Какого цвета морковь?
Морковь не проявляла своей оранжевой сути почти 5000 лет. Первое упоминание
об употреблении моркови человеком относится к 3000 году до н.э. В ту пору в
Афганистане морковь была багровой снаружи и желтой внутри.
Древние греки и римляне также выращивали сей овощ, но в основном в
лекарственных целях: морковь считалась сильным афродизиаком, усиливающим сексуальное
влечение.
Известный античный медик Гален46 настоятельно рекомендовал морковь в
качестве средства для выведения газов из организма. Он был первым, кто отделил
морковь от ее ближайшего родича - пастернака.
По мере того как арабы разносили семена по Азии, Африке и Аравийскому
полуострову, морковь расцветала разными оттенками багрового, белого, желтого,
красного, зеленого и даже черного.
Самую первую оранжевую морковь вырастили в Голландии в XVI столетии -
патриоты своей страны вывели сорт, подходящий по цвету голландскому королевскому
дому династии Оранж.
К XVII веку голландцы превратились в основных европейских производителей
моркови, и все нынешние разновидности этого овоща восходят к четырем
легендарным сортам: "ранний полудлинный", "поздний полудлинный", "скарлет" и
"длинный оранж".
В наши дни все чаще прослеживается мода на неоранжевую морковь. Сегодня в
магазинах можно встретить белые, желтые, темно-красные и багровые сорта. В
1997 году в Исландии вывели морковь со вкусом шоколада - как часть линии
"Прикольных овощей" ("Wacky Veg"), ориентированной специально на детвору.
По данным ООН, в 1903 году в мире выращивали 287 сортов моркови, но в наше
время их осталось всего 21 - спад в 93%.
Интересно, что некоторые из сортов этого овоща содержат протеин,
препятствующий росту кристаллов льда. Такой натуральный морковный "антифриз" можно
выделять и использовать для консервации человеческой ткани в медицинских
целях , а также для увеличения срока хранения замороженных пищевых продуктов.
Помогает ли морковь видеть в темноте?
Да, в общем-то, не особо.
Морковь является хорошим источником витамина А, недостаток которого может
приводить к ночной (или "куриной") слепоте, когда глаз адаптируется к темноте
очень медленно.
Внутренняя оболочка глаза (сетчатка) состоит из множества
светочувствительных клеток - так называемых палочек и колбочек. Колбочки отвечают за детали и
цвет, но для нормального функционирования нуждаются в большом количестве
света (как "малочувствительная" эмульсия). Палочки же цвет не различают вообще,
зато им требуется гораздо меньше света (как "высокочувствительной" эмульсии),
а потому для ночного зрения используются как раз они. Палочки содержат
светочувствительное вещество под названием родопсин, ключевым элементом которого
является витамин А.
Наиболее простой способ вылечить "куриную" слепоту - увеличить прием вита-
Клавдий Гален (129 или 131 - около 200) родился в Пергаме, в Малой Азии. Был хирургом в
школе гладиаторов, позже придворным лекарем у императора Марка Аврелия и у его сына
императора Коммода. Создал около 300 трудов по философии, медицине и фармакологии.
мина А, который чаще всего получают из каротина. Каротин содержится в
моркови, однако еще больше его в абрикосах, овощах с темными листьями (таких, как
шпинат) и чернике.
И все же улучшение нормального ночного зрения и исправление его недостатков
- две совершенно разные вещи. Поедание моркови в больших количествах не
поможет видеть в темноте лучше; единственный результат, которого вы добьетесь, -
это то, что ваша кожа станет оранжевой.
В годы Второй мировой войны английский ас капитан Джон Каннингэм (1917-
2002) получил кличку "Кошачий Глаз". Его 604-я эскадрилья воевала
исключительно по ночам. Британское правительство распустило слух, будто бы он видит
в темноте благодаря тому, что ест огромное количество моркови. Это была
намеренная дезинформация, призванная скрыть, что на самом деле "Кошачий Глаз"
Каннингэм испытывал новый (и совершенно секретный) бортовой радар.
Вряд ли немцы поверили в эту басню и тут же набросились на морковь, зато
она помогла убедить целое поколение английских детей есть овощ, поставки
которого оставались стабильными в течение всей войны.
Надо признать, с пропагандой моркови правительство несколько
переусердствовало. Морковь превратилась в "бесценнейшее сокровище, выкопанное из родной
британской земли". Рецепт "морковного флана47" 1941 года ("напоминает об
"абрикосовом флане" - но при этом по-своему восхитителен") не смог одурачить
никого. Джему и мармеладу из моркови также не удалось занять достойное место на
кухонном столе британцев.
А вот португальцы морковный джем обожают. Это привело к тому, что в 2002
году Евросоюз перевел морковь в категорию фруктов.
На чем растут бананы?
Такой штуки, как банановое дерево, не существует.
Банановое растение - это, по сути, гигантская трава, а бананы - ее ягоды.
Согласно определению, трава - это "растение с мясистым, но не
одревесневающим стеблем, который, после того как растение зацветет и даст семена,
отмирает вниз до земли". Однако такое определение не всегда верно: к примеру, у
шалфея, чабреца и розмарина стебель как раз древесного типа (хоть и не покрыт
настоящей корой).
Таким образом, после цветения та часть травы, что находится над землей,
умирает. В случае же банана мы имеем дело с весьма необычным эффектом. После
отмирания одного стебля чуть дальше по корню начинает расти другой. Таким
образом, через несколько лет растение как бы "проходит" полметра-метр.
Банан пришел к нам из Малайзии, где его выращивают вот уже 10 тыс. лет.
Дикие бананы, которые до сих пор можно встретить в Юго-Восточной Азии, содержат
крупные, твердые семена и очень небольшое количество мякоти. Опыляются они
летучими мышами.
Бананы из вашего супермаркета - это культурный сорт, выбранный плантаторами
за их мясистую мякоть и отсутствие семян. Окультуривание дало растение
сладкое , вкусное, но стерильное: такой банан не способен размножаться без помощи
человека.
Большинство банановых растений не занималось "сексом" уже 10 тыс. лет.
Практически каждый из бананов, которые мы с таким удовольствием поедаем,
размножен вручную: от побега уже существующего растения, чей генетический фонд
не обновлялся аж 100 веков. Как следствие, банан чрезвычайно восприимчив к
различного рода болезням. Многие его виды уже пали жертвой таких грибковых
инфекций, как "черная сигатока" и "панамская болезнь", очень стойких к воз-
Флан - открытый пирог с фруктовой или ягодной начинкой.
действию фунгицидов. И если в ближайшее время не будет выведен генетически
модифицированный сорт, мы можем навсегда забыть о бананах.
Проблема, кстати, весьма серьезная. Бананы являются самой доходной мировой
экспортной культурой. Отрасль стоит 12 млрд. долларов в год и поддерживает
400 млн. человек, многие из которых живут за чертой бедности.
Большинство бананов поступает из жарких стран, однако, как это ни
парадоксально, крупнейшим европейским производителем бананов является Исландия.
Бананы выращивают в просторных теплицах, обогреваемых геотермальными водами,
всего двумя градусами южнее полярного круга.
"Фиффез" ("Fyffe's"), транснациональная компания-импортер, ежегодно
закупающая весь урожай бананов в Белизе, является ирландской.
Что из приведенного ниже является ягодой?
а) Клубника.
б) Малина.
в) Персик.
г) Арбуз.
Согласно определению, ягода - это "мягкий, сочный плод, содержащий
несколько семян".
Строго говоря, клубника, малина и ежевика являются не ягодами, а "сборными
костянками": костянкой называют мясистый плод, содержащий одну-единственную
косточку.
Персики, сливы, нектарины и оливки - все это костянки. Самой большой
костянкой в мире является кокос, который из-за его жесткой мякоти называют
"сухой костянкой".
Клубника, малина и ежевика считаются "сборными" костянками, поскольку
каждый отдельный плод, по сути, представляет собой гроздь миниатюрных костянок -
характерных бугорочков, составляющих плод малины и ежевики.
Такие костянки содержат по одной маленькой косточке - да-да, те самые
штучки, что застревают между зубами, когда вы лакомитесь ежевикой.
Томат, апельсин, лимон, грейпфрут, арбуз, киви, огурец, виноград, маракуйя,
папайя, перец и банан - все это ягоды. Черника - тоже ягода. Но называют ее
все по-разному: черница, чернижник, чернишник, черничник, чернега и т. д.
Что из приведенного ниже является орехом?
а) Миндаль.
б) Арахис.
в) Бразильский орех.
г) Грецкий орех.
Согласно определению, орех - это "простой, сухой плод с одним (реже двумя)
семенем, семенная оболочка которого становится очень твердой при созревании".
К настоящим орехам относят орех серый калифорнийский, грецкий орех, гикори,
пекан, каштаны (не путать с одноименной игрой48) , дубовые желуди, буковый
орешек, камнеплодник, лещину, фундук, граб, ольховые и березовые.
Арахис, миндаль, фисташки, кешью, бразильские, кокосовые, конский каштан и
кедровые - все это не орехи. Так что легендарное предостережение на пакетике
арахиса ("может содержать орехи"), строго говоря, не соответствует истине.
В Англии популярна детская игра в "каштаны", в которой конским каштаном бьют по каштану
противника, пытаясь разбить.
Бразильские орехи - это не орехи, а семена. По внешнему виду плоды похожи
на деревянные коробки с крышечкой (до двадцати четырех трехгранных семян в
каждой), которые растут на самой верхушке дерева, в 45 метрах над землей, и
могут запросто убить, если свалятся на голову. В Бразилии такие коробки
называют ouricos, "ёжики".
Миндаль - это косточка некогда мясистой костянки.
Всем знакомый арахис, известный также как земляной орех или земляной горох,
на самом деле является бобовым, которое растет под землей.
Родом он из Южной Америки, но в наши дни культивируется довольно широко,
особенно в штате Джорджия, США. Некоторые люди настолько сильно подвержены
аллергии на арахис, что даже мизерное количество (или вдыхание арахисовой
пыли) может оказаться для них смертельным; интересно, что те же самые люди
могут и не страдать аллергией на настоящие орехи.
Фисташки вообще смертельно опасны. Согласно Международному морскому кодексу
опасных товаров, безобидные с виду фисташки относятся к Классу 4.2: "Легко
воспламеняющиеся твердые вещества (Вещества, склонные к самовоспламенению)".
Свежие фисташки, если хранить их насыпью под давлением, могут самопроизвольно
вспыхнуть и вызвать пожар на судне.
Фисташки продолжают поглощать кислород и выделять углекислый газ даже после
сбора урожая. Это может оказаться серьезной проблемой при их транспортировке
морем. Если вентиляция обеспечена недостаточно, моряки, работающие в трюме
грузового судна, могут умереть от отравления углекислым газом или от нехватки
кислорода.
Люди употребляют фисташки в пищу уже не меньше 9000 лет. Мусульманская
легенда гласит, что фисташки были одним из плодов, которые Адам принес с собой
на Землю, когда спустился с Небес.
Что находится внутри кокоса?
Не молоко, а кокосовая вода.
Кокосовое молоко делается путем кипячения тертой кокосовой мякоти и
последующего процеживания. Вскипятите молоко дальше - и вы получите кокосовые
сливки.
Кокос - единственное растение, производящее семенную жидкость (по научному
- эндосперм). По мере роста кокоса находящееся внутри него семя превращается
в сладкую, рыхловатую массу - так называемое "кокосовое яблоко". Именно из
него прорастает молодой побег - пробивается в одно из трех расположенных на
конце плода отверстий.
Свежая кокосовая вода - великолепное средство от похмелья. Она полностью
стерильна, богата витаминами и минералами и обладает тем же солевым балансом,
что и кровь человека (технический термин - "изотоническая").
В силу своих характеристик кокосовая вода может заменять физиологический
раствор и широко используется в качестве напитка для спортсменов, особенно в
Бразилии, где на сегодняшний день эта отрасль оценивается в 75 млн. долларов.
Кокосовая вода быстро бродит, так что из нее получается замечательное вино и
уксус.
Кокосовое масло используют для лечения СПИДа. Будучи практически безопасным
жирным растительным маслом, оно продвигается на рынок как "самое полезное для
здоровья". Кокосовое масло содержит много лауриновой кислоты - насыщенного
жира, который есть в грудном молоке, - и обладает прекрасными антивирусными и
антибактериальными свойствами. Кроме того, оно снижает уровень холестерина в
крови, поскольку не попадает в систему кровообращения, а идет напрямую в
печень .
Вот несколько менее известных областей применения кокосовой пальмы: автомо-
бильная компания "Даймлер-Крайслер" использует волокно оболочек плодов кокоса
(или койр) для изготовления биологически разлагаемых сидений грузовиков
(более упругих, чем пенопласт); из разжиженного корня кокоса производят жидкость
для полоскания рта; приготовленную из оболочки орехов муку применяют для
очистки реактивных двигателей. Первый кокосовый автомобильный кузов уже на
чертежной доске конструкторов.
За кокосовой пальмой вот уже более 3000 лет держится слава самого полезного
дерева. В ранних санскритских текстах ее называют не иначе как kalpa vriksha
- "дерево, дающее всё".
Вы можете выжить на необитаемом острове, утоляя голод и жажду одним лишь
кокосом.
Кто открыл Австралию?
В ответ на такой вопрос мы до сих пор слышим всего два слова: "Капитан Кук"
(хотя крайне редко - в самой Австралии).
Давайте-ка по порядку. Начнем с того, что Кук был не "капитаном" - во время
первого плавания на судне "Индевер" он находился в звании лейтенанта. Не был
он и первым европейцем, побывавшим на континенте (голландцы опередили его на
150 лет) , и даже первым англичанином, ступившим на землю Австралии. Им был
Уильям Дампьер, который в 1697 году первым сделал запись о "большом прыгающем
животном".
Дампьер (1652-1715) - мореплаватель, навигатор, исследователь, картограф,
научный наблюдатель, пират и корсар. Александр Келкирк, прообраз знаменитого
Робинзона Крузо, был членом его команды. Дампьер трижды обогнул Землю и
изобрел первую карту ветров. В "Оксфордском словаре английского языка" его
фамилия цитируется более 1000 раз: в статьях про авокадо, барбекю, хлебное
дерево, кешью, палочки для еды, сеттльмент и тортилью49.
В последнее время все чаще муссируется версия о том, что первыми
иностранными визитерами на Австралийском континенте были китайцы. Имеется
археологическая находка, говорящая о высадке адмирала Зенг Хе (1371-1435) из великой
династии Минг неподалеку от современного Дарвина в 1432 году.
Если отбросить теорию "Зенг Хе открыл весь мир", придуманную Гэвином Мэнзи-
сом, автором нашумевшего бестселлера "1421: год, когда Китай открыл Америку",
то предположение, что этот выдающийся мореплаватель XV века (к слову,
мусульманин и евнух) достиг северных берегов Австралии, имеет неплохой шанс на
существование .
В конце концов, индонезийские рыбаки, сами не свои до местных морских
огурцов (которыми они довольно бойко торговали с китайцами), сделали это за много
лет до первых из европейцев.
Кое-кто из аборигенов, живущих в северных частях континента (в частности,
племя йолнгу), учились у заморских гостей рыбной ловле и плаванию под
парусом, заодно перенимая новые слова, орудия труда и стандартные дурные привычки
(алкоголь и табак).
Именно аборигены являются "первопроходца ми", добравшимися до Австралии
более 50 000 лет назад. Сегодняшнее их поколение - уже двадцатитысячное
(сравните со всего восемью в случае европейцев).
Этого более чем достаточно, чтобы стать свидетелем драматических изменений
в окружавшем их мире. Ландшафт внутренних районов Австралии 30 000 лет назад
представлял собой буйную зелень, наполненные до краев озера и покрытые снегом
Сеттльмент - особые районы в ряде колониальных и полуколониальных стран, где жили подданные
Великобритании и колониальных держав. Тортилья - лепешка из кукурузной или пшеничной муки со
специями.
горы.
Что на языке аборигенов значит слово "кенгуру"?
Нет, это не означает "Я не знаю" - что бы там ни говорили бесчисленные
вебсайты и всякие "познавательные" книжки, приводя данный случай в качестве
"забавнейшего примера культурного непонимания50".
Реальная история еще интереснее. В XVIII веке в Австралии насчитывалось по
меньшей мере 700 туземных племен, и говорили они на 250 языках.
Слово "кенгуру" (или "гангару") пришло к нам из языка племени гуугу-
йимитхирр, жившего в районе Ботани-Бей51, где оно означает большого серого
или черного кенгуру, Macropus robustus. Когда английские поселенцы осваивали
новые территории, двигаясь в глубь материка, они использовали это слово
применительно к любому взрослому кенгуру или валлаби.
Другое племя аборигенов - баганди - жило в 2250 км от Ботани-Бей и не
говорило по-гууго-йимитхиррски. Аборигены услышали новое слово от англичан и
решили, что оно означает "животное, о котором раньше никто никогда не слышал".
И поскольку раньше баганди никогда не видели лошадей, они (вполне логично)
использовали слово "кенгуру" для описания этих "диковинных" существ.
Как называется самая большая скала в мире?
Не Айерс-Рок.
Самой большой монолитной скалой в мире является гора Огастес (Mount
Augustus) (или Буррингурра, Burringurrah), расположенная в отдаленной части
Западной Австралии. Огастес в два с половиной раза больше Улуру (Uluru)
(новое название - Айерс-Рок, Ayers Rock) и одно из наименее известных, но самых
впечатляющих мест в мире.
Огастес возвышается над окружающей пустошью на 858 м, а ее гребень
протянулся более чем на 8 км.
Огастес не только больше и выше Улуру, скальная порода этой горы еще и
намного древнее. Тот серый песчаник, что открывается нашему взгляду, - это
остатки морского дна, образовавшегося здесь 1000 млн. лет назад. А прячущаяся
под песчаником порода представляет собой гранит возрастом 1650 млн. лет.
Самому же древнему песчанику Улуру всего 400 млн. лет.
Скала Огастес - священное место аборигенов ваджари. Свое название она
получила в честь юноши по имени Буррингурра, который пытался спастись от обряда
посвящения. Женщины племени догнали беглеца, ранили копьем в ногу, а затем
забили до смерти крепкими дубинками. Говорят, что форма скалы напоминает
распростертое тело: как будто юноша лежит на животе, подогнув к груди ногу, из
которой торчит обломок древка копья.
И, наконец, последнее жало под хвост заносчивых снобов из лагеря Айерс-Рок:
гора Огастес - это монолит, то есть цельный кусок породы. Улуру - нет. Айерс-
Рок - лишь верхушка громадной подземной горной системы, которая выпирает из
Земли еще в двух местах: гора Коннер (Аттила, Attila) и гора Ольга (Ката Тью-
та, Kata Tjuta).
Речь идет о следующей истории: "Когда великий мореплаватель Джеймс Кук приплыл к берегам
Австралии, его поразили эти удивительные животные. Пытаясь узнать, как называется это чудо
природы, Кук обратился к аборигенам. "Кенгуру" - немедленно последовал ответ. Так и
Записали. А на самом деле коренные жители Австралии просто не поняли, что хочет узнать
путешественник. "Я тебя не понимаю" - так переводится слово "кенгуру" с языка аборигенов Австралии".
Ботани-Бей - Залив в Новом Южном Уэльсе, Австралия.
Для чего использовались бумеранги?
Для охоты на кенгуру? Подумайте хорошенько. Основная задача бумеранга -
возвращаться назад. Они легкие и быстрые. Даже самый большой бумеранг вряд ли
причинит взрослому самцу кенгуру весом 80 кило больший вред, чем шишка на
голове. Но даже если бы бумеранги сбивали сумчатых с ног, какой смысл
придумывать так, чтобы они непременно прилетали назад к хозяину?
На самом деле бумеранг никогда не играл роли дубинки. Бумеранги
использовались для имитации ястребов, чтобы загнать пернатую дичь в свисающие с
деревьев силки, - эдакий деревянный охотничий пес в форме банана.
Не являются они и эксклюзивным оружием аборигенов. Самое древнее из
возвращающихся метательных орудий было найдено в пещере Олазова в польских Карпатах
- его возраст более 18 тыс. лет. Археологи попробовали находку в деле - она
оказалась полностью работоспособной.
Можно предположить, что использование подобных орудий является древнейшей
традицией: чтобы бумеранг работал надежно, его физические параметры должны
быть настолько точными, что вряд ли мы имеем дело с единичной поделкой.
Самым древним бумерангам аборигенов - 14 тыс. лет.
В Древнем Египте различные виды метательных деревянных орудий были
распространены с 1340 года до н.э. В Западной Европе возвращающийся метательный
снаряд под названием cateia использовался готами для охоты на птиц примерно с
100 года н.э.
Изидор Испанский, епископ Севильский так описывал cateia в VII веке:
"Есть еще "брошенная булава", видом как Галльская ракета, состоящая из
гибкого материала, которая летит не очень далеко, потому что довольно тяжелая,
но прилетает точно туда, куда надо. Сломать ее можно только очень большой
силой. А брошенная мастером, она возвращается назад к своему владельцу".
Вероятно, австралийские аборигены научились столь мастерски владеть
бумерангом потому, что не знали лука и стрел. Большинство аборигенов пользовались
как бумерангами, так и не возвращающимися метательными палками (известными
как "кайли").
Первое официально задокументированное употребление слова "бу-мар-ранг"
относится к 1822 году. Оно пришло к нам из языка племени турувал, жившего по
берегам Джордж-ривер неподалеку от Сиднея.
У турувал были и другие слова для обозначения охотничьих палок, но именно
"бумерангом" они называли те, что возвращались к охотнику. Турувал входят в
племенной союз Дарук. Многие слова австралийских аборигенов, вошедшие в
английский язык, пришли из языков этого союза, включая валлаби, динго, кукабурру
и коалу.
В какой религии насылают на людей
проклятье, тыкая булавками в кукол?
В религии вуду (известной как vodun в Бенине, voudou на Гаити и vudu в
Доминиканской Республике) нет такой практики - тыкать булавками в кукол, дабы
причинить кому-нибудь вред.
Колдовские обряды вуду - штука гораздо более сложная. Религиозный культ
вуду возник в Западной Африке, откуда с темнокожими рабами он и попал в Америку
и на острова Карибского бассейна.
В основе всех ритуалов вуду лежит исцеление. Пожалуй, самое близкое к тому,
что общепринято считать "куклой вуду", - это деревянная фигурка "бохео"
(bocheo) (буквально - "фигурка, наделенная властью") с маленькими отверстиями
в туловище. Чтобы направить исцеляющую энергию в нужное место, в
соответствующие отверстия вставлялись деревянные веточки.
"Кукла вуду" из популярного мифа на самом деле восходит к европейской
фигурке poppet ("кукла", "марионетка") (от латинского pupa - "кукла"),
традиционно использовавшейся для колдовства. Poppet, в свою очередь, восходит к
древнегреческим куклам, которые использовались в качестве защитных
скульптурных образов - так называемым kolossoi. Сделанная из глины, воска, набитой
ватой материи, зерна или фруктов, кукла становилась олицетворением объекта
колдовства: все, что делали с куклой, должно было произойти с человеком.
Король Иаков I упоминает о них в своей "Демонологии" (1603):
"Некоторых других, о которых я говорю, он (дьявол) научил, как делать
изображения из воска или глины: когда эти изображения кладутся на огонь, люди,
которых они изображают, и имена которых на них надписаны, начинают чахнуть и
увядают от постоянно мучающей их с этого момента болезни".
Что же касается образа последователей вуду как практикующих запретную в
Европе "черную магию", то безусловная "заслуга" в его создании принадлежит
ранним колонистам и рабовладельцам, которые для большей пикантности приправляли
свои россказни людоедством, зомби и человеческими жертвоприношениями. Именно
такие истории в первую очередь разогревали воображение толпы и разжигали
аппетит создателей первых кинофильмов и дешевых бульварных романов, внушая им
навязчивую идею о вуду как о чем-то ужасном и темном.
Втыкать булавки в людей и созерцать их страдания - идея для христианства
отнюдь не чуждая. Некоторые из наиболее зловещих образов распятия времен
Контрреформации52 выписаны столь откровенно, что не оставляют простора для
воображения.
Сегодня между вуду и христианством установилось равновесие: обе традиции
сосуществуют довольно мирно. Известная гаитянская пословица гласит: "Гаитяне
на восемьдесят процентов католики и на сто процентов вуду".
Откуда берутся мочалки?
С деревьев, а не из моря. То, о чем вы подумали, называется губка. Люфы53
же, из которых делают мочалки, растут на деревьях. Они что-то вроде тыквы и
считаются в Азии вкусным блюдом.
Люфа гладкая (Luffa urgyptiaca) - пышная, быстрорастущая однолетняя лоза,
дающая красивые желтые цветы и странного вида плоды. Они съедобные, пока
неспелые, и полезные, когда полностью созреют. Лоза может вырастать до 9 м,
цепляясь за все, что попадется ей на пути.
Родом, вероятно, из тропиков Африки и Азии, люфа растет во всех азиатских
странах и в больших количествах культивируется в США для экспорта в Японию.
Неспелые плоды длиной от 7,5 до 15 см можно обжаривать в масле целиком либо
нашинкованными или натирать на терке и использовать при приготовлении супов и
омлетов. Любые плоды длиной более 10 см следует очищать, поскольку кожура у
люфы становится горькой.
Если дать люфе созреть на лозе, пока плоды не станут коричневыми, а стебли
не пожелтеют, она легко чистится и ее можно использовать в качестве мочалки
для спины, отшелушивающего средства для кожи или губки для мытья посуды.
Контрреформация - церковно-политическое движение в Европе в XVI-XVII вв., возглавленное
папством и направленное против Реформации с целью восстановления позиций, утраченных
католицизмом в ряде стран в первой половине XVI в. Одним из главных орудий Контрреформации была
инквизиция.
53
Люфа - вид растении из семейства тыквенных, наряду с огурцом; в основном используется как
губковидная мочалка.
Какое дерево самое крепкое?
Пробковое, оно же - бальза. Это самое крепкое дерево на свете, если
измерять по трем категориям - жесткость, гибкость и способность к сжатию, -
крепче , чем дуб и сосна.
Несмотря на то, что бальза - дерево самое мягкое, оно не относится к
породам с мягкой древесиной (хвойным), а является деревом твердых пород
(лиственным) . Ботанический термин "твердая древесина" применяется для лиственных
пород - широколистных и, главным образом, листопадных деревьев, являющихся
покрытосеменными (то есть цветковыми, такими, как бальза) растениями - в
отличие от хвойных голосемянных (то есть нецветковых, таких, как сосна).
Пробковое дерево также и очень легкое, хотя и не самое легкое в мире. Самое
легкое и практичное дерево родом из Новой Зеландии и называется whau
(произносится "фау"). Рыбаки-маори делают из него поплавки.
Слово balsa в переводе с испанского означает "плот". Пробковому дереву не
страшны древоточцы.
Где жили люди в каменном веке?
Пора бы уже раз и навсегда забыть об этом клише.
"Пещерный человек" - не слишком-то подходящее описание для людей, живших в
каменном веке и во времена палеолита. Все это - часть старой школы
преподавания истории из серии "честно говоря, мне до лампочки все, что там было до
римлян", столь почитаемой в конце XIX столетия. Современные историки и
археологи, кстати, от нее давно отказались.
Неандертальцы эпохи палеолита были охотниками-собирателями, вели кочевой
образ жизни и пещерами пользовались лишь время от времени. Всего в Европе
археологи обнаружили 277 таких пещер, в том числе Альтамира в Испании, Ласко во
Франции и Крезвелл-Крэгз в Дербишире. Там действительно присутствуют
наскальные рисунки и следы костра, приготовления пищи, ритуалов и захоронений, но ни
одна из данных пещер не предназначалась для постоянного местожительства.
Самым ранним образцам европейской наскальной живописи около 40 тыс. лет -
хотя всем известно, что точный возраст в таких случаях определить крайне
сложно. Краска не органическая, так что датировать ее по углероду не
представляется возможным.
Наиболее убедительное объяснение функций наскальной живописи отсылает нас к
более поздним рисункам, сделанным охотниками-собирателями в Южной Африке и
Австралии. Здесь рисунки были творением шаманов, которые входили в темные и
часто заброшенные пещеры для того, чтобы связываться с миром духов. Другая
теория предполагает, что наскальные рисунки были обычными граффити
неандертальских подростков.
По оценкам специалистов, на сегодняшний день в Северном Китае около 4 0 млн.
человек проживают в домах-пещерах (или землянках) - так называемых yaodong. С
учетом того, что все население Земли в 8000 году до н.э., вероятно,
составляло не более пяти миллионов, пещерных людей на планете сегодня в восемь раз
больше, чем людей самого разного сорта в те далекие времена.
Люди, живущие в пещерах, называются троглодитами - от греческого
troglodytes, "живущий в норе или пещере".
К местам, где и сегодня можно встретить жилища троглодитов, относятся Кап-
падокия в Турции, Андалусия в Южной Испании, Нью-Мексико в США и Канарские
острова.
Все это может стать скорее началом, чем концом тенденции. Результаты
исследования , проведенного специалистами из университета английского города Бат,
говорят о том, что подземное жилище использует на 25% меньше энергии, чем
обычный дом.
Какое животное человек одомашнил первым?
а) Овцу.
б) Свинью.
в) Северного оленя.
г) Лошадь.
д) Собаку.
Примерно 14 ООО лет назад неандертальские охотники-собиратели, жившие на
сегодняшней границе между Россией и Монголией, научились выманивать северных
оленей из больших мигрирующих групп и разводить отдельно, создавая свои
маленькие стада.
Северный олень стал для первобытных людей чем-то вроде ходячей лавки, давая
им мясо, молоко и шкуры для одежд. Возможно, в тот же самый период
неандертальцы начали дрессировать собак, чтобы те помогали им одомашнивать оленей.
На сегодняшний день в мире насчитывается около трех миллионов домашних
северных оленей, большинство из которых живет на просторах Лапландии,
протянувшейся через Швецию, Норвегию, Финляндию и Россию.
Пасущие северных оленей лопари предпочитают называть себя "саами".
Возможно, им просто невдомек, что "саами" переводится с древне-шведского как "ча-
вы54".
В Северной Америке оленей зовут "карибу". Слово происходит от xalibu, что
на языке коренных жителей Восточной Канады - микмаков - означает "тот, кто
копает". Северный олень/карибу использует свои мощные копыта, чтобы
разгребать снег и добираться до лишайника. Лишайник (он же ягель) составляет две
трети рациона северных оленей.
Северные олени - кочевые животные: каждый год они проходят расстояние до
4800 км - мировой рекорд среди млекопитающих. Кроме того, они очень быстрые:
по суше северный олень может бежать со скоростью 77 км/ч, по воде - 9,6 км/ч.
Из-за щелкающих ножных сухожилий передвижение стада мигрирующих оленей
напоминает съезд любителей кастаньет.
Ниже приводится примерная таблица дат одомашнивания основных животных:
Северные олени - 12 ООО лет до н.э.
Собаки (Евразия, Сев. Америка) - 12 ООО лет до н.э.
Овцы (Ю.-З. Азия) - 8000 лет до н.э.
Свиньи (Ю.-З. Азия, Китай) - 8000 лет до н.э.
Крупный рогатый скот (Ю.-З. Азия, Индия, Сев. Африка) - 8000 лет до н. э.
Одомашнивание и приручение - это не одно и то же. Первое предполагает
селекционное разведение. Слонов можно приручить, но домашними они при этом
отнюдь не становятся.
Кто был первым королем Англии?
Внук Альфреда Великого.
Король Этельстан (924-939) был первым истинным "Королем всея Англии". Его
дед, Альфред Великий, был всего лишь королем Уэссекса, даже, несмотря на то,
что сам он именовал себя - несколько оптимистически - "Королем всех Англи-
Слово "чав" в молодежной субкультуре современной Великобритании означает подростка или
молодого человека, часто малообразованного, слепо следующего моде, живущего на пособие или
устраивающегося на неквалифицированную работу. Для представителей среднего класса "чавы"
олицетворяют лень, невежество и глупость.
чан". Когда Альфред вступил на престол, Англия все еще представляла собой
пять отдельных королевств. При жизни Альфреда к его владениям был присоединен
Корнуолл, однако Мерсия, Нортумбрия и Восточная Англия сдались завоевателям-
викингам .
После одного из сражений с датчанами Альфред был вынужден скрываться в
глухих лесах Сомерсета (где он не жег никаких лепешек55) . Впоследствии Альфред
возобновил военные действия против датчан и в конечном итоге отвоевал свое
старое королевство, заключив мир после блестящей победы над главнокомандующим
викингов Гутрумом при Эллингтоне в 878 году. Однако при этом, непонятно
Зачем, Альфред отдал врагу половину страны (всю ее часть к востоку от границы
между Лондоном и Честером). С того момента она получила название "Дейнло",
или "территория действия датского права". В ответ на такую уступку Гутрум
согласился принять христианство.
Альфред стремился к тому, чтобы ни один из скандинавских захватчиков более
не мог с легкостью совершать набеги на его королевство, и незамедлительно
приступил к созданию целой сети городов-крепостей для защиты своей
территории .
План сработал. Ко времени вступления на престол его внука контроль Уэссекса
над всей Англией был полностью обеспечен. В битве при Брунанбуре в 937 году
Этельстан наголову разбил войска королей Шотландии, Стратклайда и Дублина и
установил в Англии англо-саксонское королевство.
Никто до сих пор не может точно сказать, где находился тот самый "Брунан-
бур". Наиболее правдоподобной представляется версия Тинсли-Вуд, неподалеку от
Шеффилда.
Последним королем "Англии" - то есть последним, кто правил лишь Англией и
ничем другим, - был Гарольд Годвинсон, или Гарольд II. Его преемник Вильгельм
был уже не просто королем Англии, но и герцогом Нормандским, так что вплоть
до 1558 года, когда Кале был окончательно сдан французам, английская корона
контролировала весьма значительную часть Франции.
В Англии все Знают рассказ о том, как король Альфред, спасаясь от Завоевателей-викингов,
нашел приют в доме деревенской женщины. Отлучившись на короткое время, хозяйка попросила его
присматривать За лепешками, которые пекла. Занятый мыслями, как вернуть себе королевство,
Альфред не Заметил, как лепешки сгорели. С тех пор типичная реакция англичан на имя King
Alfred - "burnt the cakes" ("сжег лепешки").
Редакция журнала обращается ко всем
читателям с просьбой помочь в формировании
номеров . Если Вам где-либо в интернете
встретиться статья, про которую вы подумаете,
что она могла бы подойти для журнала
«Домашняя лаборатория» - не поленитесь,
сбросьте ссылку на адрес domlab@ inbox.com.
Если у Вас есть идеи о том, каким должен
быть этот журнал - мы может дать Вам
возможность попробовать себя в качестве его
редактора. «Дорогу осилит идущий».